Напряжение в электрической сети

Электрическое поле, обладает энергией, которая производя работу, создает электрическое напряжение, действующее на заряды в проводнике. Численно напряжение равно отношению работы, которую совершает электрическое поле, перемещая заряженную частицу по проводнику, на величину заряда частицы.

Эта величина измеряется в вольтах. 1 B – это работа в 1 джоуль, которую совершило электрическое поле, передвигая заряд в 1 кулон по проводнику. Название единице измерения дано по имени итальянского ученого А. Вольта, который сконструировал гальванический элемент – первый источник тока.

Напряжение величина тождественная разности потенциалов. Например, если потенциал одной точки 35 B, а следующей точки 25 В, тогда разность потенциалов, как и напряжение будет равно 10 В.

Напряжение в сети должно соответствовать, тому значению, на которое рассчитаны потребители электроэнергии. При передаче энергии по соединительным проводам часть разности потенциалов теряется на преодоления сопротивления подводящих проводников. Поэтому в конце линии передач эта энергетическая характеристика становится несколько меньше, чем в ее начале.

В сети падает напряжение. Это понижение, одного из главных параметров, обязательно скажется на работе оборудования, будь, то осветительная или силовая нагрузка. При проектировании и расчете линии электропередач надо учитывать, что отклонения в показаниях приборов, измеряющих разность потенциалов должны соответствовать установленным нормам. Цепи, рассчитанные по току нагрузки, учитывающие нагрев проводов, контролируют по величине падения напряжения.

Падением напряжения ΔU является разность потенциалов в начале линии и в ее конце.

Потеря разности потенциалов по отношению к действующему значению определяется формулой: ΔU = (P r+Qx)L/Uном,

где Q – реактивная мощность, P – активная мощность, r – активное сопротивление линии, x – реактивное сопротивление линии, Uном – напряжение номинальное.

Активное и реактивное сопротивление, подводящих проводов выбираются по справочным таблицам.

Какое напряжение в сети считается оптимальным? Рассмотрим базисное напряжение из стандартизированных, по уровню изоляции электрооборудования, ряда напряжений.

Номинальное напряжение в сети, это величина такой разности потенциалов, на которую изготовлены источники и приемники электроэнергии, при нормальных условиях работы. Устанавливается номинальное напряжение в сети и в подсоединенных потребителях с помощью ГОСТ. Действующее напряжение в устройствах, создающих электроэнергию, из-за условий компенсации потерь разности потенциалов в цепи, допустимы на 5% выше, чем номинальные напряжения в сети.

Первичные обмотки повышающих трансформаторов являются приемниками электроэнергии. Поэтому их действующие значения напряжений такие же, по величине, как и номинальные напряжения генераторов. У понижающих трансформаторов их действующее напряжение такое же, как и номинальное напряжение в сети или на 5% выше. С помощью вторичных обмоток трансформаторов, замкнутых на питаемую цепь осуществляется подача тока в сеть. Чтобы компенсировать потерю разности потенциалов в них, их номинальные напряжения устанавливают выше, чем в цепях на 5 – 10%.

Номинальное напряжение в городской сети должно равняться 220B, но далеко не всегда оно действительно такое. Эта характеристика может быть повышенной, пониженной или нестабильной, если кто-то из соседей занимается сваркой или подключил мощный инструмент. Нестандартное напряжение отрицательно действует на работу бытового электрооборудования.

При скачках напряжения самая большая опасность грозит электронным приборам. Они выйдут из строя раньше, чем электродвигатель пылесоса или стиральной машины. Достаточно сотой доли секунды, т.е. одной полуволны высокого напряжения, чтобы вышел из строя импульсный блок питания. Особенно опасно длительное воздействие повышенной разности потенциалов, кратковременные скачки менее опасны.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое напряжение

Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Напряжение с точки зрения гидравлики

Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий «бокал», заполненный водой.

Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!

водобашня, заполненная водой

А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.

Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил, давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи — нет.

Электрическое напряжение

Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

источник питания постоянного тока

Электрическое напряжение — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп — черным или синим.

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.

формула напряжения

A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.

напряжение из закона Ома

Напряжение тока — что это означает?

Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза «напряжение тока» говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.

Например, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора», вы можете ответить «12 Вольт постоянного тока». Так что не стоит пугаться).

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.

На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.

Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:

переменное напряжение

Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют «постоянкой», а переменное — «переменкой».

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y — это значение напряжения, а ось Х — это время.

осциллограмма нулевого напряжения

Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения — это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.

осциллограмма постоянного напряжения

А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.

осциллограмма переменного напряжения

Про параметры переменного напряжения можете прочитать в этой статье.

Также отличное объяснение темы можно посмотреть в этом видео.

Источник

Классификация электрических сетей.

Электрические сети по классу напряжения ранжируются согласно следующим критериям:

Самая основная классификация это:

Классификация электрических сетей по напряжению.

Ультравысокое напряжение.

750 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ). Линии монтируются на высоких, мощных арочных столбах, на каждой фазе используется три провода, расположенных треугольником. Количество изоляторов не менее 20, это нужно для снижения коронных разрядов и блокирования возможности возникновения электрической дуги.

Сверхвысокое напряжение.

750 кВ, 500 кВ, 330 кВ. Линии монтируются на высоких, мощных арочных столбах, на каждой фазе используется два провода. Количество изоляторов не менее 14, также с целью снижения коронных разрядов блокирования возможности возникновения электрической дуги.

Высокое напряжение (ВН).

Среднее первое напряжение (СН-1).

35 кВ. В таких линиях передач исползуются столбы из материалов с повышенной прочностью на излом, между проводами инсталируется мощная изоляция, выполненная из специальных изоляторов, закрепленных на траверсах. Молниезащитные стальные тросы подвешивают только на тех участках ЛЭП, где высока опасность грозы (например возвышенности).

Среднее второе напряжение (СН-2).

20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ. Линии передачи электроэнергии для таких сетей размещают на одиночных столбах увеличенного (по сравнению с сетями до 20 кВ) размера. Также увеличивается размер изоляторов, и расстояние между кабелями.

Низкое напряжение (НН).

0,38 кВ, 0,22 кВ, 0,11 кВ и ниже. Конструктивно представляют из себя бытовую или промышленную проводку локального характера, либо линии электропередач на одиночных столбах, вкопанных в грунт. В таких линиях часто применяется неизолированный кабель для лэп, или даже кабель медный ввгнг, подвешенный на несущем тросе.

Также используются следующие классификации:

Классификация электрических сетей по выполняемым функциям.

Классификация электрических сетей по масштабным признакам и размеру сети.

Классификация электрических сетей по роду тока.

C переменным трехфазным током:

Передача тока осуществляется по трем проводникам со смещением фазы переменного тока в каждом из них на 120 град. относительно других.;

C переменным однофазным током:

Электроэнергия передается по двум проводникам через электропроводку бытового типа от подстанции или распределительного щита;

C постоянным током:

Для узкоспециализированных сетей (автономное электроснабжение, ряд специальных сетей сверхвысокого напряжения);

Источник

Что такое сеточное напряжение

Предметом изучения являются показатели качества электрической энергии, влияние их на работу электроприемников, способы повышения качества электрической энергии.

На этапе проектирования сети при нормальных режимах ее работы необходимо рассчитывать показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и выбирать наиболее экономичные средства приведения параметров режимов к допустимым пределам (нормам). В условиях эксплуатации в электрической сети должен осуществляться систематический контроль за ПКЭ и соответственно приниматься меры по приведению параметров к допустимым нормам.

В результате изучения данного модуля вы будете знать:

-основные показатели качества электрической энергии;

-допустимые по ГОСТ 13109-97 отклонения показателей качества в нормальном и аварийном режимах работы сети;

-способы и средства повышения качества электрической энергии;

-способы регулирования реактивной мощности и повышения cosφ передачи;

-способы регулирования напряжения в электрических сетях.

-определять допустимую потерю напряжения в сети;

-выбирать регулировочные ответвления трансформаторов;

-выбирать конденсаторные установки для регулирования напряжения в сети.

Качество электрической (КЭ) – это совокупность ее свойств, определяющих воздействие на электрооборудование, приборы и аппараты и оцениваемых показателями качества электроэнергии, при которых электроприемники могут нормально работать.

Перечень показателей качества, их нормативные значения, критерии оценки и методы измерений установлены ГОСТ 13109-97 “Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” [13]. В табл. 11.1 приведены установленные ГОСТ 13109-97 основные показатели качества электроэнергии, их нормальные и предельно допустимые значения.

Рассмотрим характеристику основных показателей качества электроэнергии.

Отклонения напряжения это отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы сети от его номинального значения.

Отклонения напряжения от номинальных значений происходят из-за суточных, сезонных и технологических изменений электрической нагрузки потребителей; изменения мощности компенсирующих устройств; регулирования напряжения генераторами электростанций и на подстанциях энергосистем; изменения схемы и параметров электрических сетей.

где U – действительное значение напряжения в рассматриваемой точке сети;

U ном – номинальное напряжение в данной сети.

Стандартом нормируются отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии. Нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения равны соответственно ± 5 и ± 10 %.

Основные показатели качества электрической энергии по ГОСТ 13109-97

Колебания напряжения это быстро изменяющиеся откло-нения напряжения длительностью до нескольких секунд.

Колебания напряжения происходят из-за резкого измене-ния нагрузки, например, включения асинхронного электродвигателя двигателя большой мощности, технологических устано-вок с быстропеременным режимом работы, сопровождающими-ся толчками активной и реактивной нагрузки.

Колебания напряжения согласно ГОСТ 13109-97 характе-ризуются двумя показателями:

— размахом изменения напряжения;

Размах изменения напряжения определяется по формуле

Доза фликера – мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени. Фликер (мерцание) – субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.

Дозу фликера напряжения в процентах в квадрате вычисляют по выражению

где δU f – действующие значения составляющих разложения в ряд Фурье изменений напряжения с размахом δU f ;

g f – коэффициент приведения действительных размахов изменения напряжения к эквивалентным;

Т оср = 10 мин – интервал времени осреднения.

Стандартом устанавливается кратковременная ( P st ) и длительная доза фликера ( Р Lt ) Кратковременную определяют на интервале времени наблюдения, равном 10 мин, длительную – на интервале 2 ч. Дозу фликера (кратковременную и длительную) при колебаниях напряжения любой формы определяют по формулам, приведенным в [13]. Исходными данными для расчета являются уровни фликера, измеряемые с помощью фликерметра – прибора, в котором моделируется кривая чувствительности (амплитудно-частотная характеристика) органа зрения человека. В настоящее время в Российской Федерации началась разработка фликер-метров для контроля колебаний напряжения [16].

Предельно допустимое значение для кратковременной дозы фликера в точках общего присоединения потребителей электроэнергии, располагающих лампами накаливания в помещениях, где требуется значительное зрительное напряжение, равно 1,0, а для длительной – 0,74, при колебаниях напряжения с формой, отличающейся от меандра (прямоугольной) [16].

Несинусоидальность напряжения это искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Главной причиной искажений являются электроприемники с нелинейной вольтамперной характеристикой – электродуговые сталеплавильные печи, вентильные преобразователи, установки дуговой и контактной сварки, преобразователи частоты, индукционные печи, электронные технические средства (телевизионные приемники, компьютеры), газоразрядные лампы и др. Электронные приемники электроэнергии и газоразрядные лампы создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но из-за большого их количества могут значительно влиять на рассматриваемый показатель.

Из курса математики известно, что несинусоидальную функцию, можно представить в виде суммы постоянной величины и бесконечного ряда синусоидальных величин с кратными частотами. Такие синусоидальные составляющие называются гармоническими составляющими или гармониками. Синусоидальная составляющая, с частотой 50 Гц период которой равен периоду несинусоидальной периодической величины, называется основной или первой гармоникой. Остальные составляющие с частотами со второй по n-ую называют высшими гармониками. Несинусоидальность характеризуется двумя нормируемыми показателями: коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К U определяется по выражению, %

где U (n) – действующее значение n-ой гармонической составляющей напряжения, В;

n – порядок гармонической составляющей напряжения;

N – порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения стандартом устанавливается N = 40;

U ном – номинальное напряжение сети, В.

Установленные стандартом значения К U приведены в таблице 11.2.

Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения это отношение n-ой гармонической составляющей напряжения к действующему значению гармонической составляющей основной частоты:

Установленные стандартом максимально допустимые значения K U(n) приведены в таблице 11.3.

Несимметричным режимом работы системы электроснабжения называют такой режим, при котором условия работы одной или всех фаз сети оказываются неодинаковыми. Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные и дуговые электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, электросварочные агрегаты. Источником несимметрии в сетях являются также значительное количество сельскохозяйственных потребителей из-за большой доли однофазных нагрузок.

Несимметрия напряжения характеризуется двумя показателями:

— коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

— коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности определяется:

где U 2(1) – действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты, В;

U ном – номинальное линейное напряжение, В.

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности определяется:

где U 0(1) – действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты, В;

U номф – номинальное фазное напряжение, В.

Нормируемые значения этих коэффициентов приведены в таблице 11.1.

Отклонение частоты это отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения.

где f – фактическое значение частоты;

f ном – номинальное значение частоты.

Нормируемые значения отклонений частоты приведены в таблице 11.1.

Характеристикой провала напряжения является его длительность, равная

где t к и t н – начальный и конечный моменты времени провала напряжения.

Предельно допустимая длительность провала напряжения для сетей до 20 кВ составляет 30 с, в остальных сетях не нормируется и определяется временем действия релейной защиты и автоматики.

Импульсное напряжение это резкое повышение напряжения длительностью не более 10 миллисекунд.

Максимальное мгновенное значение импульсного напряжения определяется:

где δU имп – значение импульсного напряжения, В.

Временное перенапряжение это внезапное и значительное повышение напряжения (более 1,1· U ном ).

Временные перенапряжения возникают при коммутациях в электрической сети при внешних воздействиях на электроустановку (атмосферные перенапряжения).

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения

где U а mах – максимальное амплитудное значение напряжения за время существования временного перенапряжения, В;

U ном – номинальное напряжение, В.

Стандарт не нормирует величину кратковременных перенапряжений.

Для сельских электрических сетей из всех рассмотренных свойств электрической энергии наиболее актуальными являются отклонения напряжения и несимметрия трехфазной системы напряжения.

В сельских электрических сетях по сравнению сетями промышленного назначения, трудно обеспечить допустимую потерю напряжения в сети. Это объясняется большой протяженностью линий электропередачи, выполненных проводом относительно небольшого сечения.

Несимметричный режим работы сети 0,38 кВ является объективно существующим из-за наличия однофазных потребителей.

Уровень напряжения на вводах потребителей зависит от его уровня в центре питания, потерь напряжения в трансформаторах, линиях электропередачи.

На выводах приемников электрической энергии по действующему в настоящее время стандарту [13] допускается отклонение напряжение в нормальном режиме в пределах ± 5%.

Отклонения напряжения у потребителя и потери напряжения в сети связаны между собой. Для определения допустимых потерь напряжения в каждом конкретном случае необходимо составить баланс отклонений и потерь напряжения на рассматриваемом участке системы. Уравнение баланса можно записать следующим равенством:

где V ист – отклонения напряжения в центре питания (на шинах трансформаторной подстанции – V ш или на шинах генератора – V г );

∑V пост – сумма постоянных (нерегулируемых) надбавок напряжения трансформатора;

∑V пер – сумма переменных (регулируемых) надбавок напряжения трансформатора;

V потр – допустимое отклонение напряжения у потребителя.

Из выражения (11.12) можно определить допустимые потери напряжения в линиях.

Допустимые потери напряжения определяют в процессе проектирования распределительных сетей до того, как найдены площади поперечного сечения проводов, но основная аппаратура, в частности силовые трансформаторы, уже выбрана, схема сетей определена, известны режимы нагрузок и изменение напряжения источника. Уравнение (11.13) лучше решать, пользуясь специальными таблицами, которые составляются для каждой конкретной сети, и называются таблицами отклонений и потерь напряжения.

Определим основные требования при составлении этих таблиц.

Допустимые отклонения напряжения – это граница диапазона напряжений, в котором длительная работа приемников происходит еще без явных нарушений и соответствует требованиям [13].

С одной стороны, желательно иметь минимальные отклонения напряжения у приемников, чтобы улучшить их работу. С другой стороны, желательно иметь максимально возможные потери напряжения в распределительных сетях, так как при этом будут минимальными площади сечения их проводов, а следовательно, будут наименьшими затраты на их строительство. Поэтому необходимо полностью использовать возможность получения максимальных допустимых потерь напряжения в электрических сетях, не выходя за пределы допустимых отклонений у приемников электроэнергии.

Для этого у удаленного приемника в режиме максимальных нагрузок отклонения напряжения должны быть в нижнем значении допустимого интервала V потр = –5%. По этому значению и известным отклонениям и потерям напряжения выбирают положения регулировочных ответвлений трансформаторов ( V пер ) таким образом, чтобы потери напряжения в сетях напряжением 10 и 0,38 кВ получились максимальными.

Получившуюся сумму допустимых потерь необходимо разделить между сетями 10 и 0,38 кВ. Деление осуществляется приближенно, примерно пополам, или некоторое предпочтение отдается сетям напряжением 10 кВ, так как в общем случае эти сети в условиях сельского электроснабжения по протяженности преобладают над сетями 0,38 кВ, и поэтому потери напряжения в сетях 10 кВ принимают несколько большими (например, 60 % на сети 10 кВ и 40 % на сети 0,38 кВ).

После этого необходимо просчитать режим минимальных нагрузок. В этом режиме необходимо проверить, чтобы у близко расположенного к источнику питания потребителя отклонения напряжения не вышли за допустимые значения. Для этого потребителя наиболее опасным будет повышение напряжения в режиме минимальных нагрузок, т.к. потери напряжения будут минимальными и отклонения могут превысить V доп = = + 5%.

Обычно при расчетах допустимых потерь напряжения режим максимальных нагрузок обозначают за 100%, а минимальная нагрузка в сельских сетях принимается в четыре раза меньше, т. е. 25% от максимальной нагрузки.

Таким образом, в предельных режимах (максимальном и минимальном) в контрольных точках сети (у крайних приемников – удаленном и ближайшем) необходимо обеспечить допустимые отклонения напряжения. Тогда все остальные приемники электроэнергии в любых режимах будут иметь отклонения напряжения меньше допустимых.

Рассмотрим конкретные примеры составления таблиц отклонений напряжения, все подсчеты сведены в таблицу 11.4.

Для схемы сети, изображенной на рис. 11.1 определить допустимые потери напряжения в сети 10 и 0,38 кВ.

На шинах 10 кВ подстанции 35/10 кВ осуществляется режим встречного регулирования напряжения

Решение: Составляем таблицу отклонения напряжения (табл. 11.4). понижающий трансформатор 10/0,4 кВ имеет постоянную надбавку напряжения V пост = 5%, потери в этом трансформаторе в режиме максимальных нагрузок приближенно принимаются равными –4%. Трансформатор имеет ПБВ, с помощью которого можно регулировать напряжение в пределах ± 5% ступенями по ± 2,5% (всего 5 отпаек). С помощью ПБВ трансформаторов можно осуществлять сезонное регулирование напряжения (переключения производятся 1-2 раза в год). В начале проведем расчет при положении анцапфы трансформатора на выводе 0%. В таблицу записываем известные данные по всем элементам сети.

В режиме максимальных нагрузок в наихудших условиях по условию наибольшего снижения напряжения оказываются удаленные потребители, а в режиме минимальных нагрузок необходимо провести проверку режима напряжения у ближайшего потребителя в режиме минимальных нагрузок (напряжение не должно повышаться более чем на 5%).

Допустимая потеря напряжения необходимо определить отдельно для удаленной и близкорасположенной к источнику питания подстанции. Суммарные допустимые отклонения напряжения в сети 10 и 0,38 кВ составят:

для БТП при положении ПБВ трансформатора 0%:

ΔU доп10 + ΔU доп0,38 = 5 + 5 – 4 – (–) 5 = 11%; (сложили потери и надбавки напряжения по первому столбцу).

Распределим эти потери ΔU доп10 = 6%; ΔU доп0,38 = 5% и занесем полученные данные в таблицу для режима максимальных и минимальных нагрузок, с учетом того, что режим минимальных нагрузок рассматривается для ближайшего к шинам 0,4 кВ потребителя ( ΔU доп10 = 0 и ΔU доп0,38 = 0 в режиме 25% нагрузки). Тогда в режиме минимальных нагрузок получим (складываем потери и надбавки напряжения по второму столбцу для БТП):

В табл. 11.4 по столбцам для 100% и 25% нагрузки рассчитываются разные строки (выделены жирно курсивом).

В режиме минимальных нагрузок отклонение напряжения у ближайшего потребителя составляет +4%. Установить ПБВ трансформатора на ближайшей ТП на отпайку +2,5% нельзя, т.к. при этом напряжение у ближайшего потребителя превысит допустимое значение (4 + 2,5 = 6,5%).

Далее проведем аналогичный расчет для удаленной ТП.

Установим предварительно на этой подстанции ПБВ трансформатора в положение +2,5%.

Отклонения и потери напряжения для примера 11.1

Для УТП при положении ПБВ трансформатора 2,5%:

ΔU доп10 + ΔU доп0,38 = 5 + 5 +2,5 – 4 – (–) 5 = 13,5%.

Распределим эти потери ΔU доп10 = 8%; ΔU доп0,38 = 5,5% и занесем полученные данные в таблицу для режима максимальных и минимальных нагрузок, с учетом того, что режим минимальных нагрузок рассматривается для ближайшего к шинам 0,4 кВ потребителя ( ΔU доп0,38 = 0 в режиме 25% нагрузки). Тогда в режиме минимальных нагрузок получим (складываем потери и надбавки напряжения по второму столбцу для УТП):

В режиме минимальных нагрузок отклонение напряжения у ближайшего потребителя на удаленной подстанции составляет +4,5%. Установить ПБВ трансформатора на отпайку +5% нельзя, т.к. при этом напряжение у ближайшего потребителя превысит допустимое значение (4,5 + 2,5 = 7%).

Технические средства повышения качества электроэнергии

Цель работы : Изучить технические средства повышения качества электроэнергии.

Для повышения качества электрической энергии в электрических сетях применяют специальные средства, позволяющие поддерживать рассмотренные выше показатели качества в допустимых пределах.

1. Регулирование напряжения

Способы регулирования напряжения в электрических сетях подробно рассмотрены в разделе 3. На рис. 11.1 приведены возможные схемы подключения устройств регулирования напряжения в сети.

На рис. 11.2 показаны два возможных варианта схем понижающих подстанций, на шинах которых производят регулирование напряжения.

Такой способ регулирования применяют при отходящих от шин линиях, имеющих подобные графики нагрузок. На практике такие случаи встречаются редко. Однако ПУЭ и руководящие указания по регулированию напряжения требуют осуществления встречного регулирования напряжения на всех сооружаемых понизительных подстанциях. Поэтому при наличии разнородных по характеру графиков нагрузок линии группируют по возможности так, чтобы к отдельным секциям шин были присоединены линии со сходными графиками нагрузок.

Регулирование напряжения на отходящих линиях. Регулирование напряжения на каждой отходящей от шин подстанции линии является более совершенным и эффективным способом по сравнению с регулированием на шинах. В этом случае используют трансформаторы с РПН, линейные регуляторы напряжения и конденсаторы для поперечной компенсации (см. раздел 3). Этот способ регулирования получается дорогим при достаточно развитых системах электроснабжения из-за необходимости установки большого количества регулирующих устройств; если возможно, применяют регулирование напряжения для группы линий. На рис. 11.3 приведены структурные схемы регулирования напряжения на отходящих линиях. Для осуществления совместного регулирования напряжения используют средства, перечисленные выше. Совместное регулирование применяют, когда невозможно создать требуемый режим напряжения в системе электроснабжения с помощью только одного способа. Принцип построения схем с использованием совместного регулирования показан на рис. 11.4.

Дополнительное регулирование применяют, когда с помощью указанных способов не удается обеспечить требуемое качество напряжения у некоторой части потребителей электроэнергии. Для этого используют ЛР и конденсаторы (поперечной и продольной компенсации). Структурная схема расположения регулирующих устройств для случая применения дополнительного регулирования показана на рис. 11.5.

2. Способы и средства уменьшения уровней высших гармоник.

Наличие высших гармоник в напряжении и токах электрических сетей отрицательно сказывается на работе электрооборудования и приводит к возникновению народнохозяйственного убытка. Появление убытка от высших гармоник обусловливает необходимость снижения их уровней в системах электроснабжения. В настоящее время известно несколько способов уменьшения несинусоидальности формы кривой напряжения.

а) Увеличение числа фаз выпрямления.

Одним из основных источников высших гармоник являются вентильные преобразователи, которые находят широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности. Потребителями постоянного тока на предприятиях являются регулируемый электропривод, электролизные установки, гальванические ванны, электрифицированный железнодорожный транспорт, магнитные сепараторы и другие технологические установки. Суммарная номинальная мощность вентильных преобразователей на предприятиях достигает 300 МВт.

стоящее время известно большое количество схем выпрямления трехфазного тока. Однако для установок большой и средней мощности наибольшее распространение получили трехфазная мостовая схема Ларионова и шестифазная нулевая схема с уравнительным реактором.

С увеличением числа фаз выпрямления форма первичного тока преобразователя приближается к синусоидальной, а количество гармоник в токе выпрямителя и, следовательно, в напряжении сети, уменьшается. Так, например, при 6-фазной схеме выпрямления в токе вентильного агрегата содержатся 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 и 25-я гармоники, а при 12-фазной схеме – 11, 13, 23 и 25-я. При этом несинусоидальность напряжения сети уменьшается примерно в 1,4 раза. Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения уровней высших гармоник. Однако трансформаторы для большого числа фаз выпрямления получаются сложными, дорогими и ненадежными. Поэтому для мощных преобразователей применяют, как правило, не более чем 12-фазный режим выпрямления.

б) Применение фильтра высших гармоник.

На рис. 11.6 показана схема поперечного фильтра высших гармоник. Звено фильтра представляет собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости, настроенных на частоту определенной гармоники. Сопротивление звена фильтра токам высших гармоник

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается пропорционально, а батареи конденсаторов – уменьшается обратно пропорционально номеру гармоники. На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора становится равным емкостному сопротивлению батареи конденсаторов, и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений.

Идеальный фильтр полностью отфильтровывает токи гармоник, на частоты которых настроены его звенья. Однако практически наличие активных сопротивлений реакторов и батарей конденсаторов и неточная настройка звеньев фильтра приводят к неполной фильтрации гармоник. Параллельный фильтр представляет собой ряд звеньев, каждое из которых настроено на резонанс для частоты определенной гармоники. Количество звеньев в фильтре может быть любым. На практике обычно применяют фильтры, состоящие из двух или четырех звеньев, настроенных на частоты 5, 7, 11, 13, 23 и 25-й гармоник. Поперечные фильтры присоединяют как в местах возникновения высших гармоник, так и в пунктах их усиления. Поперечный фильтр является одновременно и источником реактивной мощности и служит средством компенсации реактивных нагрузок. Параметры фильтров подбирают таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли бы генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. В ряде случаев для компенсации реактивной мощности параллельно фильтру включают батарею конденсаторов.

3. Способы и средства снижения несимметрии токов и напряжений

Для сельских потребителей задача снижения несимметрии токов и напряжений является весьма актуальной. Рассмотрим причины возникновения несимметрии. Различают кратковременные и длительные (эксплуатационные) несимметричные режимы. Кратковременная несимметрия обычно связана с аварийными процессами в электрических сетях, такими, как КЗ, обрывы проводов с замыканием на землю, отключение фазы при однофазном АПВ и т. д. Длительная несимметрия возникает при наличии несимметрии в том или ином элементе электрической сети или при подключении к системе электроснабжения несимметричных приемников электроэнергии. К числу таких приемников относятся осветительные приборы, однофазные установки электросварки, индукционные и дуговые сталеплавильные печи, установки электрошлакового переплава, электровозы переменного тока и др., мощность которых достигает 5000 кВ·А и более.

Наличие несимметрии нагрузок фаз вызывает появление токов обратной и нулевой последовательностей. Эти токи, протекая по элементам сети, вызывают в них падения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностей, которые, складываясь с напряжением прямой последовательности промышленной частоты, приводят к возникновению несимметрии напряжений сети. Несимметрия междуфазных напряжений определяется только наличием напряжения обратной последовательности; несимметрия фазных напряжений – напряжениями нулевой и обратной последовательностей. Следует отметить, что токи нулевой последовательности существуют, как правило, только в сетях напряжением выше 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, и распределительных сетях напряжением до 1 кВ. В широко распространенных трехфазных сетях без нулевого провода эти токи отсутствуют.

B асинхронных двигателях несимметрия напряжения обусловливает дополнительный нагрев, а также противодействующий вращающий момент, уменьшающий полезный момент двигателя. Уменьшение полезного момента за счет противодействующего по отношению к моменту при симметричной нагрузке равно в первом приближении квадрату коэффициента несимметрии напряжений. Поскольку сопротивление обратной последовательности асинхронного двигателя в 5-7 раз меньше сопротивления прямой последовательности, то при наличии даже небольшой составляющей напряжения обратной последовательности возникает значительный ток. Этот ток накладывается на ток прямой последовательности и обусловливает дополнительный нагрев ротора и статора, в результате чего быстро стареет изоляция и уменьшается допустимая нагрузка машины. Так, например, при несимметрии напряжений в 4% срок службы полностью нагруженного двигателя сокращается в 2 раза.

Несимметрия токов в линиях электропередачи и трансформаторах приводит к тому, что одна фаза работает с перегрузкой, тогда как другие фазы недогружены. В результате этого в линиях электропередачи значительно уменьшается пропускная способность, и увеличиваются потери энергии. В силовых трансформаторах фазные обмотки, находящиеся в общем баке, охлаждаются маслом. Поэтому при несимметричной нагрузке температура масла оказывается ниже, чем при симметричной нагрузке, равной нагрузке наиболее загруженной фазы в несимметричном режиме. Это позволяет при несимметрии увеличить нагрузку на все три фазы. Что касается несимметрии напряжений, то она не оказывает существенного влияния на работу трансформаторов и линий электропередачи.

Несимметрия напряжений значительно ухудшает режим работы многофазных выпрямителей: снижается допустимая мощность вентильных агрегатов, в выпрямленном токе появляются гармоники, амплитуды которых пропорциональны коэффициенту несимметрии напряжений. Эти гармоники, резонируя в не рассчитанных на их появление сглаживающих фильтрах, перегружают конденсаторы и выводят их из строя.

Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются по фазам. Располагаемая мощность батареи при этом становится меньше номинальной.

Однофазными приемниками электроэнергии несимметрия напряжений воспринимается как увеличение или уменьшение приложенного к ним напряжения. При этом может наблюдаться ухудшение такого важного показателя электроэнергии, как отклонение напряжения.

Несимметрия напряжений отрицательно влияет также на работу мощных инверторов, релейной защиты, ведет к ошибкам при подсчетах электроэнергии.

Область допустимых несимметричных режимов может быть оценена по максимально допустимой однофазной нагрузке, при которой показатели несимметрии не выходят за пределы нормы в нормальном режиме. При преобладающей не двигательной нагрузке максимально допустимая однофазная нагрузка составляет 10% от номинальной мощности питающего трансформатора. При преобладании электродвигательной нагрузки максимально допустимая однофазная нагрузка составляет 20% от номинальной мощности питающего трансформатора [31].

Рассмотрим способы и средства снижения несимметрии токов и напряжений [27,28].

1. Перераспределение нагрузок по фазам сети обслуживающим персоналом. По результатам замеров токов в фазах магистральных участков линий в периоды максимумов нагрузки периодически обслуживающий персонал производит переключения однофазных нагрузок. Недостаток метода: замеры должны проводиться систематически, т.к. перераспределение нагрузок по результатам однократных измерений может не уменьшить систематическую несимметрию, а наоборот увеличить ее. Этот недостаток можно исключить, если применить автоматическое переключение однофазной нагрузки к наименее загруженной фазе.

3. Из технических средств уменьшения несимметрии напряжения рассмотрим использование симметрирующих устройств. Теоретически при любой несимметричной нагрузке можно создать симметрирующие устройства на базе емкостных и индуктивных элементов, которые полностью компенсируют напряжения обратной и нулевой последовательности на нагрузке.

На рис. 11.7,а представлено ШСУ электромагнитного типа, выполненное на трехстержневом магнитопроводе со схемой соединения обмоток «встречный зигзаг». Следует отметить, что ШСУ электромагнитного типа, являясь индуктивной нагрузкой, увеличивают реактивную составляющую тока прямой последовательности, что приводит к снижению коэффициента мощности сети.

ШСУ на индуктивно-емкостных элементах имеют более простую конструкцию. Схема такого устройства с тремя емкостными и одним индуктивным элементом, которые соединены по схеме четырехлучевой звезды, приведена на рис. 11.7,б. Емкостные элементы этого ШСУ подключаются к фазам сети, а индуктивный – к нейтральному проводу. Такое устройство, помимо эффекта симметрирования осуществляет компенсацию реактивной мощности токов прямой последовательности. Можно построить и ШСУ с тремя индуктивными и одним емкостным элементом, подключив к фазам сети индуктивные элементы, а к нейтральному проводу – емкостный (рис. 11.7,в).

Таким образом, подключение таких устройств в значительной степени улучшает качество напряжения у потребителей и повышает симметрию токов в линии и трансформаторе. Достоинством ШСУ является также то, что его параметры не зависят от нагрузки, и, следовательно, они могут изготавливаться нерегулируемыми.

Указания к выполнению работы

1. Изучить возможные схемы включения в сеть регулирующих напряжение устройств.

2. Изучить способы и средства уменьшения высших гармоник. Нарисовать структурную схему фильтра.

3. Изучить способы и средства снижения несимметрии токов и напряжений.

4. Разобрать принцип работы шунто-симметрирующих устройств для сетей 0,38 кВ.

Отчет должен содержать:

1. Назовите основные показатели качества электрической энергии согласно ГОСТ 13109-97.

2. Как влияет качество электроэнергии на работу электроприемников?

3. Каковы причины значительных отклонений напряжения у сельскохозяйственных потребителей?

4. Каковы причины несимметрии напряжения у сельскохозяйственных потребителей?

5. Назовите основные причины несинусоидальности напряжения.

6. Какие существуют способы регулирования напряжения, какие из них наиболее приемлемы для сельских электрических сетей?

7. Назовите способы уменьшения несинусоидальности напряжения в сетях.

8. Возможные способы уменьшения несимметрии в сельских электрических сетях. Их достоинства и недостатки.

Источник