Монтаж сельских электроустановок - Расчет электрических сетей

На каждом участке цепи тока происходит потеря напряжения, тем больше, чем больше сопротивление проводника. Сопротивление проводника (а следовательно и потери) можно уменьшить, увеличивая его сечение и подбирая хорошо проводящие ток цветные металлы. Но цветные металлы дороги, делать провода очень толстыми невыгодно, поэтому приходится допускать потерю в проводах определенной части напряжения.

Рис. 2. Упрощенная схема электроснабжения комплекса по заключительному откорму скота на 5000 голов:
1 — масляный выключатель; 2 — разъединитель; 3 — кабельная линия; 4 — предохранитель; 5  — искровой промежуток; 6 — разрядник; 7 — заземлитель; 8 — трансформатор напряжения; 9 — выключатель нагрузки.

Проверку пригодности существующей сети, а также определение нужного сечения проводов и кабелей нужно выполнять, сообразуясь с допустимыми отклонениями напряжения у потребителей. Эти отклонения определяют допустимую величину потери напряжения в сети. В то же время нужно учесть важность экономии и правильно распределить потери, приходящиеся на отдельные элементы сети. Поэтому сечения проводов ВЛ 0,4 кВ при проектировании выбирают в соответствии с «Методическими указаниями по выбору проводов ВЛ 0,4 и 10 кВ на минимум приведенных затрат», определяя суммарные допустимые потери напряжения от ячейки 10 кВ в подстанции 110—35/10 кВ и до потребителя в сети 0,4 кВ.
В протяженных сетях 10 кВ эти потери в целях общей экономии не должны превышать 60—65% от общих потерь в сетях 10 и 0,4 кВ. Исключения составляют сети крупных сельскохозяйственных предприятий, где подстанции 10/0,4 кВ обычно находятся вблизи от подстанции 110/10 или 35/10 кВ, и, следовательно, потери напряжения в сети 10 кВ могут быть невелики, а в сети 0,4 кВ могут быть соответственно повышены.
Правильно рассчитанная и выполненная сеть должна обеспечивать: отклонения напряжения и потери в пределах допустимых; нагрев проводников не выше допустимого; заданную механическую прочность; надежное срабатывание защиты (предохранителей или автоматов) при однофазных коротких замыканиях; пуск электродвигателей.
Необходимое сечение медных или алюминиевых проводников для сетей напряжением до 1000 В по заданной потере напряжения, а также потерю напряжения для случая, когда сечение проводника известно, можно определить по формуле
где q — сечение проводника, мм2;
М — момент нагрузки, кВт -м (произведение нагрузки в киловаттах на длину рассчитываемой линии в метрах);
AU — потеря напряжения, %; с — коэффициент (табл. 1).
При прочих равных условиях, то есть при той же мощности потребителей электроэнергии, одинаковой их удаленности и одинаковом сечении проводов, потеря напряжения в четырехпроводной линии в 6 раз меньше, чем в двухпроводной.

Значения коэффициента с для определения потери напряжения в линии с медными и алюминиевыми проводами

 Иначе говоря, при напряжении 380,220 В четырьмя проводами можно передать в 6 раз больше электроэнергии, чем двумя (фаза и нуль), при сохранении того же уровня потерь напряжения. Это делает применение четырехпроводной системы очень экономичным.
Чтобы понять, почему это происходит, надо вспомнить известную из школьных учебников схему выработки трехфазного тока. Генератор имеет три обмотки, расположенные симметрично. При вращении в магнитном поле в участках проводника, пересекающих магнитные линии, наводится э.д.с. Она возрастает от нуля (при перпендикулярном положении витка относительно линий поля) до максимума (при параллельном расположении) и затем снова падает до нуля.
При втором полуобороте знак напряжения меняется на обратный. Если виток (обмотку) замкнуть на внешнюю цепь (потребителя электроэнергии), то по замкнутой цепи будет течь переменный синусоидальный ток (рис. 3).

Рис. 3. Схема выработки и передачи трехфазного тока: а — три фазы генератора; б — соединение генератора и потребителей тремя одно фазными цепями; в — соединение звездой; 1, 2, 3 — фазы (катушки) генератора; 4 — обмотка; 5 — статор; 6 — ротор (электромагнит); 7 — магнитные линии.

Каждая фаза имеет во внешней цепи два провода, присоединенных к концам катушки (фазы) генератора или питающего линию трансформатора. Но это не значит, что линия должна иметь шесть проводов, как это показано на рисунке 3, б. Число проводов можно сократить, если обратные провода, соединяющие потребителей с генератором или трансформатором, заменить одним проводом, соединив концы обметок в одну точку «в звезду», как это показано на рисунке 3, в.
По общему обратному проводу (его называют нулевым) будут проходить токи всех трех фаз. Остальные провода называют линейными, так как они составляют линию для передачи энергии. При равномерной нагрузке фаз суммарный ток и напряжение в нулевом проводе равны нулю. В этом можно убедиться, сложив геометрически в любой точке синусоиды трех фаз, показанные на рисунке 3, а. Тем же способом можно убедиться, что в двухфазной линии (две фазы и нуль) суммарный ток в нулевом проводе равен току в любой из фаз. Используя указанную особенность трехфазной линии, в некоторых случаях прокладывают нулевой провод уменьшенного сечения или вообще не прокладывают.
Если теперь обратиться к формуле потери напряжения, то видим, что потеря пропорциональна моменту нагрузки, то есть мощности и длине линии. В четырехпроводной линии мощность распределена на три фазы поровну (в каждой фазе нагрузка равна Vs общей нагрузки), а длина линии, на которой происходят потери, уменьшена вдвое, поскольку в нулевом проводе при равномерной нагрузке фаз потерь нет. Произведение нагрузки на длину, равное моменту, уменьшается в 6 раз (1/2  х 1\3=1/6), что и отражено коэффициентом с в формуле.          
Вместо подсчета по формуле можно воспользоваться справочными таблицами или номограммами.
Переменный ток в отличие от постоянного можно условно представить себе в виде двух составляющих — активной и реактивной. Активную и реактивную мощности можно подсчитать перемножением на напряжение каждой из этих частей тока.
За счет активной мощности преодолевается активное сопротивление, покрываются потери на пути от источника тока до потребителя, где активная мощность расходуется на полезную работу.
Реактивная мощность нужна для создания магнитного потока в трансформаторах и других устройствах переменного тока.

Рис. 4. Треугольник мощностей.

Полная электрическая мощность равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей. Такую зависимость, как известно из теоремы Пифагора, можно выразить прямоугольным треугольником (рис. 4). Угол между сторонами, обозначающими полную и активную мощности, отмечают греческой буквой ф (фи), а отношение активной мощности к полной называют коэффициентом мощности или cos  ф  (косинусом фи). Когда активная мощность равна полной (cos ф=l), потери электроэнергии наименьшие. Если же появляется реактивная мощность, то дополнительные потери растут обратно пропорционально квадрату cos ф. В масштабе нашей страны увеличение коэффициента мощности на */100 снижает потери электроэнергии примерно на 2 ТВт • ч в год, что больше, чем производит Днепрогэс 1.
Повышение cos ф обеспечивается высокой культурой эксплуатации электроустановок, полной загрузкой, исправностью и недопущением холостой работы электрооборудования. В некоторых случаях коэффициент мощности у потребителей повышают статическими конденсаторами, установленными на подстанциях 10 кВ или на распределительных щитах 380/220 В.

* Знак «Т» (тера) обозначает 1012. Теперь пишут ТВт*ч (тераватт- час) вместо ранее употреблявшегося более сложного выражения «миллиард киловаттчасов».

Если при расчетах потерь напряжения в коротких внутренних электропроводках не учитывают значение коэффициента мощности потребителя, то это не дает большой ошибки. Но при расчетах протяженных линий электропередачи учитывать этот коэффициент необходимо.
Сечение провода, выбранного по допустимой потере напряжения, проверяют на нагрев по справочным таблицам, в которых приведены нормированные ПУЭ допустимые длительные токовые нагрузки в зависимости от сечения провода, его марки, условий прокладки и температуры окружающей среды.
Важность всех этих факторов понятна. Ведь чем меньше сечение провода, тем больше его электрическое сопротивление, а следовательно, тем больше потери в нем и тем сильнее провода нагреваются. В то же время, учитывая сравнительную дефицитность и дороговизну проводниковых материалов (цветные металлы), сечение проводов следует ограничивать, допуская не только определенные потери напряжения, но и нагрев. При этом температура провода не должна достичь такой величины, при которой произойдет чрезмерно быстрое старение изоляции и ее порча. По этой же причине важно учесть марку провода. Например, провода с полихлорвиниловой изоляцией, которая размягчается и плавится при сравнительно невысоких температурах, нагружают меньше, чем провода с резиновой изоляцией. При хорошем охлаждении (например, при открытой прокладке в воздухе) безопасная нагрузка может быть больше, чем при прокладке пучка проводов в трубе, где условия охлаждения хуже. Что касается температуры окружающей среды, то с ее повышением ухудшаются условия охлаждения проводов и, следовательно, уменьшаются допустимые нагрузки. Поэтому все эти факторы учтены в ПУЭ.
Нужно помнить, что тепло всегда выделяется в проводах, когда по ним проходит ток, причем количество тепла пропорционально квадрату силы тока. Чрезмерный нагрев допускать нельзя, так как это приводит к повреждениям. Поэтому проверке проводов на нагрев как в стадии расчета, так и в дальнейшем (при монтаже и в эксплуатации) нужно уделять большое внимание. Особенно опасен перегрев при коротком замыкании, когда выделение тепла резко возрастает, так как ток увеличивается во много раз. Поэтому при замыкании соответствующий участок сети должен немедленно отключаться.
Проверка по условию надежного срабатывания защиты выполняется путем расчета сопротивления цепи фаза — нуль и определения силы тока замыкания фазного провода на нулевой провод или зануленную часть электрооборудования.
Быстрое отключение при замыкании будет обеспечено лишь в том случае, если найденное значение тока короткого замыкания превышает по крайней мере втрое номинальный ток таких защитных элементов, как плавкий предохранитель или автомат, имеющий расцепитель с обратно зависимой от тока характеристикой. Если же защита осуществлена автоматами, имеющими только мгновенный электромагнитный расцепитель, то для срабатывания достаточно, чтобы номинальный ток расцепителя при его значении до 100 А превышал ток замыкания в 1,4 раза, а при токе расцепителя более 100 А — в 1,25 раза.
Расчет (проверка) проводов на механическую прочность осуществляется выбором такого сечения, при котором требуемая механическая прочность будет обеспечена. Нормами определены минимальные сечения проводов по условиям прочности для каждого вида проводок и линий.
Возможность пуска электродвигателей также проверяется расчетом. Перед установкой нового (в особенности — мощного!) короткозамкнутого асинхронного электродвигателя нужно убедиться, способна ли существующая сеть обеспечить надежную работу как нового, так и ранее работавших электродвигателей. Если расчет покажет, что при пуске напряжение чрезмерно снизится, то это значит, что пускаемый двигатель не сможет раскрутиться, а другие двигатели, работающие вблизи него, не смогут нести нагрузку и затормозятся. В этом случае необходимо предусмотреть меры по снижению потерь напряжения в сети путем применения двигателя с контактными кольцами вместо короткозамкнутого. Кроме того, можно увеличить сечение проводов или уменьшить расстояние от подстанции.
Имевшиеся в ранее изданной литературе рекомендации ориентироваться при расчете сечения проводов величинами допустимого снижения напряжения, равного 40 или 30 % от номинального на зажимах пускаемых электродвигателей и 20 % на зажимах двигателей, ранее включенных в сеть, оказались необоснованными и из норм исключены. Различные механизмы и различные типы электродвигателей имеют свои характеристики, определяющие возможность пуска или продолжения работы в зависимости от уровня напряжения на зажимах электродвигателя. Поэтому расчет должен выполняться с учетом этих конкретных характеристик.