mehanizaciya i elektrifikaciya

Действующее значение синусоидальной величины составляет 0,7 от её амплитудного значения, т.е.

На шкалах измерительных приборов обычно наносятся действующие значения тока или напряжения.

Активную мощность Р электроприемника определяют по формуле

14.1.3. Переменный трехфазный ток Система трехфазного тока получила повсеместное применение, как обес-

печивающая наиболее выгодную передачу энергии и позволяющая применять надежные в работе трехфазные электродвигатели, генераторы и трансформаторы.

При передаче электроэнергии по трехфазной четырехпроводной системе потребитель снимает два напряжения – фазное и линейное. Наличие симметричной трехфазной системы питающего напряжения позволило создать

182

технологичные, надежные и простые в обслуживании асинхронные трехфазные электродвигатели.

Самые большие достижения в области практического применения трехфазного тока выпали на долю русского инженера Михаила Осиповича Доливо – Добровольского (1861 – 1919), работавшего шеф-электриком, а потом и техническим директором на берлинской фирме «АЭГ». В 1891 году во Франкфурте-на-Майне пущена в эксплуатацию первая система производства и передачи трехфазного тока на расстояние 75 км.

Трехфазные генераторы, повышающий и понижающий трансформаторы, асинхронный электродвигатель мощностью 100 л.с. сконструированы М.О. Доливо-Добровольским и изготовлены фирмой «АЭГ».

Трехфазный переменный ток вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами. Получается система трех синусоидальных ЭДС

одинаковой амплитуды и частоты, но сдвинутых по фазе между собой на 120о.

Существует несколько способов представления трехфазной системы ЭДС. На рис. 14.5 показаны мгновенные значения трехфазной системы ЭДС еА, еВ, еС. Каждая ЭДС сдвинута по фазе относительно двух других на 120о. Порядок, в котором ЭДС проходят через одинаковые значения, например максимум, называют порядком следования или чередования фаз. Порядок чередования фаз определены ГОСТ: А – В – С. Обратный порядок чередования фаз недопустим. Мгновенные значения ЭДС можно записать так:

еА = Еm • Sin ω t;

еВ = Еm • Sin( ω t - 120о ) (14.14) еС = Еm • Sin( ω t - 240о ) = Еm • Sin( ω t + 120о )

Рисунок 14.5. Представление трехфазной системы ЭДС через

мгновенные значения

Трехфазная система ЭДС может быть изображена в виде трех векторов (рис. 14.6).

Если к каждой обмотке трехфазного синхронного генератора подключить отдельный приемник, то получим систему из трех цепей, каждая из которых называется фазой. Три обмотки синхронного генератора соединяют таким образом (а именно «звездой»), что от него идет четыре провода: три линейных и один нейтральный (Рис. 14.7).

183

Рисунок 14.6. Представление трехфазной системы ЭДС на

векторной диаграмме

Рисунок 14.7. Схема соединения обмоток генера-

тора звездой

14.1.4. Схема подключения трехфазного потребителя Рассмотрим наиболее распространенную схему соединений трехфазного

генератора, обмотки которого соединены звездой, с трехфазным приемником электрической энергии, фазы которого также соединены звездой. Схема называется «звезда – звезда с нейтральным проводом». На схеме обмотки генератора не изображаются, а заранее оговоренная схема соединения обмоток генератора подразумевает, что к трехфазному потребителю подводится два напряжения: фазное и линейное генератора. Схема изображена на рис. 14.8.

Рисунок 14.8. Схема соединения трехфазного по-

требителя звездой

184

Особенности работы такой схемы:

1. Режим каждой фазы приемника (А-n, B-n, C-n) не зависит от режима двух других фаз – ток в каждой из них определяется параметрами приемника этой фазы. Он в каждой фазе рассчитывается по закону Ома:

Īа = Ūа / Zа, Īb = Ūb / Zb, Īc = Ūc / Zc.

ŪФ = Ūа, Ūb, Ūс – фазное напряжение, т.е. напряжение между началом и концом фазы потребителя.

Напряжение между началами фаз потребителя Ūab = Ūbc = Ūca = Ūл называется линейным напряжением.

2. Соотношение между фазными и линейными напряжениями в данной схеме:

Un = 3 Uф

3. Ток в нейтральном проводе Īn равен векторной сумме токов трех фаз:

Īn = Īа + Īb + Īс.

4. Частным случаем нагрузки трехфазной системы является симметричная нагрузка, когда Za = Zb = Zc = Zф. Токи в фазах равны , т.е. Īа = Īb = Īс, а их сумма – ток в нейтральном проводе Īn равен нулю Īn=0, поэтому нейтральный провод не используется и система становится трехфазной трехпроводной.

14.1.5. Трансформаторы Трансформатор – статический аппарат, служащий для трансформации

переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, при неизменной частоте.

Впервые трансформаторы были сконструированы и введены в практику русским электротехником П.Н. Яблочковым (1847 – 1894) и русским физиком И.Ф. Усашным (1855 – 1919).

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на использовании явления взаимоиндукции.

Трансформатор состоит из магнитопровода - сердечника, набранного из листов электротехнической стали, изолированных между собой. Те части сердечника, на которых располагаются обмотки, называются стержнями, а части, замыкающие их – ярмом. Внутреннее пространство между стержнем и ярмом называется окном. Трансформатор имеет две и более магнитно – связанных обмоток с разными числами витков. Та обмотка, к которой энергия подводится, называется первичной, а та от которой энергия отдается потребителю, называется вторичной. Энергия передается с первичной обмотки на вторичную при помощи магнитного потока, связывающего обмотки. Если напряжение вторичной обмотки меньше, чем первичной, то трансформатор называется понижающим; в обратном случае он будет повышающим.

185

Если к первичной обмотке трансформатора с числом витков W1 (рис.

14.9) подведено переменное напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону, действующее значение которого равно U1, то со вторичной обмотки, числом витков W2, можно снять переменное напряжение синусоидальной формы, действующее значение которого равно U2.

Отношение, равное

называется коэффициентом трансформации. При К > 1 трансформатор работает как понижающий, а при К< 1 – как повышающий.

Номинальной мощностью трансформатора SНОМ называется мощность его вторичной обмотки, обозначенная на щитке трансформатора и выраженная в Вольт – Амперах.

К трансформатору подается мощность Р1 = U1 I1 Cos φ, которая называется первичной. От трансформатора к потребителю подается мощность Р2 = U2 I2 Cos φ, называемая вторичной.

Коэффициент полезного действия, к.п.д., трансформатора равен

Р1

К.п.д. трансформатора очень высок. Его величина в современных мощных трансформаторах доходит до 0,995.

Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные. Последние, как правило, применяются на мощных распределительных подстанциях при передаче электроэнергии и называются силовыми.

Диапазон мощностей силовых масляных трансформаторов от 10 кВ А до 630000 кВ А. Силовые трансформаторы однофазные, мощностью 4 кВ А и

186

ниже, трехфазные – 5 кВ А и ниже, относят к трансформаторам малой мощности.

Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. Они позволяют плавно и в широких пределах регулировать напряжение. Применяются для пуска двигателей переменного тока.

14.2. Получение и распределение электрической энергии

187

вой турбины, которая вращает генератор трехфазного переменного тока (турбогенератор). Полученный трехфазный ток направляется в трансформатор.

ТЭС бывают двух типов: конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ). КЭС вырабатывают только электрическую энергию. На ТЭЦ часть тепла в виде горячей воды или пара направляется на коммунальные и производственные нужды. На них устанавливают газомазутные энергоблоки мощностью 150 МВт, 200 МВт, 300 МВт. К.п.д. ТЭС составляет около 60%.

На атомных электростанциях (АЭС) используется ядерное топливо. При цепной реакции ядерного распада выделяется теплота, которая расходуется на нагрев и превращение воды в пар, направляемый на паровую турбину. В остальном АЭС подобны тепловым.

ТЭЦ, ветроэнергетические станции (ВЭС) – это станции второй группы. Они расположены в непосредственной близости от потребителя.

14.2.2. Система электроснабжения Система электроснабжения – это совокупность электротехнических

устройств для передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии. На рис. 14.12 представлена радиальная однолинейная (т.е. три фазы линии передачи изображены одной линией) схема электроснабжения для передачи электроэнергии от повышающей подстанции генерирующей электростанции до электроприемника напряжением 0,4 кВ.

Рисунок 14.12. Типовая радиальная схема электроснабжения

Электроэнергия от генератора (G) с номинальным напряжением 10 – 25кВ поступает на трансформаторную повысительную подстанцию (TV 1), где напряжение переменного трехфазного тока повышается до значений 110

– 220 – 330 – 500 – 750 кВ и по высоковольтным линиям электропередач (ЛЭП) направляется в район потребления на главные (районные) понизительные подстанции (РПП). На них напряжение снижается до 10(6) – 35кВ. От распределительных устройств РПП это напряжение по воздушным либо по кабельным ЛЭП (фидерам Ф1 - Фi) передается к трансформаторным подстанциям ТП 10/0,4кВ, расположенным в непосредственной близости от электропотребителей. На ТП величина напряжения снижается до 0,4кВ и по воздушным и кабельным линиям поступает непосредственно к потребителю электроэнергии. При этом линии имеют четвертый нейтральный провод О,

188

позволяющий получить фазное напряжение 220В, а также обеспечить защиту электроустановок.

Передавать электроэнергию от источника к потребителю целесообразно высоким напряжением. Во-первых, если требуется передать определенную мощность, то с увеличением напряжения сети можно уменьшить силу тока в линии. Во-вторых, при передаче электроэнергии по ЛЭП часть ее расходуется на нагрев проводов. Потери на нагрев определяются по формуле:

Q = Iл2 Rпр t, Дж (4.17)

где Iл – линейный ток, протекающий по проводам, Rпр – сопротивление проводов.

В-третьих, чем больше передаваемая мощность и чем больше расстояние, на которое она передается, тем больше падение напряжения U на проводах:

Таким образом, для снижения потерь энергии, уменьшения падения напряжения на проводах, уменьшения площади сечения проводов ЛЭП (экономии цветного металла) необходимо передавать энергию высоким напряжением.

14.2.3. Воздушные и кабельные ЛЭП напряжением 6(10) и 0,4 кВ В сельскохозяйственном производстве в основном применяют воздушные

ЛЭП 10(6)кВ. Применение воздушных ЛЭП объясняется их меньшей стоимостью по сравнению с кабельными; они имеют возможность передавать электрическую энергию напряжением до 1000 кВ. В воздушных ЛЭП используют неизолированные алюминиевые провода. Они подвешиваются на железобетонных или деревянных опорах при помощи подвесных или штыревых изоляторов. Сечения проводов воздушных ЛЭП выбирают по условиям механической прочности с учетом возможной толщины их обледенения. Кабельные ЛЭП напряжением 380/220В используются для питания непосредственно низковольтных электроприемников и выполняются кабелями с алюминиевыми изолированными жилами.

Подземные кабельные линии обладают рядом следующих преимуществ:

-высокая эксплуатационная надежность, исключающая воздействие внешних атмосферных явлений;

-полная скрытность прокладки линии, отсутствие опор и проводов;

-снижение опасности поражения людей и животных при аварии линии. Вместе с тем, подземные кабельные линии имеют и ряд недостатков, ос-

новные из которых следующие:

-значительно более высокая стоимость кабельной сети по сравнению с воздушной;

-сложность прокладки линии ввиду большого объема земляных работ;

-сложность поиска и устранения повреждений.

Кабельные ЛЭП прокладываются в траншеях по непроезжей части улиц, под тротуарами. Укладка кабеля осуществляется в асбестоцементных трубах или железобетонных блоках. При этом необходимо обеспечить соблюдение расстояний между кабельными и другими коммуникациями согласно ПУЭ.

189

ние 6…10/0,4кВ, 20…35/0,4кВ. Основное оборудование сельской понизительной подстанции – силовой понижающий трансформатор, распределительные устройства первичного и вторичного напряжения, устройства управления, сигнализации и защиты.

По конструкции трансформаторные подстанции подразделяются на открытые и закрытые. В сельском хозяйстве получили распространение комплектные трансформаторные подстанции на напряжение 6…10/0,4кВ.

Они устанавливаются на фундаменте высотой 1,8 м. Преимущество комплектных трансформаторных подстанций – применение типовых схем электрических соединений, высокое качество сборки и регулировки отдельных сборочных единиц на заводе.

Для потребителей однофазного тока небольшой мощности напряжением 0,23кВ применяют однофазные трансформаторные подстанции мощностью 4 и 10 кВ А напряжением 10/0,23 кВ.

Для питания больших сельскохозяйственных предприятий могут использоваться подстанции закрытого типа в кирпичных зданиях.

14.2.5. Энергетические системы Энергосистемой называется совокупность электростанций, линий элек-

тропередач, подстанций и тепловых сетей, связанных в единое целое общими режимами производства и распределения электрической и тепловой энергии.

190