Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
4. Основные элементы систем электроснабжения 4.1. Воздушные и кабельные линии Воздушные линии При транспортировке электроэнергии на расстояния в сотни и тысячи километров использование воздушных линий электропередачи является единственным возможным решением. К таким линиям предъявляются требования не только по энергоэффективности, но и по безопасности для людей и животных. Территория по обе стороны ЛЭП считается охранной зоной. По роду транспортируемого тока ЛЭП делятся на линии постоянного и переменного тока. По назначению различают ЛЭП четырех типов. Сверхдальние связывают региональные электроэнергетические системы, их напряжение 500 кВ и выше. Магистральные транспортируют электроэнергию внутри объединенных энергосистем, напряжение в них 220 или 330 кВ. Распределительные воздушные линии напряжением от 35 до 150 кВ снабжают электроэнергией предприятия и населенные пункты. Линии 20 кВ и ниже доставляют электроэнергию потребителям. По напряжению ЛЭП делятся на низковольтные – до 1000 В и высоковольтные. Высоковольтные делятся еще на три класса: среднего напряжения от 1 до 35 кВ, высокого напряжения – от 110 до 220 кВ и сверхвысокого – от 330 кВ и выше. Верхний предел напряжения до недавнего времени был 750 кВ, но уже сейчас есть линии 1150 кВ, а в ближайшем будущем будут введены в эксплуатацию ЛЭП напряжением 1,5 МВ. 167 Для транспортировки электроэнергии в большинстве современных ЛЭП используется переменный ток. Это определяется двумя основными причинами. Во-первых, все генераторы электростанций вырабатывают переменный ток, а во-вторых, трансформаторы тоже работают исключительно на переменном токе. Необходимость повышения напряжения для передачи по ЛЭП обусловлена тем, что при этом, согласно закону Ома, уменьшается ток, что, в свою очередь, уменьшает потери и позволяет использовать провода меньшего сечения. Однако увеличивать напряжение до бесконечности тоже нельзя, потому что воздух вокруг проводников начинает ионизироваться, вплоть до возникновения коронного разряда. В сырую погоду это может привести к пробою воздушных промежутков. Кроме того, для высоковольтных ЛЭП требуется увеличивать высоту опор, расстояние между проводами, охранную зону. В целом высоковольтная линия стоит значительно дороже. Основным типом провода в воздушных ЛЭП является АС – голый алюминиевый провод со стальным сердечником. Изолированные провода типа СИП применяются ограниченно и лишь на низковольтных участках. Необходимое сечение провода выбирается в соответствии с требуемой пропускной способностью. Опоры для ЛЭП изготавливают из металла, бетона и дерева. Металлические обладают наилучшими эксплуатационными характеристиками, но являются металлоемкими и дорогостоящими. Они применяются в основном для строительства магистральных и особо важных ЛЭП. Конструктивно опоры представляют собой различные объемные сварные конструкции из стального профиля, основные варианты которых показаны на рис. 111. 168 Рис. 111. Металлические опоры ЛЭП В зависимости от своего назначения опоры делятся на концевые, промежуточные, анкерные, угловые и специальные. Около 80 % составляют промежуточные опоры. Они самые простые, провода на них не закреплены жестко, а проскальзывают при обрыве. Анкерные опоры отличаются от промежуточных жестким креплением проводов, то есть они способны в аварийном режиме выдерживать продольное усилие в случае обрыва провода. Анкерные опоры устанавливают среди промежуточных через 3–5 км. Концевые опоры конструктивно похожи на анкерные, но в них приняты дополнительные меры по усилению устойчивости в продольном направлении. Назначение угловых опор понятно из их названия. Если угол поворота не превышает 20 градусов, они представляют собой усиленные промежуточные, а при больших углах – анкерные. Специальные опоры устанавливают на берегах рек, краях ущелий и в других подобных местах. Их изготавливают по специальным проектам. 169 Рис. 112. Железобетонные опоры ЛЭП Опоры из железобетона, показанные на рис. 112, пригодны для ЛЭП напряжением до 500 кВ. По своему назначению и месту в линии они подразделяются на те же типы, что и металлические. Конструктивно железобетонные опоры представляют собой разнообразные конструкции из армированных бетонных столбов: портальные с оттяжками или внутренними связями, одностоечные и многостоечные. Даже самые простые железобетонные опоры, в обиходе называемые столбами, являются высокотехнологичными изделиями. Их арматура в процессе производства нагревается током, а после натяжения и остывания заливается бетоном, который подвергается виброуплотнению и центрифугированию. В результате получается прочная и долговечная конструкция, служащая десятилетиями. Железобетонные опоры обязательно содержат металлические элементы, аналогичные применяющимся в чисто металлических конструкциях. Для подвеса проводов используются такие же изоляторы и другие изделия. По сравнению с металлическими, железобетонные опоры дешевле и не требуют антикоррозионной обработки. 170 Рис. 113. Деревянные опоры ЛЭП Деревянные опоры, изображенные на рис. 113, являются самыми дешевыми и распространенными, особенно в низковольтных ЛЭП. Такая опора обычно представляет собой конструкцию различной конфигурации – от одиночного столба до более сложных форм. Для их изготовления используется древесина хвойных пород – сосна, ель или лиственница. ГОСТом установлены размеры бревен и правила их подготовки. В обязательном порядке должна быть удалена кора. Деревянные опоры могут транспортироваться и устанавливаться без применения специальной техники. Если деревянную опору установить непосредственно в землю, она прослужит не более пяти лет. Для защиты от гниения применяют бандажи из водонепроницаемого материала и специальные пропитки. Кроме того, часто деревянный столб комбинируют с так называемым пасынком из железобетона. Изготовленная с соблюдением всех правил опора служит около 50 лет. Для пропитки используют антисептики на водной и масляной основе. Наилучшими свойствами обладает креозот, но он имеет некоторую токсичность и выраженный неприятный запах. Современные пропитки 171 свободны от таких недостатков. Процесс пропитки происходит на специальном оборудовании под давлением. Для объединения региональных электроэнергетических систем в единую энергетическую систему России, а также для передачи значительных объемов электроэнергии за границу применяются ЛЭП сверхвысокого напряжения – от 330 до 1150 кВ. Их функционирование и конструкция имеют некоторые особенности. Как правило, пропускная способность таких линий весьма велика и сечение используемых проводов находится в пределах от 1000 до 4000 мм 2 Транспортировка и монтаж настолько толстых проводов связаны с большими технологическими трудностями. Но это лишь одна сторона проблемы. Другая состоит в том, что при высоких напряжениях и токах на ЛЭП возникает коронный разряд, что влечет за собой дополнительные потери, а в сырую погоду может привести к электрическому пробою. Для защиты от описанных нежелательных эффектов применяют расщепление фазы, то есть вместо одного толстого провода используют несколько более тонких, равномерно удаленных друг от друга с помощью распорок. Количество проводов зависит от напряжения и может быть от 2 до 8. На рис. 114 показано трехпроводное расщепление фазы. Рис. 114. Расщепление фазы 172 Расщепление фазы целесообразно и с точки зрения поверхностного эффекта, так как группа тонких проводов обладает большей поверхностью, чем один толстый и, следовательно, меньшими потерями. Рис. 115. Схема ЛЭП постоянного тока: Г – генератор электростанции; Тр1 – повышающий трансформатор; В – выпрямитель; И – инвертор; Тр2 – понижающий трансформатор; Н – нагрузка На рис. 115 приведена схема ЛЭП постоянного тока. Отличие от ЛЭП переменного тока состоит лишь в двух устройствах – выпрямителе и инверторе. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, а инвертор выполняет обратное преобразование. В теории все просто, зато практическая реализация такой ЛЭП связана с серьезными техническими проблемами и требует больших затрат. Особенно сложным устройством является инвертор. Ранее мы выяснили, что при передаче переменного тока потери, кроме собственного сопротивления провода, возникают еще по трем причинам: из- за поверхностного эффекта, эффекта близости и коронного разряда. Оба эффекта при передаче постоянного тока отсутствуют, а коронный разряд может иметь место, но бороться с ним проще. Во-первых, постоянное напряжение составляет лишь около 70 % амплитудного переменного, а во- вторых, при меньшем числе проводов расщепление менее затратно и трудоемко. Для передачи постоянного тока требуется два провода, но на практике нашли применение однопроводная и трехпроводная схемы. В однопроводной ЛЭП постоянного тока Н Тр 2 И B Тр 1 Г 173 вторым проводом является земля или вода. При этом возникают нежелательные эффекты: усиленная коррозия размещенных в земле трубопроводов и иных металлических конструкций, выделение хлора из морской воды, вредное влияние на рыбные ресурсы, магнитное влияние на компасы судов. Обычно однопроводная схема является временной. Трехпроводные схемы специально не строят, а лишь рационально используют существующие ЛЭП переменного тока. Третий провод может частично разгружать остальные два, а также является резервным на случай аварии. Так как для передачи постоянного тока достаточно двух проводов, затраты на строительство ЛЭП постоянного тока существенно меньше. При этом нужно иметь в виду и удешевление опор в связи с уменьшением массы их металлических частей и количества изоляторов. Другим важным преимуществом является простота сопряжения различных энергосистем, так как системы переменного тока различаются по фазе. Отсутствие характерных для ЛЭП переменного тока эффектов способствует повышению устойчивости работы ЛЭП и, следовательно, позволяет передавать большие объемы электроэнергии. Из-за меньших потерь в проводах при передаче постоянного тока на большие расстояния достигается заметная экономия. Считается, что если длина ЛЭП превышает 1200 км, то эта экономия компенсирует затраты на дорогостоящие выпрямители и инверторы. ЛЭП постоянного тока сравнительно легко позволяют при необходимости использовать вставки из подводных и подземных кабелей. В таких кабелях имеет место значительная электромагнитная связь между жилами, что приводит к потерям при передаче переменного тока. Для постоянного тока эта связь не создает никаких проблем. Есть у ЛЭП постоянного тока и недостатки. Поскольку переменный ток, полученный из постоянного, должен удовлетворять всем требованиям, то есть быть почти идеально синусоидальным, требуется разрабатывать 174 оборудование индивидуально для каждой линии. Это не только сложно, но и дорого. Считается, что на расстояния до 800 км экономически целесообразно использовать ЛЭП переменного тока. Другая сложная проблема связана с особенностями коммутации постоянного тока, потому что он не переходит через ноль и возникающую при размыкании контактов дугу намного сложнее погасить. По этой причине требуются более сложные и дорогие коммутирующие элементы. Кабельные линии Кабельные ЛЭП предназначены для транспортировки электроэнергии в условиях, когда строительство воздушных линий невозможно или экономически нецелесообразно. Самый свежий пример – энергомост через Керченский пролив в Крыму. В кабельных линиях напряжение может быть от 0,4 до 750 кВ. Правила построения линий напряжением до 220 кВ включительно регламентированы ПУЭ (Правила устройства электроустановок), а для линий выше 220 кВ разрабатываются индивидуальные проекты. Общими правилами считаются следующие. Кабели прокладывают в специальных коробах или непосредственно в земле. В последнем случае принимают меры для защиты от случайных повреждений, например, укладывают поверх кабелей бетонные блоки или кирпич. Укладка выполняется на установленных ПУЭ расстояниях с некоторой слабиной, чтобы при температурных перепадах не возникало механических напряжений. Подводные кабели укладывают специальные суда, при этом заглубляют их в донный грунт не менее чем на 2 м. Если применяются маслонаполненные или газонаполненные кабели, то в состав ЛЭП входит соответствующее оборудование. На рис. 116 показаны кабели, уложенные в коробе и тоннеле. 175 Рис. 116. Прокладка кабелей в коробе и тоннеле Для соединения кусков кабеля между собой применяются соединительные муфты, для подключения трансформаторов и других устройств – концевые, а для отводов – ответвительные. Конструкция муфт предусматривает заполнение их специальным компаундом. В населенных пунктах прокладка кабелей должна учитывать наличие различных объектов инфраструктуры: других кабельных линий, автомобильных и железных дорог, трубопроводов, дренажных устройств. Часто в городах имеется разветвленная сеть туннелей, в которых проходят трубы канализации и водоснабжения. В этом случае задача прокладки кабелей существенно упрощается. Она сводится к соблюдению действующих правил, устанавливающих нормы взаимного удаления кабелей и удаления их от других видов коммуникаций. В туннелях допускается использование небронированных кабелей. Они прокладываются на специальных подвесах или в коробах. Но на участках, где возможно поступление воды, применяют бронированные кабели или укладку небронированных в металлических трубах. Если туннелей нет, то применяют бронированные кабели, уложенные на взаимном удалении от 10 до 25 см в траншее глубиной не менее 0,7 м. На пересечении с дорогами глубина увеличивается до 1 м и более. В одной траншее должно быть не более 6 кабелей. 176 Промежуточным вариантом между туннелем и прокладкой в земле являются бетонные короба, накрываемые по окончании укладки кабеля съемными бетонными плитами и засыпаемые землей. В них можно укладывать от 6 до 20 кабелей. Контактные сети электротранспорта Элементы электроэнергетических сетей в наше время стали уже привычным элементом ландшафта городов и сел. Невозможно представить населенный пункт, в котором бы не было электрических проводов, опор, трансформаторных подстанций и других электротехнических сооружений. Другим, почти столь же привычным зрелищем на территории страны является контактная сеть железной дороги и городского электротранспорта. Это очень важный элемент государственной электроэнергетической системы, и его стоит рассмотреть боле подробно. За исключением метро, все виды магистрального и городского электротранспорта получают электропитание от воздушной контактной сети. При этом может использоваться как постоянный, так и переменный ток. Одним из проводников контактной сети рельсового транспорта служат сами рельсы. Этот технический нюанс имеет ряд особенностей. При питании переменным током стальные проводники в значительной степени подвержены поверхностному эффекту. Это объясняется тем, что железо является ферромагнетиком, то есть характеризуется большой относительной магнитной проницаемостью (µ > 200 по сравнению с цветными металлами, для которых µ = 1). Из-за этого реально проводит ток только внешний слой рельсов, что обусловливает довольно существенное сопротивление. При использовании постоянного тока возникает опасность гальванического эффекта, то есть переноса ионов металла с анода на катод. По этой причине анодом всегда делают сеть, а катодом – рельсы. Если бы было наоборот, то расположенные поблизости металлические конструкции, например трубопроводы, подверглись бы усиленной коррозии. 177 До сравнительно недавнего времени коллекторным двигателям в качестве источников механической энергии для электротранспорта не было альтернативы, поскольку требовалось плавное регулирование скорости движения. Появившиеся в наше время вентильные двигатели и частотные приводы с асинхронными двигателями имеют большие перспективы, но пока только начинают внедряться. Коллекторные двигатели, в принципе, могут работать от постоянного и переменного тока, однако с ростом мощности переменный ток начинает создавать проблемы в обмотках индуктора. Это происходит из-за того, что их сердечники постоянно перемагничиваются, и поэтому часть энергии тратится на их нагрев. Также усложняется коммутация. На постоянном токе этого не происходит, однако имеются технологические причины ограничения максимального напряжения. Первые в СССР электровозы имели двигатель с рабочим напряжением 1500 В. При этом для обеспечения необходимой мощности приходилось использовать достаточно толстые провода, что сложно и дорого. Изготовление электродвигателей на 3000 В и даже 6000 В после ряда исследований сочли бесперспективным. В настоящее время используется пара последовательно включенных двигателей с рабочим напряжением 1500 В каждый, то есть 3000 В вместе. Изготовление более мощных высоковольтных двигателей проблематично по следующей причине. Для электрических машин существует понятие габаритной мощности. Это означает, что мощность электродвигателей, трансформаторов и других подобных устройств предполагает необходимое количество железа в магнитопроводах и меди или алюминия в обмотках. Иными словами, двигатель получается больших габаритов. Кроме того, повышение напряжения требует применения высоковольтной изоляции, что тоже ведет к увеличению габаритов. Если выполнить эти требования, то электродвигатель просто не поместится в электровоз. 178 При питании постоянным током при напряжении 3000 В ток в контактной сети составляет несколько тысяч ампер. Это определяет необходимость применения проводов большого сечения, иногда двух, а также усложняет токосъем. В целом такой способ питания железнодорожного транспорта очень сложен, дорог и используется ограниченно. За рубежом пытались применять в качестве тяговых коллекторные двигатели переменного тока пониженной частоты. В них нежелательные эффекты, о которых было сказано выше, проявляются в меньшей степени. Так, например, в Германии и Швейцарии раньше использовалась частота 16,33 Гц и напряжение 15 кВ, а в США – 25 Гц и 11 кВ. То есть имела место попытка найти компромисс, позволяющий совместить использование коллекторного двигателя и питание непосредственно от трансформатора. В настоящее время проблема устранения выпрямителя из электровоза не стоит так остро, как в прежние времена, когда не было полупроводниковых вентилей. Действующая в настоящее время контактная сеть магистрального электротранспорта работает на переменном токе частотой 50 Гц при среднем напряжении 25 кВ. Трансформатор и выпрямитель размещаются на самом электровозе. Тяговые подстанции преобразуют напряжение 220 кВ в 27,5 кВ, которое из-за потерь в рельсах и проводе контактной сети несколько снижается. Расстояние между подстанциями составляет 40–60 км. В малонаселенных районах используется система «2 х 25 кВ». В ней по специальному проводу, расположенному также на опорах контактной сети, подается напряжение 50 кВ. В требуемых местах располагаются автотрансформаторы, подключенные основной обмоткой к контактной сети и питающему проводу, а средней точкой – к рельсам. Это позволяет располагать тяговые подстанции реже. Контактные провода изготавливаются из меди и имеют специальный профиль, по которому скользит токоприемник. Система подвески достаточно 179 сложна, она обеспечивает минимальное провисание провода и его стабильное положение при ветровых нагрузках. Городской электротранспорт питается постоянным током. Напряжение в метрополитене составляет 825 В, а в троллейбусах и трамваях – 600 В. В метро, кроме обычных рельсов, применяется специальный контактный. Он может располагаться на шпалах, сбоку от основных, на изоляторах или на стенке туннеля. В последнем случае он защищается сверху и сбоку изолирующей накладкой, а токосъем осуществляется снизу специальным скользящим башмаком. Схемы замещения воздушных и кабельных линий Каждый провод линии электропередачи обладает сопротивлением постоянному и переменному току, которое имеет комплексный характер: 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋, (13) где R и X – его активная и реактивная составляющие. Во избежание путаницы для характеристики утечки энергии за счет емкости между проводом и землей вместо сопротивления будем использовать проводимость, которая тоже является комплексной: 𝑌 = 𝐺 + 𝑗𝐵, (14) где G и B – ее активная и реактивная компоненты. Эти сопротивление и проводимость рассчитывают на единицу длины ЛЭП, обычно на 1 км, а по этой величине – погонному параметру уже определяют параметры всей линии или ее фрагмента. В электротехнических расчетах чаще всего используют П-образную эквивалентную схему, изображенную на рис. 117. 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 180 Рис. 117. П-образная схема замещения ЛЭП Показанная на схеме проводимость Y, как и сопротивление, имеет комплексный характер, то есть включает активную составляющую g и емкостную b. Для определения активного погонного сопротивления Rо, которое измеряется в Ом/км, нужно разделить удельное сопротивление ρ [Ом·мм 2 /км] на сечение провода F [мм 2 ]: 𝑅 𝑜 = ρ 𝐹 . (15) Значения ρ берется из справочников. В частности, для алюминиевого провода ρ = 29,5 – 31,5 Ом·мм 2 /км, а для меди ρ = 18 – 19 Ом·мм 2 /км. Некоторый разброс объясняется различными марками металлов. Приведенная формула справедлива для температуры 20 о С. При другой температуре необходимо сделать поправку: 𝑅 𝑡 = 𝑅 20 ⌊1 + 𝛼(𝑡 − 20)⌋, (16) где α – температурный коэффициент, R 20 – сопротивление при 20 о С. Погонное индуктивное сопротивление линии X o зависит от среднего расстояния между проводниками D, радиуса проводника r и относительной магнитной проницаемости µ (справочная величина). Для его расчета с приемлемой для практики точностью можно воспользоваться эмпирической формулой 𝑋 𝑜 = 0,144 𝑙𝑔 𝐷 𝑟 + 0,016µ . (17) Y/2 Y/2 181 Относительную магнитную проницаемость µ необходимо учитывать в кабелях, а в воздухе, как в вакууме, µ = 1. При этом нужно иметь в виду, что среднее расстояние между фазными проводами и их радиус должны иметь одинаковую размерность. Среднее расстояние рассчитывается как среднее геометрическое: 𝐷 = √𝐷 𝐴𝐵 · 𝐷 𝐵𝐶 · 𝐷 𝐴𝐶 3 . (18) Если провода многопроволочные, то их радиус, в отсутствие справочных данных, можно рассчитать по сумме сечений образующих проводников, добавив 15–20 % на скрутку. Погонная емкостная проводимость измеряется в См/км и рассчитывается по общей эмпирической формуле для воздушных и кабельных линий: 𝑏 𝑜 = 7,58 ·10 −6 𝑙𝑔(𝐷 𝑟 ⁄ ) . (19) Эта проводимость определяет утечку токов, которые называют емкостными или зарядными токами и вычисляют по формуле 𝐼 𝑐 = 𝑈·𝑏 𝑜 √3 . (20) Тогда обусловленная этими токами зарядная мощность трехфазной ЛЭП составит 𝑄 𝑐 = 𝐼 2 · 𝑏 𝑜 . (21) Для расчета погонной активной проводимости g можно воспользоваться известной формулой для шунта 𝑔 𝑜 = △𝑃 ф ·10 −3 𝑈 ном 2 , (22) где U ном – номинальное напряжение в киловольтах. В кабельных линиях утечка энергии происходит главным образом через изоляцию жил вследствие эффекта близости. Ток утечки, кроме очевидной зависимости от напряжения, также зависит от свойств применяемого диэлектрика. Эти свойства выражаются тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ. Он указан в документации завода-изготовителя. 182 Погонная активная проводимость кабеля длиной L при этом определяется выражением 𝑔 𝑜 = 𝑏 𝑜 · 𝑡𝑔𝛿, (23) а ток утечки – формулой 𝐼 у = 𝑈 ф · 𝐿 · 𝑏 𝑜 · 𝑡𝑔𝛿. (24) Так как проводимость всего кабеля 𝐵 = 𝑏 𝑜 · 𝐿, (25) то можно записать 𝐼 у = 𝑈𝐵𝑡𝑔𝛿 √3 = 𝑈𝐺 √3 . (26) Мощность диэлектрических потерь в изоляции кабеля составит △ 𝑃 из = 3𝐼 у 2 ɷс𝑡𝑔𝛿 = 𝑈 2 𝐺 = 𝑞 𝑜 𝐿 𝑡𝑔𝛿. (27) В воздушных ЛЭП с расщеплением фазы на n одинаковых проводов радиусом r, удаленных от друг друга на расстояние а (как правило, 40–60 см), погонное активное сопротивление 𝑅 𝑜 ∗ уменьшится в nраз: 𝑅 𝑜 ∗ = 𝑅 𝑜 𝑛 ⁄ . (28) При этом радиус проводника увеличится и составит 𝑟 экв = √𝑟 · 𝑎 𝑛−1 𝑛 . (29) Формула для активного сопротивления линии с расщепленной фазой примет вид 𝑋 𝑜 = 0,144 𝑙𝑔 𝐷 ср 𝑟 экв + 0,016µ 𝑛 , (30) где среднее расстояние между проводниками расщепленной фазы считается аналогичным среднему расстоянию между фазными проводами ЛЭП. Из-за увеличения числа проводов емкость воздушной ЛЭП относительно земли возрастет. При этом возрастет, соответственно, емкостная проводимость, которую можно будет определить по формуле 𝑏 𝑜 = 7,58·10 −6 lg 𝐷 ср 𝑟 экв ⁄ . (31) |