Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

149 нагрузки. Изменения напряжения от половины периода до нескольких секунд, происходящие при резких сменах нагрузки, называются колебаниями напряжения. Такие колебания возникают, например, при работе сварочных аппаратов, дуговых электропечей и т. п. Допустимый размах колебаний определен ГОСТом.
Колебания напряжения заметно отражаются на работе систем освещения.
Колебания светового потока создают зрительный дискомфорт. Их субъективное восприятие называется фликером. Для определения кратковременной дозы фликера наблюдение проводят в течение 10 минут, а для длительной – в течение двух часов.
Если трехфазная система загружена неравномерно, то есть имеет место перекос фаз, возникает несимметрия напряжения. Для ее количественной оценки пользуются методом симметричных составляющих. В соответствии с ним любую несимметричную трехфазную цепь можно выразить через три симметричных составляющих, условно показанных на рис. 103. а) прямой б) обратной в) нулевой последовательности последовательности последовательности
Рис. 103. Векторные диаграммы систем симметричных составляющих
Первые две – прямой и обратной последовательности – представляют собой тройки векторов, сдвинутых по фазе на 120
о
, но отличающихся
В
С
А
А
А
В
В
С
С

150 последовательностью чередования фаз. Нулевая последовательность образована тремя векторами, совпадающими по величине и направлению. В соответствии с названным методом асимметрия цепи характеризуется коэффициентами несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности К
2U
и К
0U
Если нагрузка носит нелинейный характер, например из-за полупроводниковых вентилей в выпрямителе, то это проявляется в несинусоидальной форме кривой нагрузки. Претерпевшая изменения синусоида условно показана на рис. 104.
Рис. 104. Несинусоидальность напряжения
Для характеристики степени отклонения формы напряжения от синусоидальной используются коэффициент искривления синусоидальности напряжения К
U
и коэффициент n-ой гармоничной составляющей напряжения
К
U(n)
При срабатывании автоматики защиты, например при грозовых перегрузках или при кратковременных коротких замыканиях, возникают провалы напряжения, то есть его внезапные снижения на 10 % и более.
Обычно провалы восстанавливаются в течение нескольких секунд. Если напряжение не восстанавливается в течение 30 секунд, это уже не провал, а аварийная ситуация.
Количественно провал характеризуется его длительностью.
U t

151
При грозовых разрядах, при отключении токов короткого замыкания и в некоторых других случаях в электрических цепях возникают кратковременные импульсы напряжения.
Как правило, их продолжительность не превышает 10 миллисекунд. Они характеризуются величиной импульсного напряжения.
При коммутациях в сети возникают кратковременные, а при замыканиях на землю длительные превышения напряжением номинального значения на
10 % и более. Они характеризуются коэффициентом временного перенапряжения.
Отклонения частоты от нормы также являются важным показателем качества электроэнергии.
Согласно ГОСТ 13109-97, энергоснабжающая организация несет ответственность за поддержание вышеназванных параметров в пределах, указанных в данном документе.

152
Сопротивление проводника единичного сечения и единичной длины называется удельным сопротивлением и вычисляется по формуле
ρ
=
RS
l
,
(8) где R – сопротивление проводника, S – его сечение, l – длина.
В системе СИ удельное сопротивление измеряется в омах, умноженных на метр (Ом·м). В старой литературе можно встретить внесистемную единицу в миллион раз меньше вышеназванной – Ом, умноженный на квадратный миллиметр и деленный на метр – Ом·мм
2
/м, которая еще часто встречается в справочной литературе. При расчетах параметров ЛЭП используется размерность Ом·мм
2
/км.
Удельное абсолютное и относительное (относительно серебра) сопротивления наиболее известных металлов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Удельное сопротивление металлов
Металл
Абсолютное
Ом · мм
2
м
Относительно серебра
Al
0,0271 1,69375
W
0,055 3,4375
Fe
0,098 6,125
Au
0,023 1,4375
Cu
0,0175 1,09375
Ag
0,016 1

153
Zn
0,059 3,6875
Из таблицы видно, что лучшим материалом для проводников является серебро, однако оно относится к благородным металлам и стоит слишком дорого. Это же можно сказать и про золото. Среди доступных материалов проводников на первом месте стоит медь, а на втором – алюминий. Именно они и нашли широкое применение в линиях электропередачи.
В зависимости от особенностей кристаллической решетки чистая медь бывает двух видов – прочная и мягкая. Эти качества определяются способами ее производства и термообработки. Мягкая обладает лучшей электропроводностью и очень хорошо подходит для изготовления проводов, применяющихся в обмотках электродвигателей и трансформаторов.
Из прочной меди делают коллекторные пластины и контактные кольца для электрических машин, шины и другие конструкции, требующие механической прочности.
Медь применяется не только в чистом виде, но и в сплавах, которые тоже хорошо проводят ток и при этом обладают другими полезными свойствами. Бронза – сплав меди с оловом и другими металлами – обладает механической прочностью и упругостью почти как железо. Особенно прочные бронзы получаются при добавлении кадмия и бериллия. Латунь – сплав с цинком – хорошо тянется при штамповке, устойчива к истиранию.
Ею можно паять медные шины.
Как и медь, алюминий из-за особенностей кристаллической решетки бывает твердым и мягким. Для дополнительного повышения прочности в него добавляют различные металлы. Сопротивление алюминия почти в два раза больше, чем у меди, но у него есть важные положительные качества – легкость и относительно низкая цена. Тем не менее в последние годы нормативными документами запрещено оборудовать жилые дома

154 алюминиевыми проводами сечением меньше 16 мм
2
. Это связано, кроме большого сопротивления, еще с одной проблемой. Алюминий на воздухе быстро окисляется, и этот слой плохо проводит ток. В результате места контактов в алюминиевой проводке часто нагреваются, а температура плавления этого металла всего 683 о
С. Та же пленка затрудняет пайку алюминиевых проводов. При соединении алюминиевого провода с медным возникает контактная разность потенциалов и начинается интенсивное окисление обоих металлов. Особенно электрики не любят алюминиевые провода за их ломкость. Это часто создает проблемы при замене розеток и выключателей.
Потери энергии при переменном токе
При переменном токе, кроме потерь на нагрев проводников, имеют место дополнительные потери из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.
Поверхностный эффект заключается в неравномерной плотности носителей заряда в проводнике – ближе к поверхности она выше, чем в середине. Степень проявления этого эффекта зависит от частоты, сечения и материала проводника. На высоких частотах ток протекает практически полностью по поверхности проводника. Возможно, вы обратили внимание, что телевизионные антенны изготавливают из трубок, а не из сплошных проводников. В метровом и особенно дециметровом диапазоне внутренняя часть совершенно бесполезна и лишь связана с затратами на цветной металл.
Количественно поверхностный эффект выражается коэффициентом поверхностного эффекта
????
п
=
????
а
????
0
,
(9)
где R
а
– активное сопротивление, рассчитанное по закону Ома для переменного тока, а R
0
– сопротивление постоянному току, о котором написано выше. Величина
????
п всегда больше единицы, и, следовательно,

155 потери в проводах при переменном токе выше, чем при постоянном.
Проявление поверхностного эффекта можно представить уменьшением эквивалентного сечения провода, так как его центральная часть используется не в полной мере. Это означает увеличение сопротивления и, соответственно, мощности потерь за счет нагрева провода.
На частоте 50 Гц глубина проявления поверхностного эффекта вполне существенна. Она характеризуется глубиной проникновения поля тока, при которой плотность тока уменьшается в e раз, где e = 2,718 – основание натурального логарифма. Эта величина обозначается z
0 и для частоты 50 Гц определяется формулой
????
0
= √
1 167 · µ · ????
,
(10) где µ – магнитная постоянная; γ – удельная проводимость.
В медных проводниках глубина проникновения составляет 9,44 мм, а в алюминиевых – 12,3 мм. Интересно, что для стали значение
????
0
равно всего
1,8 мм. Это объясняется магнитными свойствами железа – у него относительная магнитная постоянная в 200 раз выше, чем у меди и алюминия, так как железо является ферромагнетиком. Практическое значение этот факт имеет при использовании железнодорожных рельсов в качестве проводников в системе электротранспорта.
Из приведенных выше цифр следует, что поверхностный эффект имеет большее значение в толстых проводниках. Например, для медного провода диаметром 24 см сопротивление переменному току будет в 8 раз больше, чем постоянному. Разумеется, использование таких проводов в ЛЭП исключено по очевидным причинам. На практике лучше вместо одного толстого провода применять несколько более тонких. Для частоты 50 Гц при диаметре медных проводов до 22 мм, а алюминиевых – до 30 мм поверхностным эффектом можно пренебречь. Кроме снижения потерь от поверхностного эффекта, расщепление фазы применяется для защиты от коронного разряда.

156
Вторым паразитным эффектом при передаче по проводам переменного тока является эффект близости. Любую пару проводом можно рассматривать как конденсатор, который, как известно, проводит переменный ток, поскольку обладает сопротивлением:
????
????
=
1
????ɷ????
, (11) где C – емкость этого конденсатора, а
ɷ = 2???????? – частота сети в радианах в секунду, для 50 Гц она равна 314 рад/с. Также имеет значение емкость каждого провода относительно земли и расположенных в ближней зоне металлических конструкций.
С другой стороны, пару проводов можно рассматривать как трансформатор без магнитопровода с обмотками в виде фрагментов витков бесконечного диаметра, между которыми существует трансформаторная связь. Однако, по сравнению с утечкой энергии через емкость проводов, этот эффект можно не учитывать.
В воздушных линиях провода разнесены на достаточно большое расстояние и эффект близости значительно меньше поверхностного эффекта.
Как правило, им можно пренебречь. В кабельных линиях жилы расположены близко и эффект близости соизмерим с поверхностным или даже превосходит его.
Для количественной оценки эффекта близости используется коэффициент близости k
б
, вычисляемый аналогично k
п.
Вместе они составляют коэффициент добавочных потерь:
????
д
= ????
б
+ ????
п
. (12)
При увеличении взаимного удаления жил эффект близости заметно уменьшается. Если быть точным, то это уменьшение обратно пропорционально расстоянию в степени 2,6. При изолирующем зазоре 2 мм сопротивление за счет эффекта близости возрастает на 79 %. Приращение сопротивления для других зазоров приведено в табл. 4.

157
Таблица 4
Зависимость эффекта близости от расстояния
Расстояние между проводами, мм
Добавленное сопротивление, %
4 65 6
58 10 48 15 39 20 33 50 14 100 5
Анализ таблицы наводит на мысль, что применение кабелей для передачи трехфазного тока реально неэкономично. Это не совсем так, поскольку на взаимодействие между проводниками существенно влияет экранирующая оболочка, если таковая имеется. Теоретически если экран идеальный, то эффект близости отсутствует. В действительности он имеет место, но применять кабели для передачи переменного тока все-таки можно.
3.3. Провода и кабели систем электроснабжения
Конструкция проводов для воздушных линий
Алюминиевые провода без стального сердечника применяются лишь в линиях электропередачи малой мощности, потому что, будучи мягкими, они растягиваются под воздействием внешних факторов. Более толстые провода со стальным сердечником применяются в большинстве воздушных линий.
Основные требования к проводам для ЛЭП – хорошая проводимость и достаточная механическая прочность, препятствующая вытягиванию при сильных ветрах и обледенении. В зависимости от максимального протекающего тока они имеют разное сечение и структуру. Для подключения