4. Некоторые вопросы эксплуатации электрических установок

Надежность и экономичность электроснабжения зависят не только от устройства электрических сетей, но в такой же мере от качества эксплуатации.

Эксплуатация электроустановок объединяет множество различных вопросов. Из них кратко рассмотрим некоторые вопросы экономии электроэнергии, безопасность обслуживания, контроль электроизоляции.

Компенсация реактивной мощности. В целях экономии электроэнергии применяют различные меры. В их числе — рациональное ведение технологического процесса, правильная эксплуатация электрооборудования. Большое значение имеет компенсация реактивной мощности в электрических сетях и установках. Подсчитано, что при увеличении коэффициента мощности на 0,01 в масштабе всей страны можно дополнительно получить около 500 млн. кВт-ч электроэнергии.

Энергетический процесс в катушке индуктивности, включенной в цепь переменного тока, характеризуется активной мощностью P = UI cos φ и реактивной Q = UI sin φ .

В этом отношении катушке индуктивности подобны многочисленные устройства переменного тока: асинхронные двигатели, индукционные нагревательные установки, трансформаторы, воздушные линии электропередачи и др.

Получая от генераторов электрическую энергию, эти устройства передают или преобразуют ее в другие виды энергии (активная мощность Р). Одновременно они обмениваются электромагнитной энергией с источниками (реактивная мощность Q). Этот обмен нежелателен, но неизбежен, так как без магнитного поля и периодического накопления энергии в нем перечисленные устройства работать не могут. Если реактивная мощность устройства не равна нулю, то его коэффициент мощности cos φ <1.

На каждом предприятии одновременно работают электродвигатели, трансформаторы и другие устройства. Чем больше их число и меньше коэффициенты мощности, тем больше общая реактивная мощность электрооборудования производственного участка, цеха, всего предприятия.

Величина общей реактивной мощности установки или электрооборудования предприятия в целом зависит еще и от правильного выбора, степени загрузки электродвигателей, трансформаторов, от соблюдения правил эксплуатации электрообо­рудования.

Для выяснения влияния величины реактивной мощности на экономические показатели электрических установок рассмотрим электроприемник (например, асинхронный двигатель), работающий с постоянной активной мощностью при постоянном напряжении в сети.

Ток в электроприемнике, а, следовательно, и в проводах, соединяющих его с источником энергии, при этих условиях зависит от величины реактивной мощности Q : I = S/U = . Чeм больше реактивная мощность электроприемника, тем больший ток будет в самом приемнике, в генераторе, соединительных проводах, трансформаторе и в других элементах сети электроснабжения. Мощность тепловых потерь пропорциональна квадрату тока и сопротивлению проводов ΔР = I²R. Очевидно, чем больше ток приемника, тем больше потери энергии во всех элементах электрической цепи.

Стоимость потерянной энергии входит в эксплуатационные расходы. Уменьшение реактивной мощности электроприемников ведет к уменьшению их токов, сокращению потерь энергии и расходов на эксплуатацию.

Из приведенных рассуждений следует, что реактивную мощность установок, потребляющих реактивную энергию, надо по возможности сокращать.

На практике это достигается правильным выбором мощности асинхронных двигателей, трансформаторов, рациональной эксплуатацией их без недогрузки или работы вхолостую; упорядочением технологического процесса для повышения коэффициента мощности.

Эти и другие меры уменьшения реактивной мощности, связанные с выбором, установкой и эксплуатацией электрооборудования, называют естественными.

В тех случаях, когда естественные меры не могут обеспечить оптимальной величины реактивной мощности установки, принимают искусственные меры ее компенсации. Одной из таких мер является включение параллельно к электроприемникам переменного тока, обладающим индуктивностью, батарей конденсаторов.

Сущность компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов видна из векторной диаграммы, построенной для схемы параллельного соединения электроприемника (например, асинхронного двигателя или группы двигателей) с батареей конденсаторов (рис. 13.12, а, б).

а) б)

Рис. 13.12

До включения конденсаторов ток в подводящих проводах I_д отстает по фазе от напряжения на угол φ₁. После включения их реактивная составляющая I_1p тока двигателя частично компенсируется емкостным током I_с, в связи с чем ток в подводящих проводах уменьшается до I, а угол сдвига фаз – до φ₂ (в обменном энергетическом процессе между генератором и приемником участвует меньшее количество электромагнитной энергии).

Активная составляющая тока в проводах не изменяется, т. е. по активной мощности режим цепи остается прежним: I cos φ₂ = I_д cos φ₁.

Ток батареи конденсаторов I_C = I_д sin φ₁ — I sin φ₂, учитывая, что I_д = Р / U cos φ₁, I = Р / U cosφ₂, получим формулы для определения тока и мощности конденсаторной батареи:

I_C = (tg φ₁ — tg φ₂), (13.11)

Q_C = P (tg φ₁ — tg φ₂), (13.12)

I, U — ток и напряжение электроприемника; Р, Q — активная и реактивная мощности электроприемника; φ₁, φ₂ — фазовые углы установки до и после компенсации реактивной мощности.

Защитное заземление в электроустановках. Металлические части электроустановок преднамеренно соединяют с землей, имея в виду следующие цели: безопасность обслуживания электрооборудования, обеспечение нормальной работы электрооборудования в заданных режимах, защиту электроустановок от атмосферных перенапряжений.

При эксплуатации электрических сетей, промышленного и бытового электрооборудования имеется опасность поражения электрическим током. Поэтому при устройстве и эксплуатации электроустановок предусматривают меры, гарантирующие их безопасное обслуживание. Тем не менее не лишним будет напомнить о необходимости личной предосторожности каждого, кто эксплуатирует электрооборудование, пользуется электрическими устройствами или просто находится на территории электроустановок.

Опасность поражения электрическим током возникает в случае непосредственного прикосновения человека к токоведущим частям, между которыми имеется разность потенциалов или которые находятся под напряжением относительно земля. Однако поражение возможно и в случае прикосновения к металлическим частям электрооборудования, нормально не находящимся под напряжением. Металлические корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, каркасы распределительных щитов, шкафов, пультов управления, металлические конструкции линий электропередач, подстанций и распределительных устройств, броня и металлические оболочки кабелей, стальные трубы электропроводок, вторичные обмотки измерительных трансформаторов — каждая из этих частей может оказаться под напряжением в случае повреждения электроизоляции.

Д

Рис. 13.13

ля того чтобы избежать опасности поражения электрическим током, все перечисленные части электрооборудования подлежат заземлению. Этой цели могут служить естественные заземлители, находящиеся в земле металлические части зданий и сооружений, трубопроводы (кроме тех, которые предназначены для транспортировки горючих и взрывных жидкостей и газов), металлические оболочки кабелей и т. п.

П ри отсутствии подходящих естественных заземлителей делают искусственное заземляющее устройство. В землю закладывают (или забивают) электроды длиной 2,5—3 м из угловой, круглой или полосовой стали, верхние концы которых на глубине 0,7—0,8 м соединяют между собой полосовой или круглой сталью. Заземляемые части электроустановки соединяют с заземлителем металлическими проводами (обычно из стали). На рис. 13.13 показано распределение потенциала на поверхности земли в случае пробоя изоляции электрооборудования и возникновения тока через заземляющий электрод в землю.

По мере удаления от электрода объем грунта, в ко­тором распределяется ток, быстро растет, плотность тока соответственно уменьшается и уже на расстоянии 20 м потенциал практически равен нулю.

При расчете и изготовлении заземляющего устройства учитывают, что в случае пробоя изоляции электрооборудования (т. е. при коротком замыкании на корпус) к телу человека может быть приложена разность потенциалов между корпусом и землей (напряжение прикосновения U_пр) или разность потенциалов между участками поверхности земли, на которые опираются ноги идущего или стоящего человека (напряжение шага U_ш).

Степень поражения электрическим током зависит от величины, длительности и пути тока в теле человека.

Значение этого тока можно найти из равенства I_чR_ч = I_зR_з и установить, что он тем меньше, чем больше сопротивление тела человека R_ч, чем меньше сопротивление заземляющего устройства R, и ток через заземлитель I_з.

Защита от статического электричества. Технологические процессы, в ходе которых происходит трение твердых или жидких диэлектриков о металлические поверхности, изолированные от земли, сопровождаются возникновением зарядов статического электричества. Примером таких процессов является транспортировка сыпучих веществ или жидкостей по металлическим трубопроводам, перемешивание и разбрызгивание жидкостей, изготовление полимерных материалов и изделий и т. п.

Накопление зарядов создает разность потенциалов относительно земли, которая может достигать десятков киловольт.

Если не принимать мер защиты от накопления зарядов, может произойти искровая разрядка между частями технологической установки или на землю, последствиями которого могут быть взрыв, пожар, травмы.

Для защиты от статического электричества при проектировании технологических процессов предусматривают меры, устраняющие причины возникновения зарядов. В частности, повышают электропроводность обрабатываемых или транспортируемых материалов, увеличивают электропроводность воздуха путем увлажнения или ионизации, заземляют части технологического оборудования, на которых может возникать статический заряд. При наличии заземляющего устройства для электрооборудования или грозозащиты их можно использовать для защиты от статического электричества, а при отсутствии их изготовляют специальное заземление.

Контроль электроизоляции. Вероятность поражения электрическим током практически отсутствует там, где строго выполняют правила устройства и правила технической эксплуатации электроустановок.

Неудовлетворительное состояние электроизоляции создает опасность поражения электрическим током, возникновения пожара, нарушения электроснабжения. Поэтому в электрических установках осуществляют контроль состояния электроизоляции.

О

Рис. 13.14

дин из способов контроля основан на измерении напряжения между токоведущими жилами и землей. Например, в трехфазной сети напряжением до 1000 В три вольтметра включают звездой по схеме рис. 13.14.

Если изоляция в нормальном состоянии, все вольтметры показывают фазное напряжение, одинаковое во всех фазах.

При уменьшении сопротивления изоляции в одной фазе показание вольтметра уменьшится, а в двух других увеличится. Это является сигналом для обслуживающего персонала об отклонении качества изоляции от нормального.

По показаниям вольтметра, включенного по определенной схеме, можно измерить сопротивление изоляции в электроустановке, не находящейся под рабочим напряжением.

Другой способ контроля изоляции — измерение ее сопротивления мегаомметром — применяют, когда рабочее напряжение на электроустановке отсутствует.

Для измерения сопротивления изоляции проводов линии отключают электроприемники и линию от источника напряжения. Зажимы мегаомметра соединяют с проводниками, между которыми измеряют сопротивление изоляции:

зажим Л — с токоведущей жилой провода, зажим 3 — с землей или с жилой другого провода. Затем приводят в действие мегаомметр и на его шкале отсчитывают величину сопротивления. Она должна быть не менее 0,5 МОм. Аналогично измеряют сопротивление изоляции электрических машин и аппаратов.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ 

Установленная мощность: Ру = . Коэффициент использования установленной мощности: kи = . Коэффициент спроса: kи = Pmax / Py Коэффициент загрузки электроприёмника: kз = Pср / Pном Сечение провода линии: S = , S = для трёхфазной цепи: S = ; S = Ток и мощность конденсаторной батареи: IC = (tg φ1 — tg φ2), QC = P (tg φ1 — tg φ2)

Схемы	Обозначения	Единицы измерения
	Рn – номинальная мощность Рср – средняя активная мощность Рmax – максимальная расчетная мощность Ру – установленная мощность Р – мощность нагрузки l – длина линии  - удельное сопротивление материала провода U – напряжение  U – потеря напряжения Р, Q – активная и реактивная мощности 1, 2 – фазовые углы установки до и после компенсации реактивной мощности	1 Вт 1 Вт 1 Вт 1 Вт 1 Вт 1 В 1 В 1 Вт, 1Вар