Схемы электроприёмников и сети

На рис. 1.4 представлена принципиальная электрическая схема электрической сети и подключенные к ней электроприемники: в однолинейном исполнении и многолинейном исполнении. На рис. 1.5 представлена ее полная схема замещения.

а)
б)

Рис. 1.4. Принципиальная электрическая схема электрической сети
и подключенные к ней электроприемники:

а – однолинейная схема; б – многолинейная схема

Рис. 1.5. Полная схема замещения электрической сети: Z 1 - Z 5 – комплексные сопротивления нагрузки электроприемников (для трехфазных ЭП их количество равно трем); Z ПС – комплексные сопротивления фаз и нулевого проводника подводящей сети

Основные режимы электроприемников и сети приведены на рис. 1.6 ‑ 1.10. Частные схемы замещения студенты строят самостоятельно после анализа режима работы схемы путем определения контура протекания тока под действием напряжения (фазного или линейного) и тех сопротивлений, которые окажутся в этом контуре.

Рис. 1.6. Короткое замыкание на токопроводящий корпус трехфазного электроприемника: ток протекает под действием фазного напряжения, в контуре протекания тока находятся два последовательно соединенных сопротивления фазного и нулевого проводников

Рис. 1.7. Междуфазные короткие замыкания: а – двухфазное КЗ,ток протекает под действием линейного напряжения, в контуре протекания тока находятся два последовательно соединенных сопротивления фазных проводников (ток фазы С не учитывается); б – симметричное трехфазное КЗ,ток в каждой линии протекает под действием фазного напряжения, в контуре протекания тока находятся одно сопротивление фазного проводника

Рис. 1.8. Обрывы фазных и линейных проводников сети для трехфазных ЭП с различными схемами соединения фаз

Рис. 1.9. Замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника, соединенного в звезду (полное витковое замыкание)	Рис. 1.10. Замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника, соединенного в звезду с выведенной нейтралью (полное витковое замыкание)

Рис. 1.11. Частичное замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника, соединенного в звезду (частичное витковое замыкание)	Рис. 1.12. Частичное замыкание сопротивления нагрузки фазы трехфазного электроприемника соединенного в треугольник (частичное витковое замыкание), полное замыкание приводит к режиму двухфазного короткого замыкания

Рис. 1.13. Пояснения к режиму компенсации реактивной мощности: а – подключение конденсатора к шинам силового пункта; б – индивидуальная компенсация - подключение конденсатора к выводам электроприемника

Рис. 1.14. Режим компенсации реактивной мощности: а – однофазного электроприемника; б – трехфазного электроприемника со схемой «звезда»

Рис. 1.15. Режим компенсации реактивной мощности трехфазного электроприемника со схемой «треугольник»

В первом полугодии изучения курса «Электрические и электронные аппараты» студенты выполняют задания по схемам номинального, нормального и режимов короткого замыкания. Во втором полугодии изучения курса в рамках курсовой работы – все последующие схемы.

1.3. Вольт-амперные характеристики
и векторные диаграммы сети и нагрузки

Статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) источника питания называется зависимость падения напряжения на выходе источника от тока нагрузки. Применительно к электрической сети это контактные зажимы в месте подключения ЭП. Характеристика строится по уравнению, составленному согласно второму закону Кирхгофа:

,

(1.4)

где – комплексная величина напряжения в начале сети, где условно находится идеальный источник ЭДС, В; – ток, протекающий по сети и потребляемый ЭП, А; Z _пс – сопротивление подводящей сети, Ом; – напряжение в точке подключения ЭП, В.

Статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) нагрузки (электроприемника) называется зависимость падения напряжения на зажимах электроприемника (на входных зажимах в месте подключения) от тока нагрузки. Характеристика строится по уравнению, составленному согласно частному случаю второго закона Кирхгофа - закону Ома для участка электрической цепи:

.

(1.5)

Для каждого ЭП, подключенного к электрической сети, источник электродвижущей силы (ЭДС) (например, обмотка силового трансформатора) с сопротивлением всех элементов сети до точки подключения ЭП будет представлять уникальный источник питания. Например, для ЭП, подключенного к шинам силового пункта в конце линии электрической сети, напряжение U ₂ определяется по уравнению (1.6) согласно второму закону Кирхгофа (1.4), составленному на основе схемы замещения сети, изображенной на рис. 1.16, а:

.

(1.6)

Геометрическим решением уравнений (1.5) и (1.6) будет точка пересечения кривых, построенных по этим уравнениям.

Векторные диаграммы, реализованные по формулам (1.5), (1.6), приведены, на рис. 1.17.

Вольт-амперная характеристика источника питания (далее ВАХ сети) представляет собой пологопадающую линию в диапазоне рабочих (номинальных) токов, идущую от оси ординат из точки U ₁ (см рис. 1.16, б). Положение ВАХ сети над осью абсцисс и угол её наклона будут изменяться в зависимости от величин, входящих в формулу (1.6). При централизованном регулировании напряжения, когда снижается или увеличивается напряжение холостого хода трансформатора (свободный член уравнения), ВАХ сети пойдет параллельно ниже или выше (см. рис. 1.16, в). Крутизна ВАХ сети будет определяться величиной сопротивления участка сети Z _пс. Например, при снижении сечения проводника, идущего к ЭП, ВАХ сети пойдет с большим наклоном к оси тока (см. рис. 1.16, г), такой же характер наклона будет иметь ВАХ сети для электрически более удаленного ЭП. Геометрически это объясняется тем, что увеличивается коэффициент при аргументе в уравнении (1.6).

Электрическая схема замещения традиционных ЭП может быть представлена в виде постоянной величины электрического сопротивления Вольт-амперная характеристика (ВАХ) таких ЭП для каждой фазы сети будет представлять прямую линию с углом наклона относительно оси абсцисс (оси тока). Чем больше мощность ЭП, тем меньше будет его сопротивление и тем положе пойдет ВАХ (см. рис. 1.16, б) и, наоборот, ВАХ ЭП малой мощности пойдет с большим углом наклона относительно оси тока. Площадь прямоугольника под точкой пересечения ВАХ сети и ВАХ ЭП будет представлять полную мощность ЭП S (произведение тока на напряжение). Необходимо таким образом выбрать конфигурацию сети и сечение проводников, чтобы при согласовании ВАХ сети с ВАХ каждого ЭП (находящейся в произвольной точке сети) отклонение напряжения от номинального значения не превышало допустимых по ГОСТ Р 54149 - 2010 (см. рис. 1.16, в, г). Только в этом случае технические характеристики ЭП будут находиться в допустимых пределах.

Приближение к номинальному режиму работы ЭП возможно как за счет регулирования напряжения на шинах источника питания (рис. 1.16, в), так и за счет приближения ЭП ближе к ТП или увеличения сечения жил питающего кабеля (рис. 1.16, г). Компенсация реактивной мощности ЭП дает аналогичный эффект.

Рис. 1.16. Согласование вольт-амперных характеристик электрической сети и электроприемников: а – электрическая схема замещения; б – ВАХ ЭП различной мощности (S 1 больше S 2); в, г – потребляемая мощность ЭП снижается (S 2 меньше S 1); в – при снижении напряжения в центре питания; г – при удалении от центра питания

Маломощные ЭП особо чувствительны к колебаниям напряжения в питающей сети, так как величина напряжения на зажимах электроприемников будет изменяться под действием больших падений напряжения в подводящей сети за счет протекания тока более мощных электроприемников. Электрическая мощность ЭП, и соответственно технологические характеристики будут зависеть от фактической величины напряжения на зажимах ЭП.

Сравнение величины векторов напряжений U ₁ и U ₂ на рис. 1.17 показывает, что для поддержания заданного напряжения на ЭП U ₂ (например, на уровне номинальной величины) при меньшем индуктивном сопротивлении сети требуется меньшее значение напряжения источника питания U ₁ (рис. 1.17, б).

а)	б)
Рис. 1.17. Векторная диаграмма линии электрической сети с нагрузкой на конце: а – преобладает индуктивное сопротивление сети; б – преобладает активное сопротивление. Примечание: для наглядности векторной диаграммы принято, что активное сопротивление подводящей сети составляет половину сопротивления нагрузки, а индуктивное сопротивление подводящей сети больше индуктивного сопротивления нагрузки в два раза для случая а и меньше индуктивного сопротивления нагрузки в 4 раза для случая б

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назвать три вида «идеальных элементов», которые своим сочетанием формируют электрическую нагрузку. Изобразить осциллограммы и векторные диаграммы токов и падений напряжения.

2. Изобразить осциллограммы и векторные диаграммы токов и падений напряжения при последовательном соединении элементов R, L, C.

3. Изобразить векторную диаграмму падений напряжения на нагрузке и пояснить, каким образом на ее основе возможно сформировать треугольник сопротивлений и треугольник мощности.

4. Понятие нормального и номинального режима работы электроприемника.

5. Пояснить каким образом задаются параметры электроприемника через мощность.

6. Пояснить каким образом задаются параметры электроприемника через сопротивления.

7. Привести вывод аналитических выражений мощности, сопротивлений и токов. Назвать соотношения этих величин для различных схем замещения в режиме без компенсации реактивной мощности.

8. Привести три способа для подбора емкости батареи конденсаторов для полной компенсации реактивной мощности нагрузки.

9. Привести вывод аналитических выражений мощности, сопротивлений и токов. Назвать соотношения этих величин для различных схем замещения в режиме с компенсацией реактивной мощности.

10. Изобразить векторные диаграммы токов и напряжений при компенсации однофазной нагрузки.

11. Изобразить векторные диаграммы токов и напряжений при компенсации трехфазной нагрузки, соединенной по схеме «звезда» и и по схеме «треугольник».Конденсаторные батареи включены по схеме «треугольник».

12. Ответить на вопросы заданий по теме 1:

12.1. Изобразить осциллограммы напряжения на шинах ТП и тока в линии до и после короткого замыкания на корпус электродвигателя.

12.2. Изобразить на одном поле графика статические ВАХ сети и ВАХ нагрузки для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение (до и после компенсации реактивной мощности) и для нагрузки, соединенной по схеме «звезда» (для одной из фаз). Здесь же изобразить прямоугольник номинальной мощности.

12.3. Написать аналитические выражения для определения номинального тока и номинальной мощности нагрузки, потерь напряжения и потерь мощности в линиях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактического напряжения, которое необходимо поддерживать на шинах трансформаторной подстанции (ТП) для обеспечения номинальной мощности нагрузки.

12.4. Написать аналитические выражения для определения тока и мощности нагрузки при заданном (по варианту) напряжении на шинах ТП, потерь напряжения и потерь мощности в линиях подводящей сети, КПД системы электроснабжения и фактической мощности нагрузки.

12.5. Построить векторную диаграмму тока и напряжений для однофазной нагрузки, подключенной на фазное напряжение и для нагрузки, соединенной по схеме «звезда» (для одной из фаз). Сделать вывод о причинах различного изменения величины напряжения на зажимах ЭП.

12.6. Написать аналитические выражения для выполнения индивидуальной компенсации реактивной мощности (подобрать мощность компенсирующих устройств, рассчитать сопротивление и емкость конденсаторов). При компенсации реактивной мощности трехфазной нагрузки принять, что конденсаторы включены по схеме «треугольник».

Поиск по сайту: