Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
Пример расчета параметров воздушной линии Задание: необходимо составить схему замещения ЛЭП со следующими характеристиками: 1. Число фаз – 3, размещение по сторонам равностороннего треугольника на расстоянии 1 м. 2. Напряжение – 10 кВ. 3. Провод АС 50/8. 4. Длина линии – 20 км. Решение За основу возьмем традиционную П-образную схему, показанную на рис. 117. Продольное сопротивление линии и зарядная проводимость могут значительно отличаться, и одной из этих величин в таком случае можно будет пренебречь. Однако мы пока этого не знаем и рассчитаем комплексное сопротивление линии и ее зарядную проводимость. Для вычисления активного погонного сопротивления линии воспользуемся выражением (15). Значение ρ примем равным 30 Ом·мм 2 /км. Тогда 𝑅 𝑜 = ρ/F = 30/50 = 0,6 Ом·мм 2 /км. Для вычисления индуктивного сопротивления линии нужно знать среднее расстояние между проводами и эквивалентный радиус провода. В нашем случае среднее расстояние равно 1 м. Эквивалентный радиус сталеалюминиевого провода с учетом поправки 15 % на скрутку рассчитывается по формуле 𝑟 = 1,15√ 𝐹 алюм +𝐹 ст 𝜋 . (32) Для АС-50/8: r = 1,15√ 50+8 𝜋 = 4,94 мм. 184 Максимальную температуру в нашей местности примем равной 40 о С. Так как при этом активное сопротивление увеличивается, именно это значение и будем использовать в расчетах. Для сталеалюминиевых проводов α = 0,00403. Подставив это значение в выражение (16), получим 𝑅 40 = 𝑅 20 ⌊1 + 0,00403(40 − 20)⌋ = 0,64836 (Ом·мм 2 )/км. С учетом полученных ранее значений среднего расстояния между проводами и их эквивалентного радиуса воспользуемся формулой (17) для расчета погонного индуктивного сопротивления: 𝑋 𝑜 = 0,144 𝑙𝑔 1000 4,94 + 0,016 µ = 0,204064 Ом/км. Сопоставим значения реактивной и активной составляющих сопротивления: 𝑋 𝑜 𝑅 𝑜 = 0,204064 0,64836 = 0,315 = 31,5 %. Так как оба сопротивления соизмеримы, то в схеме замещения должны также учитываться оба. Для тех же значений D и r рассчитаем погонную проводимость по формуле (19): 𝑏 𝑜 = 7,58 · 10 −6 lg1000 4,94 ⁄ = 5,8039816 · 10 -6 См/км. При этом зарядные токи согласно (20) составят 𝐼 𝑐 = 10 4 · 5,8 · 10 −6 √3 = 0,0335 А. Так как для воздушных линий активная проводимость равна нулю, то утечка будет характеризоваться только зарядной составляющей. Для линии длиной 20 км комплексное сопротивление составит Z = 129672 + j4,08128. Учитывая ничтожное значение тока утечки, схему замещения можно представить только продольными составляющими. Защита электроосетей от замыканий и перегрузок 185 Чтобы избежать повреждения проводки и другого оборудования, в электрических цепях принимают различные меры защиты от замыканий и перегрузок. Самой простой из таких мер является придуманное еще Эдисоном последовательное включение плавкого предохранителя. Являясь заведомо самым слабым звеном в электрической цепи, предохранитель перегорает в первую очередь, сохраняя в целости остальное оборудование. На рис. 118 показан внешний вид наиболее распространенных типов предохранителей. Рис. 118. Плавкие предохранители Несмотря на разнообразие форм, устроены они одинаково. Внутри корпуса с контактами находится специальный проводник, который при превышении током некоторого порогового значения расплавляется и разрывает цепь. В бытовой аппаратуре применяются малогабаритные стеклянные или керамические предохранители без заполнения корпуса. В высоковольтных предохранителях внутри содержится чистый песок. Он нужен для гашения электрической дуги. Выбор предохранителя зависит от типа защищаемого оборудования. Например, электронагреватели потребляют неизменный ток при включении и в процессе работы. Для них допустимый ток плавкой вставки должен быть с некоторым запасом больше рабочего тока. При этом необходимо учитывать, что в процессе старения предохранители меняют свои параметры в сторону уменьшения допустимого тока. 186 Асинхронные двигатели в режиме пуска потребляют ток, превышающий номинальный рабочий в 5–7 раз. Это должно быть учтено при выборе предохранителя. При этом необходимо сделать поправку на сечение проводов, которые должны выдерживать кратковременную перегрузку. Заметим, что двигатели с фазным ротором обладают значительно меньшей кратностью перегрузки по пусковому току. Автоматические выключатели применяются практически на всех уровнях электроснабжения – от квартир до заводов. Они защищают элементы цепи от двух видов аварийных ситуаций – от перегрузки и короткого замыкания. Выпускаются в трехфазном и однофазном исполнении. Их внешний вид и внутреннее устройство показаны на рис. 119. Рис. 119. Автоматический выключатель В отличие от плавких предохранителей, автоматические выключатели являются многоразовыми устройствами защиты. После аварийного срабатывания достаточно поднять флажок на корпусе вверх, и подача электроэнергии восстановится. Подпружиненный контакт находится во взведенном состоянии и может быть разомкнут при срабатывании одного из двух расцепителей – электромагнитного и теплового. Электромагнитный представляет собой катушку с сердечником, который втягивается, если протекающий по обмотке 187 ток больше некоторого предельного значения. Тепловым служит биметаллическая пластина, которая при нагреве изгибается и разблокирует пружинный контакт. При выборе автоматического выключателя учитываются мощность потребителей и ток короткого замыкания. По мощности определяют рабочий ток, не забывая при наличии реактивностей вносить поправку на коэффициент мощности. В большинстве случаев реальный рабочий ток указывается на корпусе электроприемника или в его паспорте. Часто при выборе автоматического выключателя руководствуются специальными таблицами, которые легко найти в интернете. В качестве примера ниже приводится одна из таких таблиц (табл. 6). Таблица 6 Выбор автоматического выключателя Номинальный ток автоматического выключателя, А Мощность нагрузки, кВт Ток фазы при 220 В Сечение жил, мм 16 0 – 7,9 0 – 15 1,5 25 8,3 – 12,7 15,8 – 24,1 2,5 40 16,7 – 20,3 31,8 – 38,6 6 100 40,7 – 50,3 77,4 – 95,6 35 250 103,1 – 127,9 196,0 – 243,2 120 500 207,5 – 259,1 394,5 – 492,7 2 х 120 800 328,1 – 416,1 623,9 – 791,2 3 х 150 Вторым критерием выбора автоматического выключателя является его предельная коммутационная способность, то есть максимальный ток короткого замыкания, который может быть отключен без повреждения 188 самого аппарата. Он указывается на корпусе автоматического выключателя и в его паспорте. Величина тока короткого замыкания рассчитывается по специальным методикам, учитывающим источник электроэнергии и длину линии. Реально значения таких токов могут достигать десятки тысяч ампер, причем они особенно велики вблизи подстанций. Промышленность выпускает автоматические выключатели с тремя значениями предельной коммутационной способности – 4500, 6000 и 10 000 А. Для обеспечения надежной защиты электродвигателей применения одних только автоматических выключателей оказывается недостаточно. Улучшить положение могут тепловые реле – специальные электротехнические изделия, в которых размыкание контакта происходит в соответствии с время-токовой характеристикой и установленным максимальным током. Тепловые реле всегда применяются в схемах с электромагнитным пускателем, потому что их нормально замкнутый контакт включается последовательно в цепь его катушки. Часто реле имеет штыревые контакты, приспособленные для непосредственного соединения с пускателем, как это видно на рис. 120. Рис. 120. Тепловое реле Время-токовая характеристика описывает зависимость времени срабатывания от кратности превышения контролируемым током 189 максимально допустимого, который задается специальной регулировкой, называемой уставкой. Время срабатывания может составлять от нескольких секунд до десятков минут, в зависимости от степени перегрузки. Как было замечено ранее, тепловое реле обязательно используется совместно с магнитным пускателем. Типовая схема приведена на рис. 121, и работает она следующим образом. Рис. 121. Схема включения теплового реле В исходном состоянии напряжения трех фаз A, B, C через тепловое реле (ТР) подаются на контакты магнитного пускателя (МП) и далее на электродвигатель М. В цепь питания катушки пускателя последовательно включены нормально разомкнутые контакты кнопки «Пуск», нормально замкнутые контакты кнопки «Стоп» и контакт теплового реле. Параллельно кнопке «Пуск» подключены блокирующие контакты (БК) пускателя. При кратковременном нажатии кнопки «Пуск» пускатель срабатывает, его блокирующие контакты поддерживают ток в цепи катушки при отпускании кнопки и двигатель включается. Если произошел перегрев и МП ТР C B A Пуск Стоп N МП(БК) 190 контакт пускателя разомкнулся, то происходит то же, что и при нажатии кнопки «Стоп», – разрыв цепи катушки, и двигатель отключается. Многие неисправности электрооборудования происходят из-за отсутствия одной фазы, например вследствие подгорания контакта пускателя или другого коммутирующего элемента. В этом случае трехфазные двигатели остаются в пусковом режиме, когда ток превышает номинальный в 5–7 раз. Тепловое реле может защитить, но часто применяют дополнительное устройство – реле контроля фаз. Первые конструкции такого рода в простейшем случае представляли три реле с катушками на 380 В, которые включались между фазами. Если все фазы были в наличии, то реле срабатывали и создавали цепь питания катушки магнитного пускателя, работу которого мы рассмотрели ранее. Более современные изделия позволяют настроить верхний и нижний пороговые напряжения, контролировать порядок чередования фаз и делать многое другое. Их работа, как правило, контролируется микропроцессором. На рис. 122 показан пример схемы подключения реле контроля фаз. Рис. 122. Подключение реле контроля фаз N A B Реле контроля фаз C Cтоп Пуск МП Потребитель 191 Из схемы видно, что принцип защиты подобен принципу работы теплового реле, лишь с той разницей, что размыкающий цепь катушки пускателя контакт срабатывает при отсутствии трех фаз с заданными параметрами. Устройства защитного отключения – далее УЗО – вошли в наш быт сравнительно недавно. Отечественная промышленность освоила их производство в 1964 году, а массовое внедрение началось лишь в 1988-м. В настоящее время, особенно после выхода 7-го издания Правил устройства электроустановок, применение УЗО стало всеобщей нормой. Работу УЗО рассмотрим на примере однофазного варианта, который иллюстрирует рис. 123. Если электроэнергия в нагрузку поступает по двум исправным проводам, то токи в них равны. Если же имеет место утечка, например, через человека или животное на землю, то это равенство нарушается. Устройство содержит дифференциальный трансформатор, магнитный поток в котором в нормальном режиме равен нулю, а при наличии дифференциального тока отличается от нуля и наводит ЭДС в обмотке, что вызывает срабатывание защиты. Рис. 123. Принцип работы УЗО нагр. L N I N I L 192 Ток утечки, при котором происходит защитное отключение, может быть разным в зависимости от требований к защите и составляет от 5 до 300 мА. Время срабатывания не должно выходить за пределы 25–40 мс, потому что большее время нахождения человека под током опасно для жизни. Для срабатывания УЗО необходима определенная электрическая схема, например рассмотренная ранее классическая – с пускателем и двумя кнопками. Однако в квартирных распределительных щитках и многих других случаях электрические цепи гораздо проще и не содержат пускателей, то есть в них отсутствует объект, на который должно воздействовать УЗО. В таком случае применяют дифференциальный автомат, изображенный на рис. 124. Рис. 124. УЗО и дифференциальный автомат Дифавтомат соединяет в себе функции УЗО и обычного автоматического выключателя – защиту от короткого замыкания и перегрузки по току. Он содержит аналогичные расцепители – электромагнитный и тепловой, а также предусматривает срабатывание от схемы дифференциальной защиты, принцип работы которой идентичен рассмотренной при изучении УЗО. Таким образом, дифавтомат защищает элементы электрической цепи от короткого замыкания и перегрузки по току, а персонал – от поражения УЗО АВДТ 193 электрическим током. Он устанавливается вместо обычного автоматического выключателя в распределительный щит. Для контроля исправности на передней панели имеется кнопка «Тест», которая моделирует утечку тока. Такую проверку рекомендуется проводить ежемесячно. Для обеспечения безопасности работы персонала на всех электроустановках выполняется защитное заземление. Оно заключается в надежном соединении с землей всех металлических предметов, которые в случае повреждения изоляции проводов или обмоток могут оказаться под напряжением, которое ни в каких случаях не должно превышать допустимый порог. Если в схеме электропитания имеется УЗО, то оно при этом сработает. а) заземление б) зануление Рис. 125. Защитное заземление и зануление На рис. 125, а показана схема классического заземления, а на рис. 125, б – так называемого зануления, то есть заземления нейтрального провода. В этом случае при замыкании фазы на корпус сработает автоматический выключатель или перегорит предохранитель, даже при отсутствии УЗО. Значительное повышение напряжения в сети может повредить электрооборудование, особенно старого типа. Для защиты от перенапряжений промышленность выпускает целый комплекс устройств на все случаи жизни. В простейшем случае такое устройство, подключенное 194 сразу после счетчика, отключит последующую цепь, если напряжение на его входе превысит пороговое значение. Электроснабжение удаленных деревень и дачных массивов часто страдает понижением напряжения в моменты наибольшего потребления. Существует мнение, что это не так опасно, как перенапряжение, но оно в корне неверно. Защита оборудования в такой ситуации проводится по двум направлениям – использованию устройств, автоматически отключающих сеть при пониженном напряжении и его стабилизации. Как правило, применяют многофункциональные устройства защиты, отключающие сеть как при понижении, так и при повышении напряжения, а также реализующие дополнительные функции. Одно из таких устройств показано на рис. 126. Рис. 126. Устройство защиты от повышенного и пониженного напряжения Система релейной защиты и автоматики (РЗА) предназначена для своевременного выявления отклонений в работе электроэнергетических систем и выполнения необходимых для ее нормализации действий. Ее первые образцы появились на заре электротехники и представляли собой всевозможные реле, срабатывающие при недопустимых отклонениях тока и напряжения. В настоящее время в системах РЗА широко применяются элементы вычислительной техники. К устройствам РЗА предъявляются следующие требования: 195 1. Быстродействие – способность отключить поврежденный участок цепи настолько быстро, чтобы свести к минимуму вероятность повреждения оборудования. Наиболее современные устройства способны сделать это за один полупериод напряжения сети – за 10 мс. 2. Селективность – способность избирательно отключать только поврежденные участки цепи, не нарушая электроснабжение других потребителей. 3. Чувствительность – способность реагировать на слабые изменения режимов работы сети. 4. Надежность – главное свойство, предполагающее выполнение функций защиты в любых условиях. Электротехническая промышленность выпускает большое количество комплектных устройств РЗА в виде шкафов, оборудованных для выполнения всех необходимых задач. Основными задачами такого рода являются: 1. Максимальная токовая защита, приводящая к срабатыванию автоматики, если ток в цепи больше установленного значения. 2. Направленная максимальная токовая защита, выполняющая, кроме вышеуказанного, контроль направления мощности. 3. Газовая защита, отключающая трансформатор при выделении газа. 4. Дифференциальная токовая защита, сравнивающая токи на входе и выходе устройств (трансформаторов, сборных шин и т. д.) и отключающая цепь, если разность токов превышает пороговое значение. 5. Дистанционная защита контролирует сопротивление линии и отключает ее при коротком замыкании. Кроме перечисленных, еще существуют такие виды защиты, как логическая, дуговая, дифференциальная и др. Молниезащита 196 Существует статистика интенсивности грозовой деятельности, характеризующая количество ударов молний на 1 квадратный километр или 1 километр воздушной линии. Она позволяет прогнозировать вероятность попадания молнии в элементы электроэнергетической системы. Однако, как бы ни была мала эта вероятность, абсолютно необходимо принимать меры по предотвращению подобных происшествий. Основной мерой является применение молниеотводов – стержневых для территориально сосредоточенных объектов и тросовых для протяженных. Стержневой молниеотвод, как следует из его названия, представляет собой вертикальную мачту в виде металлического, бетонного или деревянного столба. На его вершине расположен молниеприемник, соединенный токоотводом с заземлителем. В качестве молниеприемника обычно используют металлическую трубу, прут или угол сечением не менее 100 мм 2 . Соединенный с ним токоотвод может иметь любую конструкцию, но он должен выдерживать реальные токовые нагрузки при ударе молнии. Заземлители изготавливаются с учетом влажности почвы, наличия в ней минеральных солей и т. д. На рис. 127 приведены изображения стержневого молниеотвода из Большой советской энциклопедии. Рис. 127. Стержневой молниеотвод Заземлитель Токоотвод Молниеприемник 197 Стержневые молниеотводы любой конструкции имеют одинаковый принцип работы и, соответственно, общие методы расчетов. Верхняя точка молниеприемника, гальванически соединенного с землей, воспринимает удар молнии, защищая расположенные ниже предметы. Зона защиты, условно показанная на рис. 128, представляет собой пересечение двух конусов, радиусы которых зависят от высоты молниеотвода h. Первый конус имеет центр в верхней точке и радиус 𝑟 к 1 = 0,75h. Центр второго конуса расположен на высоте 0,8h, его радиус 𝑟 к 2 = 1,5h. Таким образом, зона защиты также имеет коническую форму, но образующая этого конуса представляет собой ломаную линию. Рис. 128. Зона защиты стержневого молниеотвода h ≤ 60 м Если высота молниеотвода превышает 60 м, то учитывается ограничение на размер основания конуса на уровне земли до 90 м. Тогда вместо радиусов 0,75h и 1,5h следует взять конкретные величины 45 и 90 м, как это показано на рис. 129. 075h 0,75h 0,75h 0,75h 0,8h h 198 Рис. 129. Зона защиты стержневого молниеотвода h > 60 м Объекты, расположенные в зоне защиты, не должны своими верхними точками выходить за описанные зоны защиты. Если обозначить ℎ 𝑥 высоту защищаемого объекта, то радиус защитной зоны 𝑟 𝑥 можно найти по формулам 𝑟 𝑥 = 1,5 (ℎ − 1,25ℎ 𝑥 ) при 0 ≤ ℎ 𝑥 ≤ 2 3 ℎ; (33) 𝑟 𝑥 = 0,75 (ℎ − ℎ 𝑥 ) при ℎ 𝑥 > 2 3 ℎ . (34) Из данных формул нетрудно получить выражения для расчета высоты молниеотвода при известных величинах защищаемого объекта и защитной зоны: ℎ = 𝑅 𝑥 +1,9ℎ 𝑥 1,5 ; (35) ℎ = 𝑅 𝑥 +0,75ℎ 𝑥 0,75 . (36) Для высоких молниеотводов с лимитированным основанием конуса, о которых сказано выше, необходимо внести соответствующие поправки. На защищаемой территории может быть размещено несколько молниеотводов одинаковой или разной высоты. Оба варианта иллюстрирует рис. 130. Сначала рассмотрим наиболее простой из них, образованный двумя конструкциями высотой до 60 м. h 0,8h 90м 45 м 45 м 199 Рис. 130. Защитные зоны двух молниеотводов Их взаимное влияние учитывается, если расстояние L превышает высоту h не более чем в 5 раз: 𝐿 ℎ ⁄ < 5. (37) Торцевые локальные зоны каждого молниеотвода рассчитываются по методике одиночного устройства, а промежуточная зона имеет высоту h о , и ей соответствует дуга радиусом R, соединяющая вершины молниеприемников. Центр дуги расположен на перпендикуляре, проведенном из середины расстояния L. r x r x h o h h b x r x2 r x1 L L ф L h 2 h 1 |