Лінії електропередач

Система електрозабезпечення (system for electric power supply) призначена для забезпечення електричною енергією всіх галузей
народного господарства: будівельного, аграрного та сільськогосподарського комплексу, промисловості, побуту, де встановлені машини, агрегати, установки, в яких відбувається перетворення електричної енергії в механічну роботу, тепло, освітлення і т.і. [8].

При цьому виникає потреба в розрахунках електричних мереж (electric nets). Розрахунок електричних мереж, за якими здійснюється
електропостачання, проводиться за двома основними критеріями – нагріванню і падінню напруги.

Вибраний поперечний переріз електричної лінії передач повинен задовольняти вимоги нагрівання і вимогам падіння напруг, а не лише одному з них.

В зв’язку з чим розрахунок поперечного перерізу здійснюється в такій послідовності:

  • визначається номінальний струм споживача та з довідника вибирається поперечний переріз дроту за допустимою густиною
    струму за умови нагрівання;
  • після вибору поперечного перерізу дроту робиться перевірка його на допустиме падіння напруги.

Кінцевою метою розрахунку дротів за нагріванням є визначення допустимого значення сили струму в них.

Температура вибраного дроту або кабелю не повинні перевищувати допустимої, бо в протилежному випадку порушується стан ізоляції і механічна міцність дротів.

Для найкращої роботи електроспоживачів напруга на них повинна мати номінальне значення. Наявність електричних мереж, які з’єднують джерело електричної енергії і споживача приводить до втрат напруги в них, що призводить до неможливості підтримки номінальної напруги на затискачах споживача простими засобами, тому в дійсності напруга на затискачах споживача відрізняється від номінальної. Відхилення відномінальної напруги згідно діючих правил улаштування електроустановок не повинно перевищувати визначених значень.

Так для електричних мереж освітлення напруга на найбільш віддаленій точці повинна бути не меншою 2,5%Uном.

Для силових електричних кіл, ця межа складає не більше 5%Uном в меншу сторону від номінальної.

Відхилення напруги від номінального значення призводить до зниження світлового потоку напруги, зміни моменту двигунів постійного струму прямо пропорційно напрузі, а моменту асинхронних двигунів прямо пропорційно квадрату напруги.

Розрахунок електричних мереж змінного струму як за умовами нагріву, так і за умовами втрат напруги принципово не відрізняється від розрахунку мереж постійного струму, однак розрахункова формула втрати напруги в мережі змінного струму повинна враховувати не тільки активний опір лінії, але й реактивний.

Введемо позначення: L – довжина лінії (км); R, x, – активний та індуктивний опори лінії (Ом); U1 і U2 – напруги на початку і вкінці лінії
(В); І – струм навантаження (А); cosφ – коефіцієнт потужності навантаження.

Припустимо, що значення U2, I і cosφ відомі. Побудуємо векторну діаграму.

Будувати векторну діаграму почнемо з вектора напруги в кінці лінії U 2 (рис. 3.1). Вибравши масштаб напруг, відкладаємо значення напруг U 2 (відрізок 0а) вертикально вверх. Під заданим кутом φ2 в сторону відставання від вектора напруги U 2 будуємо вектор струму навантаження І1 . Вектор напруги на початку лінії U&1 повинен відрізнятись від вектора напруги U 2 на значення втрати напруги в активному R та індуктивному Х опорах. Вектор активного падіння напруги в лінії ΔU а = RІ повинен бути направлений по направленню струму. Нанесемо його на векторну діаграму (відрізок ab). Вектор індуктивного падіння напруги в лінії ΔU х = XІ повинен випереджати струм на кут π/2. Нанесемо його на векторну діаграму (відрізок bd). Тепер, з’єднавши точки а і d, отримаємо вектор падіння напруги ΔU& , а вектор 0d є не що інше, як напруга на початку лінії U1. Таким чином, під падінням напруги в лінії змінного струму розуміють геометричну різницю векторів напруг на початку і в кінці лінії.

 р31

Рисунок 3.1 – Векторна діаграма

В практичних розрахунках ліній змінного струму користуються поняттям втрати напруги, під яким розуміють алгебраїчну різницю векторів напруги на початку і вкінці лінії.

Алгебраїчна різниця між векторами U&1 і U& 2 може бути представлена відрізком aе, де точка е виходить на перетині прямої, що продовжує вектор U2 , і дуги окружності з центром в точці 0 радіусом U&1. Для простоти розрахунків формул за втратою напруги в лінії змінного струму остаточно приймають проекцію вектора падіння напруги ΔU& на продовженні вектора U2 , тобто відрізок af.

Роблячи додаткові побудови на векторній діаграмі і вводячи точки c і q, бачимо, що значення втрат напруги може бути представлено у вигляді

01

Враховуючи, що

31 32

отримаємо

33

Якщо кут зсуву за фазою між напругою та струмом навантаження позначити через φ і ввести поняття питомих опорів лінії r0 і x0, тобто

34

то розрахункова формула втрати напруги на фазі прийме вигляд:

35

або у відсотках

36

а для лінійної втрати напруги

37

Останню формулу необхідно запам’ятати і вміти нею користуватися.

Захист проводів електричних мереж від дії струмів короткого замикання

Відповідно до правилам улаштування електроустановок електричні мережі напругою до 1000 В, які прокладаються як всередині, так і ззовні будівель, повинні мати захист від струмів короткого замикання (СКЗ) з мінімальним часом відключення, що відповідає по можливості вимогам селективності. Для захисту мереж від напруг 1000 В можна застосовувати запобіжники з плавкими вставками та різного типу автоматичні вимикачі. Струм плавкої вставки (current of fusible insert) запобіжника, який призначений для захисту мережі від СКЗ, потрібно вибрати таким чином, щоб дотримувалось відношення:

38

де Iпл.вст – струм плавкої вставки;

Iдоп – допустимий струм (admissible current) для даного перерізу проводу.

Запобіжники і автомати також можуть захищати електричні мережі від струмів перенавантаження. У відповідності з правилами улаштування електроустановок освітлювальні мережі й мережі побутових та пересувних електроприймачів в житлових, громадських і службових будівлях, службово-побутових приміщеннях повинні бути захищені від перенавантажень. Захист від перенавантажень повинні мати електричні мережі промислових підприємств, мережі силових електроприймачів житлових, адміністративних та інших будівель лише в випадках, коли за умовами технологічного процесу чи режиму роботи в мережі може виникнути тривале перенавантаження проводів та кабелів.

В мережах, які захищаються від перенавантаження, плавкі вставки запобіжників чи вставки розподільників автоматів вибирають таким чином, щоб допустима величина навантаження на цей провід чи кабель складала не менше 125% максимального струму захищеного апарата.

Вибір плавких вставок запобіжників і переріз проводів та кабелів за умовами нагріву

Щоб захистити провід чи кабель від надмірного нагрівання необхідно перервати струм, що викликає цей нагрів. Розрив струм може бути здійснений за допомогою запобіжника з плавкою вставкою. Розрізняють плавкі вставки двох типів:

  • з малою теплоємністю (швидкодіючі). До них відносяться плавкі вставки, що виготовляються з мідного дроту;
  • з великою теплоємністю (інертні), що виготовляються з металу з великим питомим опором, наприклад із свинцю чи його сплавів.

 Інертні запобіжники можна використовувати в тих випадках, коли мережі споживають електроприймачі, які мають пускові струми чи короткочасні перенавантаження. В цьому випадку недовготривалі за часом пускові струми не можуть перегріти дроти мережі, однак якщо плавка вставка не має інерції, то під дією пускового струму вона згорить і тим самим розірве коло.

Вибір запобіжників з плавкими вставками здійснюють таким чином: для проводів з навантаженням, при включенні якого виникають значні пускові струми (включення асинхронних короткозамкнутих двигунів і т.і.), струм плавкої вставки Іп.вст вибирають у відповідності до відношення

39

де Imax – найбільше значення струму в колі;

α – коефіцієнт, який залежить від теплової характеристики запобіжника і тривалості пуску

Під Imax розуміють:

  • для відгалуження до одиничних електроприймачів пусковий струм
    чи найбільший струм навантаження;
  • для кіл, що споживають n приймачів:

310

де m – коефіцієнт одночасності;

Σ I p( n− ) 1 – сума робочих струмів електроприймачів за виключенням електроприймача, що володіє максимальним пусковим
струмом;

Iпуск – максимальний пусковий струм електроприймача.

Для асинхронних електродвигунів з короткозамкнутим ротором приймають α = 2,5. Для асинхронних електродвигунів з важкими умовами пуску α = (1,6 ÷ 2,0).

Порядок вибору плавких вставок для захисту проводів від дії СКЗ і перевантажень:

1. Для мереж, що мають електроприймачі без пускових струмів. Визначають розрахунковий струм Ірозр. За ним підбирають найближчу стандартну плавку вставку з обов’язковою умовою

311

У випадку необхідного захисту проводу від перевантажень за розрахунковим струмом вибирають струм плавкої вставки, а переріз
проводу вибирають за допустимим струмом Ідоп, який визначаться з відношення

312

2. Для мереж, що споживають електроприймачі з пусковими струмами. Визначають розрахунковий струм Ірозр. За ним підбирають
найближчу стандартну плавку вставку з обов’язковою умовою (3.11), в якій розрахунковий струм приймають рівним

313

Перевіряють, чи захищає вибрана плавка вставка переріз проводів від дії СКЗ у відповідності до нерівності:

314

де Iдоп – допустимий струм для даного перерізу проводів, що визначається за додатком Б.

Якщо нерівність не витримана, потрібно збільшити переріз до необхідного значення. При цьому струм плавкої вставки зберігається
попереднім. Захист від перевантажень здійснюється так, як і для електроприймачів без пускових струмів.