§ 15. Передача электрической энергии по проводам
Потеря напряжения в проводах линии. Передача электрической энергии от источника I (рис. 33) к приемнику 2 происходит по проводам, образующим электрическую линию. При передаче энергии возникает потеря напряжения в проводах линии
?Uл = IRл (36)
где Rл, — сопротивление проводов линии. В результате этого напряжение U2 в конце электрической линии оказывается меньше напряжения U1 в начале линии. Потеря напряжения в проводах линии ?Uл не является постоянной величиной, она колеблется в зависимости от силы тока нагрузки от нуля (при I = 0) до наибольшего значения (при максимальной нагрузке). Кроме того, она зависит от сопротивления Rл проводов линии,
Рис.
33. Схема передачи электрической энергии
от источника к приемнику
т. е. от их удельной проводимости ?, площади поперечного сечения s и длины линии lл.
На электрифицированных железных дорогах одним из проводов, соединяющих источник питания — тяговую подстанцию с потребителем — электровозом, является контактный провод, а другим — рельсы. Поэтому под потерей напряжения в проводах ?Uл этом случае понимается суммарная потеря напряжения в контактной сети и рельсах. Потеря напряжения в линии увеличивается по мере удаления электровоза от тяговой подстанции, в соответствии с этим уменьшается и напряжение на его токоприемнике.
Потери мощности в линии и ее к. п. д. При прохождении по линии тока I часть мощности Р1, поступающей от источника, теряется в линии вызывая нагрев проводов, эти потери мощности
?Pл = I2Rл = I?Uл (37)
Следовательно, приемник электрической энергии включенный на конце линии, будет получать меньшую мощность
P2 = P1 – ?Pл (38)
При увеличении тока I возрастают потери мощности в проводах линии ?Pл и уменьшаются к.п.д. линии и напряжение U2, подаваемое на нагрузку.
Практически электрическую энергию передают по проводам при ? = 0,9- 0,95, при этом сопротивление проводов линии составляет 5—10 % сопротивления нагрузки и потери энергии в них не превышают 5—10 % передаваемой мощности. Рассмотрим теперь, как зависят потери мощности в линии и ее к. п. д. от напряжения U2, при котором осуществляется передача электроэнергии. Потери мощности в проводах линии
?Pл = I2Rл = P22/U22 * 2?lл/sл (39)
Следовательно, чем больше передаваемая мощность Р2 и расстояние lл, на которое она передается, тем больше потери мощности и энергии в проводах; чем больше площадь сечения проводов Sл и напряжение U2 в линии передачи, тем меньше эти потери, поэтому выгоднее передавать электрическую энергию при более высоких напряжениях. Принципы расчета проводов. Для правильной работы приемников электрической энергии весьма важно, чтобы подаваемое к ним напряжение поддерживалось по возможности постоянным и было равно их номинальному напряжению. Понижение напряжения вызывает существенное ослабление накала электрических ламп и ухудшение режима работы электродвигателей, а увеличение по сравнению с номинальным — сокращение срока службы ламп и электрических машин. Электрические провода обычно рассчитывают по допустимой потере напряжения. Потеря напряжения в проводах допускается небольшой по сравнению с напряжением сети для экономии электрической энергии и обеспечения малого колебания напряжения на приемниках. В электрических сетях различного назначения допустимые потери напряжения составляют примерно 2—6 %. Исходя из этих условий и проводят расчет электрических проводов, т. е. подбор площади Sл их поперечного сечения. Ее выбирают такой, чтобы при максимальной нагрузке потери напряжения на участке от источника питания до самого удаленного приемника не превышали 2—6 % номинального напряжения. При электрической тяге выбор площади сечения контактных проводов также производят из условия, чтобы на токоприемнике электровоза действовало напряжение U2, достаточное для нормальной работы электрических машин локомотива.
Относительная потеря напряжения в линии, %,
?=(?Uл/U2) 100 %.
Заменяя в этой формуле ?Uл = IRл = I2?lл/Sл и I = P2/U2, получим, что поперечное сечение проводов линии
Sл = (200?/?) (P2iл/U22) (39′)
Из формулы (39′) следует:
1) чем больше передаваемая мощность и чем на большее расстояние она передается, тем больше должно быть поперечное сечение проводов линии;
2) увеличение напряжения в линии позволяет в значительной степени уменьшить сечение проводов линии и снизить потери мощности в ней.
При передаче электрической энергии на дальнее расстояние широко используются выгоды, которые дает повышение напряжения. Чем большую мощность требуется передать и чем больше расстояние, на которое она передается, тем более высокое напряжение применяют в линиях электропередачи. Например, при передаче энергии от мощных электростанций (Куйбышевской, Волгоградской и др.) на расстояние 800—1000 км используют напряжение 500—750 кВ; при передаче энергии на расстояние 100—200 км— 110—220 кВ; при передаче сравнительно небольшого количества энергии на расстояние нескольких километров или десятков километров— 35 кВ. В электрических установках небольшой мощности при расположении электрических приемников вблизи от источников питания применяют напряжения 110, 220, 440 В (при постоянном токе) и 127, 220, 380, 660 В (при переменном токе).
При электрической тяге, чем больше напряжение в контактном проводе, тем меньшую площадь сечения он будет иметь и тем на большем расстоянии могут быть расположены источники питания контактной сети (тяговые подстанции). Например, для снабжения электрической энергией трамвая, двигатели которого имеют сравнительно небольшую мощность, а контактная сеть — небольшую протяженность, используют напряжение 600 В, а на магистральных железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе (где эксплуатируются мощные локомотивы),— 3300 В. Электрификация железных дорог на переменном токе дает возможность поднять напряжение в контактной сети до 27500 В что позволяет значительно уменьшить площадь сечения проводов контактной сети и увеличить расстояние между тяговыми подстанциями по сравнению с дорогами постоянного тока. В последнее время ведутся работы по дальнейшему повышению напряжения в контактной сети на дорогах переменного тока до 2*25 кВ.