Электрические параметры электроэнергетических систем
При анализе работы сети различают параметры элементов сети и параметры ее режимов.
Параметрами элементов электрической сети являются сопротивления и проводимости, коэффициенты трансформации. К параметрам сети также относят электродвижущую силу (э.д.с.) источников и задающие токи (мощности) нагрузок. К параметрам режима относятся: значения частоты, токов в ветвях, напряжений в узлах, фазовых углов, полной, активной и реактивной мощностей электропередачи, а также значения, характеризующие несимметрию трехфазной системы напряжений или токов и несинусоидальность изменения напряжения и токов в течение периода основной частоты.
Под режимом сети понимается ее электрическое состояние. Рассмотрим возможные режимы работы электрических систем.
При работе в нормальном установившемся режиме значения основных параметров (частоты и напряжения) равны номинальным или находятся в пределах допустимых отклонений от них, значения токов не превышают допустимых по условиям нагревания величин. Нагрузки изменяются медленно, что обеспечивает возможность плавного регулирования работы
электростанций и сетей и удержание основных параметров в пределах допустимых норм. Отметим, что нормальным считается режим и при включении и отключении мощных линий или трансформаторов, а также для резкопеременных (ударных) нагрузок. В этих случаях после завершения переходного процесса, который продолжается доли секунды, вновь наступает установившийся нормальный режим, когда значения параметров в контрольных точках системы оказываются в допустимых пределах.
В переходном неустановившемся режиме система переходит из установившегося
нормального состояния в другое установившееся с резко изменившимися параметрами. Этот режим считается аварийным и наступает при внезапных изменениях в схеме и резких изменениях генераторных и потребляемых мощностей. В частности, это имеет место при авариях на станциях или сетях, например при коротких замыканиях и последующем отключении поврежденных элементов сети, резком падении давления пара или напоров воды и т.д. Во время аварийного переходного режима параметры режима системы в некоторых ее контрольных точках могут резко отклоняться от нормированных значений.
Послеаварийный установившийся режим наступает после локализации аварии в системе. Этот режим чаще всего отличается от нормального, так как в результате аварии один или несколько элементов системы (генератор, трансформатор, линия) будут выведены из работы. При послеаварийных режимах может возникнуть так называемый дефицит мощности, когда мощность генераторов в оставшейся в работе части системы меньше мощности потребителей.
Параметры послеаварийного (форсированного) режима могут в той или иной степени отличаться от допустимых значений. Если значения этих параметров во всех контрольных точках системы являются допустимыми, то исход аварии считается благополучным. В противном случае исход аварии неблагополучен и диспетчерская служба системы принимает немедленные меры к тому, чтобы привести параметры послеаварийного режима в соответствие с допустимыми.
Параметры сети и характер нагрузки
Параметры сети и характер нагрузки
Номинальным напряжением приемников электрической энергии называется напряжение, при котором они предназначены для нормальной работы.
Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением приемников электрической энергии, в том числе и трансформаторов, которые от нее питаются. Отличие действительного напряжения на выводах приемника электрической энергии от номинального напряжения является одним из основных показателей качества электрической энергии. Напряжение у потребителя (подстанция, завод, трансформаторный пункт) или у отдельного приемника (электродвигатель, лампа накаливания) никогда не остается постоянным в течение суток. В процессе нормальной эксплуатации электрической сети наблюдаются плавные, закономерные отклонения напряжения от среднего уровня или резкие кратковременные колебания напряжения, вызванные внезапным изменением режимов работы приемников. Поддержать напряжение у потребителей неизменным и равным номинальному практически невозможно. Пределы допустимых отклонений напряжения, которые удобно выражать в процентах от номинального напряжения (δU), пользуясь формулой:
Очевидно, что отклонение напряжения положительно, когда напряжение у приемника U2 выше номинального Uн и отрицательно — в противоположном случае. Ответить на вопрос, какое из отклонений, положительное или отрицательное, лучше, в ряде случаев весьма трудно. Для этого каждый приемник рассматривают с точки зрения его назначения, места установки и режима работы, так как совсем не безразлично, применена ли лампа накаливания в светильнике наружного освещения или над рабочим местом в цехе. Во всех случаях следует руководствоваться нормами предельно допустимых отклонений напряжения у приемников.
Из таблицы видно, для одних и тех же приемников, например ламп накаливания, в условиях жилых помещений можно допустить отклонения в пределах ± 5%, так как это практически не отразится на жителях, в то время как снижение напряжения больше чем на 2,5 % у ламп рабочего освещения недопустимо из-за возможного брака. При снижении напряжения на 5 % номинального светового потока лампы накаливания снижается до 82,5 %, а люминесцентные лампы перестают работать устойчиво. При повышении напряжения, например, на 5 % срок службы лампы снижается до 350 часов вместо нормальных 1000 часов. Мощность нагревательных приборов, вращающий момент асинхронных двигателей и мощность конденсаторов изменяются пропорционально квадрату, то есть второй степени напряжения. Поэтому даже незначительные изменения напряжения резко ухудшают основные характеристики этих приемников.
Параметры электрической сети включают в себя параметры линейных элементов (индуктивные) сопротивления проводов и кабелей, и те же параметры трансформаторов. При решении вопросов, связанных с регулированием напряжения сети, составляется расчетная схема замещения, в простейшем случае представляющая собой последовательное соединение всех активных и индуктивных сопротивлений. для превращения схемы сети в схему замещения необходимо определить параметры линейных элементов, для чего необходимо знать протяженность линий, марку провода и его сечение, а также расстояние между проводами. К параметрам линейных элементов сети, оказывающим влияние на величину напряжения у приемников, относятся величины:
r0 — активное сопротивление на каждый километр, Ом;
x0 — индуктивное (реактивное) сопротивление на каждый километр линии, Ом.
Индуктивное сопротивление x0 для трехфазной линии тем больше, чем чем больше расстояние между проводами. Это объясняется тем, что соединение провода своим магнитным потоком уменьшают ЭДС самоиндукции в проводах и тем в большей степени, чем они ближе друг к другу. Для кабельных линий или проводов, расположенных в одной трубе, расстояние между отдельными жилами незначительно и поэтому x0, близко к 0,08 Ом/км. В линиях постоянного тока индуктивное сопротивление отсутствует, так как там нет переменного магнитного поля. Для заводских сетей, проложенных на изоляторах или роликах, при расстояниях между проводами 50-150 мм индуктивное сопротивление составляет примерно 0,3 Ом/км, а для воздушных сетей близко к 0,4 Ом/км.
Сопротивления линий могут быть легко получены по формулам:
где l — протяженность линии, км.
В заводских сетях схема замещения силового трансформатора, связывающего сеть высокого и низкого напряжений, принимаются состоящей только из последовательно соединенных активного Rт и индуктивного Xт сопротивлений. Для определения этих параметров необходимо воспользоваться следующими данными заводского паспорта трансформатора или по данным ГОСТ: номинальная мощность трансформатора Sн, кВА; номинальное линейной напряжение обмотки низшего или высшего напряжения Uн, кВ; потери в обмотках или потери короткого замыкания ΔPкз, кВт; напряжение короткого замыкания, uк, %.
Для расчета используются формулы:
Электроснабжение промышленных предприятий осуществляется, как правило, по распределительной воздушной или кабельной сети 6, 10 или 35 кВ. Распределительная сеть высокого напряжения через трансформаторы связана с сетью низкого напряжения. параметры сети высокого, низкого напряжений и самого трансформатора можно только тогда связывать электрической схемой замещения, когда все они предварительно будут рассчитаны или, как говорят, приведены к одному напряжению, принятому за базисное. Пересчет сопротивлений на «базисное» напряжение и получение «приведенных» сопротивлений производится по формулам:
где R’, X’ — приведенные величины активного и реактивного сопротивлений; U’ — базисное, обычно высшее напряжение трансформатора; Uн — номинальное напряжение того участка сети, на котором находится пересчитываемое сопротивление.
После приведения сопротивлений к одному напряжению сеть, имеющую одну ступень трансформации, можно рассматривать как сеть одного базисного напряжения. Схема замещения для сети с одной ступенью трансформации приведена на рисунке ниже.
Приемники электрической энергии могут быть разделены на две группы.
К первой из них следует отнести приемники, в которых электрическая энергия целиком переходит в тепло, например лампы накаливания, дуговые печи, нагревательные приборы обычного типа.
Ко второй группе относятся приемники, действие которых невозможно без наличия переменного магнитного поля. К ним относятся все электродвигатели переменного тока, индукционные печи, трансформаторы и т.д. В этих приемниках энергии в течение четверти периода накапливается магнитное поле, в течение следующей четверти уходит из магнитного поля обратно к источнику. Эти чередующиеся перемещения энергии в линии вызывают протекание по линии дополнительного тока, называемого намагничивающим или реактивным Iр. Ток этот отстает по времени от напряжения на четверть периода (0,005 секунд). Для пояснения процессов, происходящих в цепях переменного тока, принято пользоваться тригонометрическим соотношением между сторонами прямоугольного треугольника ОАВ (рисунок ниже).
При этом ток I рассматривается как вектор, совпадающий с гипотенузой треугольника, а катеты рассматриваются как составляющие тока — активная Iа и реактивная Iр. Амперметр, включенный в рассечку линии, показывает величину тока I, проходящего по цепи, из которого только часть Iа обеспечивает развитие активной мощности. Реактивная слагающая тока Iр есть следствие процесса перетока энергии магнитного поля, которая загружает сеть, создавая в ней дополнительные потери энергии и напряжения. Чтобы судить об экономичности использования сети и оборудования по величине тока и напряжения при наличии реактивной составляющей тока, используется как называемый коэффициент мощности, который из векторной диаграммы определяется как:
cosф = P/ S или cosф = Iа / I.
Подобные соотношения справедливы и для мощности одной фазы трехфазной системы. Активная слагающая тока Iа = I·cosф входит в выражение активной мощности, определяя ее при заданном напряжении U:
Реактивная слагающая тока Iр = I· sinф входит в выражение реактивной мощности, определяя ее при заданном напряжении U:
Коэффициент мощности для осветительной или, как говорят, чисто активной нагрузки близок к единице. При выборе способа и средств регулирования напряжения на зажимах трехфазного приемника с симметричной нагрузкой фаз необходимо, кроме параметров питающей линии, установить характер самой нагрузки, то есть активную и реактивную составляющие тока (мощности). проще всего это можно осуществить с помощью имеющихся практически у каждого потребителя электросчетчиков «активной» и «реактивной» энергии.
Электрические сети и их параметры
Раздел 1
1.1 Общие понятия об электроэнергетических системах и электрических сетях
Под электроэнергетической, или электрической системой, обычно понимают электрическую часть энергетической системы. При этом под энергетической системой понимают совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования всех видов энергии. Таким образом, энергетическая система состоит из источников энергоресурсов, котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий электропередачи, трансформаторов и потребителей электрической энергии.
Электроэнергетическая система производит, преобразует, распределяет и потребляет исключительно электрическую энергию. Обеспечивает объединение электростанций между собой, которые с помощью линий электропередачи связываются с потребителями электроэнергии. При этом получаются существенные технико-экономические преимущества:
— возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанций. Это снижает стоимость 1 кВт установленной мощности;
— значительное повышение надежности электроснабжения потребителей;
— повышение экономичности работы различных типов электростанций. При этом обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;
— снижение необходимой резервной мощности на электростанциях.
Электрические сети – это элементы электроэнергетической системы, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из линий электропередачи, подстанций, распределительных и переключательных пунктов.
1.2 Классификация электрических сетей
Электрические сети целесообразно классифицировать по ряду показателей, основными из которых являются: конструктивное исполнение, род тока, номинальное напряжение, назначение сети, конфигурация схемы сети.
По конструктивному исполнению различают воздушные, кабельные линии и внутренние проводки. Воздушной называется линия, выполненная неизолированными проводами, которые с помощью изоляторов подвешиваются над землей на опорах.
Кабелем называется система проводов, изолированных взаимно и от окружающей среды. Линии, выполненные кабелем, или кабельные линии, обычно прокладываются в земле. Это имеет свои преимущества – безопасность, сокращение территории, необходимой для отчуждения, но и свои недостатки – большая стоимость, затрудненность эксплуатации и устранения повреждений, сложность изготовления.
Внутренние проводки выполняются изолированными проводами, прокладываемыми на изоляторах или в трубах по стенам и потолкам зданий или внутри стен, а также специальными шинопроводами.
По роду тока различаются сети переменного и постоянного тока. Основные сети переменного тока имеют трехфазное исполнение.
Сети постоянного тока выполняются в настоящее время относительно редко, для сетей промышленных предприятий (например, в цехах электролиза, на алюминиевых заводах).
По напряжению электрические сети можно разделить на низковольтные (до 1000 В) и высоковольтные (выше 1000 В).
По назначению разделяются сети на питающие и распределительные. Питающей линией называется линия, питающая распределительный пункт или подстанцию от центра питания без распределения электроэнергии по ее длине. Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей.
По конфигурации схемы сети различаются на разомкнутые и замкнутые. К разомкнутым относятся сети, образованные линиями, нагрузки которых могут получать электроэнергию только с одной стороны (рисунок 1.1). Замкнутыми сетями называются такие сети, по которым возможно осуществить электроснабжение потребителей не менее, чем с двух сторон (рисунок 1.2 а,б).
1.3 Требования, предъявляемые к электрическим сетям
Электрические сети должны обеспечивать надежное электроснабжение потребителей и требуемое количество электроэнергии. При этом работа сетей должна соответствовать требованиям наибольшей экономичности. Это относится и к условиям проектирования, и к условиям эксплуатации. Можно выделить пять основных требований к сетям:
Надежность работы. Вопрос о надежности электроснабжения потребителей возникает в связи с тем, что практически все элементы сети с течением времени повреждаются. Повреждения могут происходить при повышении грозовой деятельности, усиленных ветровых воздействиях, тяжелых гололедных образованиях и т.п. Повышение надежности электроснабжения может обеспечиваться не только снижением повреждаемости и резервированием элементов сети, но и другими способами, которые могут оказаться более оправданными экономически. Для осуществления надежного электроснабжения, кроме резервирования, необходимы надежно действующие устройства релейной защиты и автоматики: АПВ – автоматического повторного включения, АРВ – автоматического включения резерва, АЧР – автоматической частотной разгрузки и др.
Качество электроэнергии. Каждый потребитель должен получать качественную электроэнергию. Это определяется основными показателями качества энергии: уровнем напряжения; уровнем частоты; симметрией трехфазного напряжения и формой кривой напряжения.
Качество электроэнергии в современных протяженных электрических сетях с большим количеством электроприемников зависит от многих условий работы сети. Оно оказывается практически различным в разных местах сети, но может регулироваться применением специальных устройств.
Экономичность. Чтобы сеть была экономичной, необходим выбор наиболее целесообразных конфигураций схем сети, напряжений сечений проводов и т.д. Поэтому намечается ряд вариантов, которые сравниваются между собой по установленному критерию, называемому “приведенные затраты”. Этот критерий учитывает потери энергии, капитальные вложения и ущерб. Вариант, у которого приведенные затраты минимальные, является оптимальным.
Безопасность и удобство эксплуатации. Для обеспечения безопасности персонала согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) применяют заземления, ограждения, сигнализацию, специальную одежду и другие приспособления.
Кроме обеспечения безопасности, должно быть предусмотрено также удобство эксплуатации: удобство различного рода переключений, подхода к ремонтируемому оборудованию, достаточного прохода для осмотров и т.д.
Возможность дальнейшего развития. Электрическая сеть вследствие увеличения нагрузок, а также непрерывного появления новых потребителей все время находится в состоянии развития и реконструкции. Заменяются, реконструируются линии и трансформаторные подстанции. Необходимо так проектировать электрическую сеть, чтобы была возможность дальнейшего расширения без коренного переустройства сети.
1.4 Задачи расчетов электрических сетей
В процессе эксплуатации электрических сетей, а также при их проектировании требуется выполнение ряда расчетов. Цели этих расчетов определяются характером решаемых задач. Так в ряде случаев для существующей сети определяются параметры режима основных ее элементов. При этом определяются напряжение в узловых точках сети, токи и мощности в линиях и трансформаторах. Аналогичные расчеты выполняются и при проектировании электрической сети.
Кроме того, приходится проводить проверку элементов сети на нагрев и выполнять дополнительные расчеты. Это расчеты токов короткого замыкания, оптимизация режимов, проверка статической и динамической устойчивости, а также расчеты перенапряжений, которые могут возникать в электрической сети.
При изучении работы электрической сети любых типов необходимо рассматривать не только электрические процессы, происходящие непосредственно в сетях, но и затрагивать в той или иной мере процессы во всей электроэнергетической системе.
Состояние системы (сети) в любой момент времени или практически на некотором интервале времени называется режимом системы (сети). Режим определяется показателями, которые называются параметрами режима. К их числу относятся: частота, активная и реактивная мощности в элементах системы и напряжения у потребителей и в различных точках сети, величины токов и углов расхождения векторов э.д.с. и напряжения.
Различают три основных вида режимов электрических систем:
— нормальный установившийся режим, применительно к которому проектируется электрическая сеть и определяются ее технико-экономические характеристики;
— послеаварийный установившийся режим, наступающий после аварийного отключения какого-либо элемента сети или ряда элементов (в этом режиме система и соответственно сеть могут работать с несколько ухудшенными технико-экономическими характеристиками);
— переходный режим, во время которого система переходит из одного состояния в другое.
2.1 Конструктивные элементы воздушных линий электропередачи
Воздушные линии электропередачи (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояние по проводам. Основными конструктивными элементами являются провода, грозозащитные тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. Для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений в верхней части опор над проводами монтируют грозозащитные тросы.
Опоры поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды. Изоляторы предназначены для изоляции провода от опоры. Линейная арматура предназначена для крепления провода к изоляторам и изоляторов к опорам.
Наибольшее распространение получили одно- и двухцепные ВЛ. Одна цепь трехфазной ВЛ состоит из проводов разных фаз. Две цепи могут располагаться на одной опоре.
2.2 Провода ВЛ и грозозащитные тросы
На воздушных линиях применяются неизолированные провода. Наибольшее распространение получили алюминиевые, сталеалюминиевые провода, а также из сплавов алюминия – АН, АЖ. Грозозащитные тросы, как правило, изготавливаются из стали. Кроме защиты ВЛ от грозовых перенапряжений, тросы используются для организации высокочастотных каналов связи. Такие тросы выполняются сталеалюминиевыми.
Стальной сердечник предназначен для увеличения механической прочности. Алюминий служит токопроводящей частью провода.
Алюминиевые однопроволочные провода вообще не выпускаются из-за их низкой прочности. Многопроволочные алюминиевые провода обычно применяются в распределительных сетях до 35 кВ, а в сетях с более высоким напряжением применяются сталеалюминиевые провода. Выпускаются алюминиевые провода марок А и АКП.
Сталеалюминиевые провода наиболее широко применяются на ВЛ. Проводимость стального сердечника не учитывается, а за электрическое сопротивление принимается сопротивление алюминиевой части. Выпускаются сталеалюминиевые провода марок АС, АСКС, АСКП, АСК.
В обозначение марки провода вводится сечение алюминиевой части провода и сечение стального сердечника, например АС 120/19 или АСКС 150/34.
Опоры ВЛ делятся на анкерные и промежуточные. Эти опоры различаются способом подвески проводов. Промежуточные опоры служат для поддержания провода с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. Анкерные опоры предназначены для натяжения проводов. Расстояние между промежуточными опорами называется промежуточным пролетом или просто пролетом, а расстояние между анкерными опорами – анкерным пролетом.
Анкерные опоры предназначены для жесткого закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ: на пересечениях важных инженерных сооружений ( например, железных и автомобильных дорог), на концах ВЛ и на концах прямых ее участков. Анкерные опоры значительно сложнее и дороже промежуточных, и поэтому их число на каждой линии должно быть минимальным.
В точках поворота линии устанавливают угловые опоры Они могут быть анкерного или промежуточного типа.
На ВЛ применяются специальные опоры следующих типов: транспозиционные – для изменения порядка расположения проводов на опорах; ответвительные – для выполнения ответвлений от основной линии; переходные – для пересечения рек, ущелей и т.д.
По материалу опоры делятся на деревянные, металлические и железобетонные.
Деревянные опоры применяются на ВЛ до 110 кВ включительно в основном в районах, богатых лесными ресурсами. Недостаток деревянных опор – подверженность древесины гниению и вследствие этого небольшой срок службы.
Металлические опоры (стальные) применяются на ВЛ 35 кВ и выше, обладают высокой механической прочностью и большим сроком службы (рисунок 2.2). Однако они требуют большого количества металла и регулярной окраски.
а – напряжением 220 кВ; б- 330 кВ ( размеры в метрах)
Железобетонные опоры (рисунок 2.3) применяются для всех классов напряжений до 500 кВ включительно, долговечней деревянных, отсутствует коррозия деталей, просты в эксплуатации и поэтому получили широкое распространение. Они имеют меньшую стоимость, но обладают большой массой и относительной хрупкостью поверхности бетона, а также малую прочность на поперечный изгиб.
2.4 Изоляторы и линейная арматура
В подвесных гирляндах провод только поддерживается с помощью зажимов, в натяжных – закрепляется наглухо. Натяжные гирлянды находятся в более тяжелых условиях, чем подддерживающие. Поэтому на линиях до 110 кВ число изоляторов принимается на один больше.
3.1 Основные сведения о конструкции кабелей
Силовые кабели состоят из одной или нескольких токоведущих жил, отделенных друг от друга и от земли изоляцией. Поверх изоляции для ее предохранения от влаги, кислот и механических повреждений накладывают защитную оболочку и стальную ленточную броню с защитными покровами. Токоведущие жилы, как правило, изготавливаются из алюминия как однопроволочными (сечением до 16 мм 2 ), так и многопроволочными.
Изоляция выполняется из специальной пропитанной минеральным маслом кабельной бумаги, накладываемой в виде лент на токоведущие жилы. При прокладке кабелей на вертикальных и крутонаклонных трассах возможно перемещение пропитывающего состава вдоль кабеля. Поэтому для таких трасс изготавливаются кабели с обедненно-пропитанной изоляцией и с нестекающим пропитывающим составом. Изготавливаются также кабели с резиновой или полиэтиленовой изоляцией.
Защитные оболочки, накладываемые поверх изоляции для ее предохранения от влаги и воздуха, бывают свинцовыми, алюминиевыми или поливинилхлоридными. Рекомендуется широко использовать кабели в алюминиевой оболочке. Кабели в свинцовой оболочке предусмотрены для прокладки под водой, в угольных и сланцевых шахтах, в особо опасных коррозионно- активных средах. В остальных случаях выбор кабелей в свинцовой оболочке необходимо специально технически обосновать.
Свинцовые, алюминиевые или поливинилхлоридные оболочки надо защитить от механических повреждений. Для этого на оболочку накладывают броню из стальных лент или проволок. Алюминиевая оболочка и стальная броня в свою очередь подлежат защите от коррозии и химического воздействия. Для этого между оболочкой и броней, а также поверх брони накладывают внутренний и внешний защитные покровы. Внутренний защитный покров (или подушка под броней) – это джутовая прослойка из хлопчатобумажной пропитанной пряжи или из кабельной сульфатной бумаги. Поверх этой бумаги накладывают еще две поливинилхлоридные ленты. Наружный защитный покров также из джута, пропитанного антикоррозийным составом. Для прокладки в туннелях и других местах, опасных в пожарном отношении, применяют специальные кабели с негорючими защитными покровами.
На рисунке 3.1 показан трехжильный кабель 1 – 10 кВ с бумажной изоляцией.
Рисунок 3.1-Устройство трехжильного кабеля напряжением 1-10 кВ с секторными жилами:
Газонаполненные кабели применяются при напряжении 10 – 110 кВ. Это освинцованные кабели с изолирующей бумагой, пропитанной относительно малым количествам компаунда. Кабель находится под небольшим избыточным давлением инертного газа (обычно азота), что значительно повышает изолирующие свойства бумаги. Постоянство давления обеспечивается тем, что утечки газа компенсируются непрерывной подпиткой.
Кабели переменного тока напряжением 110 и 220 кВ изготовляются маслонаполненными. Масло находится под давлением. В зависимости от этого отличают кабели среднего (для сетей 110 кВ) и высокого (для 220 кВ) давлений. Давление масла поддерживается баками давления, установленными по трассе линии. Давление масла предотвращает появление воздуха и его ионизацию, устраняя одну из основных причин пробоя. Для нахождения мест утечек масла кабели снабжаются сигнализацией давления масла.
4.1 Схемы замещения, параметры воздушных и кабельных линий
Воздушные линии электропередачи напряжением 110 кВ и выше длиной до 300-400 км обычно представляются П – образной схемой замещения.
Активное сопротивление проводов и кабелей определяется материалом токоведущих жил и их сечениями. Погонное активное сопротивление (на 1 км длинны) для голых проводов и кабелей при температуре +20°С определяется
Активное сопротивление линии, длиной l определяется
Активное сопротивление проводов и кабелей при частоте 50Гц примерно равно омическому сопротивлению. При этом не учитывается влияние поверхностного эффекта. Пренебрегают также тем влиянием, которое оказывают на величину активного сопротивления колебания температуры проводника, и используют в расчетах величины этих сопротивлений при средних температурах (+20°С).
Реактивное сопротивление. Переменный ток, проходя по линии, образует вокруг проводников переменное магнитное поле, которое наводит в проводнике электродвижущую силу (э.д.с.) обратного направления – э.д.с. самоиндукции. При данном токе в проводе и отсутствии активного сопротивления в нем э.д.с. самоиндукции полностью уравновешивает приложенное напряжение
где L – коэффициент самоиндукции провода.
Сопротивление току, обусловленное противодействием э.д.с. самоиндукции, называется индуктивным сопротивлением. Соседние провода трехфазной линии, являющиеся обратными проводами для тока рассматриваемого провода, в свою очередь наводят в нем э.д.с. согласно с основным током направления, что уменьшает э.д.с. самоиндукции и соответственно реактивное сопротивление. Поэтому, чем дальше друг от друга расположены фазные провода линии, тем влияние соседних проводов будет меньше, а поток рассеяния между проводами и, следовательно, индуктивное сопротивление линии – больше.
На индуктивное сопротивление оказывают влияние также диаметр провода, магнитная проницаемость провода и частота переменного тока.
Величина погонного индуктивного сопротивления линии определяется
Для проводов из цветного металла (μ=1) при промышленной частоте 50 Гц формула (4.2) примет вид
х = 0,144×lg + 0,016 (4.3)
Среднегеометрическое расстояние между проводами одноцепной трехфазной линии
При расположении проводов по вариантам равностороннего треугольника все провода находятся на одинаковом расстоянии относительно друг друга, и среднегеометрическое расстояние D =D (рисунок 4.2).
При горизонтальном расположении проводов (рисунок 4.3).
На линиях 330 кВ и выше применяются расщепленные провода. На таких линиях каждая фаза имеет не один, а несколько проводов. Это приводит к увеличению радиуса фазы, который определяется по выражению
Индуктивное сопротивление линии с расщепленными проводами
Для линии длиной l индуктивное сопротивление
Активная проводимость линий обусловлена потерями активной мощности от токов утечки через изоляцию и от электрической короны на проводах.
Потери электрической энергии от токов утечки через изоляцию возникают при включении линии электропередачи под напряжение. Эти потери незначительны в кабельных и очень малы в воздушных линиях, значит и небольшая активная проводимость.
Потери на корону более значительны. Они связаны с ионизацией воздуха около проводов и возникают, когда напряженность электрического поля у поверхности провода превышает электрическую прочность воздуха. В этом случае на поверхности провода образуются электрические разряды. Из-за неровностей верхнего повива многопроволочных проводов, загрязнений и заусениц разряды появляются вначале только в отдельных точках провода. Это так называемая местная корона провода. По мере повышения напряжения корона распространяется на большую поверхность провода и в конечном счете охватывает провод целиком по всей его длине, т.е. возникает общая корона.
Кроме потерь электроэнергии, корона вызывает коррозию проводов, арматуры гирлянд изоляторов, оказывает мешающее воздействие на работу высокочастотных каналов связи линий электропередачи и вызывает высокочастотные помехи в проводных линиях связи и радиопомехи.
Если утечкой в линиях пренебречь, то активная проводимость, обусловленная короной определяется
Основными мерами по снижению потерь на корону является увеличение сечений проводов, расщепление или применение полых проводов.
Реактивная проводимость обусловлена наличием емкости между проводами и землей и имеет емкостной характер. Она определяется известным выражением.
Рабочая емкость линии зависит от диаметра проводов, их взаимного расположения, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды.
В практических расчетах электрических сетей рабочую емкость трехфазной воздушной линии с одним проводом на фазу определяют по формуле
При частоте переменного тока 50 Гц
Емкостная проводимость всей линии
Зарядный ток линии. Под действием приложенного к линии переменного напряжения в емкости линии возникает переменное электрическое поле и возникает реактивный ток Этот ток называется емкостным или зарядным током линии.
Зная емкостной ток линии, легко определить емкостную или зарядную мощность линии.
где U – рабочее линейное напряжение, кВ.
5.1 Схемы замещения, параметры трансформаторов и автотрансформаторов
Двухобмоточные трансформаторы обычно имеют Г-образную схему замещения (рисунок 5.1)
Активное и индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора могут быть экспериментально определены из опыта короткого замыкания. Этот опыт заключается в том, что вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко, а к первичной обмотке подводится такое напряжение, при котором токи в обеих обмотках трансформатора имеют номинальное значение. Это напряжение называется напряжением короткого замыкания.
Активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, практически целиком расходуется на нагрев его обмоток. Потери в стали при этом очень малы из-за маленького приложенного напряжения. Поэтому можно считать, что в опыте короткого замыкания
Напряжение короткого замыкания U складывается из двух составляющих: падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях от тока, протекающего в режиме короткого замыкания. Причем в современных крупных трансформаторах первая составляющая намного меньше, чем вторая, так как R