3.4. Учебники и учебные пособия

Учебное пособие «Передача и распределение электроэнергии» (авторы В.Н. Костин, Е.А. Родченко) подготовлено на кафедре электроснабжения и находится в библиотеке и читальном зале СЗТУ, а также в электронном виде в учебных материалах сервера поддержки дистанционного обучения СЗТУ.

Адрес сайта http://elib.nwpi.ru.

Учебник «Электроснабжение промышленных предприятий» (автор Кудрин Б.Н.) имеется в электронном виде в учебных материалах сервера поддержки дистанционного обучения СЗТУ.

Адрес сайта http://elib.nwpi.ru.

Доступ к электронным документам библиотеки предоставляется только в авторизованном режиме. Студенты СЗТУ могут бесплатно получить пароль для авторизации в читальном зале или медиатеке УИЦ.

Иногородние студенты могут узнать свой пароль, отослав письмо с ФИО, номером паспорта и номером зачётной книжки по электронному адресу e-delivery_nwpi@mail.ru

Остальные учебники и учебные пособия библиографического списка можно найти в библиотеке и читальном зале СЗТУ.

3.5. Технические средства обеспечения дисциплины

Физические модели систем электроэнергетики

Универсальные физические модели систем электроэнергетики расположены в лабораториях кафедры электроснабжения СЗТУ и предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине (лабораторные работы № 1, 2, 3, 4, 10, 11, 12).

Виртуальные модели систем электроэнергетики

Часть лабораторных работ (работы №5, 6, 7, 8, 9) выполняется виртуально на персональных компьютерах в дисплейных классах университета.

190

3.6. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Общие указания

В процессе изучения дисциплины студенты должны выполнить лабораторные работы, основной целью которых является закрепление теоретического материала по курсу.

Лабораторные работы проводятся в лабораториях кафедры электроснабжения и дисплейных классах СЗТУ и включают физическое и компьютерное моделирование оборудования и режимов систем электроэнергетики.

Структураи порядоквыполнения всех работ одинаковые:

1.Цель работы.

2.Основные теоретические положения.

3.Описание лабораторной модели.

4.Порядок выполнения работы.

5.Содержание отчета.

До выполнения лабораторных работ студенты должны прослушать лекции по соответствующим разделам дисциплины или самостоятельно проработать теоретический материал. Перед каждым лабораторным занятием необходимо ознакомиться с целью, теоретическими положениями, заданием и методическими указаниями к выполнению работы. Исходные данные, необходимые для выполнения работ, берутся из таблиц в соответствии с шифром студента. Исходные данные также могут быть заданы, изменены или уточнены преподавателем, ведущим лабораторные занятия.

После выполнения всех лабораторных работ каждый студент должен оформить отчет. На титульном листе отчета указываются:

-название дисциплины;

-фамилия, инициалы и шифр студента.

Текст отчета должен быть изложен аккуратно, с обязательным приведением названия лабораторной работы, ее цели, исходных данных, необходимых формул, схем, единиц измерения физических величин, распечаток результатов расчетов. При оформлении отчета оставляются поля шириной 3-4 см для замечаний преподавателя.

К зачету и экзамену по дисциплине допускаются студенты, в полном объеме выполнившие лабораторные работы и правильно оформившие отчеты.

191

3.6.1. Включение генератора на параллельную работу

(физическая модель)

1. Цель работы – изучение способов включения синхронных генераторов на параллельную работу; исследование зависимости реактивной мощности выдаваемой генератором от тока возбуждения при параллельной работе генератора с сетью.

2. Основные теоретические положения

Синхронные генераторы могут включаться на параллельную работу с сетью способами точной синхронизации и самосинхронизации.

Условиями точной синхронизации являются:

-равенство напряжений генератора и сети;

-равенство частот генератора и сети;

-совпадение фаз напряжения генератора и сети.

Первое условие очевидно, и его выполнение не вызывает затруднений. В реальных условиях пуска генератора второе и третье условия строго не выполняются. Поэтому закономерен вопрос: будет ли успешной синхронизация генератора при некотором отличии частот f генератора и сети и некотором угле θвкл между векторами напряжений генератора и сети.

Условие успешной синхронизации генератора при f ≠0 и θвкл ≠ 0, сформулированное А.А. Горевым в «Избранных трудах по вопросам устойчивости», имеет вид

|Δf| ≤ 314100ТJ cos θвкл2 .

Из последнего соотношения видно, что область успешной синхронизации имеет вид косинусоиды (рис. 3.6.1).

Рис. 3.6.1. Область успешной синхронизации генератора

192

Способ точной синхронизации на практике осуществляется либо вручную с помощью приборов колонки синхронизации, либо автоматически, когда вышеотмеченные условия фиксируются автосинхронизатором и при их соблюдении подается сигнал на включение выключателя генератора. Момент подачи импульса на включение выключателя синхронизируемого генератора определяется по стрелке синхроноскопа, которая вращается с угловой скоростью скольжения (относительной разности частот). На шкале синхроноскопа нанесена черта, соответствующая совпадению векторов приложенных напряжений.

Процесс включения генератора на параллельную работу способом самосинхронизации заключается в том, что невозбужденный генератор посредством первичного двигателя разгоняется до подсинхронной скорости и включается в сеть. Сразу после включения выключателя генератора подается возбуждение, и генератор за 1…2 с втягивается в синхронизм.

Данный метод, имеющий определенные преимущества (простоту операций, быстроту включений и т.д.), применяется в основном для включения синхронных генераторов в сеть при аварийных режимах в энергосистемах.

3. Описание лабораторной установки

Лабораторная электрическая станция состоит из двух синхронных явнополюсных генераторов G1 и G2 (рис. 3.6.2). Привод генераторов осуществляется с помощью турбин Т1 и Т2, моделируемых двигателями постоянного тока М1 и М2. Каждый из генераторов работает на свою секцию шин 1 и 2.

Лабораторная установка позволяет включить генераторы на параллельную работу через секционный выключатель QВ. Включение генераторов на параллельную работу осуществляется методом точной синхронизации.

Рис.3.6.2. Принципиальная схема лабораторной электростанции

Установка напряжений и частот синхронизируемых генераторов производится на колонке синхронизации с помощью частотомеров Hz и вольтметров pV через ключ синхронизации КС (рис. 3.6.3). Приборы синхронизируемого генератора G2 расположены слева, а приборы генератора G1– справа.

193

4.6.Включением ключа S2 запустить моделирующий турбину Т1 электродвигатель М1 и потенциометром R1 установить небольшую частоту вращения генератора G1.

4.7.Включением ключа S4 подать ток возбуждения на генератор G1 и потенциометром R4 установить ЭДС генератора на уровне 25-30 В. Контроль напряжения осуществляется вольтметром pV1.

4.8.С помощью потенциометра R1 и частотомера Hz1 установить частоту генератора G2, близкую к 50 Гц.

4.9.Ключом КС подключить синхроноскоп S(θ) и подрегулировать ЭДС (25-30 В) и частоту (50Гц) генераторов, используя указанные выше приборы и потенциометры.

4.10.Равенство ЭДС генераторов контролируется вольтметрами pV1 и pV2. Приблизительное равенство частот генераторов контролируется вращением стрелки синхроноскопа со скоростью 2-3 об/мин.

4.11.Угол между векторами ЭДС генераторов будет равен нулю в момент прохождения стрелки синхроноскопа через риску ▼. С упреждением на 20-30о включить генераторы на параллельную работу нажатием кнопки КВ.

4.12.Убедиться, что с изменением частоты генератора G1(G2) меняется частота генератора G2(G1).

5. Содержание отчета:

-название и цель работы;

-схема точной синхронизации генераторов;

-параметры используемых в работе электрических машин и приборов;

-порядок выполнения операций при включении генераторов на параллельную работу;

-краткое описание принципа действия синхроноскопа;

-выводы по работе.

3.6.1,а. Включение генератора на параллельную работу

(виртуальная модель)

1. Исходные данные

Исходные данные для выполнения работы принять по табл. 3.6.1 в соответствии с последней цифрой шифра.

195

Лабораторная работа выполняется в режиме диалога с персональным компьютером. Для начала выполнения работы следует нажать левой кнопкой мышки командную кнопку «Начало работы».

2.2. На экране монитора диалоговое окно «Исходные данные» (рис. 3.6.5). Ввести исходные данные: Рном, Uном, Iном, cosϕ, Xd'', ТJ , Sт, Uк , Sc, Uc.

Если в исходных данных трансформатор отсутствует, то вводить Sт=0 и

Uк=0.

Для продолжения работы нажать кнопку «ОК».

2.3.На экране монитора диалоговое окно «Информация» (рис. 3.6.5). Здесь дается краткая информация о действиях, которые следует выполнить в лабораторной работе.

Для продолжения работы нажать кнопку «ОК».

2.4.На экране монитора диалоговое окно «Колонка синхронизации» (рис.

3.6.5). В правой части окна указаны параметры сети: частота fc и напряжение Uc. В левой части окна устанавливаются параметры генератора: частота f и напряжение U. В центре окна устанавливается угол θвкл между векторами напряжений Uc и U в момент включения генератора в сеть.

После установки некоторых значений f, U и θвкл включение генератора осуществляется нажатием командной кнопки «Включить Q».

2.5. На экране монитора диалоговое окно «Результаты включения» (рис. 3.6.5).

Здесь указываются активный Ia, реактивный Ip и полный I токи генератора в момент включения и приводится информация о результате синхронизации.

Генератор рассчитывается на динамическое воздействие тока трехфазного КЗ на его выводах:

Допустимость включения генератора в сеть при заданном угле θвкл и мощности системы оценивается по соотношению

I ≤ I''кз.

Информация «Генератор работает в синхронном режиме» свидетельствует об успешной синхронизации генератора с сетью; информация «Генератор работает в асинхронном режиме» − о неуспешной синхронизации.

197

с шагом 30...60о и для каждого значения θвкл определить предельное значение частоты генератора f, при котором синхронизация генератора с сетью является успешной.

4.7. Завершить работу нажатием командной кнопки «Конец» в диалоговом окне «Результаты включения».

3. Содержание отчета:

-название и цель работы;

-схема точной синхронизации генератора с сетью;

-граница области успешной синхронизации;

-выводы по работе.

3.6.2. Оперативные переключения в схемах распределительных устройств

(макет подстанции)

1.Цель работы – получение практических навыков по производству оперативных переключений в схемах распределительных устройств электрических станций и подстанций.

2.Основные теоретические положения

Ошибочные действия персонала при производстве оперативных переключений вызывают поражение людей электрическим током, повреждение оборудования, перерыв электроснабжения потребителей.

Основные операции с выключателями и разъединителями должны производиться в определенной последовательности. Рассмотрим последовательность оперативных переключений на примере схем, показанных на рис. 3.6.6.

Включение линии W:

-включить шинный разъединитель QS1;

-включить линейный разъединитель QS2;

-включить выключатель Q.

Отключение линии:

-отключить выключатель Q;

-отключить линейный разъединитель QS2;

-отключить шинный разъединитель QS1.

Первым должен включаться и последним отключаться шинный разъединитель QS1.

200

Все оперативные переключения в схемах электроустановок напряжением выше 1000 В производятся на основании бланков переключений. Бланк заполняется непосредственно перед началом переключений тем лицом, которое получило расположение, и контролируется либо вторым дежурным, либо лицом, давшим указание о переключениях. Каждая операция, вносимая в бланк, должна иметь порядковый номер. Бланк переключений подписывается составителем и проверяющим.

3. Описание лабораторной установки

Макет представляет собой переносной стенд, на лицевой панели которого выполнена мнемосхема подстанции (рис. 3.6.7). Подстанция состоит из четырех распределительных устройств напряжением 220, 110, 35 и 6 кВ. Каждое распределительное устройство (РУ) имеет две системы шин I и II и две отходящие линии. PУ-220 кВ имеет обходную систему шин ОСШ и обходной выключатель ОВ. Все четыре РУ связаны между собой через трансформаторы. Системы шин I и II каждого РУ имеют междушинные выключатели МШВ.

Функцию разъединителей (линейных, шинных, заземляющих) на макете выполняют тумблеры. Функцию силовых выключателей − специальные ключи с подсветкой изнутри.

При производстве операций тумблеры и переключатели производят коммутации в схеме за лицевой панелью. Нарушение правильной последовательности операций автоматически вызывает появление сигнала «Авария».

Мнемосхема макета представляет собой схему действующей подстанции, оборудование которой всегда находится в каком-то конкретном оперативном состоянии. К моменту работы на макете положение коммутационной аппаратуры может находиться в любом хаотичном состоянии. Поэтому мнемосхему макета или отдельные ее части следует привести в исходное состояние, т. е. собрать исходную схему.

На мнемосхеме подстанции приняты следующие сокращения обозначения оборудования: Л – линия; Т – трансформатор силовой, ТН – трансформатор напряжения, I, II – первая и вторая системы шин, ОСШ – обходная система шин, ТР – разъединитель трансформатора, РТН – разъединитель трансформатора напряжения, ОР – разъединитель обходной системы шин, ШР – шинный разъединитель, ЛР – линейный разъединитель, ЗР – заземляющий разъединитель, В – выключатель, ОВ – обходной выключатель, МШВ – междушинный выключатель, ОТ – оперативный ток.

202

В схему макета заложена возможность выполнения 22-х задач по производству оперативных переключений. Все задачи группируются попарно и условно подразделяются на прямые обратные. В прямой задаче указывается, какие переключения в исходной схеме следует выполнить. В обратной задаче следует вернуть схему в исходное положение.

Задание 1:

-включить линию Л-201 через обходной выключатель;

-вернуть линию в исходное положение (обратная задача).

Задание 2:

-перевести линию Л-202 и трансформатор Т-2 со II на I систему шин при помощи МШВ 220 кВ;

-обратная задача.

Задание 3:

-отключить и заземлить трехобмоточный трансформатор Т-1;

-обратная задача.

Задание 4:

- вывести в ремонт линию Л-355 с помощью МШВ 35кВ;

-обратная задача.

Задание 5:

-перевести трансформатор Т-2 и линию Л-356 с I на II систему шин;

-обратная задача.

Задание 6:

- вывести в ремонт и заземлить II систему шин 110 кВ;

-обратная задача.

Задание 7:

-вывести в ремонт линию Л-114 (с неполной разборкой схемы);

-обратная задача.

Задание 8:

- вывести в ремонт двухобмоточный трансформатор Т-3;

-обратная задача.

Задание 9:

-вывести в ремонт выключатель ВЛ-67 без снятия обратного напряжения;

-обратная задача.

Задание 10:

-вывести в ремонт выключатель ВЛ-68 со снятием обратного напряжения;

-обратная задача.

Задание 11:

204

-вывести в ремонт II систему шин 6кВ;

-обратная задача.

4. Порядок выполнения работы

4.1.Ознакомиться с описанием макета главной схемы электрических соединений подстанции.

4.2.Изучить порядок операций при различных видах оперативных переключений.

4.3.Получить задание на производство оперативных переключений у преподавателя (задания 1…11).

4.4.В соответствии с заданиями составить бланки переключений.

В бланк переключений в технологической последовательности записываются все операции с коммутационными аппаратами и цепями оперативного тока, с устройствами релейной защиты, автоматики и т. д. Правильность записанных в бланк операций проверяется по оперативной схеме, которая должна точно отображать оперативное состояние оборудования подстанции перед началом производства операций. Составленный бланк проверяется другим студентом из бригады, его фамилия записывается в качестве контролирующего лица.

Образец оперативной схемы для составления бланка переключений приведен на рис. 3.6.8.

Рис. 3.6.8. Оперативная схема для составления бланка переключений

4.5. Собрать исходную схему. Исходная схема - это такое состояние части общей или всей мнемосхемы макета, которое удовлетворяет одной, нескольким

205

или всем задачам, прямым и обратным. Исходная схема собирается при отключенном от сети макете.

4.6.Подключить макет к источнику питания 220 В (вставить вилку в розетку и включить тумблер «Питание»).

4.7.Включить тумблер, соответствующий номеру задачи. При появлении сигнала "Авария" снять звуковой сигнал кнопкой "Съем сигнала" и проверить правильность сборки исходной схемы.

4.8.Произвести оперативные переключения в соответствии с составленными бланками.

Переключения выполняют два студента: контролирующий зачитывает по бланку содержание операции, подлежащей выполнению, а производящий переключения повторяет содержание операции и выполняет ее. По мере выполнения отдельных операций в бланке необходимо делать соответствующие отметки, чтобы исключить возможность пропуска какой-либо операции. При неправильной последовательности оперативных переключений появляется световой сигнал "Авария", сопровождаемый сиреной. Для снятия сигнала "Авария" необходимо вернуть в исходное состояние элемент, вызвавший сигнал «Авария», и снять звуковой сигнал кнопкой "Съем сигнала".

Об окончании всех операций сообщается преподавателю. В бланке указывается время. Бланк перечеркивается по диагонали одной полосой.

Бланк переключений является документом оперативной отчетности, поэтому никакие исправления в его тексте не разрешаются. Если в тексте допущена ошибка, через весь бланк пишется «Бланк испорчен» и составляется новый бланк. Все бланки, в том числе и испорченные, прилагаются к отчету.

4.9.Продемонстрировать решение задачи в соответствии с составленными бланками преподавателю, выдавшему задание на оперативные переключения.

5.Содержание отчета

-название и цель работы;

-схема макета подстанции;

-бланки переключений и оперативные схемы.

206

3.6.2,а. Оперативные переключения в схемах распределительных устройств

(виртуальные модели)

Здесь рассматриваются оперативные переключения в двух виртуальных распределительных устройствах (РУ):

-РУ высшего напряжения электрической станции;

-РУ транзитной подстанции.

1.Порядок выполнения работы

1.1.Включить персональный компьютер и загрузить лабораторную работу. На экране монитора появится схема РУ высшего напряжения электрической станции (рис. 3.6.9) или схема транзитной подстанции (рис. 3.6.10).

Лабораторная работа выполняется в режиме диалога с персональным компьютером. Для начала выполнения работы следует нажать левой кнопкой мышки командную кнопку «Начало работы».

1.2.На экране диалоговое окно «Информация» (рис. 3.6.11). Здесь дается краткая информация о действиях, которые следует выполнить в лабораторной работе.

Для продолжения работы нажать кнопку «ОК».

1.3. На экране монитора диалоговое окно «Выполнение работы» (рис. 3.6.11). Здесь имеется возможность выбора одного из двух режимов «Автопилот» и «Самостоятельно».

Выбрать режим.

1.4.При выборе режима «Автопилот» на экране диалоговое окно «Автопилот» (рис. 3.6.11), в меню которого выбирается элемент схемы, выводимый в ремонт компьютером. Это режим демонстрационный, студент выступает как пассивный наблюдатель, запоминает и анализирует действия компьютера.

1.5.При выборе режима «Самостоятельно» студент сам проводит оперативные переключения в схеме. Перевод коммутационных аппаратов из положения «Включен» в положение «Выключен» и наоборот выполняется щелчком левой кнопки мышки.

При самостоятельной работе имеется возможность обращения к автопилоту (командная кнопка «Автопилот») или возврата к исходной схеме (командная кнопка «Исходная схема»).

При ошибочных действиях выдается информация «Ошибка» и дается возможность возврата к «Автопилоту» или «Исходной схеме».

207

Информация

Выполнение работы

Автопилот

Автопилот

Рис. 3.6.11. Диалоговые окна

210

1.6.Задания на производство переключений в схеме выдает преподаватель, проводящий занятие. В соответствии с заданиями следует составить бланки переключений.

В бланк переключений в технологической последовательности записываются все операции с коммутационными аппаратами. Правильность записанных

вбланк операций проверяется по оперативной схеме, которая должна точно отображать состояние оборудования схемы перед началом производства переключений. Составленный бланк проверяется другим студентом из бригады, выступающим в качестве контролирующего лица.

Провести переключения на виртуальной схеме.

1.7.Завершить работу нажатием командной кнопки «Конец».

2. Содержание отчета:

-название и цель работы;

-схемы РУ;

-бланки переключений.

3.6.3. Исследование коммутационных аппаратов напряжением до 1 кВ

1. Цель работы – ознакомление с устройством, принципом действия и схемами контакторов, магнитных пускателей, автоматических выключателей и предохранителей.

2. Основные теоретические положения

Контактор – двухпозиционный коммутационный аппарат, предназначенный для частых коммутаций (включений и отключений) электроприемников (как правило, электродвигателей) в нормальных режимах работы.

Магнитный пускатель – аппарат, состоящий из контактора, встроенных тепловых реле и блок-контактов, предназначенный для прямого включения, отключения и защиты электроприемников (как правило, электродвигателей).

Автоматический выключатель (автомат) предназначен для размыкания электрических цепей при аварийных режимах (при КЗ и перегрузках) и для редких оперативных переключений в нормальных режимах работы.

Предохранитель – аппарат для автоматического однократного отключения электрической цепи при коротком замыкании или перегрузке. Отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки током защищаемой цепи.

211

3. Описание лабораторной установки

Исследование коммутационных аппаратов напряжением до 1 кВ выполняется на лабораторных стендах.

Для исследования аппаратов следует собрать схемы, приведенные на рис. 3.6.12.

Все схемы собираются при отключенном напряжении питания.

После сборки каждая схема предоставляется для проверки преподавателю (лаборанту), ведущему занятие.

4. Порядок выполнения работы

4.1.Исследование контактора

4.1.1.Ознакомиться с устройством, принципом действия контактора и взаимодействием его отдельных частей; начертить схему контактора.

4.1.2.Собрать схему проверки напряжения втягивания и отпадения контактора (рис. 3.6.12,а). Определить напряжение втягивания и отпадения контактора при изменении напряжения автотрансформатором Т. Измерение напряжений выполняется вольтметрами PV1 и PV2.

Рассчитать коэффициент возврата по формуле

K= Uотп ,

вUвтяг

где Uотп − напряжение отпадения; Uвтяг − напряжение втягивания.

4.1.3.Включить ключ SF. Переключатель SB поставить в положение « ». С помощью автотрансформатора Т и вольтметра РV1 определить напряжение втягивания и отпадения контактов. Опыт проделать три раза и определить среднее значение коэффициента возврата.

4.1.4.Переключатель SB установить в положение «=». С помощью автотрансформатора Т и вольтметра РV2 определить напряжение втягивания и отпадения контактов. Опыт проделать три раза и определить среднее значение коэффициента возврата.

4.2.Исследование магнитного пускателя

4.2.1.Ознакомиться с устройством, конструкцией и принципом действия всех элементов магнитного пускателя. Изучить условные обозначения элементов пускателя на электрических схемах.

4.2.2.Собрать схему подключения нагрузки к питающей сети с помощью магнитного пускателя (рис. 3.6.12,б). Проверить правильность ее функциониро-

212

вания и объяснить работу элементов схемы при включении пускателя кнопкой S1 и отключении – с помощью кнопки S2.

Рис. 3.6.12. Схемы для исследования коммутационных аппаратов

4.2.4.Собрать реверсивную схему подключения нагрузки к питающей сети

спомощью двух магнитных пускателей (рис. 3.6.12,в). Проверить правильность ее работы при нажатии кнопки SB2 и при нажатии кнопки SB3.

4.2.5.Составить схему испытания тепловых реле магнитного пускателя (рис. 3.6.12,г). Установить регулировочный рычаг реле КК1 и КК2 в нулевое положение. Пропустить через реле номинальный ток, который устанавливается

спомощью автотрансформатора Т. Номинальный ток поддерживать в течение

10 минут; затем увеличить ток до 1,2Iн и отметить время с момента увеличения тока до срабатывания теплового реле. Реле должно срабатывать не позже чем через 20 минут. Если оно не сработает, то настройка реле подлежит корректировке до момента срабатывания реле путем перемещения регулировочного рычага к началу шкалы. Возможно испытание и другим методом: при токе нагрузки 2,5…3Iн, время срабатывания теплового реле должно быть в пределах 5…8 минут.

213

4.3.Исследование автоматического выключателя

4.3.1.Ознакомимся с устройством, конструкцией и принципом действия автоматического выключателя (автомата).

Изучить работу контактной и дугогасительной систем автомата, привода, механизма свободного расцепления, работу теплового и максимального расцепителей.

4.3.2.Составить схему подключения нагрузки к питающей сети с помощью автомата. Дать описание защит, которыми автомат обеспечивает схему.

4.3.3.Изучить механизмы регулирования тепловых реле, контактной системы, срабатывания максимального расцепителя, напряжения срабатывания минимального расцепителя.

4.4.Исследование плавких предохранителей

4.4.1.Ознакомиться с принципом действия, устройством, конструкциями, защитными характеристиками и параметрами предохранителей.

4.4.2.Составить порядок выбора предохранителей.

5. Содержание отчета

-название и цель работы;

-описания конструкций коммутационных аппаратов;

-схемы для исследования коммутационных аппаратов;

-технические данные электрооборудования и приборов.

3.6.4.Исследование измерительных трансформаторов тока

1.Цель работы – изучить принцип работы, конструкцию и методику испытаний трансформаторов тока, применяемых для измерений, релейной защиты

иавтоматики.

2.Основные теоретические положения

Трансформатор тока (ТТ) предназначен для уменьшения первичного тока до значений, удобных для измерительных приборов и реле, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.

ТТ обеспечивает пропорциональную зависимость вторичного тока от первичного при практическом их совпадении по фазе.

Первичная обмотка ТТ включается последовательно в измеряемую цепь (в рассечку токопровода), вторичная замыкается на нагрузку – токовые обмотки измерительных приборов, устройств релейной защиты, автоматики.

214

Трансформаторы тока характеризуются следующими данными: I1н - номинальный первичный ток, А;

I2н - номинальный вторичный ток, равный 1 или 5 А; W1 - число витков первичной обмотки;

W2 - число витков вторичной обмотки;

Kт - коэффициент трансформации трансформатора тока

S2н – номинальная вторичная нагрузка, В А;

Z2н – номинальная вторичная нагрузка, Ом;

Погрешности измерений ТТ оцениваются в установившемся режиме работы при синусоидальной форме кривой тока. Различают угловую погрешность δт и токовую погрешность Iт.

Угловая погрешность, равная углу сдвига фаз первичного и вторичного токов, выражается в градусах и минутах. Токовая погрешность рассчитывается в процентах в соответствии с формулой

Iт% = (I2 Kт − I1)100 .

I1

ТТвыпускаются с классами точности 0,2; 0,5; 1; 3 и 10. Классы точности

ТТсоответствуют токовой погрешности в процентах от величины номинального тока при нагрузке первичной обмотки током 100…120% для классов 0,2; 0,5; 1 и 50…120% для классов 3 и 10.

Для классов 0,2; 0,5 и 1 нормируется угловая погрешность, которая при нагрузке первичной обмотки током 100…120% составляет ±10; ±40; и ±80 минут. Для 3 и 10 классов точности угловая погрешность не нормируется.

Погрешности ТТ обусловлены наличием тока намагничивания Io (см. рис. 3.6.13) и зависят от вторичной нагрузки (сопротивлений приборов, проводов, контактов) и от кратности первичного тока по отношению к номинальному. Увеличение нагрузки и кратности тока приводит к увеличению погрешности.

Рис. 3.6.13. Векторная диаграмма токов ТТ

215

ТТ класса точности 0,2 применяются для присоединения точных лабораторных приборов, класса 0,5 – для присоединения счетчиков коммерческого расчета, класса 1 – для всех технических измерительных приборов, классов 3 и 10 – для релейной защиты.

Токовые цепи измерительных приборов и реле имеют малое сопротивление, поэтому ТТ нормально работает в режиме, близком к режиму КЗ. Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет, так как он будет определяться только МДС первичной обмотки. Напряжение на вторичной обмотке возрастет до величины (десятки киловольт), способной пробить изоляцию.

Из-за указанных явлений не разрешается размыкать вторичную обмотку ТТ при протекании тока в первичной обмотке. При замене измерительного прибора или реле вторичную обмотку ТТ замыкают накоротко.

Для безопасного обслуживания трансформаторов тока один из выводов вторичной обмотки всегда заземляется.

Обозначения выводов ТТ:

-Л1 и Л2 – начало и конец первичной обмотки;

-И1 и И2 – начало и конец вторичной обмотки.

3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя высоковольтные трансформаторы тока и стенд для проведения испытаний ТТ. На стенде смонтировано оборудование для сборки схем, с помощью которых проверяется полярность зажимов ТТ, строится кривая намагничивания и проверяется коэффициент трансформации трансформаторов тока.

4. Порядок выполнения работы

4.1.Изучить устройство, паспортные данные, расшифровать маркировку и составить схемы образцов высоковольтных трансформаторов тока, входящих в лабораторную установку. Результаты занести в табл. 3.6.2.

4.2.Проверить полярность зажимов ТТ способом постоянного тока.

Для проверки полярности зажимов ТТ собирается схема, приведенная на рис. 3,6,14,а. Первичную обмотку ТТ подключают к источнику постоянного тока так, чтобы на зажим Л1 был подан «плюс», а на зажим Л2 – «минус». Если обозначения зажимов первичной обмотки ТТ отсутствуют, то любой зажим можно принять за начальный, обозначить Л1 и подать на него «плюс».

216

К зажимам вторичной обмотки подключают магнитоэлектрический прибор (амперметр или вольтметр, желательно с нулем на середине шкалы). Если в момент замыкания ключа SB стрелка прибора отклоняется в сторону положительных показаний, то зажим первичной обмотки Л1, подключенный к «плюсу» источника, и зажим вторичной обмотки, подключенный к зажиму «плюс» прибора, являются однополярными (Л1 и И1)

4.3. Проверить полярность зажимов ТТ способом одного амперметра.

Для проверки полярности зажимов ТТ собирается схема, приведенная на рис. 3.6.14,б. При сборке схемы сопротивление реостата R2 подбирают таким, чтобы ограничить ток через первичную обмотку ТТ до 5…10 А. Включают автомат SF и замечают показание амперметра РА1, который при указанной на рис. 3.6.14,б полярности зажимов ТТ измеряет разность первичного и вторичного токов ТТ. Затем при отключенном автомате SF концы, идущие от вторичной обмотки к прибору, отсоединяют, а зажимы И1 и И2 закорачивают. Снова включают автомат SF и замечают показания амперметра РА1. Если показание амперметра увеличится по сравнению с предыдущим, то разметка зажимов правильная. Этот способ применяют для ТТ с небольшим коэффициентом трансформации.

4.4. Снять характеристику намагничивания ТТ.

Характеристика намагничивания U2=f(Iо) показывает зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока намагничивания, проходящего по ней при разомкнутой первичной обмотке ТТ. По кривой намагничивания можно выявить наличие во вторичной обмотке ТТ витковых замыканий, оценить идентичность ТТ при их совместном использовании (например, для схем дифференциальной защиты), определить погрешность ТТ. При наличии витковых замыканий характеристика намагничивания лежит ниже типовой и имеет неправильную форму.

217

Т а б л и ц а 3.6.5

4.7. Проверить сопротивление изоляции обмоток ТТ.

Измерение сопротивления изоляции первичных обмоток производится мегомметром на напряжение 2500 В, а вторичных обмоток – мегомметром на напряжение 500-1000 В. Сопротивление изоляции первичных обмоток не нормируется, а сопротивление изоляции вторичных обмоток вместе с подсоединенными к ним цепями должно быть не ниже 1 МОм.

5. Содержание отчета

-название и цель работы;

-схемы испытаний ТТ;

-таблицы с результатами исследований;

-характеристика намагничивания U2=f(Iо), зависимости U2=f(U1) и I2=f(I1).

3.6.5.Исследование режимов работы сдвоенного реактора

1.Цель работы – изучение различных режимов работы сдвоенного реактора; установление взаимосвязи между режимами реактора и его конструктивными параметрами.

2.Основные теоретические положения

В современных мощных электрических установках токи короткого замыкания достигают больших значений. Одним из путей ограничения тока КЗ является искусственное увеличение сопротивления цепи с помощью последовательного включения в цепь индуктивного сопротивления, называемого токоограничивающим реактором. Одновременно реактор поддерживает напряжение на расположенных до реактора неповрежденных участках схемы.

Сдвоенные реакторы отличаются от обычных реакторов тем, что у них, кроме выводов начала и конца фазы, выполнен вывод от середины фазы, так что реактор делится на две секции (половины). Средний вывод рассчитывается на двойной ток по сравнению с номинальным током секции, который принимается за номинальный ток реактора.

220

Между секциями одной фазы сдвоенного реактора существует электромагнитная связь (рис. 3.6.16,а). Каждая половина реактора обладает собственным индуктивным сопротивлением Хa = Хb = Хnk и индуктивным сопротивлением Х, обусловленным взаимоиндукцией обеих секций реактора:

X = ±Kc X nk = ±KcωLnk ,

M – взаимная индуктивность секций, Lnk – собственная индуктивность секций.

Коэффициент связи Кс зависит от взаимного расположения секций, и его значения лежат в пределах от 0 до 1. Для сдвоенных реакторов обычно

0,35 < Кс <0,6.

Токи в секциях реактора могут иметь различные направления в зависимости от схемы включения реактора, а от направления тока в ветвях сдвоенного реактора зависят его параметры.

Схема замещения сдвоенного реактора может быть представлена в виде звезды, показанной на рис. 3.6.16,б.

Сопротивления схемы замещения могут быть выражены в именованных или относительных единицах (процентах):

где Iн – номинальный ток реактора;

Uн – номинальное напряжение реактора.

Рис. 3.6.16. Принципиальная схема (а), схема замещения (б) и схема включения (в) сдвоенного реактора

221

В схемах электрических станций и подстанций к средней точке сдвоенного реактора обычно подключается источник питания, а к точкам «а» и «b» - потре-

бители (рис. 3.6.16,в).

3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой модель сдвоенного реактора с набором электрооборудования, необходимым для сборки схем, приведенных на рис. 3.6.17.

Мнемосхема установленного оборудования и источников питания приведена на лицевой панели стенда. Схемы для испытаний собираются с помощью внешних соединений при отключенных автоматах питания, которые могут быть включены только с разрешения преподавателя после проверки схемы.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Определить эквивалентные параметры сдвоенного реактора при протекании в секциях токов, совпадающих по величине, но противоположных по направлению.

Собрать схему, показанную на рис. 3.6.17,а. Результаты измерений и вычисленные параметры реактора занести в табл. 3.6.6.

При проведении опытов суммарный ток в обоих плечах реактора необходимо изменять в пределах 10 ... 50 А. Так как падением напряжения на активном сопротивлении реактора можно пренебречь, то измеренное напряжение принимаем за падение напряжения в индуктивном сопротивлении реактора. В этом случае

где ω = 314 рад/с.

4.2. Определить эквивалентные параметры сдвоенного реактора при протекании в секциях токов, равных по величине и совпадающих по направлению.

Собрать схему, показанную на рис. 3.6.17,б. В этом случае

Результаты измерений и вычислений занести в табл. 3.6.7.

222

4.3. Определить взаимную индуктивность и собственные индуктивности секций реактора.

д)

Рис. 3.6.17. Схемы для исследования сдвоенного реактора

Для определения параметров секции «а» собирается схема, представленная на рис. 3.6.17,в. Для этого случая имеем

Результаты измерений сводятся в табл. 3.6.8.

223

3.6.6. Исследование режимов петлевой электрической сети 10 кВ

1. Цель работы − исследование режимов работы распределительной (петлевой) сети по потерям мощности и потерям напряжения.

2.Основные теоретические положения

Вместных распределительных сетях электроэнергия к потребителям распределяется от шин вторичного напряжения 3…20 кВ подстанций, называемых центрами питания ЦП.

Наибольшее распространение в местных распределительных сетях получили радиальные, магистральные, смешанные и петлевые схемы электроснабжения потребителей. Петлевые схемы применяются в городских распределительных сетях для электроснабжения коммунально-бытовых потребителей и промышленных предприятий небольшой мощности.

Схема петлевой сети показана на рис. 3.6.18. Отдельные кабельные линии (участки сети W1, W2, W3, W4, W5), связывающие между собой потребителей c мощностями S1, S2, S3, S4, S5, образуют замкнутый контур (петлю). Начало и конец петлевой сети через выключатели Q1 и Q2 подключены к разным секциям ЦП (секция а и секция b на рис. 3.6.18).

Рис. 3.6.18. Петлевая распределительная сеть

Рассмотрим замкнутый режим работы петлевой сети (все выключатели нагрузки QW замкнуты) и рассчитаем параметры этого режима для случая, когда напряжения на секциях ЦП равны между собой Ua = Ub.

Расчетная схема петлевой сети показана на рис. 3.6.19. Напряжения на секциях а и b ЦП обозначены Ua и Ub. Кабельные линии W учтены только активными сопротивлениями R1…R5. Это допустимо, поскольку для кабелей Х < R. Нагрузки в узлах 1...4 представлены мощностями S1...S4. В дальнейшем полага-

225

ется, что коэффициенты мощности всех нагрузок приблизительно равны между собой.

Рис. 3.6.19. Схема замещения петлевой сети

Направления мощностей Sа1, S12, S23, S43, Sb4, протекающих по участкам сети, приняты произвольно. Мощности на головных участках сети рассчитываются по следующим формулам:

Sа1 = S1(R2 + R3 + R4 + R5 ) ++S2 (R+3 + R+4 + R+5 ) +S3 (R4 + R5 ) +S4 R5 ; R1 R2 R3 R4 R5

Sb4 = S4 (R1 + R2 + R3 + R4 ) +S3 (R1 + R2 + R3 ) +S2 (R1 + R2 ) +S1R1 .

R1 + R2 + R3 + R4 + R5

Мощности, протекающие по остальным участкам сети, рассчитываются по первому закону Кирхгофа:

S12 = Sа1 − S1; S23 = S12 − S2; S43 = S b4 − S4.

Если какая-то мощность получилась с отрицательным знаком, то направление этой мощности противоположно предварительно выбранному направлению.

В результате расчетов мощностей получится, что к одному из узлов сети мощности притекают с разных сторон (узел 3 на рис. 3.6.19). Такой узел называется узлом потокораздела и обозначается символом ▼.

Токи, протекающие по участкам сети, определятся по следующим выражениям:

Напряжения в узлах сети составят

U1 = Ua − √3Ia1R1; U2 = U1 − √3I12R2; U3 = U2 − √3I23R3;

226

U4 = Ub − √3Ib4R5; U3 = U4 − √3I43R4.

По направлениям мощностей в схеме рис. 3.6.19 видно, что наименьший уровень напряжения будет в узле потокораздела.

Суммарные потери мощности в замкнутой петлевой сети будут

Р = 3(Ia12R1+I122R1+I232R3+I432R4+Ib42R5).

Рассмотрим замкнутый режим работы петлевой сети для случая, когда Ua≠Ub (например, Ua>Ub). В этом режиме по сети будет протекать уравнительный ток (рис. 3.6.20)

обусловливающий увеличение потерь мощности в сети.

Таким образом, недостатком замкнутого режима работы петлевой сети является увеличение потерь мощности в сети в случае, когда Ua ≠ Ub. Кроме того, при коротком замыкании (КЗ) на любом участке замкнутой петлевой сети происходит отключение всех потребителей выключателями Q1 и Q2.

Рис. 3.6.20. Протекание по сети уравнительного тока

Указанные недостатки исчезают при размыкании петлевой сети. Допустим, что в петлевой схеме разомкнут выключатель QW5 (рис. 3.6.21).

Потребители S1 и S2 получают питание от секции а, а потребители S3 и S4 − от секции b.

В этом режиме при условии Ua ≠ Ub уравнительный ток в сети не потечет, а КЗ, например, на участке 12 приведет к отключению только двух потребителей

S1 и S2.

227

Начало работы

Рис. 3.6.22. Схема петлевой сети

230

-результаты компьютерного моделирования режимов работы петлевой сети (напряжения в узлах, токи в ветвях, потери мощности в различных режимах петлевой сети);

-выводы по работе.

3.6.7.Исследование режимов передачи сверхвысокого напряжения

1. Цель работы – ознакомление с режимами холостого хода и нагрузочным режимом электропередачи сверхвысокого напряжения 330…1150 кВ.

2. Основные теоретические положения

Для электропередач напряжением 330...1150 кВ характерны большая протяженность (более 300 км) и большая передаваемая мощность (более 500 МВ.А). По конфигурации это наиболее простые сети, представляющие собой магистраль: электростанция - линия электропередачи - приемная подстанция электроэнергетической системы.

Электропередачи сверхвысокого напряжения имеют ряд особенностей, отличающих их от электрических сетей более низкого напряжения. Большая длина таких электропередач, соизмеримая с длиной электромагнитной волны (6000 км), требует учета распределенности параметров линии и ее волновых свойств. Управление режимом такой электропередачи и увеличение ее пропускной способности требует применения специальных устройств и мероприятий.

Из теоретической электротехники известно, что передача электроэнергии по линии осуществляется электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль линии со скоростью V, близкой к скорости света 300000 км/c. Длина электромагнитной волны (длина одного периода тока или напряжения) при частоте f = 50 Гц составляет λ = V/f = 6000 км. Изменение фазы тока и напряжения на единицу длины линии составляет

αо= 360λ = 0,06 град/км

и называется коэффициентом изменения фазы.

Поскольку основным назначением линий сверхвысокого напряжения является передача больших мощностей на большие расстояния, проведем анализ величины мощности, которую можно передать по линии сверхвысокого напряжения.

В идеализированной линии без потерь активной мощности (без учета активных сопротивлений и проводимостей) зависимость наибольшей передаваемой по линии мощности от ее длины характеризуется соотношением

232

U1U 2

Рнб = ZсsinαоL ,

где U1,U2 – значения напряжений в начале и конце линии;

Х– индуктивное сопротивление линии;

В– емкостная проводимость линии;

L – длина линии.

Величина αоL называется волновой длиной линии.

Из последнего выражения видно, что при изменении длины линии наибольшая мощность будет изменяться от значения

Рнб = U1U2

Zс

(при L = 1500 и 4500 км) до бесконечно большой величины (при L = 3000 и 6000 км). В реальной линии при учете активных сопротивлений и проводимостей величина Рнб будет иметь конечное значение. Мощность, определяемая последним выражением, называется натуральной мощностью линии Рнат.

На наибольшую передаваемую по линии мощность накладывается ряд технических ограничений, обусловленных допустимым длительным нагревом проводов линии от протекания по ним тока, устойчивостью параллельной работы генераторов, внутренними перенапряжениями. В силу этих ограничений реализация передачи по линии мощности, заметно превышающей натуральную, трудно осуществима вне зависимости от длины линии.

Рассмотрим кратко названные выше ограничения по величине передаваемой по линии мощности.

Нагрев проводов. Для каждого сечения проводника устанавливается допустимый длительный ток, приводимый в нормативно-справочной литературе. Поэтому при каждом сечении провода мощность, передаваемая по линии, ограничена определенной величиной.

Устойчивость. Характеристика активной мощности, передаваемой от генераторов в приемную энергосистему, имеет вид

Р = EqU2 sin ѓ ,

XΣ

где Eq - ЭДС генераторов;

U2 - напряжение приемной ЭЭС;

δ - угол между векторами ЭДС генераторов и напряжением приемной энергосистемы;

233

XΣ - суммарное индуктивное сопротивление всех элементов передачи (линии, трансформаторов, генераторов).

Из последнего выражения следует, что наибольшее значение передаваемой мощности будет при δ = 90о

Рнб = EqU2 .

XΣ

Это предельная мощность, ограниченная устойчивостью параллельной работы генераторов и энергосистемы.

Из приведенных соотношений видно, что увеличения передаваемой по линии мощности можно добиться уменьшением индуктивного сопротивления линии. Для этого используются следующие мероприятия:

-каждая фаза линии расщепляется на несколько проводов; расщепление фазы на 2, 3 и 4 провода для линий 330, 500 и 750 кВ позволяет уменьшить индуктивное сопротивление фазы на 19, 28 и 33% соответственно;

-включение в рассечку линии конденсаторной установки; реактивные сопротивления индуктивности и емкости противоположны по знаку, следовательно, емкостное сопротивление конденсаторов будет компенсировать индуктивное сопротивление линии; такие конденсаторные установки называются установками продольной компенсации; сложность конструктивного исполнения таких установок сильно ограничивает их применение;

-деление (секционирование) передачи, состоящей из двух линий, на отдельные участки примерно равной длины; такое деление осуществляется в промежуточных переключательных пунктах; при отсутствии секционирования и отключении одной из линий индуктивное сопротивление линии увеличивалось бы в два раза; наличие в переключательных пунктах коммутационных аппаратов дает возможность при авариях отключать только поврежденный участок, сохраняя на остальных участках две линии; в этом случае при аварии на одном участке индуктивное сопротивление линии увеличивается незначительно.

Внутренние перенапряжения. Воздушные линии электропередачи за счет емкостной проводимости генерируют реактивную мощность, определяемую выражением

QC = Uном2 b0 L,

где Uном – номинальное напряжение линии;

b0=ωc0–емкостная проводимость единицы длины линии (ω =2πf =314 1/с); c0 – емкость единицы длины линии;

L – длина линии.

234

Так, например, один километр одноцепной линии напряжением 500 кВ генерирует приблизительно 1 Мвар и эта мощность не зависит от токовой нагрузки линии.

Потери реактивной мощности в индуктивном сопротивлении линии имеют квадратичную зависимость от ее нагрузки:

Q = S 2 x0L , U 2

где S − полная мощность, передаваемая по линии;

х0 − индуктивное сопротивление единицы длины линии.

График нагрузки приемной энергосистемы, как правило, неравномерный. Поэтому в часы минимума нагрузки (особенно при холостом ходе) в линии создается избыток реактивной мощности (QC > Q).

При холостом ходе и разомкнутом выключателе Q на приемном конце передачи (рис. 3.6.24) избыточная реактивная мощность QC течет к ее отправному концу, загружая генераторы G и обусловливая повышение напряжения вдоль линии (зависимость 1 на рис. 3.6.24,б).

При холостом ходе и замкнутом выключателе Q на приемном конце передачи избыточная реактивная мощность QC течет как к отправному, так и к приемному концу передачи, обусловливая повышение напряжения в середине линии (зависимость 2 на рис. 3.6.24,б).

Рис. 3.6.24. Схема передачи (а) и распределение напряжения вдоль линии в различных режимах передачи

Для регулирования режима реактивной мощности и выравнивания напряжения вдоль линии используются шунтирующие реакторы с индуктивной проводимостью Вр, компенсирующей емкостную проводимость линии (поперечная компенсация). Эти реакторы, включенные между фазой и землей, потребляют избыточную реактивную мощность. Включение реактора осуществляется специальным выключателем при превышении напряжения в точке подсоединения реактора допустимого значения.

235

При передаче по линии мощности, близкой к натуральной Р Рнат, реактивная мощность, генерируемая емкостью линии, и реактивная мощность, теряемая в индуктивном сопротивлении линии, оказываются приблизительно равными Qс Q. В этом режиме шунтирующие реакторы должны быть отключены. По линии будет передаваться практически только активная мощность. Распределение напряжения вдоль линии в режиме Р Рнат иллюстрируется зависимостью 3 на рис. 3.6.24,б.

3. Исходные данные

Исходные данные для выполнения работы принять по табл. 3.6.11 в соответствии с последней цифрой шифра.

4. Порядок выполнения работы

4.1.Включить персональный компьютер и загрузить лабораторную работу. На экране монитора появится схема передачи сверхвысокого напряжения (рис. 3.6.26).

Лабораторная работа выполняется в режиме диалога с персональным компьютером. Для начала выполнения работы следует нажать левой кнопкой мышки командную кнопку «Начало работы».

4.2.На экране монитора диалоговое окно «Исходные данные» (рис. 3.6.25). Ввести исходные данные:

-номинальное напряжение передачи Uном;

-длину передачи L;

-погонное индуктивное сопротивление хo;

-погонную емкостную проводимость bo.

Для продолжения работы нажать кнопку «ОК».

4.3. На экране монитора диалоговое окно «Выбор режима передачи» (рис. 3.6.25).

Нажатием соответствующей кнопки выбрать один из режимов передачи: - холостой ход 1;

236

-холостой ход 2;

-режим натуральной мощности.

Режим «Холостой ход 1» подразумевает холостой ход передачи при отключенном выключателе в конце передачи.

Режим «Холостой ход 2» подразумевает холостой ход передачи при включенном выключателе в конце передачи. В этом случае напряжение на приемном конце поддерживает энергосистема.

Режим натуральной мощности подразумевает передачу в приемную систе-

му мощности Рнат.

4.4. На экране монитора диалоговое окно «Параметры и регулирование ре-

жима» (рис. 3.6.25).

Здесь дается краткая информация о действиях, которые следует выполнить.

Вблоке «Параметры режима» приводятся активная Рн и Рк и реактивная Qн

иQк мощности в начале и конце передачи, а также напряжения в начале Uн,

промежуточных узлах U1, U2 и конце передачи Uк.

Для большей наглядности распределение напряжения вдоль передачи иллюстрируется графической диаграммой.

В блоке «Регулирование режима» приводятся проводимости реакторов, установленных в начале Вн, промежуточных узлах В1, В2 и конце передачи Вк.

Изменяя проводимости реакторов, следует выровнять напряжения вдоль передачи. Отклонения напряжения от номинального не должны превышать 5 %.

4.5. Переход к другому режиму осуществляется нажатием кнопки «Другой режим», по которой выполняется переход к диалоговому окну «Выбор режима передачи».

4.6. После просмотра параметров и регулирования трех режимов передачи завершить работу нажатием кнопки «Конец».

5. Содержание отчета

-название и цель работы;

-расчетную схему передачи и исходные данные;

-результаты компьютерного моделирования (зависимости распределения напряжения вдоль линии в различных режимах ее работы);

-выводы по работе.

237

Исходные данные

Выбор режима передачи

Параметры и регулирование режима

Рис. 3.6.25. Диалоговые окна

238

3.6.8. Исследование режимов разомкнутой электрической сети

1. Цель работы – измерение параметров установившегося режима работы электрической сети; оценка влияния параметров линии и параметров нагрузки на параметры режима сети.

2. Основные теоретические положения

Схема разомкнутой электрической сети, приведенная на рис. 3.6.27, включает в себя источник питания – шины системы С, трансформатор Т, магистраль, состоящую из двух линий W1 и W2. В конце первой линии подключена нагрузка Рн1+jQн1, вконце второй линии − нагрузка Рн2+jQн2.

Кпараметрам режима сети относятся мощности, протекающие по линиям,

инапряжения в узлах сети U, U1, U2. Различают мощность в начале линии

Рн+jQн и мощность в конце линии Рк+jQк.

Установившийся режим характеризуется неизменностью параметроврежима. Элементы электрической сети, например, линии электропередачи имеют свои характеристики, которые называются параметрами сети. Это, в частности,

сопротивления.

При переменном токе различают полное Z, активное R и индуктивное X сопротивления линий:

Z = R + jX = R2 + X 2

Индуктивное сопротивление линии определяется ее индуктивностью L и частотой f переменного тока:

Х =2πfL = 314L,

где f = 50 Гц.

Каждый режим электрической сети характеризуется параметрами нагрузки, под которой подразумевают мощность, потребляемую нагрузкой в данный момент времени:

S = Р + jQ = Р2 + Q2 .

При передаче мощности от источника к нагрузке в элементах сети возникают потери напряжения, рассчитываемые по формуле

U = PR + QX ,

U ном

где Uном – номинальное напряжение сети.

240

где Рн и Рк – мощность в начале и конце линии (рис. 3.6.27).

Потери реактивной мощности в линии, по которой протекает ток I или мощность S =Р+jQ, рассчитываются по формуле

Экспериментально потери реактивной мощности можно определить как

Q = Qн −Qк,

где Qн и Qк – мощность в начале и конце линии (рис. 3.6.27).

Потери активной мощности в сети – это дополнительная мощность, которую необходимо выработать на электростанциях. Поэтому как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации электрических сетей важнейшей задачей является оценка величины потерь мощности сети и разработка мероприятий по их снижению. Как видно из выражения для потерь мощности, важным мероприятием по снижению потерь мощности является повышение напряжения сети.

В выражения для потерь напряжения U и потерь мощности Р и Q входят параметры режима (мощности, протекающие по линиям и определяемые нагрузками узлов P и Q) и параметры линии R и Х. Соотношения этих параметров для различных сетей и видов нагрузки различны:

-для бытового сектора характерно соотношение Рн>>Qн;

-для промышленного сектора величины Pн и Qн соизмеримы;

-для кабельных линий характерно соотношение R>X;

-для воздушных линий сопротивления R и X соизмеримы.

3. Описание лабораторной модели

Физическая модель электрической сети набирается блоками на универсальном лабораторном стенде. Для выполнения данной лабораторной работы используются блоки, указанные в табл. 3.6.12.

Блок G1 служит для питания электрической сети и моделирует систему С (рис. 3.6.27). Блок трансформатора А1 моделирует трансформатор Т электрической сети. Блоки линий А2 моделируют линии W1 и W2. Блоки нагрузок А4 и А6 моделируют нагрузки в конце каждой линии.

Один из мультиметров блока Р1 используется в данной работе как вольтметр.

242

Блок измерителя мощностей Р2 включает в себя ваттметр W и варметр var для измерения активной и реактивной мощности.

Коммутатор измерителя мощностей (блок А8) позволяет измерять мощности в различных точках схемы, не пересоединяя провода приборов.

Вставить блоки, указанные в табл. 3.6.12, на вертикальную двухрядную панель стенда. Порядок установки блоков может быть любой, но для логики схемы и удобства ее последующей сборки рекомендуется придерживаться следующих правил:

-в верхний ряд слева направо устанавливаются блоки Р1, Р2, А8;

-в нижний ряд слева направо устанавливаются блоки G1, А1, A2, А4, А6,

A2, А4, А6.

Порядок установки блоков показан на рис. 3.6.28.

4.Порядок выполнения работы

4.1.Соединить желто-зелеными монтажными проводами гнезда защитно-

го заземления всех блоков с гнездом РЕ блока G1.

4.2. С помощью монтажных проводов красного и черного цвета и U- образных перемычек собрать схему электрических соединений, показанную на рис. 3.6.29. Для однозначности чтения этой схемы начала и концы некоторых соединительных проводов обозначены одинаковыми цифрами (1...12).

243

4.3. Исходные данные для выполнения лабораторной работы задаются преподавателем, ведущим занятие. В соответствии с этими данными выставить параметры линий (R1, L1, R2, L2), нагрузки (Рн1, Qн1, Рн2, Qн2) и коэффициент трансформации Ктр трансформатора Т. Параметры нагрузки выставляются в процентах от 30 Вт и 30 вар.

4.4.Показать для проверки собранную схему преподавателю (лаборанту), проводящему лабораторную работу. Подключение стенда к питающей сети лаборатории выполняет преподаватель (лаборант).

4.5.Включить выключатели однофазного источника питания G1. О наличии напряжения на его выходе должен сигнализировать красный светодиод.

4.6.Включить выключатели «Сеть» блока мультиметров Р1 измерителя мощностей Р2.

4.7.Установить переключатель рабочего мультиметра в положение 700

V . Конец провода П установить в гнездо начала первой линии для измерения напряжения U. Активировать рабочий мультиметр нажатием красной кнопки на приборе.

4.8. Выполнить следующие измерения.

Переключая провод П рабочего мультиметра, измерить напряжения в начале и конце каждой линии. Оценить потери напряжения в линиях и уровни напряжения на нагрузках. Нормальные напряжения на нагрузках должны находиться в диапазоне 210...230 В.

В измерителе мощностей поставить переключатель измеряемых мощностей в положение Р,Q. В коммутаторе измерителя мощностей А8 последовательно ставить переключатель в положение Р1, Р2, Р3 и Р4 для измерения соответственно мощности в начале первой и второй линии и потерь мощности в первой и второй линии.

Для удобства снятия показаний ваттметра W и варметра var предусмотрены переключатели диапазонов измерения токов (0,05 ...1,0 А) и напряжений (15...600 В). Если при проведении измерений загорается красный светодиод, показывающий перегрузку прибора (U>, I>), переключатель диапазона измерений следует перевести в более грубое положение. Например, если в диапазоне токов 0,2 А загорается красный светодиод I>, переключатель диапазона токов следует перевести в положение 0,5 А или 1 А.

4.9. Результаты измерений занести в табл. 3.6.13.

244

Рис. 3.6.29. Схема электрических соединений

246

Таблица 3.6.13

Результаты измерений

(R1 = ...Ом, L1 =...Гн, R2 = ...Ом, L2 =...Гн, Рн1 =...Вт, Qн1 =...вар, Рн2 = Вт, Qн2 =...вар)

4.10.Повторить измерения при поочередном изменении параметров нагрузок и линий. Оценить влияние этих параметров на потери напряжения и потери мощности в сети. Результаты измерений занести в таблицы, аналогичные табл. 3.6.13.

4.11.По завершении измерений отключить выключатели источника G1, выключатель «Сеть» блока мультиметров Р1 и выключатель «Сеть» измерителя мощностей Р2.

5.Содержание отчета:

-название и цель работы;

-исходные данные;

-схема электрической сети;

-схема электрических соединений;

-результаты измерений параметров режима электрической сети;

-выводы по работе.

3.6.9. Исследование работы УЗО в электроустановках с системой TN-S

1. Цель работы – ознакомление с работой устройства защитного отключения (УЗО) в электроустановках напряжением до 1 кВ с системой заземления нейтрали ТN-S.

2. Основные теоретические положения

В сетях переменного трехфазного тока напряжением до 1 кВ наибольшее распространение получила система TN. В этой системе нейтраль источника питания глухо заземлена, открытые проводящие части электроустановок (металлические корпуса оборудования) присоединены к заземленной нейтрали источника посредством нулевого защитного проводника.

Глухое заземление нейтрали означает непосредственное (без какого-либо сопротивления) соединение нейтрали с заземляющим устройством.

Существуют три разновидности системы TN:

247

-система TN-S (S от слова separe – раздельный), при которой нулевой рабочий проводник (N) и нулевой защитный проводник (PE) работают раздельно по всей сети (рис. 3.6.30,а);

-система TN-C (C – от слова combine – комбинированный, совмещенный), при котором проводники N и PE объединены в один по всей длине, т. е. этот общий проводник является и рабочим, и защитным (PEN на рис. 3.6.30,б);

Рис. 3.6.30. Системы заземления в сетях переменного трехфазного тока:

а– система TN-S; б – система TN-C, в– система TN-C-S

-система TN-C-S, при которой в части сети проводники N и PE объединены

водин PEN проводник, а в части сети работают раздельно (N и РЕ) (рис. 3.6.30, в).

Взданиях старой постройки наиболее распространенной является система TN-C, позволяющая реализовать трехфазную систему 380/220 В. Совмещение N

иPE проводников в один PEN проводник обеспечивает снижение затрат на сеть, однако понижает надежность защиты от поражения электрическим током. Во вновь строящихся зданиях и в зданиях, где выполняется реконструкция электросетей, предпочтение отдается системе TN-S.

Внастоящее время в электрические сети напряжением до 1 кВ интенсивно внедряется специальный вид защитного устройства, с помощью которого осуществляются:

-защита людей от поражения электрическим током при прикосновении к частям электрооборудования, оказавшимся под напряжением;

-отключение электроустановок при значительном ухудшении состояния изоляции;

-предотвращение пожаров, возникновение которых возможно вследствие протекания больших токов утечки на землю.

Это устройство осуществляет отключение питания при появлении не предусмотренной нормальными условиями эксплуатации ситуации в электрической сети. Такое устройство называется устройством защитного отключения – УЗО.

248

УЗО – быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный (разностный) ток. Поэтому наряду с термином «УЗО» в отечественной практике применяются названия «Выключатель дифференциального тока», или «Дифференциальный выключатель».

УЗО сравнивает ток, протекающий по проводникам – «входящий» и «выходящий». В случае, когда разность этих токов достигает определенного значения (отключающего дифференциального тока), устройство отключает питающее напряжение. Если человек прикоснется к оголенному проводу или к электроприбору с поврежденной изоляцией и через него «на землю» потечет опасный для жизни ток, устройство мгновенно отключит питание электроустановки.

Устройствами защитного отключения оснащаются в обязательном порядке все вновь строящиеся и реконструируемые жилые здания, особо опасные помещения, в которых эксплуатируются электроприборы и электроинструмент, мобильные здания из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания и т. д.

УЗО применяется для комплектации вводно-распределительных устройств (ВРУ), распределительных щитов (РЩ), групповых щитков (квартирных и этажных), а также для защиты отдельных потребителей электроэнергии. УЗО устанавливаются в общественных, жилых, административных зданиях и на промышленных предприятиях.

3. Описание лабораторной модели

Физическая модель электроустановки с системой заземления ТN-S набирается блоками на универсальном лабораторном стенде.

Для выполнения данной лабораторной работы используются блоки, указанные в табл. 3.6.14.

Эти блоки следует поставить на вертикальную панель стенда. Порядок установки блоков может быть любой, но для логики схемы и удобства ее последующей сборки рекомендуется все блоки ставить в один ряд (верхний или нижний) в следующей последовательности слева направо: G1, А1, А8, A5, А2, А3. Порядок установки блоков показан на рис. 3.6.31.

4.Порядок выполнения работы

4.1.С помощью монтажных проводов и U-образных перемычек собрать схему электрических соединений, показанную на рис. 3.6.32.

4.2.Показать для проверки собранную схему преподавателю (лаборанту), проводящему лабораторную работу. Подключение стенда к питающей сети лаборатории выполняет преподаватель (лаборант).

249

4.3. Включить выключатели однофазного источника питания G1. О наличии напряжения на его выходе должен сигнализировать красный светодиод.

1кОм 10кОм 100кОм

Рис. 3.6.31. Порядок установки блоков

4.4.Включить УЗО блока А5.

4.5.Смоделировать прямое прикосновение человека к частям, находящимся под напряжением, для чего замкнуть проводом 1 гнездо руки человека и гнездо фазы L (рис. 3.6.32). При этом должно отключиться УЗО, подтверждая тем самым действие защиты.

250

Вид обуви человека и тип пола, на котором он стоит, можно моделировать, проводя эксперименты с другими сопротивлениями между ногами человека и землей.

Рис. 3.6.32. Схема электрических соединений

4.6.Включить выключатель «Питание» и автоматический выключатель модели питающей электрической сети А1. При этом должна загореться индикаторная лампа модели электроприемника А2.

4.7.Убрать проводник 1 и включить УЗО.

4.8.Смоделировать повреждение основной изоляции электроприемника А2 установкой перемычки 2 или 3 в гнезда электроприемника (рис. 3.6.32). При этом должно отключиться УЗО, подтверждая тем самым действие защиты.

4.9.Убрать перемычку 2 или 3 и включить УЗО.

4.10.Смоделировать повреждение основной изоляции электроприемника А2 при обрыве защитного проводника РЕ. Для этого сначала убрать перемычку 4, а затем установить перемычку 2 в гнезда электроприемника А2 (рис. 3.6.32). При этом должно отключиться УЗО, подтверждая тем самым действие защиты.

4.11.Убрать перемычку 2, восстановить перемычку 4 защитного проводника РЕ, включить УЗО, отключить автоматический выключатель модели питающей электрической сети А1.

4.12.Переставить перемычки 5 модели электроприемника А2 (рис. 3.6.32) таким образом, чтобы нулевой и защитный проводники поменялись местами. Включить автоматический выключатель модели питающей электрической сети А1. При этом должно отключиться УЗО, подтверждая тем самым действие защиты.

251

4.13. По завершению экспериментов отключить автоматический выключатель однофазного источника питания G1, автоматический выключатель и выключатель «Питание» модели питающей электрической сети А1.

5 Содержание отчета:

-название и цель работы;

-схемы систем заземления в сетях переменного тока;

-схема электрических соединений;

-результаты экспериментов;

-выводы по работе.

3.6.10. Измерение показателей качества электроэнергии

1. Цель работы – измерение показателей качества электрической энергии в однофазной сети 220 В, запись показателей качества на электронный носитель, просмотр показателей качества на ПК.

2. Основные теоретические положения

Приемники электроэнергии, присоединенные к электрическим сетям, предназначены для работы при определенных показателях качества электроэнергии (ПКЭ). ГОСТ 13109 - 97 устанавливает ПКЭ в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного токов частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей, или приемники электрической энергии.

Этот ГОСТ 13109 - 97 устанавливает 11 основных ПКЭ:

1)отклонение частоты;

2)отклонение напряжения;

3)размах изменения напряжения;

4)дозу фликера (мерцания или колебания);

5)коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;

6)коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения;

7)коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности;

8)коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности;

9)глубину и длительность провала напряжения;

10)импульсное напряжение;

11)коэффициент временного перенапряжения.

ГОСТ 13109 - 97 устанавливает два вида норм ПКЭ:

252

-нормально допустимые;

-предельно допустимые.

ПКЭ не должны выходить за пределы нормально допустимых значений в 95 % времени наблюдения и не должны выходить за предельно допустимые значения в оставшиеся 5 % времени наблюдения.

Рассмотрим подробнее наиболее характерные ПКЭ.

Отклонение частоты в электрической системе, Гц, характеризует разность между действительным f и номинальным значениями частоты fном переменного тока в системе электроснабжения и определяется по выражению

f = f − fном.

Допустимые нормы по отклонениям частоты составляют

Частота переменного тока в электрической системе определяется скоростью вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты в ЕЭС России 50 Гц в электрической системе может быть обеспечено при условии наличия резерва активной мощности. В каждый момент времени в электрической системе должно быть обеспечено равенство (баланс) между мощностью генераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой, с учетом потерь мощности на передачу в электрической сети. Ввод резервной мощности возможен в системе за счет дополнительного расхода энергоносителя турбин электростанций.

Отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения текущего значения напряжения U от номинального значения U ном:

δU = U −U ном 100%.

U ном

Отклонение напряжения обусловлено изменением потерь напряжения, вызываемых изменением мощностей нагрузок. Отклонение напряжения нормируется на выводах приемников электрической энергии:

δU.норм = ±5 %, δU.пред= ±10 %.

Несинусоидальность напряжения появляется потому, что в кривой напряжения, помимо гармоники основной частоты U1 = Uном, имеют место гармони-

253

ки Un других высших частот, кратных основной частоте (n = 2, 3, 4, ... n). Гармоники Un определяются разложением кривой фактического напряжения в ряд Фурье.

Причиной возникновения несинусоидальности напряжения является наличие потребителей электроэнергии с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Основной вклад в несинусоидальность напряжения вносят тиристорные преобразователи электрической энергии, получившие широкое распространение в промышленности.

Несинусоидальность напряжения характеризуется показателями:

-коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

-коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU, %, яв-

ляется отношением суммарного действующего значения всех высших гармоник к действующему значению напряжения основной гармоники, причем n ≥ 2:

KU = ∑Un2 100.

Uном

При определении коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения допускается не учитывать гармонические составляющие порядка п > 40 или действующее значение которых менее 0,3 % от U1.

Коэффициент п-й гармонической составляющей КUn, %, является отношением действующего значения напряжения n-й гармоники Un к действующему значению напряжения первой гармоники:

КUn = Un 100 .

Uном

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями приведе-

ны в табл. 3.6.15.

Нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями приведены в табл. 3.6.16.

Предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле

КUn пред =1,5 КUn норм,

254

где КUn норм − нормально допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения, определяемое по табл. 3.6.16.

Т а б л и ц а 3.6.15

Несимметрия трехфазной системы напряжений появляется при наличии в трехфазной электрической сети напряжений обратной и нулевой последовательностей, значительно меньших по величине соответствующих составляющих напряжения прямой (основной) последовательности.

П р и м е ч а н и я. 1. Номер гармонической составляющей напряжения: a - нечетные гармоники, не кратные 3; b - нечетные, кратные 3; c - четные.

2.Нормально допустимые значения, приведенные для n, равных 3 и 9, относятся

коднофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице.

255

Основной причиной возникновения несимметрии напряжения являются потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам. К ним относятся: однофазные потребители, включаемые на фазное либо междуфазное напряжения; трехфазные потребители с несимметричным потреблением мощности по фазам (в частности, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки). Причиной несимметрии напряжений может быть также несимметрия сопротивлений сети по фазам.

Несимметрия трехфазной системы напряжений характеризуется коэффициентами несимметрии обратной последовательности Кщ, %, и нулевой последовательности Кои, %, которые представляют собой отношение действующего значения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностям к действующему значению напряжения прямой последовательности (к номинальному напряжению):

где U2 и U0 − действующие значения напряжения соответственно обратной и нулевой последовательностей основной частоты трехфазной системы напряжений.

Допустимые значения этих показателей следующие:

-нормальные К2Uнорм = К0Uнорм = 2 %;

-предельные К2Uпред = К0Uпред = 4 %.

3. Описание лабораторной модели

Физическая модель электроустановки, в которой будут измеряться ПКЭ, набирается блоками на универсальном лабораторном стенде.

Для выполнения данной лабораторной работы используются блоки, указанные в табл. 3.6.17.