Электрические станции, подстанции, линии и сети - Общие сведения о сельских электрических сетях и методах их расчета

Часть шестая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛИНИИ И СЕТИ. ЗАЗЕМЛЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
ГЛАВА 14
ВОЗДУШНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛИНИИ И СЕТИ
§ 40. Общие сведения о сельских электрических сетях и методах их расчета

Основные определения и требования, предъявляемые к электрическим сетям.

Электрической сетью называется совокупность понижающих подстанций и линий различных номинальных напряжений, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии потребителям. Для электроснабжения потребителей сельских районов используют, как правило, воздушные линии. Воздушной линией электропередачи называется сооружение, предназначенное для передачи электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам.
Электрические сети разделяют по ряду признаков: роду тока, величине номинального напряжения, назначению, схемам выполнения и способам прокладки.
По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. Для сельских сетей наиболее распространен трехфазный переменный ток. Постоянный ток используется лишь в специальных схемах регулируемого электропривода производственных механизмов.
По номинальному напряжению различают сети до 1000 В и сети напряжением выше 1000 В.
По назначению сети делят на питающие и распределительные. Питающие линии и сети выполняются на напряжение 220—35 кВ, они служат для питания районных трансформаторных подстанций (РТП) или распределительных пунктов (РП) от источников электроснабжения — центров питания (ЦП). К питающим линиям потребители электроэнергии непосредственно не подключаются. Распределительные сельские линии и сети выполняют на напряжение 35— 10 (6) кВ. Они служат для распределения энергии от РТП между подстанциями потребителей (ТП) или непосредственного подвода электроэнергии потребителям ( при схемах глубокого ввода).

По схеме выполнения сети делятся на разомкнутые и замкнутые. Для сельских районов применяют в основном одноцепные разомкнутые радиальные сети с односторонним питанием. В последнее время стали применять соединение соседних радиальных линий на концах для получения схемы двустороннего питания в целях повышения надежности электроснабжения при авариях на одной линии.
По способам прокладки сети можно разделить на наружные (воздушные линии — ВЛ) и внутренние, выполняемые изолированными проводами или кабелем внутри производственных помещений и жилых зданий.
Сельскохозяйственные сети отличаются от промышленных и коммунальных электрических сетей рядом особенностей, обусловленных спецификой потребления электрической энергии в сельском хозяйстве. Сельские потребители разбросаны по значительной территории и имеют малые нагрузки. Поэтому питающие и распределительные сельские сети характеризуются большой протяженностью и низкой удельной плотностью нагрузки (кВт/км2). В связи с этим стоимость передачи 1 кВт · ч электрической энергии по сельским сетям значительно выше, чем для промышленных сетей, питающих большую сосредоточенную нагрузку. На сооружение сельских линий и сетей идет большое количество проводов, опор, изоляторов и других материалов. Расчеты показывают, что при электрификации сельскохозяйственных объектов на долю сооружения сетей приходится до 60—70% затрат, из общих затрат на электроснабжение с учетом сооружения подстанций и установок потребителей.
К сельским сетям, так же как и к сетям другого назначения, предъявляют определенные требования. Они должны быть по возможности экономичными; обеспечивать достаточную надежность электроснабжения потребителей; быть механически прочными и безопасными в эксплуатации. Кроме того, должны обеспечивать возможность проведения реконструкции с минимальными капитальными вложениями при росте нагрузки потребителей в связи с их расширением. Важным требованием к сетям является обеспечение потребителей, подключенных к ним электроэнергией высокого качества. Независимо от режимов работы сетей отклонения напряжения у потребителей не должны превышать ±7,5% от поминального. Это требование, так же как и надежность электроснабжения потребителей, трудно осуществить без проведения специальных мероприятий в силу отмеченной специфики выполнения сельских сетей (значительная протяженность, малые плотности нагрузок и др.).

Выбор сечения проводов воздушных линий по допустимым нагрузкам и экономической плотности тока.

Любой проводник при прохождении по нему электрического тока нагрузки нагревается. Чрезмерный нагрев проводов опасен, так как при этом высыхает их изоляция, ухудшается состояние контактных соединений, а при очень большом нагреве может возникнуть пожар. Поэтому предельно допустимые температуры нагрева проводников нормированы правилами. Для голых проводов, прокладываемых внутри и вне помещений, предельно допустимая температура составляет 70° С, для проводов с простой резиновой изоляцией 55° С, а с теплостойкой — 65° С.

Таблица 17
Длительно допустимые токовые нагрузки на провода по условиям нагрева

Величина тока, соответствующая предельно допустимой температуре проводника, называется предельно допустимой токовой нагрузкой. Эта величина зависит от материала и сечения проводника, температуры окружающей среды и способов прокладки. В табл. 17 приведены значения длительно допустимых по нагреву токовых нагрузок для проводов воздушных линий (при температуре воздуха наиболее жаркого месяца 25° С).
Выбор сечения проводов по нагреву сводится к определению рабочего тока в линии и сравнению этого тока со значениями длительно допустимой нагрузки, приведенными в табл. 17. Выбор считается законченным, если значение рабочего тока Iраб не превышает длительно допустимое, т. е. выдерживается условие Iраб≤Iдоп, причем температура воздуха не будет выше 25° С.
Выбор сечения проводов сельских воздушных линий по нагреву приводит к значительным потерям активной мощности и большим потерям напряжения, в результате чего качество напряжения у потребителей ухудшается. Кроме того, провода, выбранные по допустимой токовой нагрузке, могут не удовлетворять механической прочности.
Более целесообразно выбирать сечения проводов по экономической плотности тока (экономическим нагрузкам). При таком выборе обеспечиваются наименьшие затраты как на сооружение, так и на эксплуатацию линии.
Значения экономической плотности тока для различных проводников (jэк, А/мм2) нормируются в зависимости от продолжительности использования максимальной нагрузки (Тмакс) в течение года. Эту величину определяют по формуле

Нормированные значения экономической плотности тока для воздушных линий электропередачи напряжением 6—10 кВ и выше приведены в табл. 18.

Таблица 18
Нормированные значения экономической плотности тока, А/мм2

Пользуясь данными таблицы, можно найти искомое экономическое сечение проводов по формуле

где Iмакс — расчетный ток линии при нормальной работе сети, А.
Полученное сечение округляется до ближайшего стандартного сечения. Для сталеалюминиевых проводов экономическую плотность тока берут такой же, как для алюминиевых.
Следует учесть, что при выборе проводов сельских воздушных линий по экономической плотности тока потери напряжения в них могут несколько возрасти, что потребует применения на питающих подстанциях устройств для регулирования напряжения под нагрузкой.
В настоящее время сечение проводов сельских воздушных линий напряжением 35 кВ, питающих подстанции 35/6—10 кВ, на которых установлены трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, должны выбираться по экономической плотности тока. Расчетную нагрузку при выборке сечений проводов рекомендуется принимать на 5 лет, считая с момента ввода линии в эксплуатацию. Если линия предназначена для резервирования сетей 35 кВ, то в соответствии с указаниями Министерства энергетики и электрификации СССР сечения проводов выбирают минимальными по длительно допустимому току, исходя из требований обеспечения потребителей электрической энергии в аварийных и ремонтных режимах.

Расчет проводов воздушных линий по потерям напряжения.

Электрический ток, проходя по проводам воздушной линии, вызывает потерю напряжения, под которой понимают алгебраическую разность между напряжением в начале линии U1 и в конце U2

За счет потерь напряжения в линии напряжение у потребителей ниже, чем в центре питания. При большой потере напряжения в отдаленных точках сети у потребителей может установиться напряжение, которое будет ниже установленных нормами пределов. В этом случае нормальная работа потребителей будет нарушена.
Для сельских потребителей нормами установлены пределы отклонений напряжения от +7,5 до —7,5% от номинального. Поэтому потерю напряжения в линии следует выбирать такой, чтобы во всех случаях изменения нагрузки линии нормированные значения отклонений напряжения у потребителей находились в указанных пределах. Значения потерь напряжения в сетях, как правило, не нормируют. Для ориентировочных расчетов сельских воздушных линий потерю напряжения в них принимают около 10%, исходя из условий применения регулирования напряжения для поддержания отклонений напряжения у потребителей в пределах нормы.
Значение потери напряжения для линии одинакового сечения можно определить по формуле

Заменив ток мощностью, получим

где I — ток нагрузки на участке сети, А; Р и Q — активная и реактивная мощности, кВт и кВАр; r0 и х0 — удельные активное и индуктивные сопротивления проводов линии (Ом/км) соответственно, l — длина рассматриваемого участка линии (км). Значения r0 и х0 принимаются по справочным данным.
Приведенные формулы справедливы для определения потери напряжения в алюминиевых и сталеалюминиевых проводах. Для стальных проводов потери напряжения определяют по выражению  где х'0 и х''0 — внешнее и внутреннее индуктивные сопротивления провода (находят по справочникам). Для стальных проводов (в отличие от алюминиевых) внутреннее сопротивление намного превышает значение внешнего сопротивления и поэтому его надо учитывать. Кроме того, оно в значительной мере зависит от величины протекающего по проводу тока. Поэтому, пользуясь табличными данными, при вычислении потери напряжения в стальных проводах надо принимать сопротивление провода в соответствии с величиной расчетного тока. Расчет стальных проводов носит обычно поверочный характер, так как сечение проводов должно быть задано.

Рис 123. Номограммы для определения потерь напряжения в алюминиевых проводах линии 0,4 кВ (а) и сталеалюминиевых, линии 10 кВ (б)

Расчет потерь напряжения по формулам при большом количестве участков сети достаточно сложен. Значительное упрощение расчета дает пользование номограммами, полученными для каждого вида проводов. На рис. 123 показаны такие номограммы для определения потерь напряжения в алюминиевых проводах марки А линий напряжением 0,22/0,38 В для диапазона мощностей до 50 кВт (рис. 123, а) и в сталеалюминиевых проводах марки АС линий 10 кВ, мощностью до 1000 кВт. Зная мощность или ток нагрузки и длину расчетного участка линии данного сечения, по номограмме легко найти потерю напряжения в %, как это показано на рис. 123.