Передача электроэнергии связана с потерей мощности и нагревом проводов током. В проводах линий имеет место потеря напряжения, в связи с чем напряжение на зажимах электроприемников отклоняется от напряжения источника питания. Элементы устройств передачи электроэнергии подвергаются различного рода механическим воздействиям. Так, например, воздушные линии несут механические нагрузки, связанные с натяжением проводов, ветровым давлением и дополнительными нагрузками, вызванными обледенением. Токоведущие и опорные части устройств передачи и распределения электроэнергии подвержены динамическому воздействию токов короткого замыкания.1 1
Выбор сечения токопроводов производится с учетом перечисленных факторов. Он должен удовлетворять соответствующим нормам, определяющим следующие показатели: 1) предельные допустимые значения тепловой и электромеханической нагрузки линий; 2) качество электроэнергии, поступающей к потребителю; 3) экономические показатели по капитальным затратам и себестоимости электроснабжения.
Для выбора сечения проводов, кабеля и шин необходимо произвести следующие расчеты: 1) экономический — по потерям и себестоимости передачи энергии; 2) пропускной способности по нагреву; 3) потерь и отклонения напряжения; 4) механической прочности.
Рассмотрим содержание и методику этих расчетов.
Экономический расчет
Экономический расчет производится для определения сечения провода, отвечающего минимальной себестоимости передачи электроэнергии. Себестоимость есть сумма нескольких слагаемых, учитывающих стоимость потерь энергии, капитальные затраты и расходы по эксплуатации. Каждое из перечисленных слагаемых зависит от сечения токопровода различным образом. Так, например, при увеличении сечения провода потери энергии в линиях электропередачи сокращаются, а капитальные затраты увеличиваются. Существует, очевидно, некоторое среднее, оптимальное сечение, для которого сумма указанных слагаемых будет иметь наименьшее значение. Такое сечение носит название экономического; оно различно для разных материалов проводов и кабеля и зависит от режима потребления электроэнергии.
Для определения экономического сечения пользуются обобщенным показателем, установленным в результате технико-статистических расчетов, — экономической плотностью тока.
Экономической плотностью тока называется плотность тока, определяющая сечение проводов и кабелей электротехнического устройства при обеспечении наименьших итоговых затрат на сооружение и эксплуатацию устройства.
На основании этого показателя определяется экономически целесообразное сечение sэ, мм, по формуле
где IР — расчетный ток линии, А; jэ—экономическая плотность тока, А/мм2.
В табл. 11-3 приведены значения экономической плотности тока для различных проводов я кабелей в зависимости от годовой продолжительности использования максимума нагрузки Tмакс, ч.
Таблица 11-3
Продолжительностью максимума нагрузки называется условное время, в течение которого через линию, работающую с постоянной нагрузкой, равной максимальной нагрузке по графику, было бы передано такое же количество энергии, как и при работе по действительному графику, т, е.
(11-20)
где Эа — активная энергия, переданная через линию за год, кВт-ч; Рмакс— максимальная мощность в годовом графике потребления энергии, кВт.
1 Остальная часть реактивной электроэнергии расходуется в различных иных индуктивных нагрузках и линиях электропередачи.
Время использования максимума нагрузки зависит от технологической отрасли потребителей; его приближенные значения для различных предприятий приводятся в справочной литературе.
Для гидромеханизации время использования максимума нагрузки зависит от климатической характеристики района работ, численности установок и технологической схемы. Практически Тмакс в гидромеханизации колеблется между 2200 и 5000 ч.
Экономическое расчетное сечение является наибольшим. При получении в результате расчета по выражению (11-19) сечения нестандартной величины выбирается ближайшее низшее сечение.
Согласно ПУЭ проверке по экономической плотности тока не подлежат следующие объекты: 1) сети напряжением до 1000 В при числе часов использования максимума нагрузки ниже 4000—5000; 2) все ответвления к отдельным токоприемникам напряжением до 1000 В, а также ответвительные сети, проверенные по потере напряжения; 3) сети временных сооружений, а также устройства с малым сроком службы (3—5 лет); 4) сборные шины; 5) проводники, идущие к резисторам, пусковым реостатам и т. л.
Расчет по экономической плотности тока недостаточен для выбора сечений проводов и кабеля. Сечение должно быть согласовано с таблицами каталога и проверено по потере напряжения.
Расчет по нагреву
При прохождении электрического тока по проводнику в нем, согласно закону Джоуля—Ленца, выделяется тепло. Часть выделенного тепла рассеивается в окружающей среде; другая часть расходуется на нагрев проводника. По достижении определенной температуры перегрева проводника над окружающей средой наступает состояние равновесия, когда количество выделенного тепла равно рассеиваемому во внешнюю среду. В этом состоянии проводника его температура стабилизируется.
Нагрев проводников выше определенных значений температуры недопустим. Нагрев голого провода выше допустимого приводит к снижению его механической прочности и электрической целостности контактных соединений. Чрезмерный нагрев изолированных проводов приводит, кроме того, к порче изоляции. Различная изоляция допускает разные по величине значения нагрева проводов. Так бумажная изоляция допускает более высокую температуру нагрева по сравнению с резиновой.
Максимально допустимые значения температуры нагрева токопроводов, °С:
Неизолированные провода......70
Провода с резиновой изоляцией.....55
Кабель с бумажной изоляцией на напряжение 3 кВ .......80
То же на напряженке 6 кВ.......65
То же на напряжение 10 кВ......60
То же на напряжение 35 кВ.....50
Нагрев проводников находится в прямой зависимости от значения проходящего по ним тока и условий теплоотдачи в окружающую среду. Поэтому нагрузочная способность проводов определяется значениями предельно допустимого тока с поправками на способ прокладки (на открытом воздухе, в земле или воде и т. д.).
Допустимые нагрузки для проводов и кабеля даются специальными таблицами в справочной литературе, где учитывается температура окружающей среды: 25°С — для прокладки по воздуху (открытая прокладка) и 15°С — для прокладки в земле. При расчете на иную температуру окружающей среды вводятся поправочные коэффициенты, например, при 10°С—к=1,14, а при 40°С— k=0,84.
Условия теплоотдачи кабеля, проложенного в земле, более благоприятны по сравнению е открытой прокладкой. Допустимая нагрузка для кабеля, прокладываемого в земле, значительно выше, чем для проложенного открыто.
При подземной прокладке нескольких кабелей рядом, в одной траншее, условия теплоотдачи несколько ухудшаются. В этом случае для значений предельно допустимой нагрузки по току вводятся понижающие коэффициенты.
Плотность тока j, А/мм2, для кабеля и провода меньшего сечения принимается более высокой, чем для больших сечений, что объясняется следующим.
Процесс нагрева тела характеризуется отношением его объема к площади боковой поверхности. Для цилиндрического тела, каким является круглый провод, на единицу его длины это отношение равно D/4, где D — диаметр провода. Отсюда видно, что условия нагрева благоприятнее для провода большего диаметра. По этой же причине нагрузочная способность одного провода ниже, чем нескольких, сумма поперечных сечений которых равна сечению одного.
Данные, касающиеся значений предельно допустимого тока нагрузки в проводах, кабеле и шинах разной конструкции для всевозможных конкретных случаев и условий прокладки, содержатся в справочной литературе.
Расчет потерь напряжения
Нормальный режим работы электроприемников обеспечивается подачей к ним определенного напряжения. Таким является их номинальное напряжение, соответствующее обычно одному из значений шкалы стандартных напряжений (см. § 11-2). Поэтому качество электроэнергии, поступающей к потребителю определяется отклонением напряжения.
Отклонением напряжения называется разность между напряжением сети в месте присоединения электроприемников и его номинальным напряжением.
Расчет отклонения напряжения в подавляющем большинстве случаев затруднителен, так как эта величина зависит от колебания напряжения, вызванного изменениями нагрузки сети. Поэтому для расчета линий электропередачи пользуются понятиями падения и потери напряжения.
В общем случае ток нагрузки и напряжение не совпадают по фазе, а линия передачи электроэнергии обладает как активной, так и реактивной проводимостью. Поэтому напряжения в начале и конце линии отличаются как по абсолютному значению, так и по фазе.
Геометрическая разность между векторами напряжения в начале и конце линии называется падением напряжения, а алгебраическая разность абсолютных значений тех же напряжений — потерей напряжения в линии.
Отклонение напряжения зависит от потери напряжения, поэтому при расчете линий электропередачи обычно ограничиваются определением потери напряжения.
Учитывая возможность регулирования коэффициента трансформации с помощью соответствующего переключения ответвлений на обмотках трансформаторов, допустимые по ПУЭ значения отклонения напряжения обеспечиваются предельным значением потери напряжения.
Для сетей напряжением 380/220 В от шин трансформаторной подстанции до последнего электроприемника предельные потери напряжения не должны превышать 5—6%; для питающих сетей напряжением 6-35 кВ —6—8%.
Потери напряжения в сетях электроснабжения складываются из потерь в линиях и потерь а. трансформаторах. Характерными для условий электроснабжения гидромеханизации являются сети с односторонним питанием — так называемые разомкнутые сети.
Разомкнутыми называются сети, которые питаются из одного пункта и в которых электроэнергия к потребителю может поступать только по одному направлению.
Примером разомкнутой сети служит система электроснабжения, показанная на рис. 11-2, 11-3.
Ниже, рассматриваются потери напряжения в разомкнутых сетях.
В общем случае потери напряжения зависят от проводимости линии, обусловленной следующими факторами: 1) активным и реактивным сопротивлениями; 2) активной проводимостью между проводами и землей (утечки тока по поверхности изолятора и тихий разряд на поверхности проводов — так называемая «корона»); 3) емкостной проводимостью между проводами, а также проводом и землей.
Учет активной и емкостной проводимости необходим при расчете электросистем напряжением 220 кВ и выше (реже для сетей напряжением 110 кВ). Поскольку в практических вопросах электроснабжения установок гидромеханизации такой учет не требуется, он здесь рассмотрен не будет.
Определим потерю напряжения в электролинии с нагрузкой на ее конце. Схема замещения одной фазы линии показана на рис. 11-6,а.
При расчете учитывается потеря напряжения, обусловленная активным сопротивлением проводов и реактивным сопротивлением линии.
Рис. 11-6. Потеря напряжения в линии.
а — схема замещения линии; б—векторная диаграмма.
Для выявления соотношения между напряжением в начале и конце линии рассмотрим векторную диаграмму токов и напряжений для одной фазы линии, показанную на рис. 11-6,б. Полученные выводы распространим затем на трехфазную линию, считая ее нагруженной равномерно во всех трех фазах. Напряжение в начале линии равно геометрической сумме (сумме векторов) напряжения в конце линии и падения напряжения в ней. Падение напряжения, в свою очередь, складывается из его активной и реактивной составляющих. На векторной диаграмме отрезок Оа представляет собой напряжение в конце линии £/фя; ток линии представлен вектором I, отстающим по фазе от напряжения на угол φ2.
Вектор ab, параллельный току, представляет собой активную составляющую падения напряжения, равную 1r; вектор bc, опережающий вектор тока на угол π/2, представляет собой реактивную составляющую падения напряжения 1х.
Сумма векторов ab+bc=ac есть полное падение напряжения в линии Iz. Согласно правилам геометрии углы равны между собой.
Полное напряжение в начале линии 0с=0е (се представляет собой отрезок дуги с центром в точке 0) равно сумме отрезков 0а и af+fe. Если пренебречь отрезком de ввиду его малости, то можно записать:
где
модуль (численное значение) напряжения в начале линии.
Сумма отрезков, заключенная в скобки, af+fd, составляющая разность между напряжениями в начале и конце линии интерпретирует геометрически потерю напряжения. С другой стороны, эта сумма геометрически выражается суммой проекций векторов ab и bc— активной и реактивной составляющих падения напряжения — на горизонтальную ось, т. е.
где ∆Uφ— потеря напряжения для одной фазы.
В трехфазной системе потеря напряжения в √3 раз больше указанной:
(11-21)
