ГЛАВА VI
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАЗОМКНУТЫХ СЕТЕЙ ПО ПОТЕРЕ НАПРЯЖЕНИЯ. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ
§ 6.1. Допустимые отклонения напряжения в сетях
При передаче электрической энергии напряжение вдоль линии вследствие наличия сопротивления проводов не остается одинаковым, а уменьшается по мере удаления от источника. Изменение напряжения зависит от величины тока в линии, поэтому абсолютная величина напряжения у электроприемников меняется соответственно изменениям нагрузки.
На рис. 6.1 показан график изменения напряжения вдоль линии при равномерном распределении нагрузки.
Рис. 6.1. Изменение напряжения вдоль линии при равномерном распределении нагрузки
Из рис. 6.1 видно, что напряжение имеет наибольшее значение U1 в начале линии, непосредственно у источника питания (точка а).
По мере удаления от источника вследствие потери напряжения величина напряжения уменьшается, и в конце линии (точка в) оно становится наименьшим (U2). Из всех подключенных электроприемников напряжение, равное номинальному (Uн), имеют электроприемники, присоединенные к линии в точке б. Остальные электроприемники получают электроэнергию при напряжении повышенном или пониженном.
Алгебраическая разность между напряжением на зажимах электроприемника U и его номинальным напряжением Uн называется отклонением напряжения:
(6.1)
Таким образом, отклонение напряжения может быть как положительным, так и отрицательным.
Отклонение напряжения часто выражают в процентах от номинального напряжения:
(6-2)
Каждый приемник электроэнергии рассчитывается на вполне определенное номинальное напряжение, при котором обеспечиваются нормальные условия его работы.
Отклонение напряжения ухудшает работу электроприемников. Так, например, световой поток ламп накаливания снижается на 30% при уменьшении напряжения на 10% от номинального; повышение напряжения на 10% вызывает сокращения срока службы ламп на 60%. Весьма чувствительны к отключениям напряжения электронные лампы телевизоров, особенно кинескопы.
Изменения напряжения влияют и на работу электродвигателей.
Вращающий момент трехфазного асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения на его зажимах. При значительном уменьшении напряжения пусковой момент двигателя может оказаться меньше момента сопротивления и нагруженный двигатель может не пойти в ход при включении. Работающий двигатель при пониженном напряжении может при незначительной перегрузке остановиться и перейти в режим короткого замыкания.
Таблица 6.1.
Предельно допустимые отклонения напряжения у потребителей
В случае увеличения напряжения на зажимах статора выше номинального намагничивающий ток и реактивная мощность электродвигателя возрастают, что приводит к уменьшению коэффициента мощности (cosφ). Кроме того, увеличиваются потери на нагревание статора и общий перегрев двигателя. Поэтому ПУЭ регламентируют допустимые отклонения напряжения в электрических сетях с учетом их влияния на работу электроприемников различного назначения.
Величины предельно допустимых отклонений напряжения приведены в табл. 6.1.
Для обеспечения у электроприемников напряжения, близкого к номинальному, источники питания (генераторы, трансформаторы) изготовляются с расчетом возможного поддержания на их зажимах напряжения на 5% выше номинального напряжения электроприемников.
В этом случае максимально допустимая потеря напряжения от источника питания до конца линии при электроснабжении жилой застройки составит
а при питании потребителей производственных или общественных зданий
В эти величины входят также внутренние потери напряжения в обмотках генераторов или трансформаторов.
Величина напряжения на шинах трансформаторной подстанции со стороны потребителя (на стороне низшего напряжения) зависит от величины напряжения на стороне высшего напряжения, загрузки трансформаторов и коэффициента мощности потребителей. При расчетах электрических сетей низкого напряжения обычно считают, что напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора поддерживается номинальным. (Подробнее о регулировании напряжения см. § 6.6).
§ 6.2. Сопротивления и проводимости воздушных и кабельных линий
Для расчета электрической сети на потерю напряжения необходимо знать параметры линий, т. е. их сопротивления и проводимости. При расчете сетей постоянного тока вполне достаточно иметь данные только об омическом сопротивлении, а при расчете сетей переменного тока приходится в ряде случаев учитывать активные и индуктивные сопротивления и емкостные проводимости проводов и кабелей.
Активное сопротивление проводов и кабелей
Из курса электротехники известно, что активное сопротивление проводов переменному току при прочих равных условиях больше, чем их сопротивление постоянному току. Это объясняется неравномерным распределением переменного тока по сечению (поверхностный эффект). Однако для проводов из цветного металла при частоте переменного тока в 50 Гц это явление не оказывает заметного влияния и в расчетах сетей не учитывается. Таким образом, активное сопротивление проводника из цветного металла при переменном токе принимается равным сопротивлению при постоянном токе.
На практике в расчетах электрических сетей активное сопротивление для медных или алюминиевых проводников подсчитывается по формуле
Стальные провода обладают большим активным сопротивлением, чем аналогичные провода из цветного металла. Увеличение активного сопротивления обусловлено значительно меньшей величиной удельной проводимости и поверхностным эффектом, который в стальных проводах сказывается намного сильнее, чем в медных или алюминиевых. Кроме того, в стальных проводах имеются потери активной энергии на перемагничивание и вихревые токи, что в схемах замещения линии учитывается дополнительной составляющей активного сопротивления.
В отличие от проводов из цветных металлов активное сопротивление стальных проводов сильно зависит от величины тока, поэтому пользоваться постоянными значениями удельной проводимости для определения их активного сопротивления нельзя.
Активное сопротивление стальных проводов в зависимости от сечения и тока аналитически выразить весьма трудно, поэтому для практических расчетов величины их активных сопротивлений принимают по специальным таблицам [Л. 37].
Индуктивное сопротивление проводов
Для определения индуктивного сопротивления воздушной или кабельной линии протяженностью I км удобно пользоваться выражением
Первый член правой части уравнения (6.6) обусловлен внешним магнитным полем и называется внешним индуктивным сопротивлением х0'. Из этого выражения видно, что внешнее индуктивное сопротивление линии зависит только от расстояния между проводами и диаметра провода, а так как расстояние между проводами выбирается в зависимости от напряжения, то внешнее индуктивное сопротивление тем больше, чем больше поминальное напряжение линии. Внешнее индуктивное сопротивление воздушной линии больше, чем у кабельной, так как жилы кабеля расположены значительно ближе друг к другу, чем провода воздушной линии.
Увеличение сечения проводов линии ведет к незначительному уменьшению внешнего индуктивного сопротивления.
Второй член уравнения (6.6) обусловлен магнитным полем внутри проводника. Он выражает внутреннее индуктивное сопротивление х0".
Таким образом, выражение (6.6) можно представить состоящим из двух частей:
Для практических расчетов индуктивные сопротивления проводов и кабелей определяют по соответствующим таблицам.
В приближенных расчетах можно считать для воздушных линий напряжением 6—10 кВ х0=0,3—0,4 ом/км, для кабельных х0= 0,08 ом/км.
Внутреннее индуктивное сопротивление стальных проводов, в отличие от проводов из цветных металлов, имеет преобладающее значение. Это вызвано тем, что х0" пропорционально магнитной проницаемости μ, которая сильно зависит от величины тока в проводе. Если для проводов из цветных металлов μr=1, то для стальных проводов μr может достигать величины 103 и даже выше.
Внутренним индуктивным сопротивлением линии со стальными проводами пренебречь нельзя. Обычно его определяют из таблиц, составленных по экспериментальным данным.
В [Л. 37] приведены активные и внутренние индуктивные сопротивления линий со стальными проводами.
Сопротивления r0 и х0" достигают при некотором значении тока максимальной величины, а затем с увеличением тока уменьшаются. Это объясняется явлением магнитного насыщения стали.
