Нарисовать схему замещения

то мы получим последовательно включенные сопротивления линии длиной 30 км сечением А-25 и нагрузки 11 Ом. Сопротивление линии 1,14* 30 = 34,2 Ома. Общее сопротивление 11+34,2 = 45,2 Ома. Ток в фазе составит 230/45,2=5,08 А. Если нагрузкой будут лампочки, то они светить не будут. Мощность на фазе нагрузки составит 56*5,08=284 Вт, а на линии будет теряться 174*5,08= 884 Вт.

Вывод: С целью снижения потерь напряжения и мощности, и энергии в питающих проводах необходимо снижать ток в линии, что достигается увеличением напряжения. Эти уровни напряжения должны быть экономически оправданы

4.3. Принцип работы однофазного трансформатора

Особенностью электрической энергии является невозможность создания ее запасов. В любой момент времени, сколько электроэнергии требуют потребители, столько ее и вырабатывается на электростанциях. Но при передаче электроэнергии по пути ее следования существуют потери мощности, энергии и напряжения.

Поток электрической энергии, запрашиваемый потребителями путем включения и отключения сопротивлений, проходит через несколько трансформаторов и линий электропередачи различного уровня напряжения и доходит до генераторов электростанций. Без трансформаторов надо было на каждом предприятии или жилом поселке иметь свою электростанцию.

Трансформатор — это электрический аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии одного уровня напряжения в другой уровень напряжения. Трансформаторы могут быть понижающими и повышающими. Простейший однофазный двухобмоточный трансформатор содержит три основных элемента: первичную обмотку, к которой подводится питание от источника; вторичную обмотку, к которой подключается потребитель и магнитопровод. Обе обмотки наматываются на магнитопровод, этим самым обеспечивается между ними магнитная связь через магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу.

Рассмотрим принцип действия простейшего силового трансформатора. Силовым называется трансформатор потому, что он питает нагрузку, выполняющую работу посредством электрической или электромагнитной силы. Под действием напряжения, подведенного к первичной обмотке W₁, по ней протекает первичный переменный ток I₁, который создает переменный магнитный поток Ф_ОСН. Магнитный поток Ф_ОСН, замыкаясь по магнитопроводу, наводит во вторичной обмотке переменную ЭДС взаимоиндукции Е₂. При подключении нагрузки (сопротивления) Z_НАГР ко вторичной обмотке под действием Е₂ через обмотку и нагрузку протекает вторичный ток I₂.(рис.4.1)

U_ПИТ → I_ХХ → Ф_ОСН → Е₂ → I₂

Рисунок 4.1 — Принцип работы однофазного трансформатора

Ввиду того, что вторичная обмотка имеет также сопротивление, то при протекании вторичного тока на вторичной обмотке устанавливается напряжение U₂, несколько меньше, чем Е₂. На холостом ходу U_2XX = E₂. Отношение первичного напряжения ко вторичному на холостом ходу называется коэффициентом трансформации силового трансформатора.

Нетрудно видеть, что со вторичной обмотки снимается вторичная мощность, равная произведению напряжения на ток

S₂ = U₂ I₂.

Трансформатор только преобразует электроэнергию, он ее не может вырабатывать. Из ничего не может возникнуть энергия. Коэффициент полезного действия современного трансформатора больше 99%, поэтому можем утверждать, что какая мощность потребляется от трансформатора, такая же мощность должна подводиться к трансформатору от источника

S₂ = S₁. Но первичная мощность определяется также током и напряжением, поэтому при равенстве мощностей получаем

U₂ I₂ = U₁ I₁.

Отсюда следует

Пример: Однофазные потребители подключены к однофазному силовому трансформатору 10/0,23 кВ. У такого трансформатора К_Т ≈ 43,5. При нагрузке на вторичной обмотке I₂ = 43,5 А, ток в первичной обмотке будет

I₁ = 1 А. Если ток вторичной обмотки возрастет до I₂ = 87 А, то в первичной обмотке ток возрастет до I₁ = 2 А.

Вывод: У силового трансформатора во сколько раз изменяется вторичный ток, во столько же раз изменяется первичный ток.

При одинаковой плотности тока в первичной и вторичной обмотках j(А/мм²) сечение провода первичной обмотки у понижающего трансформатора во много раз меньше сечения провода вторичной обмотки. У повышающего силового трансформатора наоборот.

F₁ < F₂.

Для передачи электроэнергии на большие расстояния с целью экономии цветного металла необходимо напряжение увеличивать, тогда для передачи одинаковой мощности потребуется меньшее сечение проводов линии электропередачи, и можно увеличивать дальность передачи электроэнергии. По мере приближения к потребителю уровень напряжения в сети снижается до 380/220 В. Так рекомендуемый радиус прокладки проводов на напряжении 0.38 кВ — 500 м; для прокладки проводов на 10 кВ — 15 км; для 35 кВ — 40 км.

4.2. Трехфазные трансформаторы

В электрических сетях обнофазные трансформаторы применяются при передачи мощности до 10 кВА. Если три однофазных трансформатора объединить, то получим трехфазный трансформатор. У такого трансформатора магнитопровод содержит три стержня, соединенные между собой ярмом сверху и снизу. На каждом стержне располагается первичная и вторичная обмотки. Магнитопровод с обмотками обычно погружают в бак с трансформаторным маслом для обеспечения хорошей изоляции между отмотками, между витками обмоток, а также для охлаждения. Реже используются сухие трансформаторы с воздушным охлаждением обмоток.

Начала и концы обмоток высшего напряжения обозначаются прописными буквами А -Х, В – Y, С – Z, а выводы обмоток низшего напряжения обозначаются a – x, b – y, c – z. Обмотки соединяются между собой звездой или треугольником. Такие соединения обозначаются Y или ∆. Обозначение Y/∆ соответствует соединению обмотки одного напряжения в звезду, а другой в треугольник.

Чтобы не устанавливать отдельный трансформатор на каждое рабочее напряжение, экономически выгодно на одном трансформаторе иметь несколько вторичных обмоток с различным числом витков. На районных подстанциях электрических сетей устанавливают трансформаторы 110/35/ 10 кВ с соединением обмоток Y/ Y/∆. Такие трансформаторы называются трехобмоточными.

Эти векторы напряжений, преобразуясь по величине во всех трансформаторах и поворачиваясь во всех фазах на один и тот же угол в случае использования трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник» или «звезда – зигзаг» поступают на выходные клеммы потребительского трансформатора, вторичная обмотка которого соединена в «звезду с нулевым проводом». Между нулевым проводом и фазными проводами получим фазные напряжения, мгновенные значения которых вычисляются по тем же формулам, что и ЭДС

; ;

Если представить в виде векторов, то они сдвинуты друг относительно друга на 120⁰. На рис.4.6. изображены векторы, когда ωt = π/2. При подключении нагрузки (сопротивлений) под действием этих напряжений будет протекать токи. Если подключим активно-индуктивную нагрузку, например, три одинаковые стиральные машины с асинхронными двигателями, то ток в каждой фазе будет отставать от соответствующего напряжения на угол φ (рис. 3.7). Часть напряжения каждой фазы будет теряться в питающих проводах, поэтому, если на выводах трансформатора напряжение составляло 230 В, то на вводах двигателе напряжение будет, например, 220 В. Но углы между векторами напряжений останутся прежние

4.5. Система передачи электроэнергии

К боль­шинству потребителей электроэнергия поступает от генераторов энергосистем через несколько трансформаторов. Каждый трансформа­тор рассчитывается на пропуск полного потока мощности, поэто­му установленная мощность всех трансформаторов энергосистем всег­да намного больше мощности генераторов. От места выработки электроэнергии на генераторах электростанций уровень напряжения в трансформаторах сначала увеличивается, чтобы уменьшить потери мощности, энергии и напряжения в сетях. Все генераторы электростанций объединены между собой в единую систему на высоком напряжении U_СИС 220…750 кВ. Часть потребителей вблизи электростанций получает электроэнергию с от распределительного устройства генераторного напряжения РУ_ГЕН. Высокое напряжение 10…750 кВ через несколько трансформаторов уменьшается до зна­чения, удобного для использования потребителями. Большинству сельскохозяйствен­ных потребителей необходимо два уровня напряжения 380 и 220 В. Эти напряжения потребители получают примерно по следующей логической цепочке преоб­разования напряжения (кВ) от генераторов энергосистем:

20 Þ 500 Þ 220 Þ 110 Þ 35 Þ 10 Þ 0,38/0,22

В этой логической цепочке прослеживается 6 ступеней транс­формации. Опуская промежуточные преобразования напряжения, покажем подключение потребителей к электрической системе (рис.1.1).

Рис.4.2. Система передачи электроэнергии потребителям

Дополнительные нагрузки к сети напряжением 380 В подключаются параллельно существующим. Это приводит к уменьшению общего сопротивле­ния нагрузки потребителей и увеличению тока на низкой стороне транс­форматора Т_n (I_НН). Соответственно увеличивается ток на стороне высокого напряжения трансформатора Т_n (I_ВН). Если ток на стороне 0,4 кВ трансформатора увеличился на 100 А, то на стороне 10 кВ ток увеличится с учетом коэффициента трансформации на 4 А. Это объясняется прин­ципом действия этого аппарата. Первичная и вторичная обмотки двух­обмоточного трансформатора рассчитываются на пропуск одного и того же потока мощности. Без учета потерь энергии в обмотках и магнитопроводе преобразование энергии в трансформаторе происходит в соответствии с формулой полной трехфазной мощности для каждой обмотки. Потери активной и реактивной мощностей в трансформаторе составляют несколько процентов, поэтому можно приближенно считать, что мощность, подключенная ко вторичной обмотке S_нагр.2 равна мощности, подводимой к первичной обмотке S_нагр.1

S_нагр.1 = S_нагр.2 = U_Л1 I_нагр.1 = U_Л2 I_нагр.2,

где S_нагр.1, S_нагр.2, I_нагр.1, I_нагр.2 — мощности и токи нагрузки, протекающие по обмоткам трансформатора;

U _Л1, U_Л2 — линейные (междуфазные U_МФ) напряжения между выводами обмоток трансформатора.

Напря­жения и токи, подводимые к первичной и вторичной обмоткам, отличаются в коэффици­ент трансформации (K_т) раз в любом режиме работы трансформатора. (Примеры) Когда трехфазные обмотки высокого и низкого напряжений трансформатора соединены по схемам "звезда-звезда", то коэффициент трансформации равен отношению числа витков обмоток высокого и низкого напряже­ния W₁ и W₂ с учетом того, что

K_т = U_Л1/ U_Л2 = U_Ф1/ U_Ф2 = I_нагр.2/ I_нагр.1 = W₁/ W₂,

где U_Ф1, U_Ф2 — фазные напряжения на обмотках трансформатора

Из приведенных формул следует, что при протекании одного и того же потока мощности с увеличением напряжения ток в обмотке уменьшается. Это позволяет использовать меньшие сечения проводов обмотки. Уменьшаются и габа­риты трансформаторов. Снижение тока позволяет уменьшить и сече­ние проводов линий электропередачи, что удешевляет передачу электроэнергии на большие расстояния.

При подключении нагрузки ко вторичной обмотке потребительского трансформатора через промежуточные трансфор­маторы ток преобразуется и, в конечном итоге, с уменьшением соп­ротивления нагрузки увеличится ток, вытекающий из обмотки статора генератора. Отсюда следует, что изменение нагрузки у потребителей ока­зывает влияние на работу генераторов электростанций.

4.5. Выбор сечения проводов

Выбор сечения проводов осуществляется несколькими способами: по допустимой потере напряжения, по экономическим интервалам, по экономической плотности тока. Но наибольшее распростанение получил способ выбора сечений проводов по допустимому нагреву. Этот способ самый простой, но необходимо иметь таблицы допустимых токовых нагрузок на провода.

В проводниках с током по закону Джоуля-Ленца выделяется тепловая энергия. Величина выделившегося тепла пропорциональна квадрату протекающего тока. Предельная температура, до которой допускается нагрев в зависимости от типа изоляции и способов прокладки проводов составляет 65 и 70⁰ С. Провода линий электропередачи выбирают по экономическим соображениям, по потере напряжения. Для выбора сечений проводов по нагреву пользуются таблицами, в которых приведены длительные допустимые токи в зависимости от сечения, материала, способов прокладки (табл.1).

Таблица 1 — Допустимый длительный ток для проводов и шнуров

с поливинилхлоридной и резиновой изоляцией

Сече-ние жи-лы, мм2	Токовые нагрузки, А, на провода
Проложены открыто	Проложены в трубе
С медными жилами	С алюминиев. жилами
C Сu жил	С Al жи	Два 1-жильных	Четыре 1-жильных	Один 3-жильный	Два одножильных	Четыре 1-жильных	Один 3-жил
0,5
0,75
		-
1,5		-			14,5
2,0
2,5
4,0
6,0

Выбор сечения проводов по этому методу очень простой, для этого необходимо выполнить условие

I_ТАБЛ = I_ДОП ≥ I_РАСЧ,

где I_РАСЧ,— расчетный ток на участке сети.

Если в комнате одновременно включаются на 220 В компьютер Р_К = 300 Вт, утюг Р_У = 1200 Вт и лампа Р_Л = 100 Вт, то общий потребляемый ток равен

I_РАСЧ = (Р_К + Р_У + Р_Л)/ U_НОМ; I_РАСЧ = (300 + 1200 + 100)/220 = 7,3 А

Такой ток способен пропустить медный провод сечением 2 мм² с I_ДОП=20 А. Меньшее сечение не допускается по механической прочности проводов при монтаже.

Из таблицы следует, что алюминиевые провода сечением менее 2,5 мм² не выпускаются по механической прочности. Величина допустимого тока зависит от условий охлаждения. При открытой прокладке проводов в воздухе допустимый по нагреву ток наибольший. В трубах условия охлаждения ухудшаются, поэтому допустимые токи снижаются.

Таблица составлена для температуры окружающей среды 15⁰С. С увеличением температуры среды токовые нагрузки необходимо снижать. Для других сечений проводов и кабелей необходимо пользоваться другими таблицами, которые приведены в ПУЭ.

Если для защиты электропроводки в квартире установлен автоматический выключатель с номинальным током 16 А, то необходимо прокладывать медные провода сечением не менее 2,0 мм², а алюминиевые — 2,5 мм². Тогда при перегрузках раньше сработает автоматический выключатель, чем расплавится изоляция проводов. По этой причине для слаботочных потребителей, запитанные сечением медных проводов, например, 1 мм² желательно устанавливать защиту с меньшим током, что и выполняется при подключении компьютеров.