Контрольная работа: Электрические сети и системы

· требуют большего срока для ремонта и более квалифицированного обслуживающего персонала;

· передача одной и той же мощности требует провода большего сечения.

Кабельные ЛЕП широко используются в городских сетях, на территориях предприятий, при пересечении больших водоемов, в загрязненной атмосфере.

Главными элементами КЛЕП являются:

· кабель для передачи электроэнергии;

· соединительные муфты;

· концевые муфты (заделки);

· стопорные муфты. Применяются на крутых участках трассы для предупреждения стекания кабельной массы;

· подпитывающие аппараты и система сигнализации давления масла для линий выполненных маслонаполненными кабелями;

· кабельные сооружения (кабельные коллекторы, туннели, каналы, шахты, колодцы), которые применяют на отдельных участках трассы.

К основным частям кабеля любого напряжения относятся:

· токопроводящие жилы;

· изоляция или изолирующие оболочки, отделяющие токопроводящие жилы друг от друга и от земли;

· защитная оболочка, предохраняющая изоляцию от вредного действия влаги, кислот, механических повреждений.

Конструкция кабеля напряжением 10 кВ приведена на рис. 3.4.

Токопроводящая жила выполняется из меди или алюминия из одной (до 16 мм²) или нескольких проволок. По количеству жил различают кабели:

· одножильные. Применяют на постоянном токе и на переменном токе при напряжении 110 кВ и выше;

· двухжильные. Применяют на постоянном токе;

· трехжильные. Применяют на переменном токе при напряжениях до 35 кВ;

· четырехжильные (три жилы и нулевой провод). Применяют на переменном токе при напряжении до 1000В.

Фазная изоляция предназначена для изоляции жил друг от друга. Выполняют из специальной технической бумаги с вязкой пропиткой, которая увеличивает электрическую прочность.

Поясная изоляция обеспечивает одинаковую электрическую прочность между жилами и между любой фазой и землей. Это важно, так как в сети с изолированной нейтралью при замыкании одной из фаз на землю две другие фазы по отношению к земле оказываются под линейным напряжением.

Разделение изоляции на фазную и поясную позволяет уменьшить диаметр кабеля. Но при наличии поясной изоляции электрическое поле отличается от радиального (рис. 3.5). В этом случае силовые линии имеют различные углы наклона по отношению к слоям бумаги, что обусловливает наличие в них тангенциальной составляющей поля. Электрическая прочность вдоль слоев бумаги в 8 - 10 раз меньше, чем поперек.

Свободное пространство кабеля заполняется бумажными жгутами. Они затрудняют перемещение пропиточного состава, удлиняя срок службы кабеля. Они также придают округлую форму кабелю.

Оболочка служит для герметезации изоляции и защиты ее от проникновения влаги, воздуха, химических продуктов, исключает старение изоляции под действием тепла и света. Выполняют из алюминия, свинца, полиэтиленовых материалов.

Броня служит для защиты оболочки от механических повреждений при раскопках, сползании грунта. Выполняют из стальных лент или проволок.

Наружный покров защищает броню от коррозии. Представляет собой джутовое покрытие, пропитанное битумной массой.

При повышении напряжения слой изоляции нужно увеличивать. Это не выгодно. Поэтому при напряжении 35 кВ и выше кабели выполняются с отдельно освинцованными или экранированными жилами. И электрическое, и тепловое поля - радиальные (рис. 3.5 б).

Кабели с вязкой пропиткой имеют существенный недостаток: после снятия токовой нагрузки, т.е. при остывании в кабеле появляются газовые включения. Это связано с тем, что коэффициент линейного расширения кабельной массы значительно больше коэффициента линейного расширения изолирующей бумаги. Диэлектрическая прочность газовых включений меньше в несколько раз, чем у бумаги. При повышении напряженности электрического поля это может привести к пробою изоляции.

Чтобы избежать этого при напряжениях 10 - 110 кВ применяют газонаполненные кабели. Это освинцованные кабели. Фазная изоляция выполняется из обедненно-пропитанной бумаги. Кабель находится под небольшим избыточным давлением (0,1 - 0,3 МПа) инертного газа (азота). Это повышает изолирующие свойства бумаги. Постоянство давления обеспечивается непрерывной подпиткой газа.

При напряжении 110 - 500 кВ используются маслонаполненные кабели. Жилые выполняют полыми и заполняют их маловязким очищенным маслом под давлением до 1,6 МПа. Избыточное давление исключает возможность образования пустот в изоляции кабеля, что увеличивает его электрическую прочность. В зависимости от величины давления различают маслонаполненные кабели высокого и низкого давления. Маслопроводящий канал через специальные муфты на трассе соединяется с баками давления.

Маркируются кабели по начальным буквам элементов, которые характеризуют их конструкцию:

· жила - буква А для алюминия, без обозначения для меди;

· оболочка - буква А для алюминия, С - для свинца, В - для поливинилхлорида, Н - для резины, П - для полиэтилена;

· броня - буква Б для стальных лент, П - для плоских освинцованных проволок, К - для круглых освинцованных проволок, Г - для кабелей без брони и защитного слоя.

Если кабели выполняются с отдельно освинцованными жилами, то в маркировке указывается буква О.

Для маслонаполненных кабелей низкого давления перед основной аббревиатурой указывают буквы МН, а для кабелей высокого давления - МВД.

После аббревиатуры указывают количество жил и сечение жил в мм².

Например, ААБ-3 х 120 - трехжильный алюминиевый кабель с алюминиевой оболочкой и броней из свинца с сечением жил 120 мм²; СБ-3 х 95 трехжильный медный кабель со свинцовыми оболочкой и броней сечением жил 95 мм².

4. Схемы замещения и параметры элементов электрических сетей

В состав электрической сети входят различные по назначению и конструкции элементы (ЛЭП, трансформаторы и т.д.). Но на каждом из участков её можно охарактеризовать одинаковым набором параметров, отражающих свойства элементов и различающихся между собой только количественно.

Каждый элемент электрической сети представляется в виде схемы замещения. Расчётная схема электрической сети, таким образом, образуются в результате объединения схем замещения отдельных элементов с учётом последовательности соединения их в сеть.

Любая ЛЭП, строго говоря, обладает большим количеством равномерно распределённых вдоль неё бесконечно малых активных и реактивных сопротивлений и проводимостей. Точный их учёт необходим при расчёте длинных линий (ВЛЭП больше 300 км, для КЛЭП больше 50 км). В практических расчётах ограничиваются упрощёнными методами и считают, что ЛЭП обладает не распределёнными, а сосредоточенными сопротивлениями и проводимостями.

Активное сопротивление

Активное сопротивление зависит от материала, сечения и температуры. Активное сопротивление обусловливает тепловые потери проводов и кабелей. Определяется материалом токоведущих проводников и площадью их сечения.

Различают сопротивление проводника постоянному току (омическое) и переменному току (активное). Активное сопротивление больше активного (R_а > R_ом) из-за поверхностного эффекта. Переменное магнитное поле внутри проводника вызывает противоэлектродвижущую силу, благодаря которой происходит перераспределение тока по сечению проводника. Ток из центральной его части вытесняется к поверхности. Таким образом, ток в центральной части провода меньше, чем у поверхности, то есть сопротивление провода возрастает по сравнению с омическим. Поверхностный эффект резко проявляется при токах высокой частоты, а также в стальных проводах (из-за высокой магнитной проницаемости стали).

Для ЛЭП, выполненных из цветного металла, поверхностный эффект на промышленных частотах незначителен. Следовательно, R_а ? R_ом.

Обычно влиянием колебания температуры на R_а проводника в расчётах пренебрегают. Исключение составляют тепловые расчеты проводников. Пересчет величины сопротивления выполняют по формуле:

где R₂₀ - активное сопротивление при температуре 20^о;

текущее значение температуры.

Активное сопротивление зависит от материала проводника и сечения:

где с -удельное сопротивление, Ом мм²/км;

l - длина проводника, км;

F - сечение проводника, мм².

Сопротивление одного километра проводника называют погонным сопротивлением:

где удельная проводимость материала проводника, км См/мм².

Для меди г_Cu=5310^-3 км См/мм², для алюминия г_Al=31.710^-3 км См/мм².

На практике значение r₀ определяют по соответствующим таблицам, где они указаны для t⁰=20⁰С.

Величина активного сопротивления участка сети рассчитывается:

R = r₀l.

Активное сопротивление стальных проводов намного больше омического из-за поверхностного эффекта и наличия дополнительных потерь на гистерезис (перемагничивание) и от вихревых токов в стали:

r₀ = r_0пост + r_0доп,

где r_0пост - омическое сопротивление одного километра провода;

r_0доп - активное сопротивление, которое определяется переменным магнитным полем внутри проводника, r_0доп = r_{0поверх.эф} + r_{0гистер.} + r_0вихр.

Изменение активного сопротивления стальных проводников показано на рисунке 4.1.

При малых величинах тока индукция прямо пропорциональна току. Следовательно, r₀ увеличивается. Затем наступает магнитное насыщение: индукция и r₀ практически не изменяются. При дальнейшем увеличении тока r₀ уменьшается из-за снижения магнитной проницаемости стали ().

Зависимость r₀ = f(F) имеет вид (см. рис. 4.2):

Из рис. 4.2 видно, что при малых значениях сечения r₀ имеет большое значение. При увеличении сечения величина r₀ уменьшается.

Индуктивное сопротивление

Переменный ток, проходя по проводу, образует вокруг него переменное магнитное поле, которое наводит в проводнике ЭДС обратного направления (ЭДС самоиндукции). Сопротивление току, обусловленное противодействием ЭДС самоиндукции, называется реактивным индуктивным сопротивлением.

Величина реактивного индуктивного сопротивления зависит как от значения тока в собственном проводе, так и от величины токов в соседних проводах. Чем дальше расположены фазные провода линии, тем меньше влияние соседних проводов - поток рассеяния и индуктивное сопротивление увеличиваются.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние диаметр провода, магнитная проницаемость () и частота переменного тока. Величина погонного индуктивного сопротивления рассчитывается по формуле:

(4.1)

где - угловая частота;

- магнитная проницаемость;

среднегеометрическое расстояние между фазами ЛЭП;

радиус провода.

Погонное индуктивное сопротивление состоит из двух составляющих и . Величина называется внешним индуктивным сопротивлением. Обусловлено внешним магнитным полем и зависит только от геометрических размеров ЛЭП. Величина называется внутренним индуктивным сопротивлением. Обусловлено внутренним магнитным полем и зависит только от , то есть от тока проходящего по проводнику.

Среднегеометрическое расстояние между фазными проводами рассчитывается по формуле:

.

На рис. 4.3 показано возможное расположение проводов на опоре.

При расположении проводов в одной плоскости (рис. 4.3 а, б) формула для расчета D_ср упрощается:

Если же провода расположены в вершинах равностороннего треугольника, то D_ср = D_.

Для ВЛЭП напряжением 6-10 кВ расстояние между проводами составляет 1-1,5 м; напряжением 35 кВ - 2-4 м; напряжением 110 кВ - 4-7 м; напряжением 220 кВ - 7-9м.

При f = 50Гц значение =2f = 3,14 1/с. Тогда формула (4.1) записывается следующим образом:

Для проводников выполненных из цветного металла (медь, алюминий) = 1.

На ЛЭП высокого напряжения (330 кВ и выше) применяют расщепление фазы на несколько проводов. На напряжении 330 кВ обычно используют 2 провода в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 19%). На напряжении 500 кВ обычно используют 3 провода в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 28%). На напряжении 750 кВ используют 4-6 проводов в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 33%).

Величина погонного индуктивного сопротивления при расщепленной конструкции фазы рассчитывается как:

где n - количество проводов в фазе;

R_{пр экв} - эквивалентный радиус провода.

При n = 2, 3

где а - шаг расщепления (среднегеометрическое расстояние между проводами в фазе);

R_пр - радиус провода.