Файл: Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования.pdf

67 повернуть рычажок или нажать кнопку. Можно, конечно, сказать, что и энергия природного газа тоже удобна: легко включается и регулируется. Но электрическая энергия кроме этого легко преобразуется в другие виды энергии: кроме тепловой и световой, например, еще и в механическую, химическую и др. На заре электрификации электроэнергия производилась в виде энергии постоянного тока. Развивающаяся промышленность требовала использования электроэнергии во все новых местах. Для этого необходимо было передавать электроэнергию на все более дальние расстояния. На небольшие расстояния ее можно было передавать на напряжении электроприемников. Технология производства, распределения и потребления энергии на постоянном токе вполне справлялась с ролью обеспечения электроэнергией небольших областей, но она оказалась несостоятельной в применении к более масштабным территориям.
Возрастающие количественные изменения (увеличение передаваемых мощностей и возрастающие расстояния передачи) потребовали качественных изменений – замены постоянного тока на переменный, который имеет возможность трансформирования и позволяет на участке передачи (только для того,
чтобы передать электроэнергию на большое расстояние) повысить напряжение на передаче с целью минимизации потерь энергии. Известно, что при одной и той же мощности увеличение напряжения, скажем, в 5 раз, позволяет уменьшить ток в линии передачи также в 5 раз. А потери энергии, пропорциональны квадрату тока и уменьшаются 25 раз (при том же активном сопротивлении линии передачи). На приемной стороне напряжение снова приходится уменьшать (трансформировать) до приемлемых для электроприемников значений. То есть напряжение увеличивают только для
передачи электроэнергии на расстояние. Несмотря на такое усложнение структуры передачи, на это идут, так как другой альтернативы пока нет. Все линии электропередач (ЛЭП) обладают сопротивлением, сверхпроводящие
ЛЭП пока еще не вышли из стадии экспериментов на уровень промышленной эксплуатации. Переменный ток позволяет простыми устройствами –

68 трансформаторами, имеющими КПД даже свыше 99% (таких КПД не имеют никакие другие преобразовательные устройства), преобразовывать электроэнергию одного напряжения в электроэнергию другого напряжения.
Следующим может возникнуть такой вопрос: а почему принят трехфазный ток – не двухфазный, не четырехфазный. Дело здесь в том, что развивающаяся промышленность требовала в больших количествах простых надежных
(без коллекторов) электродвигателей.
Расположенные
неподвижно в пространстве три катушки статора, подключенные к разным фазам трехфазной сети, позволяют получить вращающееся магнитное
поле, в котором может вращаться даже простая металлическая болванка без каких – либо подходящих к ней проводов. Так вошел в практику привода различных механизмов трехфазный асинхронный электродвигатель с
короткозамкнутым ротором. Конечно, четыре неподвижно расположенные катушки, подключенные к разным фазам четырехфазной цепи дали бы несколько лучшее вращающееся магнитное поле. Но возникающие при этом неудобства сводят это небольшое преимущество на нет. При трех фазах все три линейных напряжения одинаковы и для изменения направления вращения достаточно поменять местами две любые фазы. При четырех же фазах линейных напряжений шесть из них четыре одинаковы, а два других одинаковы между собой, но больше тех четырех в
2
раз, изменение направления вращения двигателя простой переменой двух любых подходящих к двигателю проводов, уже не получается. При некоторых переменах двух любых фаз поле может даже перестать быть вращающимся.
Векторные диаграммы в трехфазной и четырехфазной сетях показаны на рисунке 1.40.

69
Ub
Ub
Ua
Uca
Uab
Uda
Ua
Uc j
j
Uc
Ud а) б)
Рисунок 1.40 – Векторные диаграммы в трехфазной и четырехфазной сетях а). Симметричная трехфазная система. Все линейные напряжения одинаковы: U
ab
= U
bc
= U
ca
; б). Симметричная четырехфазная система. Линейные напряжения:
U
ab
= U
bc
= U
ca
= U
da
; линейные напряжения U
ca
= U
bd
; линейные напряжения последней группы в 2 раз больше линейных напряжений первой группы.
Таким образом, выбор трехфазной системы не случаен: двух фаз – мало магнитное поле при этом не вращающееся, а пульсирующее (для симметричной двухфазной системы); четыре фазы – это создающее массу неудобств излишество, а вот три фазы – в самый раз.
Теперь рассмотрим выбор частоты переменного тока. Известно, что активное сопротивление ЛЭП с большой степенью точности обратно пропорционально сечению провода, чего нельзя сказать о сопротивлении
индуктивном. Удельное индуктивное сопротивление провода ЛЭП, скажем, сечением 95 мм
2
при частоте 50 Гц составляет примерно 0,37 … 0,39 Ом/км.
А для ВЛ 500 кВ с тремя проводами по 500 мм
2
в фазе (итого 1500 мм
2
) оно уменьшается всего до 0,3 Ом/км. Зато с частотой индуктивное сопротивление связано прямо пропорционально. Пусть индуктивное сопротивление проводов ЛЭП и не вызывает активных потерь мощности и энергии, но от потерь напряжения (падения напряжения при протекании тока по индуктивному сопротивлению) избавиться невозможно. Конечно, для электроприемников желательно было бы повышение частоты, так как массогабаритные показатели всех устройств со сталью (трансформаторов, в

70 том числе и повысительных в начале передачи и понизительных в конце передачи, а также всех электродвигателей) сильно зависят от частоты. В электротехнике есть знаменитая формула, называемая «формулой 4,44»), которая связывает ЭДС Е катушки со стальным магнитопроводом с частотой тока f, числом витков w, амплитудой магнитной индукции в стали B
max
и сечением магнитопровода S:
S
B
w
f
Е





max
44
,
4
По этой формуле при одинаковых напряжении и амплитуде индукции произведение w

S, напрямую влияющее на массогабаритные показатели устройства, обратно пропорционально частоте f. Известно, что в мощных переносных электроинструментах с целью уменьшения массы и габаритов применяются электродвигатели на частоту 200 Гц, 400 Гц и 800 Гц с питанием от преобразователей частоты. Известно, что на автономных объектах (летательные аппараты, ракеты, и т.д.), где идет борьба за каждый килограмм веса, с той же целью бортовая сеть имеет повышенную частоту, до 800 Гц и более. Но там нет передачи электроэнергии на значительное расстояние – все в пределах автономного объекта. А вот для передачи электроэнергии по ЛЭП на большие расстояния, чтобы потери напряжения на индуктивном сопротивлении «не съели» положительный эффект от повышения напряжения, желательно частоту понижать, несмотря на то, что при этом возрастают массогабаритные показатели как повысительных, так и понизительных трансформаторов. Получается конфликт между массогабаритными показателями устройств со сталью и потерями напряжения на индуктивном сопротивлении ВЛ. Так был выбран
компромисс: 50 Гц на Евразийском континенте и 60 Гц на Американском континенте (что почти одно и то же). Например, первая в СССР дальняя электропередача Куйбышевская ГЭС им. В.И. Ленина – Москва длиной 960 км с целью снижения потерь напряжения на индуктивном сопротивлении проводов имела даже установку продольной емкостной передачи (УПК) – показана на рисунке 1.41. Включенная последовательно в электропередачу,

71
УПК частично компенсирует индуктивное сопротивление длинной ВЛ.
ВЛ КС
ВЛ УС
ВЛ АС
ВЛ ВС
Москва
УПК
ВЛ КЮ
ВЛ УЮ
ВЛ АЮ
ВЛ ВЮ
КуГЭС
Вешкайма
Арзамас
Владимир
Рисунок 1.41 – Структурная схема дальней ЛЭП 500 кВ КуГЭС – Москва
КуГЭС – Куйбышевская ГЭС (Волжская ГЭС им. В.И. Ленина);
Вешкайма – Переключательный пункт №1, Ульяновская область;
Арзамас – Переключательный пункт №2, Горьковская область;
Владимир – Переключательный пункт №3, Владимирская область;
Москва – Приемное кольцо ПС 500 кВ;
ВЛ КЮ – ВЛ Куйбышевская Южная;
ВЛ КЮ – ВЛ Куйбышевская Севрная;
ВЛ УЮ – ВЛ Ульяновская Южная;
ВЛ УС – ВЛ Ульяновская Северная;
ВЛ АЮ – ВЛ Арзамасская Южная;
ВЛ АС – ВЛ Арзамаская Северная;
ВЛ ВЮ – ВЛ Владимирская Южная;
ВЛ ВС – ВЛ Владимирская Северная;
УПК – Установка продольной компенсации.
Промышленная частота принята в России – 50 Гц, в США, Японии – 60
Гц, что близко по величине, почти одно и то же. Так была выбрана частота, которая представлялась оптимальной.
Нижний предел
кроме
вышеуказанных причин определяли требования освещения (чтобы не были заметны мигания при переходах тока через нулевое значение), верхний – требуемой скоростью вращения валов электродвигателей, которая пропорциональна частоте сети. В настоящее время в ряде выступлений в печати такие значения частоты признаны не совсем удачными, доказывается, что частоту можно было бы несколько увеличить. При этом можно было бы уменьшить вес и габариты оборудования. Но на повсеместный переход к другой частоте не хватит никаких материальных ресурсов.

72
Понятие об устойчивости (статической и динамической)
совместной работы генераторов переменного тока
при работе на общую сеть
Известно, что в электроэнергетике все генераторы выполнены в виде генераторов переменного тока синхронного типа. Для электромашин синхронного типа характерна связь вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем вращающегося ротора как бы через посредство «упругой
муфты», которая допускает без нарушения синхронности вращения некоторый фазовый сдвиг между векторами вращающегося поля неподвижного статора и поля вращающегося ротора. У генератора поле ротора (он здесь является индуктором) на угол сдвига опережает поле статора (поле сети) и стремится повести его за собой, естественно, генератор при этом принимает на себя нагрузку сети (нагружается). Чем больше нагрузка генератора, тем больше угол опережения ротора (или, что то же самое, угол отставания поля статора). При работе синхронной машины в режиме двигателя механическая нагрузка на валу ротора стремится затормозить поле сети, угол сдвига при этом – в обратную сторону. Чем больше нагрузка на валу, тем больше угол отставания ротора двигателя от поля статора (то есть поля питающей сети). Разумеется, возможности
«упругой муфты» не безграничны. При увеличении угла до 90º происходит
«расцепление» муфты, срыв синхронности вращения, «проскальзывание» и расхождение в скоростях вращения, возникает явление, называемое
асинхронным ходом. Причем, угол 90º – имеется ввиду угол электрический. При числе пар полюсов машины, равном 1 (быстроходные машины
– турбогенераторы), угол электрический равен углу геометрическому, при числе пар полюсов более единицы геометрический угол будет равен 90º/р (у тихоходных машин – гидрогенераторов р может достигать нескольких десятков), где р – число пар полюсов. На рисунке 1.42 схематично показаны фазовые сдвиги в синхронной машине в режиме

73 генератора.
θ
N
S
Рисунок 1.42 – Фазовые сдвиги в синхронной машине в режиме генератора
На рисунке 1.42 схематично показан характер магнитного поля в зазоре между ротором (индуктором с одной парой полюсов) и статором (якорем) явнополюсного синхронного генератора. Ротор с обмоткой, питаемой постоянным током от системы возбуждения и создающий основной магнитный поток, вращается против часовой стрелки. В трехфазной обмотке неподвижного статора вращающийся магнитный поток ротора наводит ЭДС.
ЭДС якоря создает ток нагрузки, который, в свою очередь, создает в трехфазной обмотке статора свое магнитное поле, сцепленное с полем ротора. Оно также вращается, вращается с той же скоростью и в ту же сторону, что и ротор, но с отставанием на угол θ. Отставание объясняется правилом Ленца: индуктированный ток создает свое магнитное поле, которое стремится противодействовать причине, породившей этот ток. То есть,

74 нагрузочный (наведенный) ток генератора стремится затормозить наводящее его вращающееся поле ротора, а следовательно, и сам ротор. Это явление называется реакцией (ответом) якоря. При одной паре полюсов, как показано на рисунке 1.42, максимальный угол отставания равен 90º, после чего происходит срыв синхронности вращения (опрокидывание) и возникает асинхронный ход.
Асинхронный ход синхронной машины характеризуется периодическими биениями тока с амплитудой, многократно превышающей номинальную величину. Чтобы не допускать выхода генератора из синхронизма, необходимо соблюдать допустимую нагрузку, которая характеризуется допустимым углом запаса по статической устойчивости. Обычно он составляет около 15º (электрических). Может возникнуть вопрос: а как же при коротких замыканиях, там нагрузка многократно выше допустимой по статической устойчивости?
Необходимо различать
устойчивость
статическую
и
динамическую.
Динамическая устойчивость обусловливается запасом механической инерции вращающихся масс
(роторов генераторов с их турбинами). При коротких замыканиях генераторы, многократно возросшей нагрузкой тормозятся: близкие к месту
КЗ тормозятся больше и быстрее (так как принимают на себя бóльшую часть тока КЗ), чем дальние от места КЗ генераторы. Запасы динамической устойчивости не безграничны, поэтому необходимо, по возможности,
ограничивать токи КЗ и как можно быстрее ликвидировать (отключать)
короткие замыкания. Разумеется, если бы запаса по углу не было вовсе
(работа на грани статической устойчивости), то для нарушения устойчивости достаточно совсем небольшого толчка. Поэтому работа всегда должна быть с
запасом по углу. Регламентированного угла запаса статической устойчивости достаточно, чтобы в динамическом режиме (резкое увеличение нагрузки при КЗ) механической инерции вращающихся масс оказалось достаточно для того, чтобы тормозящие моменты токов КЗ не вывели вращающиеся массы генераторов с турбинами на границу устойчивости

75
(чтобы угол не достиг критического). Необходимо, чтобы этого запаса по углу хватало даже на случай затяжки отключения КЗ, например, при отказе выключателя. Нарушение устойчивости – это серьезная авария. Она может произойти за считанные минуты или даже cекунды, а для восстановления параллельной работы генераторов системы требуются часы. Последняя авария с распадом некоторой части Единой Энергетической Системы на
Европейской территории ЕЭС произошла в мае 2005 года при возгорании оборудования на ПС 500 кВ «Чагино», полное восстановление система получила примерно через сутки. Для предотвращения подобных случаев в энергосистемах существует целый ряд устройств как на станциях, так и в сетях: быстродействующие защиты для каждой единицы оборудования, устройства противоаварийной автоматики, в том числе с передачей исполнительных сигналов по каналам связи на удаленные объекты и др.
Понятие о симметричных составляющих
несимметричной трехфазной системы
Ранее уже говорилось о том, что все лучшие свойства трехфазных цепей проявляются только тогда, когда трехфазные цепи симметричны и о том, что нередки и несимметричные режимы, особенно в четырехпроводных трехфазных цепях.
О преимуществах симметричных сетей…..
В электроэнергетике четырехпроводными являются сети 380 / 220 В.
Электросети свыше 1000 В, в основном, уже трехпроводные. Даже в сетях
380 / 220 В стремятся к симметрии сетей, в сетях же 6 – 10 кВ несимметрия нагрузок в фазах у потребителя проявляется значительно меньше, а в сетях
110 кВ и выше, практически сходит на нет.
Из теоретической электротехники известно, что любая несимметричная трехфазная система (токов, напряжений, магнитных потоков) может быть разложена на три симметричные составляющие: прямой, обратной и нулевой

76 последовательностей. Причем, для каждой конкретной несимметричной трехфазной системы это разложение единственное и это строго математически доказывается. В большом количестве задач электротехники необходимо при известных электродвижущих силах (ЭДС) в цепях найти токи в ветвях цепей. Существует целый ряд методов расчета токов в цепях. В зависимости от сложности цепи и ее структуры для каждого конкретного случая наиболее применим тот, или иной метод. Одним из методов, облегчающих расчет цепей, является метод суперпозиции (наложения). Он применим для любых цепей постоянного и переменного тока, лишь бы они
были линейны. Под линейностью понимается независимость параметров цепей (сопротивлений резисторов, индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов) от приложенных к ним напряжений и протекающих по ним токов. Метод наложения формулируется следующим образом: Ток в любой ветви цепи равен алгебраической сумме токов, вызываемых в этой ветви каждой из ЭДС схемы в отдельности. Этот принцип применим только для линейных цепей.
При расчете цепей по методу наложения поступают следующим образом: поочередно рассчитывают токи, возникающие от действия каждой из ЭДС, мысленно удаляя остальные ЭДС из схемы (оставляя их внутренние сопротивления). То есть расчет сложной цепи с несколькими источниками
ЭДС может быть заменен несколькими простыми расчетами, в каждом из которых в цепи оставляют только один источник, а другие при этом закорочены. Метод симметричных составляющих – это один из вариантов метода наложения, применительно к линейным трехфазным цепям, в электроэнергетике он широко применяется для расчета токов КЗ.
Метод симметричных составляющих позволяет разложить несимметричную трехфазную систему на три симметричные, выполнить расчет для каждой симметричной составляющей (при этом также, как и для всех симметричных систем, достаточно расчета по одной фазе) и просуммировать результаты. Задача состоит в том, чтобы найти те три