Электрические сети и системы

Выработка, передача и потребление электроэнергии выполняется при различных напряжениях: генерация при напряжении до 30 кВ, передача - при напряжении 35 кВ и выше, потребление - сотни и тысячи вольт.

Номинальным напряжением элементов электрической сети (электроприемники, генераторы, трансформаторы) называется то напряжение, на котором эти элементы имеют наиболее целесообразные технические и экономические характеристики.

Номинальные напряжения устанавливаются государственным стандартом (ГОСТ).

Таблица 1.1 - Номинальные напряжения (до 1000 В) переменного трехфазного тока, В

Таблица 1.2 - Номинальные напряжения (более 1000 В) переменного трехфазного тока, кВ

Номинальные напряжения источников (генераторы и СК) по условиям компенсации потерь напряжения в питаемой сети приняты на 5% выше номинальных напряжений сети.

Первичные обмотки трансформаторов являются приемниками электроэнергии. Поэтому для повышающих трансформаторов их номинальные напряжения равны номинальным напряжениям генераторов; для понижающих трансформаторов - номинальным напряжениям сети или на 5% выше. Вторичные обмотки трансформаторов питают последующую сеть. Чтобы скомпенсировать потерю напряжения в трансформаторах, их номинальные напряжения выше номинальных напряжений сети на 5 - 10%.

Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением электроприемников, которые от нее питаются. В действительности электроприемники работают при напряжении отличном от номинального напряжения из-за потерь напряжения. Согласно ГОСТ, при нормальном режиме работы сети напряжение подводимое к электроприемникам не должно отличаться от номинального больше, чем на ± 5%. Т.е. напряжение U₁ не должно превышать номинальное более, чем на 5%. Напряжение U₂ не должно быть ниже больше, чем на 5% (см. рис. 1.3). Номинальное напряжение сети равно ее среднему значению:

Область использования номинальных напряжений

Напряжения 220 В, 3, 20 и 150 кВ считаются неперспективными и не рекомендуются для вновь проектируемых сетей.

В сети до 1000 В наибольшее распространение получило напряжение 380 В. Используется для питания осветительной нагрузки внутри и вне помещений, для питания мелкомоторной нагрузки промышленных предприятий.

Напряжение 660 В применяется в заводских сетях для питания электросиловой нагрузки.

Напряжение 6 и 10 кВ используются для распределительных сетей в городской и сельской местности.

Напряжение 35 и 110 кВ имеют наибольшее распространение. Напряжение 35 кВ используют в распределительных сетях. Напряжение 110 кВ выполняет две функции:

· питает крупные центры потребления энергии, т.е. выступает в роли системообразующего. Особенно это относится к старым энергосистемам;

· питает подстанции небольшой мощности напряжением 110/10 кВ в зонах обслуживания потребителей 10 кВ, т.е. выступает в роли распределительного.

Напряжение 220 кВ применяют в энергосистемах с высшим напряжением 500 кВ при значительном росте нагрузок, как наиболее перспективное по отношению к напряжению 110 кВ.

Напряжения 330 кВ и выше играют роль системообразующих напряжений.

2. Классификация электрических сетей

Электрические сети классифицируются:

· по роду тока;

· по номинальному напряжению;

· по конструктивному исполнению;

· по расположению;

· по конфигурации;

· по степени резервированности;

· по выполняемым функциям;

· по характеру потребителей;

· по назначению в схеме электроснабжения;

· по режиму работы нейтрали.

По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. Основное распространение получили сети трехфазного переменного тока.

Однофазными выполняются внутриквартирные сети. Они выполняются как ответвление от трехфазной четырехпроводной сети.

Сети постоянного тока используются в промышленности (электрические печи, электролизные цеха) и для питания городского электротранспорта.

Постоянный ток используется для передачи энергии на большие расстояния. Но, на постоянном токе работает только ЛЕП: в вначале и конце ЛЕП строятся преобразовательные подстанции, на которых происходит преобразование переменного тока в постоянный и обратно. Использование постоянного тока обеспечивает устойчивую параллельную работу генераторов ЭС.

Постоянный ток используется для организации связи электроэнергетических систем. При этом отклонение частоты в каждой системе практически не отражается на передаваемой мощности.

Существуют передачи пульсирующего тока. В них электроэнергия передает-ся по общей линии одновременно переменным и постоянным токами. У такой передачи увеличивается пропускная способность по отношению к ЛЕП переменного тока и облегчается отбор мощности по сравнению с ЛЕП постоянного тока.

По напряжению согласно ГОСТ сети делятся на сети напряжением до 1000 В и сети напряжением выше 1000 В.

В литературе встречается и такое деление:

· сети низких напряжений (220 - 660 В);

· сети средних напряжений (6 - 35 кВ);

· сети высоких напряжений (110 - 220 кВ);

· сети сверхвысоких напряжений (330 - 750 кВ);

· сети ультравысоких напряжений (более 1000 кВ).

По конструктивному исполнению различают воздушные и кабельные сети, проводки и токопроводы.

Токопровод - это установка для передачи и распределения электроэнергии, которая используется на промышленных предприятиях. Состоит из неизолированных или изолированных проводников, изоляторов, защитных оболочек и опорных конструкций.

Электропроводки предназначены для выполнения сетей в зданиях.

По расположению сети делятся на наружные и внутренние. Наружные выполняются неизолированными (голыми) проводами и кабелями. Внутренние выполняются изолированными проводами.

По конфигурации сети делятся на разомкнутые (см. рис. 2.1) и замкнутые (см. рис. 2.2).

Разомкнутые сети питаются от одного источника питания и передают электроэнергию к потребителям только в одном напрявлении.

В замкнутых сетях электроприемники получают по меньшей мере с друх сторон. Различают простые замкнутые сети и сложнозамкнутые сети. Простые замкнутые сети имеют один замкнутый контур, сложнозамкнутые - несколько. К простым замкнутым сетям относятся кольцевая сеть и сеть с двухсторонним питанием.

По степени резервированности сети делятся на нерезервированные и резервированные. Замкнутые сети всегда резервированные, потому что при отключении любой ЛЕП или любого источника питания ни один из потребителей не потеряет питание. Магистральные сети, выполненные одной цепью, являются нерезервированными, так как часть или все потребители теряют питание в зависимости от места повреждения и мест установки коммутационной аппаратуры. Магистральные сети, выполненные двумя цепями, являются резервированными.

По выполняемым функциям различают системообразующие, питающие и распределительные сети.

Системообразующие сети - это сети напряжением 330 кВ и выше. Выполняют функцию формирования энергосистем, объединяя мощные ЭС и обеспечивая их функционирование как единого объекта управления. Эти сети характеризуются большим радиусом охвата, значительными нагрузками. Сети выполняются по сложнозамкнутым многоконтурным схемам с несколькими ИП.

Питающие сети предназначены для передачи электроэнергии от подстанций системообразующей сети и от шин 110 - 220 кВ ЭС к районным подстанциям. Питающие сети обычно замкнуты. Их напряжение - 110 - 220 кВ.

Распределительная сеть предназначена для передачи электроэнергии на не-большие расстояния от шин низшего напряжения районных ПС непосредственно к потребителям. Такие сети выполняют по разомкнутым схемам. Различают расп-ределительные сети высокого напряжения (более 1000 В) и низкого напряжений (до 1000В).

По характеру потребителей сети делятся на городские, промышленные и сельские.

Городские сети характеризуются высокой плотностью электрических на-грузок (до 12 МВ·А/км²) и большим количеством разнородных потребителей.

К промышленным сетям относятся сети промышленных предприятий. Эти сети делятся на сети внешнего и внутреннего электроснабжения. Напряжение зависит от близости к питающей ПС. Если она расположена вблизи предприятия, то напряжение внешнего электроснабжения - 6 - 10 кВ, а внутреннего - до 1000 В. Если питающая ПС расположена далеко, то напряжение внешнего электроснабжения повышается. Для промышленных сетей существует понятие “глубокого ввода”, когда высокое напряжение (220 -330 кВ) заводится на территорию завода, минуя дополнительные трансформации. В этом случае в схеме внутреннего элект-роснабжения используется напряжение 6 - 35 кВ.

Сельские сети - сети напряжением 0,4 - 110 кВ. Они предназначены для питания небольших населенных пунктов, сельскохозяйственных предприятий. Отличаются большой протяженностью и малой плотностью нагрузки (до 15 кВ·А/км²). Сельские сети выполняются, в основном, воздушными ЛЕП по разомкнутым схемам.

По назначению в схеме электроснебжения сети делятся на местные и районные.

Местные сети охватывают площади радиусом до 30 км. Они имеют малую плотность нагрузки и напряжение до 35 кВ включительно. Это сельские, комму-нальные и фабрично-заводские сети. К местным сетям относятся “глубокие вводы” напряжением 110 кВ.

Районные сети охватывают большие районы и имеют напряжение 110 кВ и выше. По районным сетям осуществляется передача электроэнергии от ЭС в места ее потребления. К районным сетям относятся основные сети системы, магистральные ЛЕП внутрисистемной связи и межсистемные связи.

По режиму работы нейтрали сети делятся:

· на сети с изолированной нейтралью;

· на сети с компенсированной нейтралью;

· на сети с эффективно - заземленной нейтралью;

· на сети с глухозаземленной нейтралью.

Режим работы нейтрали определяется способом соединения нейтрали с землей. В сетях с изолированной нейтралью электроустановки не имеют связи з землей. В сетях с компенсированной нейтралью имеется связь через дугогасительную катушку. В сетях с глухозаземленной нейтралью - непосредственная связь с землей. В сетях с эффективно-заземленной нейтралью - часть нейтралей трансформаторов заземлена, часть - разземлена (в нейтраль включены разъединитель и разрядник).

Выбор режима работы нейтрали в сети до 1000 В определяется безопасностью работ. В сети выше 1000 В - двумя причинами:

· стоимостью изоляции оборудования;

· величиной токов однофазного короткого замыкания на землю.

В соответствии с “Правилами устройства электроустановок” электроустановки до 1000 В работают либо с глухозаземленной, либо с изолированной нейтралью.

В первом случае имеем четырехпроводную сеть. Замыкание любой фазы на землю приводит к короткому замыканию в сети (ток повреждения большой). Предохранитель поврежденной фазы перегорает, а две здоровые фазы остаются в работе при фазном напряжении.

Во втором случае имеем трехпроводную сеть. В такой сети замыкание фазы на землю не приводит к значительному росту тока в месте повреждения, фаза не отключается. Фазные напряжения неповрежденных фаз возрастают до линейных значений, т.е. возрастают в раз.

В обоих случаях изоляция рассчитывается на линейное напряжение.

Сети напряжением 6 - 35 кВ считаются сетями с малыми токами замыкания на землю (до 500 А). Работают такие сети либо с изолированной, либо с компенсированной нейтралью.

В сети с изолированной нейтралью при касании фазы землю напряжение этой фазы становится равным нулю, а на здоровых фазах возрастает до линейного значения (см. рис. 2.1 а). Поэтому изоляция должна быть рассчитана на линейное напряжение. Емкостный ток в поврежденной фазе равен нулю, а в неповрежденных фазах увеличивается в раз (см. рис. 2.1 б). Суммарный емкостный ток, равный 3 I₀, будет протекать через место замыкания фазы на землю и источник питания. Если величина этого тока в сети 6 - 10 кВ превышает 30 А, а в сети 35 кВ - 10 А, то в нейтраль трансформаторов необходимо включить дугогасительную катушку. Ее индуктивный ток складывается с емкостным током замыкания на землю, который может быть скомпенсирован частично или полностью.

Сети 6 - 35 кВ не требуют немедленного отключения и могут работать несколько часов. Но повреждение можно обнаружить только при поочередном отключении потребителей.

Сети напряжением 110 кВ и выше считаются сетями с большими токами замыкания на землю (свыше 500 А). Они не могут работать с изолированной нейтралью, так как изоляция в этом случае должна рассчитываться на линейное напряжение. А это дорого. Сети работают с заземленной нейтралью. При этом ток однофазного короткого замыкания может превышать ток трехфазного к.з. В этом случае коммутационная аппаратура должна выбираться по большему току, т.е. однофазному.

В месте повреждения в таких сетях возникает электрическая дуга с большим током. Дуга гасится при отключении повреждения. Так как большинство к.з являются самоустраняющимися, то для проверки линия включается вновь под действием АПВ. Если к.з. самоустранилось, то ЛЕП остается в работе, если нет, то повреждение отключается вновь. В переходном режиме и при коммутациях в сети возникают внутренние перенапряжения. Величина перенапряжения влияет на выбор изоляции. Величину перенапряжения стараются ограничить. Для этого заземляют нейтрали оборудования. Но чем больше заземленных нейтралей, тем меньше величина перенапряжения, но тем больше величина тока однофазного к.з.

В сетях 110 кВ поступают следующим образом. Часть нейтралей разземляют, чтобы величина токов однофазного к.з. не превышала величину токов трехфазного кз. Заземляют нейтрали трансформаторов на электростанциях, узловых подстанциях и на тупиковых потребительских подстанциях. Напряжение на неповрежденных фазах по отношению к земле в установившемся режиме не должно быть больше 0,8 U_ном (линейного). Такие сети называются сетями с эффективно-заземленной нейтралью.

В сетях 220 кВ и выше применяют глухое заземление нейтрали всех трансформаторов. В этом напряжение на неповрежденных фазах по отношению к земле в установившемся режиме не превышает фазное. Коммутационная аппаратура выбирается по большему току к.з.

3. Основные сведения о конструкциях линий электропередач

Воздушные линии электропередач (ВЛЕП)

Электрической воздушной линией электропередачи называется устройство для передачи электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам инженерных сооружений. Главные элементы воздушной ЛЕП:

· провода, которые служат для передачи электроэнергии;

· грозозащитные тросы для защиты от атмосферных перенапряжений (грозовых разрядов). Они монтируются в вехрней части опор;

· опоры, поддерживающие провода и тросы на определенной высоте над поверхностью;

· изоляторы, изолирующие провода от тела опоры;

· арматура, при помощи которой провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опоре.

По конструктивному исполнению различают одноцепные и двухцепные ЛЕП. Под цепью понимают три провода (трехфазная цепь) одной ЛЕП.

Конструктивная часть ВЛЕП характеризуется типами опор, длинами пролетов, габаритными размерами, конструкцией фазы и типами гирлянд изоляторов.

По типу опоры ВЛЕП делятся на промежуточные и анкерные. Промежуточные и анкерные различаются способом подвески проводов. На промежуточной опоре провод подвешивается с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. На анкерных опорах провода закреплены жестко и натянуты до заданного тяже-ния при помощи натяжной гирлянды изоляторов (см. рис. 3.1).

По назначению различают опоры угловые, концевые, специального назначения.

По материалу опор различают деревянные (до 220 кВ), железобетонные (35 - 330 кВ) и металлические (35 кВ и выше).

На ВЛЕП применяют голые провода и тросы. Находясь на открытом воздухе, они подвергаются атмосферным воздействиям. Поэтому материал проводов, кроме хорошей проводимости, должен быть устойчивым к коррозии, обладать механической прочностью. Для проводов применяют следующие материалы:

· медь;

· олюминий;

· сталь;

· сплавы алюминия и меди с другими металлами (железом, магнием, кремнием).

Медь имеет удельную проводимость См·км/мм². Отличается механической прочностью. Пленка окиси защищает ее от коррозии и химических воздействий. Обладает устойчивостью контакта.

Алюминий имеет удельную проводимость См·км/мм². Механическая прочность хуже, чем у меди. Следовательно, чаще следует ставить опоры. Пленка окиси защищает ее от коррозии. Плохо противостоит химическим воздействиям. Не обладает устойчивостью контакта.

Стальные провода имеют плохую проводимость. Отличаются большой механической прочностью. Не обладают устойчивостью к коррозии. Активное сопротивление зависит от протекающего тока.

Выполняют провода и из двух металлов - стали и алюминия. Сталь находится внутри провода и служит для увеличения механической прочности. Алюминий находится снаружи и является токопроводящей частью.

В маркировке проводов сначала указывается материал, а затем сечение в мм². Медные провода маркируют буквой М, алюминиевые провода - буквой А, стальные провода - буквами ПС и ПСО и сталеалюминиевые - буквами АС. В маркировке сталеалюминиевых проводов сначала указывают сечение алюминия, а затем стали. Например, АС-120/19. Провода марки АС выпускаются с различным отношением сечений алюминия и стали при одном и том же сечении алюминия. В зависимости от этого отношения различают провода облегченной конструкции, средней, усиленной и особо усиленной прочности.

Для защиты проводов марки АС от коррозии и химических воздействий используют специальные защитные средства. Тип защиты отражается в маркировке провода:

· марки АСКС, АСКП - провод сталеалюминиевый коррозионностойкий с заполнением стального сердечника (С) или всего провода (П) смазкой;

· марка АСК - как и АСКС, стальной сердечник изолирован полиэтиленовой пленкой.

За рубежом применяются изолирующие самонесущие провода. Представляют собой систему изолированных жил, скрученных вокруг несущего троса. Скрутка выполняется таким образом, что вся механическая нагрузка воспринимается только несущим тросом. Такие провода прокладываются без изоляторов. На опоре могут быть смонтированы несколько ЛЕП различных напряжений.

По конструкции проводов различают:

· однопроволочные, состоящие из одной проволоки сплошного сечения;

· многопроволочные из одного металла, состоящие в зависимости от сечения провода из нечетного количества проволок (от 7 до 61);

· многопроволочные из двух металлов. Количество проводов стального сердечника - нечетное (1, 7 или 19). Количество проволок токопроводящей части - четное.

Провода ВЛЕП располагают на опоре различными способами:

· на одноцепных опорах - треугольником или горизонтально (рис. 3.2, а, б);

· на двухцепных опорах - обратной елкой или шестиугольником в виде “бочки” (рис. 3.2, в, г).

Горизонтальное расположение провода - наилучшее по условиям эксплуатации, т.к. позволяет применять более низкие опоры и исключает схлестывание проводов при сбрасывании гололеда или пляске проводов. Пляска проводов - это колебания проводов с малой частотой и большой амплитудой).

Так как во всех вариантах несимметричное расположение проводов по отношению к друг другу, то для выравнивания реактивного сопротивления и емкостной проводимости по фазам применяют транспозицию, т.е. меняют расположение проводов на опорах (рис. 3.3).

Кабельные линии электропередач (КЛЕП)

Кабельная линия электропередачи - это линия для передачи электроэнергии, состоящая из одного или нескольких кабелей.

Кабель - это изолированная по всей длине металлическая жила (или несколько жил), поверх которой наложены защитные покровы.

Преимущества КЛЕП по отношению к ВЛЕП:

· неподверженность атмосферным воздействиям;

· скрытность трассы и недоступность для посторонних лиц.

Недостатки:

· дороже ВЛЕП того класса напряжения;

· более трудоемки в сооружении;

· требуют большего срока для ремонта и более квалифицированного обслуживающего персонала;

· передача одной и той же мощности требует провода большего сечения.

Кабельные ЛЕП широко используются в городских сетях, на территориях предприятий, при пересечении больших водоемов, в загрязненной атмосфере.

Главными элементами КЛЕП являются:

· кабель для передачи электроэнергии;

· соединительные муфты;

· концевые муфты (заделки);

· стопорные муфты. Применяются на крутых участках трассы для предупреждения стекания кабельной массы;

· подпитывающие аппараты и система сигнализации давления масла для линий выполненных маслонаполненными кабелями;

· кабельные сооружения (кабельные коллекторы, туннели, каналы, шахты, колодцы), которые применяют на отдельных участках трассы.

К основным частям кабеля любого напряжения относятся:

· токопроводящие жилы;

· изоляция или изолирующие оболочки, отделяющие токопроводящие жилы друг от друга и от земли;

· защитная оболочка, предохраняющая изоляцию от вредного действия влаги, кислот, механических повреждений.

Конструкция кабеля напряжением 10 кВ приведена на рис. 3.4.

Токопроводящая жила выполняется из меди или алюминия из одной (до 16 мм²) или нескольких проволок. По количеству жил различают кабели:

· одножильные. Применяют на постоянном токе и на переменном токе при напряжении 110 кВ и выше;

· двухжильные. Применяют на постоянном токе;

· трехжильные. Применяют на переменном токе при напряжениях до 35 кВ;

· четырехжильные (три жилы и нулевой провод). Применяют на переменном токе при напряжении до 1000В.

Фазная изоляция предназначена для изоляции жил друг от друга. Выполняют из специальной технической бумаги с вязкой пропиткой, которая увеличивает электрическую прочность.

Поясная изоляция обеспечивает одинаковую электрическую прочность между жилами и между любой фазой и землей. Это важно, так как в сети с изолированной нейтралью при замыкании одной из фаз на землю две другие фазы по отношению к земле оказываются под линейным напряжением.

Разделение изоляции на фазную и поясную позволяет уменьшить диаметр кабеля. Но при наличии поясной изоляции электрическое поле отличается от радиального (рис. 3.5). В этом случае силовые линии имеют различные углы наклона по отношению к слоям бумаги, что обусловливает наличие в них тангенциальной составляющей поля. Электрическая прочность вдоль слоев бумаги в 8 - 10 раз меньше, чем поперек.

Свободное пространство кабеля заполняется бумажными жгутами. Они затрудняют перемещение пропиточного состава, удлиняя срок службы кабеля. Они также придают округлую форму кабелю.

Оболочка служит для герметезации изоляции и защиты ее от проникновения влаги, воздуха, химических продуктов, исключает старение изоляции под действием тепла и света. Выполняют из алюминия, свинца, полиэтиленовых материалов.

Броня служит для защиты оболочки от механических повреждений при раскопках, сползании грунта. Выполняют из стальных лент или проволок.

Наружный покров защищает броню от коррозии. Представляет собой джутовое покрытие, пропитанное битумной массой.

При повышении напряжения слой изоляции нужно увеличивать. Это не выгодно. Поэтому при напряжении 35 кВ и выше кабели выполняются с отдельно освинцованными или экранированными жилами. И электрическое, и тепловое поля - радиальные (рис. 3.5 б).

· жила - буква А для алюминия, без обозначения для меди;

· оболочка - буква А для алюминия, С - для свинца, В - для поливинилхлорида, Н - для резины, П - для полиэтилена;

· броня - буква Б для стальных лент, П - для плоских освинцованных проволок, К - для круглых освинцованных проволок, Г - для кабелей без брони и защитного слоя.

Если кабели выполняются с отдельно освинцованными жилами, то в маркировке указывается буква О.

Для маслонаполненных кабелей низкого давления перед основной аббревиатурой указывают буквы МН, а для кабелей высокого давления - МВД.

После аббревиатуры указывают количество жил и сечение жил в мм².

Например, ААБ-3 х 120 - трехжильный алюминиевый кабель с алюминиевой оболочкой и броней из свинца с сечением жил 120 мм²; СБ-3 х 95 трехжильный медный кабель со свинцовыми оболочкой и броней сечением жил 95 мм².

4. Схемы замещения и параметры элементов электрических сетей

В состав электрической сети входят различные по назначению и конструкции элементы (ЛЭП, трансформаторы и т.д.). Но на каждом из участков её можно охарактеризовать одинаковым набором параметров, отражающих свойства элементов и различающихся между собой только количественно.

Каждый элемент электрической сети представляется в виде схемы замещения. Расчётная схема электрической сети, таким образом, образуются в результате объединения схем замещения отдельных элементов с учётом последовательности соединения их в сеть.

Любая ЛЭП, строго говоря, обладает большим количеством равномерно распределённых вдоль неё бесконечно малых активных и реактивных сопротивлений и проводимостей. Точный их учёт необходим при расчёте длинных линий (ВЛЭП больше 300 км, для КЛЭП больше 50 км). В практических расчётах ограничиваются упрощёнными методами и считают, что ЛЭП обладает не распределёнными, а сосредоточенными сопротивлениями и проводимостями.

Активное сопротивление

Активное сопротивление зависит от материала, сечения и температуры. Активное сопротивление обусловливает тепловые потери проводов и кабелей. Определяется материалом токоведущих проводников и площадью их сечения.

Различают сопротивление проводника постоянному току (омическое) и переменному току (активное). Активное сопротивление больше активного (R_а > R_ом) из-за поверхностного эффекта. Переменное магнитное поле внутри проводника вызывает противоэлектродвижущую силу, благодаря которой происходит перераспределение тока по сечению проводника. Ток из центральной его части вытесняется к поверхности. Таким образом, ток в центральной части провода меньше, чем у поверхности, то есть сопротивление провода возрастает по сравнению с омическим. Поверхностный эффект резко проявляется при токах высокой частоты, а также в стальных проводах (из-за высокой магнитной проницаемости стали).

Для ЛЭП, выполненных из цветного металла, поверхностный эффект на промышленных частотах незначителен. Следовательно, R_а ? R_ом.

Обычно влиянием колебания температуры на R_а проводника в расчётах пренебрегают. Исключение составляют тепловые расчеты проводников. Пересчет величины сопротивления выполняют по формуле:

где R₂₀ - активное сопротивление при температуре 20^о;

текущее значение температуры.

Активное сопротивление зависит от материала проводника и сечения:

где с -удельное сопротивление, Ом мм²/км;

l - длина проводника, км;

F - сечение проводника, мм².

Сопротивление одного километра проводника называют погонным сопротивлением:

где удельная проводимость материала проводника, км См/мм².

Для меди г_Cu=5310^-3 км См/мм², для алюминия г_Al=31.710^-3 км См/мм².

На практике значение r₀ определяют по соответствующим таблицам, где они указаны для t⁰=20⁰С.

Величина активного сопротивления участка сети рассчитывается:

R = r₀l.

Активное сопротивление стальных проводов намного больше омического из-за поверхностного эффекта и наличия дополнительных потерь на гистерезис (перемагничивание) и от вихревых токов в стали:

r₀ = r_0пост + r_0доп,

где r_0пост - омическое сопротивление одного километра провода;

r_0доп - активное сопротивление, которое определяется переменным магнитным полем внутри проводника, r_0доп = r_{0поверх.эф} + r_{0гистер.} + r_0вихр.

Изменение активного сопротивления стальных проводников показано на рисунке 4.1.

При малых величинах тока индукция прямо пропорциональна току. Следовательно, r₀ увеличивается. Затем наступает магнитное насыщение: индукция и r₀ практически не изменяются. При дальнейшем увеличении тока r₀ уменьшается из-за снижения магнитной проницаемости стали ().

Зависимость r₀ = f(F) имеет вид (см. рис. 4.2):

Из рис. 4.2 видно, что при малых значениях сечения r₀ имеет большое значение. При увеличении сечения величина r₀ уменьшается.

Индуктивное сопротивление

Переменный ток, проходя по проводу, образует вокруг него переменное магнитное поле, которое наводит в проводнике ЭДС обратного направления (ЭДС самоиндукции). Сопротивление току, обусловленное противодействием ЭДС самоиндукции, называется реактивным индуктивным сопротивлением.

Величина реактивного индуктивного сопротивления зависит как от значения тока в собственном проводе, так и от величины токов в соседних проводах. Чем дальше расположены фазные провода линии, тем меньше влияние соседних проводов - поток рассеяния и индуктивное сопротивление увеличиваются.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние диаметр провода, магнитная проницаемость () и частота переменного тока. Величина погонного индуктивного сопротивления рассчитывается по формуле:

(4.1)

где - угловая частота;

- магнитная проницаемость;

среднегеометрическое расстояние между фазами ЛЭП;

радиус провода.

Погонное индуктивное сопротивление состоит из двух составляющих и . Величина называется внешним индуктивным сопротивлением. Обусловлено внешним магнитным полем и зависит только от геометрических размеров ЛЭП. Величина называется внутренним индуктивным сопротивлением. Обусловлено внутренним магнитным полем и зависит только от , то есть от тока проходящего по проводнику.

Среднегеометрическое расстояние между фазными проводами рассчитывается по формуле:

.

На рис. 4.3 показано возможное расположение проводов на опоре.

При расположении проводов в одной плоскости (рис. 4.3 а, б) формула для расчета D_ср упрощается:

Если же провода расположены в вершинах равностороннего треугольника, то D_ср = D_.

Для ВЛЭП напряжением 6-10 кВ расстояние между проводами составляет 1-1,5 м; напряжением 35 кВ - 2-4 м; напряжением 110 кВ - 4-7 м; напряжением 220 кВ - 7-9м.

При f = 50Гц значение =2f = 3,14 1/с. Тогда формула (4.1) записывается следующим образом:

Для проводников выполненных из цветного металла (медь, алюминий) = 1.

На ЛЭП высокого напряжения (330 кВ и выше) применяют расщепление фазы на несколько проводов. На напряжении 330 кВ обычно используют 2 провода в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 19%). На напряжении 500 кВ обычно используют 3 провода в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 28%). На напряжении 750 кВ используют 4-6 проводов в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 33%).

Величина погонного индуктивного сопротивления при расщепленной конструкции фазы рассчитывается как:

где n - количество проводов в фазе;

R_{пр экв} - эквивалентный радиус провода.

При n = 2, 3

где а - шаг расщепления (среднегеометрическое расстояние между проводами в фазе);

R_пр - радиус провода.

При большем количестве проводов в фазе их располагают по окружности ( см. рис. 4.4). В этом случае величина эквивалентного радиуса провода равна:

где _p - радиус расщепления.

Величина погонного индуктивного сопротивления зависит от радиуса провода, и практически не зависит от сечения (рис. 4.5).

Величина x₀ уменьшается при увеличении радиуса провода. Чем меньше средний диаметр провода, тем больше x₀, так как в меньшей степени влияют соседние провода, уменьшается ЭДС самоиндукции. Влияние второй цепи для двухцепных ЛЭП проявляется мало, поэтому им пренебрегают.

Индуктивное сопротивление кабеля намного меньше чем у воздушных ЛЭП из-за меньших расстояний между фазами. В ряде случаев им можно пренебречь. Сравним погонное индуктивное кабельных и воздушных линий разных напряжений:

Таблица 4.1

Величина реактивного сопротивления участка сети рассчитывается:

Х = х₀l.

Активная проводимость

Активная проводимость (G) обусловлена потерями активной мощности в диэлектриках. Ее величина зависит от:

· тока утечки по изоляторам (малы, можно пренебречь);

· потерь мощности на корону.

Активная проводимость приводит к потерям активной мощности в режиме холостого хода ВЛЭП. Потери мощности на корону (_кор) обусловлены ионизацией воздуха вокруг проводов. Когда напряжённость электрического поля у провода становится больше электрической прочности воздуха (21,2кВ/см), на поверхности провода образуются электрические разряды. Из-за неровностей поверхности многопроволочных проводов, загрязнений и заусениц разряды появляются вначале только в отдельных точках провода - местная корона. По мере повышения напряжённости корона распространяется на большую поверхность провода и в конечном счёте охватывает провод целиком по всей длине - общая корона.

Потери мощности на корону зависят от погодных условий. Наибольшие потери мощности на корону происходят при различных атмосферных осадках. Например, на воздушных ЛЭП напряжением 330750кВ _кор при снеге повышаются на 14%, дожде - на 47%, изморози - на 107% по сравнению с потерями при хорошей погоде. Корона вызывает коррозию проводов, создаёт помехи на линиях связи и радиопомехи.

Величину потерь мощности на корону можно рассчитать по формуле:

кВт/км

где коэффициент, учитывающий барометрическое давление;

U_ф, U_{кор ф} - соответственно фазные рабочее напряжение ЛЭП и напряжение, при котором возникает корона.

Начальная напряжённость (в хорошую погоду), при которой возникает общая корона рассчитывается по формуле Пика:

кВ/см

где m - коэффициент негладкости привода;

R_пр - радиус провода, см;

коэффициент, учитывающий барометрическое давление.

Для гладких цилиндрических проводов значение m = 1, для многопроволочных проводов - m = 0,820,92.

Величина д рассчитывается по формуле:

,

где Р - давление, мм ртутного столба;

температура воздуха, ⁰C.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре 20 ⁰C = 1. Для районов с умеренным климатом среднегодовое значение равно 1,05.

Рабочая напряженность при нормальных условиях работы ЛЭП определяется по формулам:

· для нерасщепленной фазы

кВ/см

· для расщепленной фазы

, кВ/см

где U_экс - среднее эксплуатационное (линейное) напряжение.

Если величина эксплуатационного напряжения неизвестна, то считают, что U_экс = U_ном.

Величина рабочей напряженности на фазах разная. В расчетах принимается величина наибольшей напряжённости:

E_max = k_распk_расщ E,

где k_расп - коэффициент, учитывающий расположение проводов на опоре;

k_расщ - коэффициент, учитывающий конструкцию фазы.

Для проводов, расположенных в вершинах равностороннего треугольника или близкого к нему, k_расп = 1. Для проводов, расположенных в горизонтально или вертикально, k_расп = 1,05 - 1,07.

Для нерасщепленной фазы k_расщ = 1. При расщепленной конструкции фазы коэффициент k_расщ рассчитывается по формулам:

· при n = 2

· при n = 3

Напряжение, при котором возникает корона, рассчитывается по формуле:

Чтобы повысить U_кор нужно снизить E_max. Для этого нужно увеличить либо радиус провода R_пр либо D_ср. В первом случае эффективно расщеплять провода в фазе. Увеличение D_ср приводит к значительному изменению габаритов ЛЭП. Мероприятие малоэффективно, так как D_ср находится под знаком логарифма.

Если E_max > E₀, то работа ЛЭП является неэкономичной из-за потерь мощности на корону. Согласно ПУЭ, корона на проводах отсутствует, если выполняется условие:

E_max 0,9 E₀ (m =0,82, = 1).

При проектировании выбор сечений проводов выполняют таким образом, чтобы короны в хорошую погоду, не было. Так как увеличение радиуса провода является основным средством снижения P_кор, то установлены минимально допустимые сечения по условиям короны: при напряжении 110 кВ - 70мм², при напряжении 150 кВ - 120мм², при напряжении 220 кВ - 240мм².

Величина погонной активной проводимости рассчитывается по формуле:

, См/км.

Активная проводимость участка сети находится следующим образом:

При расчете установившихся режимов сетей напряжением до 220кВ активная проводимость не учитывается - увеличение радиуса провода снижает потери мощности на корону практически до нуля. При U_ном 330кВ увеличение радиуса провода приводит к значительному удорожанию ЛЭП. Поэтому в таких сетях расщепляют фазу и учитывают в расчетах активную проводимость.

В кабельных ЛЭП расчет активной проводимости выполняется по тем же формулам, что и для воздушной ЛЭП. Природа потерь активной мощности иная.

Реактивная (ёмкостная проводимость)

Реактивная проводимость обусловлена наличием емкости между фазами и между фазами и землей, так как любую пару проводов можно рассматривать как конденсатор.

Для ВЛЭП величина погонной реактивной проводимости рассчитывается по формулам:

· для нерасщепленных проводов

, См/км;

· для расщеплённых проводов

Расщепление увеличивает b₀ на 2133%.

Для КЛЭП величина погонной проводимости чаще рассчитывается по формуле:

b₀ = C₀.

Величина емкости C₀ приводится в справочной литературе для различных марок кабеля.

Реактивная проводимость участка сети рассчитывается по формуле:

В = b₀l.

У воздушных ЛЭП значение b₀ значительно меньше, чем у кабельных ЛЭП, мало, так как D_{ср ВЛЭП} >> D_{ср КЛЭП}.

Под действием напряжения в проводимостях протекает ёмкостный ток (ток смещения или зарядный ток):

I_c=ВU_ф.

Величина этого тока определяет потери реактивной мощности в реактивной проводимости или зарядную мощность ЛЭП:

В районных сетях зарядные токи соизмеримы с рабочими токами. При U_ном = 110 кВ, величина Q_с составляет около 10% от передаваемой активной мощности, при U_ном = 220 кВ - Q_с ? 30% Р. Поэтому ее нужно учитывать в расчетах. В сети номинальным напряжением до 35 кВ величиной Q_с можно пренебречь. электрический ток кабельный

Схема замещения ЛЭП