2. Техника безопасности

В лаборатории «Электроэнергетические системы и сети» рабочее напряжение переменного и постоянного тока не превышает 400 В, но представляет собой серьезную опасность для человека.

Перед началом работы все студенты должны изучить правила безопасности при проведении лабораторных работ и овладеть техникой быстрого отключения питания своего рабочего места.

В случае поражения человека электрическим током или получения травмы отключить лабораторный стенд, немедленно поставить в известность преподавателя, (при необходимости вызвать врача) и оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

Во время сборки схемы лабораторный стенд должен быть отключен от сети.

Рабочее место не должно загромождаться посторонними предметами, а проходы - стульями.

Измерительные приборы и электрооборудование необходимо размещать таким образом, чтобы в процессе выполнения работы была исключена возможность прикосновения к токоведущим и движущимся частям.

Сборку схем рекомендуется выполнять без перекрещивания проводников, не допускать их свертывания и натянутого состояния.

Работая в лаборатории, студенты должны пользоваться только теми приборами, которые находятся на их рабочих местах. Использовать другие приборы допускается только с разрешения преподавателя. Неиспользованные соединительные провода не должны оставаться на рабочем месте.

Схемы включаются под напряжение только с разрешения преподавателя и лишь после предупреждения всех студентов, работающих на данном рабочем месте.

Во время работы запрещается:

- производить переключения в рабочей схеме, находящейся под напряжением;

- прикасаться к неизолированным токоведущим частям;

- включать рабочую схему после каких-либо изменений соединений в ней до проверки преподавателем;

- оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением.

Во всех случаях обнаружения неисправностей оборудования, измерительных устройств, проводов, немедленно ставить в известность преподавателя.

Более подробно вопросы техники безопасности в лабораториях кафедры изложены в специальных инструкциях, размещаемых, как правило, на стендах.

3. Цель работ

3.1. Изучение параметров и схем замещения линий электропередач (ЛЭП).

3.2. Анализ режимов ЛЭП холостого хода и под нагрузкой, построение векторных диаграмм в этих режимах.

4. Теоретическая часть

1. 4.1. Параметры воздушных и кабельных линий

Линия электропередачи (ЛЭП) – электроустановка, входящая в состав электрической сети, предназначена для передачи электрической энергии на расстояние с возможным промежуточным отбором. Линии электропередач выполняются воздушными, кабельными, а также в виде токопроводов на промышленных предприятиях и электростанциях и внутренних проводок в зданиях и сооружениях [1]. Под электропередачей понимается линия с повышающей и понижающей подстанциями, служащая для транзитной передачи электроэнергии от станции к концентрированному потребителю, получающему электроэнергию от шин низшего напряжения понижающей подстанции.

К электрическим параметрам ЛЭП относятся сопротивления и проводимости проводов ВЛ и токопроводящих жил кабелей.

Активное сопротивление провода или жилы кабеля обуславливает нагрев проводов (тепловые потери) и зависит от материала токоведущих проводников и их сечения. Для линий с проводами небольшого сечения, выполненных цветным металлом (алюминий, медь), поверхностным эффектом пренебрегают и принимают активное сопротивление равным омическому (сопротивлению постоянному току). Для проводов большого сечения (500 мм² и более) поверхностный эффект заметен даже при промышленных частотах.

Активное погонное (отнесенного к 1 км линии) сопротивление линии определяется выражением

, (1)

где ρ – удельное активное сопротивление материала провода, Ом·мм²/км; F – сечение фазного провода (жилы), мм².

Активное сопротивление зависит от температуры провода, которая определяется температурой окружающей среды (воздуха для ВЛ), скоростью ветра и значением проходящего по проводу тока. Строго говоря, значение R₀ должно определяться с учетом действительной температуры провода t_пр

, (2)

где - нормативное значение сопротивления при температуре проводникаt=20⁰ C; - температурный коэффициент электрического сопротивления, Ом/град.

На стадии проектирования, когда исходная информация о нагрузках элементов сети является ориентировочной, при определении погонного активного сопротивления пренебрегают поверхностным эффектом при частоте 50 Гц и отличием температуры провода от 20⁰ С.

Погонное индуктивное сопротивление обусловлено магнитным полем, возникающим вокруг и внутри проводника при протекании по нему переменного тока. В соответствии с правилом Ленца в проводнике наводится ЭДС самоиндукции, направленная противоположно ЭДС источника

. (3)

В проводнике также наводится ЭДС взаимоиндукции, которая наводится магнитными полями соседних фазных проводов, и противодействующая ЭДС самоиндукции. Таким образом, результирующее индуктивное сопротивление обусловлено взаимным влиянием этих ЭДС и существенно зависит от взаимного расположения проводов фаз. Погонное индуктивное сопротивление определяется по эмпирической формуле

, (4)

где L₀ – погонная эквивалентная индуктивность фазы, Гн/км; ω =2πf - угловая частота переменного тока, рад/с; f - частота, Гц; μ₀ = 4π·10^-4 Гн/км – магнитная постоянная; μ относительная магнитная проницаемость, о.е.; D_ср – среднегеометрическое расстояние между проводами фаз; r_пр – радиус провода.

Для стандартной частоты f = 50 Гц и с учетом того, что для цветных металлов μ = 1, и переходя к десятичным логарифмам (ln A = 2,3 lg A) получим:

. (5)

Индуктивное сопротивление состоит из двух составляющих: внешней и внутренней. Внешнее индуктивное сопротивление определяется внешним магнитным потоком, образованным вокруг провода, и значениямиD_ср и r_пр. Второе слагаемое учитывает «внутреннюю» индуктивность, соответствующую доле магнитного потока, замыкающегося непосредственно по проводу. Для стальных проводов его значение находится в зависимости от токовой нагрузки и дается в справочной литературе.

Среднегеометрическое расстояние между проводами фаз А, В, и С при их произвольном расположении определяется как

D_ср = , (6)

где - расстояние между проводами фазА, В и С.

Для определения кабельных линий формулы (4) и (5) не применяют, так как они не учитывают конструктивных особенностей кабелей. Поэтому при расчетах пользуются заводскими данными.

Погонная емкостная проводимость обусловлена действием электростатического поля между проводами фаз, а также между проводами и землей. При этом возникают токи смещения, изменяющиеся по синусоидальному закону и практически не имеющие активной составляющей, так как потери, связанные с переориентацией диполей диэлектрика (в случае ВЛ воздуха), ничтожно малы. Значения этих токов, называемых зарядными, определяются частичными емкостями между проводами фаз и между каждой из фаз и землей. При транспозиции результирующий зарядный ток фазы определяется так называемой «рабочей» емкостью линии (С₀, Ф/км), которой соответствует емкостная проводимость (b₀, См/км), определяемая выражением

b₀ = ωС₀ = ω2πεε₀/ ln(), (7)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, о.е.; ε₀ = 1/(4π·9·10⁶) – электрическая постоянная, Ф/км. Для воздуха ε ≈ 1 и при f = 50 Гц емкостная проводимость трехфазной ВЛ с одним проводом в фазе на единицу длины определяется выражением

b₀ = 7,58·10^-6/ lg(). (8)

Рабочая емкость кабельных линий существенно выше емкости ВЛ, так как жилы кабеля очень близки друг к другу и заземленным металлическим оболочкам. Кроме того, диэлектрическая проницаемость кабельной изоляции значительно больше диэлектрической проницаемости воздуха. Конструкции кабелей весьма разнообразны и геометрические размеры отсутствуют, что усложняет определение рабочей емкости. Поэтому на практике пользуются данными эксплуатационных замеров или заводских замеров.

Под действием приложенного к линии напряжения через емкости линий протекают емкостные (зарядные) токи

. (9)

Этому току отвечает зарядная мощность трехфазной ЛЭП

, (10)

зависящая от напряжения в каждой точке линии. Значение зарядной мощности для всей ЛЭП (длинной l) определяется через действительные (расчетные) напряжения начала и конца линии

, (11)

либо приближенно по номинальному напряжению линии .

ЛЭП с поперечной емкостной проводимостью, потребляющая из сети опережающий напряжение емкостной ток, следует рассматривать как источник реактивной (емкостной) мощности, чаще называемой зарядной. Зарядная мощность уменьшает индуктивную составляющую нагрузки, передаваемую по линии к потребителю.

Активная проводимость обусловлена потерями активной мощности ΔР из-за несовершенства изоляции (утечки по поверхности изоляторов, токов проводимости (смещения) в материале изолятора) и ионизации слоя воздуха (явления коронирования) вблизи поверхностей проводов фаз вследствие действия электростатического поля линии

g₀ = ΔР/U²_ном. (12)

Потери в изоляции ВЛ незначительны, а явление коронирования в ВЛ становится заметным лишь с напряжения 220 кВ и выше. Поэтому схемы замещения ВЛ напряжения 220 кВ и ниже при расчетах режимов электрических сетей обычно используют схемы замещения линий без активных проводимостей.

Значения потерь мощности коронирования определяются экспериментально для различных районов страны и приводятся в справочной литературе.

В КЛ под влиянием наибольшей напряженности находятся слои поясной изоляции у поверхности жил кабеля. Чем выше рабочее напряжение кабеля, тем заметнее токи утечки через материал изоляции и нарушение ее диэлектрических свойств, которые характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ и принимаются по данным завода-изготовителя.

Активная проводимость кабеля на единицу длины

g₀ = ωс₀ tgδ = b₀ tgδ (13)

и соответствующий ток утечки в изоляции кабеля

I_у = U_ф b₀l tgδ = UG/ . (14)

Тогда диэлектрические потери в материале изоляции КЛ

ΔР_из =. (15)

Данные потери следует учитывать для КЛ с номинальным напряжением 110 кВ и выше.