Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
3.2. Потери при передаче электроэнергии Потери электроэнергии при постоянном токе Для передачи электроэнергии используются металлические проводники. Их материал, сечение и особенности применения определяют потери энергии при транспортировке. Основным фактором потерь, не зависящим от рода тока, является нагрев проводников. При этом безвозвратно теряется энергия Q, определяемая законом Джоуля – Ленца: 𝑄 = 𝐼 2 𝑅 △ 𝑡 , (6) где I – ток, протекающий про проводнику; R – сопротивление проводника; △ 𝑡 – время протекания тока. Сопротивление R описывается законом Ома и связывает напряжение U на участке электрической цепи с протекающим по нему током I. 𝑅 = 𝑈/𝐼. (7) 152 Сопротивление проводника единичного сечения и единичной длины называется удельным сопротивлением и вычисляется по формуле ρ = RS l , (8) где R – сопротивление проводника, S – его сечение, l – длина. В системе СИ удельное сопротивление измеряется в омах, умноженных на метр (Ом·м). В старой литературе можно встретить внесистемную единицу в миллион раз меньше вышеназванной – Ом, умноженный на квадратный миллиметр и деленный на метр – Ом·мм 2 /м, которая еще часто встречается в справочной литературе. При расчетах параметров ЛЭП используется размерность Ом·мм 2 /км. Удельное абсолютное и относительное (относительно серебра) сопротивления наиболее известных металлов приведены в табл. 3. Таблица 3 Удельное сопротивление металлов Металл Абсолютное Ом · мм 2 м Относительно серебра Al 0,0271 1,69375 W 0,055 3,4375 Fe 0,098 6,125 Au 0,023 1,4375 Cu 0,0175 1,09375 Ag 0,016 1 153 Zn 0,059 3,6875 Из таблицы видно, что лучшим материалом для проводников является серебро, однако оно относится к благородным металлам и стоит слишком дорого. Это же можно сказать и про золото. Среди доступных материалов проводников на первом месте стоит медь, а на втором – алюминий. Именно они и нашли широкое применение в линиях электропередачи. В зависимости от особенностей кристаллической решетки чистая медь бывает двух видов – прочная и мягкая. Эти качества определяются способами ее производства и термообработки. Мягкая обладает лучшей электропроводностью и очень хорошо подходит для изготовления проводов, применяющихся в обмотках электродвигателей и трансформаторов. Из прочной меди делают коллекторные пластины и контактные кольца для электрических машин, шины и другие конструкции, требующие механической прочности. Медь применяется не только в чистом виде, но и в сплавах, которые тоже хорошо проводят ток и при этом обладают другими полезными свойствами. Бронза – сплав меди с оловом и другими металлами – обладает механической прочностью и упругостью почти как железо. Особенно прочные бронзы получаются при добавлении кадмия и бериллия. Латунь – сплав с цинком – хорошо тянется при штамповке, устойчива к истиранию. Ею можно паять медные шины. Как и медь, алюминий из-за особенностей кристаллической решетки бывает твердым и мягким. Для дополнительного повышения прочности в него добавляют различные металлы. Сопротивление алюминия почти в два раза больше, чем у меди, но у него есть важные положительные качества – легкость и относительно низкая цена. Тем не менее в последние годы нормативными документами запрещено оборудовать жилые дома 154 алюминиевыми проводами сечением меньше 16 мм 2 . Это связано, кроме большого сопротивления, еще с одной проблемой. Алюминий на воздухе быстро окисляется, и этот слой плохо проводит ток. В результате места контактов в алюминиевой проводке часто нагреваются, а температура плавления этого металла всего 683 о С. Та же пленка затрудняет пайку алюминиевых проводов. При соединении алюминиевого провода с медным возникает контактная разность потенциалов и начинается интенсивное окисление обоих металлов. Особенно электрики не любят алюминиевые провода за их ломкость. Это часто создает проблемы при замене розеток и выключателей. Потери энергии при переменном токе При переменном токе, кроме потерь на нагрев проводников, имеют место дополнительные потери из-за поверхностного эффекта и эффекта близости. Поверхностный эффект заключается в неравномерной плотности носителей заряда в проводнике – ближе к поверхности она выше, чем в середине. Степень проявления этого эффекта зависит от частоты, сечения и материала проводника. На высоких частотах ток протекает практически полностью по поверхности проводника. Возможно, вы обратили внимание, что телевизионные антенны изготавливают из трубок, а не из сплошных проводников. В метровом и особенно дециметровом диапазоне внутренняя часть совершенно бесполезна и лишь связана с затратами на цветной металл. Количественно поверхностный эффект выражается коэффициентом поверхностного эффекта 𝑘 п = 𝑅 а 𝑅 0 , (9) где R а – активное сопротивление, рассчитанное по закону Ома для переменного тока, а R 0 – сопротивление постоянному току, о котором написано выше. Величина 𝑘 п всегда больше единицы, и, следовательно, 155 потери в проводах при переменном токе выше, чем при постоянном. Проявление поверхностного эффекта можно представить уменьшением эквивалентного сечения провода, так как его центральная часть используется не в полной мере. Это означает увеличение сопротивления и, соответственно, мощности потерь за счет нагрева провода. На частоте 50 Гц глубина проявления поверхностного эффекта вполне существенна. Она характеризуется глубиной проникновения поля тока, при которой плотность тока уменьшается в e раз, где e = 2,718 – основание натурального логарифма. Эта величина обозначается z 0 и для частоты 50 Гц определяется формулой 𝑧 0 = √ 1 167 · µ · 𝛾 , (10) где µ – магнитная постоянная; γ – удельная проводимость. В медных проводниках глубина проникновения составляет 9,44 мм, а в алюминиевых – 12,3 мм. Интересно, что для стали значение 𝑧 0 равно всего 1,8 мм. Это объясняется магнитными свойствами железа – у него относительная магнитная постоянная в 200 раз выше, чем у меди и алюминия, так как железо является ферромагнетиком. Практическое значение этот факт имеет при использовании железнодорожных рельсов в качестве проводников в системе электротранспорта. Из приведенных выше цифр следует, что поверхностный эффект имеет большее значение в толстых проводниках. Например, для медного провода диаметром 24 см сопротивление переменному току будет в 8 раз больше, чем постоянному. Разумеется, использование таких проводов в ЛЭП исключено по очевидным причинам. На практике лучше вместо одного толстого провода применять несколько более тонких. Для частоты 50 Гц при диаметре медных проводов до 22 мм, а алюминиевых – до 30 мм поверхностным эффектом можно пренебречь. Кроме снижения потерь от поверхностного эффекта, расщепление фазы применяется для защиты от коронного разряда. 156 Вторым паразитным эффектом при передаче по проводам переменного тока является эффект близости. Любую пару проводом можно рассматривать как конденсатор, который, как известно, проводит переменный ток, поскольку обладает сопротивлением: 𝑋 𝑐 = 1 𝐽ɷ𝐶 , (11) где C – емкость этого конденсатора, а ɷ = 2𝜋𝑓 – частота сети в радианах в секунду, для 50 Гц она равна 314 рад/с. Также имеет значение емкость каждого провода относительно земли и расположенных в ближней зоне металлических конструкций. С другой стороны, пару проводов можно рассматривать как трансформатор без магнитопровода с обмотками в виде фрагментов витков бесконечного диаметра, между которыми существует трансформаторная связь. Однако, по сравнению с утечкой энергии через емкость проводов, этот эффект можно не учитывать. В воздушных линиях провода разнесены на достаточно большое расстояние и эффект близости значительно меньше поверхностного эффекта. Как правило, им можно пренебречь. В кабельных линиях жилы расположены близко и эффект близости соизмерим с поверхностным или даже превосходит его. Для количественной оценки эффекта близости используется коэффициент близости k б , вычисляемый аналогично k п. Вместе они составляют коэффициент добавочных потерь: 𝑘 д = 𝑘 б + 𝑘 п . (12) При увеличении взаимного удаления жил эффект близости заметно уменьшается. Если быть точным, то это уменьшение обратно пропорционально расстоянию в степени 2,6. При изолирующем зазоре 2 мм сопротивление за счет эффекта близости возрастает на 79 %. Приращение сопротивления для других зазоров приведено в табл. 4. 157 Таблица 4 Зависимость эффекта близости от расстояния Расстояние между проводами, мм Добавленное сопротивление, % 4 65 6 58 10 48 15 39 20 33 50 14 100 5 Анализ таблицы наводит на мысль, что применение кабелей для передачи трехфазного тока реально неэкономично. Это не совсем так, поскольку на взаимодействие между проводниками существенно влияет экранирующая оболочка, если таковая имеется. Теоретически если экран идеальный, то эффект близости отсутствует. В действительности он имеет место, но применять кабели для передачи переменного тока все-таки можно. 3.3. Провода и кабели систем электроснабжения Конструкция проводов для воздушных линий Алюминиевые провода без стального сердечника применяются лишь в линиях электропередачи малой мощности, потому что, будучи мягкими, они растягиваются под воздействием внешних факторов. Более толстые провода со стальным сердечником применяются в большинстве воздушных линий. Основные требования к проводам для ЛЭП – хорошая проводимость и достаточная механическая прочность, препятствующая вытягиванию при сильных ветрах и обледенении. В зависимости от максимального протекающего тока они имеют разное сечение и структуру. Для подключения 158 отдельных зданий вполне применимы одножильные провода. Лучшими механическими характеристиками обладают многожильные провода из скрученных однотипных алюминиевых проводов, но они тоже подвержены вытягиванию. На магистральных ЛЭП сейчас используются в основном провода марки АС, что означает – алюминиевый со стальным сердечником. Он показан на рис. 105. Рис. 105. Алюминиевый провод АС для ЛЭП в противогололедном исполнении Сердечник представляет собой скрученный из оцинкованных стальных проволок жгут, вокруг которого намотаны алюминиевые проводники. Он обозначается буквами АС и дробью, в числителе которой сечение алюминия в миллиметрах, а в знаменателе – сечение стали. Например, марка АС 400/64 означает: алюминиевый со стальным сердечником, сечение алюминия 400 квадратных миллиметров, а стали – 64. Выпускаются провода АС с различными особенностями, например, заполненные смазкой, улучшающей нагревостойкость АСКС и АСКП или АСО и АСУС с облегченным и усиленным сердечником соответственно. Самонесущий изолированный провод – сокращенно СИП – появился на рынке сравнительно недавно, но быстро завоевал популярность. Сначала он применялся для строительства ЛЭП напряжением до 1 кВ, при выполнении отводов от них и оказался особенно удобен для подключения к электросети 159 индивидуальных домов. Позже СИП стали использовать и в высоковольтных линиях. Промышленность выпускает не менее пяти типов такого провода, отличающегося количеством токоведущих жил, материалом изоляции, наличием и особенностями нулевого провода. Жилы имеют сечение от 16 до 120 мм 2 , их изоляция выдерживает длительную эксплуатацию при температурах от –20 до +70 о С, срок службы составляет не менее 40 лет. СИП удобен как в эксплуатации, так и в монтаже. Он может при воздействии ветра касаться ветвей деревьев и других посторонних предметов. К нему можно подключаться под напряжением. Для этой и других целей разработаны специальные приспособления, которые продаются вместе с проводом. Рис. 106. Самонесущий алюминиевый провод На рис. 106 показан СИП-1. СИП-2 отличается от него материалом изоляции – вместо поливинилхлорида применен так называемый сшитый полиэтилен, выдерживающий длительный нагрев до 90 градусов. СИП-3 – одножильный, из алюминиевого сплава и со стальным сердечником. Провода СИП-4 и СИП-5 содержат по одной или двум парам проводов и отличаются материалом изоляции. Конструкция силовых кабелей Монтаж всевозможных электрических шкафов и щитков выполняется одиночными изолированными проводами. Монолитные обладают большей 160 жесткостью, чем многожильные, и обычно применяются при однократном монтаже. Многопроволочные провода отличаются гибкостью. Они тоже подходят для монтажных работ, но стоят немного дороже. Их применяют, если монтаж подлежит частым изменениям. В быту, например, для выполнения домашней электропроводки применяют плоские или круглые кабели с двойной изоляцией типа ШВВП (рис. 107). Рис. 107. Кабель ШВВП Плоские кабели такого типа хорошо подходят для самостоятельной прокладки в квартире и на даче, а из круглых – марки ПВС и некоторых других делают удлинители и шнуры питания, потому что они не перекручиваются. Бытовые кабели содержат две или три жилы, в зависимости от необходимости заземляющего провода, а их сечение обычно лежит в пределах от 0,5 до 4 мм 2 Для монтажа оборудования внутри шкафов чаще всего применяют медные одножильные провода в поливинилхлоридной изоляции: жесткий ПВ-1 и гибкий ПВ-3. Есть отечественные и зарубежные аналоги, но с практической точки зрения они не обладают существенными отличиями. Основной критерий выбора – способность пропускать требуемый ток в длительном режиме. По приведенной далее табл. 5 можно, зная максимальный ток, выбрать необходимое сечение провода. Таблица 5 Зависимость максимального тока от сечения провода 161 Сечение, мм 2 Максимальный ток, А Cu, U = 220 В Cu, U = 380 В Al, U = 220 В 2,5 27 25 20 4 38 30 28 10 70 50 50 16 85 75 60 120 300 260 230 При этом размещение нескольких проводов в общем коробе или даже в общем кабеле не слишком сильно снижает их нагрузочную способность, особенно если выбор делается с достаточным запасом. Алюминиевый изолированный жесткий провод АПВ (автоматического повторного включения) конструктивно напоминает ПВ-1 и применяется аналогичным образом, но с поправкой на худшую электропроводность. Он выпускается сечением от 2,5 до 16 мм 2 . Выпускается и многожильный алюминиевый провод, напоминающий медный ПВ-3, но только больших сечений. При работе с проводами часто возникает необходимость использования наконечников, клемм, втулок и других подобных предметов. Если для медных проводов подходят медные луженые и нелуженые, то для алюминиевых – только медные луженые или алюминиевые. Обмоточные провода служат для изготовления обмоток статоров и роторов электрических машин, трансформаторов, реле, приборов различного назначения. Они представляют собой проволоку из электротехнической меди или алюминия, покрытую изоляционным лаком или слоем пластмассы, обмотанную стекловолоконной нитью, бумагой или другим подходящим для такой цели материалом. В зависимости от вида изоляции провода могут 162 сохранять работоспособность при высоких и низких температурах. Эмалированные провода всегда монолитные, а остальные могут быть многожильными. Наряду с круглыми применяются и обмоточные провода прямоугольного сечения. В частности, они широко применяются в трансформаторах и других устройствах с достаточно большими токами. Алюминиевые провода, несмотря на известные недостатки, применяются в таких устройствах достаточно широко. Некоторую сложность представляет их соединение, так как алюминий хотя и паяется с помощью специального флюса, создает при этом область повышенного нагрева. Лучшие результаты достигаются при использовании контактной сварки специальными клещами. Силовые кабели используются для передачи электроэнергии к мощным потребителям. Они могут содержать от двух до пяти жил. Двухжильные применяются для передачи постоянного или однофазного переменного тока. Трехжильные используются в трехфазных электрических цепях без нулевого повода. Если нулевой провод все-таки нужен, то используются кабели с нулевой жилой. Эта жила, служащая для выравнивания перекоса фазных напряжений, обычно бывает меньшего сечения. Сравнительно недавно на рынке появились пятижильные кабели, содержащие, дополнительно к нулевому, еще и заземляющий провод. Жилы могут быть монолитными и многопроволочными, иметь круглое, секторальное или треугольное сечение. 163 Рис. 108. Строение силового кабеля На рис. 108 изображено внутреннее строение силового кабеля. Хорошо видны секторальные токопроводящие жилы, разделенные изоляционной бумагой. За ними следует поясная изоляция, экран и другие оболочки. Внешняя оболочка кабеля также выполняет дополнительные функции. Чаще всего она защищает от случайных механических воздействий, например, при выполнении земляных работ. Для этого ее делают из стальных полос или стальной проволоки. Такие кабели называются бронированными. Иногда оболочка представляет собой трубу с маслом. Это маслонаполненные кабели. Существует много и других конструкций. Для подключения к электросети подвижных объектов применяются гибкие кабели. На рис. 109 в качестве примера показан четырехжильный кабель КГ. Его жилы представляют собой скрученные жгуты медного провода, покрытые резиновой изоляцией. Общая оболочка кабеля сделана из шланговой резины. Рис. 109. Гибкий кабель КГ Кабель может содержать от одной до пяти жил сечением от 2,5 до 120 квадратных миллиметров. Однопроводные применяются, в частности, в сварочных аппаратах, двухпроводные – для различного электроинструмента 164 с рабочим напряжением 220 В. В некоторых случаях однофазные устройства подключаются по трехпроводной схеме, с заземляющим проводом. Также трехжильный провод может использоваться для подключения трехфазных электроприемников. Четырех- и пятижильные кабели предназначены исключительно для трехфазных электрических цепей. Кабели КГ могут применяться при напряжениях до 660 В и частоте до 400 Гц, которая характерна для авиационных электроагрегатов. В нормальном исполнении кабель выдерживает температуру окружающей среды от –40 до +50 о С, но есть варианты исполнения для тропического и холодного климата. В отличие от резины, обладающей превосходной гибкостью, изоляция из поливинилхлорида, полиэтилена и других пластмасс длительное время не трескается. Провода с пластмассовой изоляцией имеют значительно больший срок службы и допускают работу при напряжениях до 6 кВ. Также они отличаются большей устойчивостью к влажности и воздействию агрессивных химических веществ. В некоторых кабелях для улучшения эксплуатационных характеристик внутреннее пространство содержит гидрофобный наполнитель. Внутренняя структура таких кабелей не имеет принципиальных отличий от КГ. Для монтажа кабелей часто возникает необходимость подготовки их концов с целью обеспечения надежного контакта. Изоляция на нужном участке удаляется, проводящие жилы очищаются от загрязнений, при необходимости маркируются. Далее, если требуется, на них устанавливаются наконечники или соединительные гильзы. При этом нужно помнить, что нелуженые медные изделия подходят только для медных проводов, а для алюминиевых применяются алюминиевые или медные луженые. Для надежного соединения конца жилы с наконечником производят опрессовывание с помощью специального инструмента, который называется кримпер. Он изображен на рис. 110 и представляет собой механический или 165 гидравлический переносной пресс, который вдавливает оболочку наконечника в жилу кабеля. Рис. 110. Кримпер – устройство для опрессовывания кабельных гильз и наконечников Выполнение этой операции с помощью молотка и других подручных средств не обеспечивает надежного контакта. Можно в таком случае обеспечить контакт с помощью пайки свинцово-оловянистым припоем с соответствующим флюсом. Для этого зачищенные и обезжиренные концы проводов вставляют в гильзу, заполненную припоем и флюсом, и прогревают паяльником или газовой горелкой. Многожильные кабели из-за рассмотренных выше паразитных эффектов пригодны для передачи электроэнергии лишь на сравнительно небольшие расстояния. С гораздо меньшими потерями по кабелям можно передавать постоянный ток, хотя оборудование для этого стоит очень дорого. Кабели при этом используются специальной конструкции, наполненные маслом или газом. Их внешняя оболочка выполнена из материала, не подверженного коррозии, например из свинца, и усилена стальными лентами. В качестве изоляции раньше применялась пропитанная бумага, а в последние годы – материал под названием «сшитый полиэтилен». Его внедрение затруднялось тем, что при постоянном токе в нем накапливаются заряды и происходит |