K004367 Дипломная работа Определение и расчет потери и падения напряжения

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 5

1.1 Определение и расчет потери и падения напряжения 5

1.2 Нормы отклонения напряжения 10

1.3 Влияние отклонений напряжения 12

1.4 Способы снижения потерь 19

1.4.1 Оптимизациясхемных режимов 19

1.4.2 Перевод электрической сети (участков сети) на более высокий класс напряжения 20

1.4.3 Компенсация реактивной мощности 21

1.4.4 Встречное регулирование напряжения 26

1.4.4.1 Принципы встречного регулирования 26

1.4.4.2 Способы регулирования напряжения в трансформаторе 29

1.4.5 Снижение расхода электроэнергии на «собственные нужды» электроустановок 32

ГЛАВА 2. ВАРИАНТЫ ЗАДАЧ 34

2.1 Задачи на расчет потерь напряжения 34

ГЛАВА 3. ПРИМЕРЫ 40

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 45

ВВЕДЕНИЕ

Тенденции к повышению качества образования, увеличение разнообразия, роли самостоятельной работы обучающихся и совершенствования процесса обучения являются характерными чертами модернизации образования в России. Цель информатизации – это создание условий для развития личности, ее самоопределения и самореализации. Образовательный процесс в учебном заведении направлен на достижение этой цели.

Значительную методическую работу проводят предметные комиссии или кафедры, которая направлена на создание учебно-методических материалов, позволяющих:

- преподавателю применять более эффективные, оптимальные методы и приемы работы или освоить новые технологии в обучении;

- студентам эффективно осуществлять учебную деятельность (изучить конкретный вопрос или тему, быстрее произвести расчеты, подготовиться к контрольной работе, экзамену, зачету и т.д.);

- учебному заведению повысить качество профессиональной подготовки специалистов.

Учебно-методическое обеспечение образовательного процесса должно быть как можно более разнообразным, соответствовать всевозможным образовательным программам, создаваться для всех видов учебной деятельности обучающихся и отличаться комплексностью.

От вида учебно-методического материала зависят требования к содержанию учебно-методических комплексов, но объединять их должен комплексный подход. Это означает, что учебно-методическое обеcпечение дисциплины, раздела, темы,  предcтавляется в виде некоторого комплекcа, который в той или иной форме должен:

- отражать содержание подготовки по специальности, дисциплины или раздела, модуля и т.п., обоснование уровня усвоения;

- содержать дидактический материал, адекватный организационной форме обучения и позволяющий студенту достигать требуемого уровня усвоения;

- представлять студенту возможность в любой момент времени проверить эффективность своего труда, самостоятельно проконтролировать себя и откорректировать свою учебную деятельность;

- максимально включать объективные методы контроля качества образования со стороны администрации и педагогов.

в приобретении и освоении передовых знаний как теоретического, так и практического характера.

В процессе  самостоятельной работы студент становится более организованным, овладевает навыками самоконтроля, самоуправления, и становится активным самостоятельным субъектом учебной деятельности.

Целью разработки и внедрения учебно-методического пособия является оказание практической помощи обучающимся в организации самостоятельной внеаудиторной работы,  в приобретении и освоении передовых знаний как теоретического, так и практического характера.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Определение и расчет потери и падения напряжения

Электроэнергия на большие расстояния передается по воздушным линиям от одной подстанции к другой.  Провода ЛЭП рассчитаны на передачу допустимой мощности и изготавливаются из металлических жил определенного материала и сечения. ЛЭП обладает множеством равномерно распределённых вдоль неё бесконечно малых активных и реактивных сопротивлений и проводимостей. Точный их учёт необходим при расчёте длинных линий (ВЛ больше 300 км, для КЛ больше 50 км). В практических расчётах ограничиваются упрощёнными методами и считают, что ЛЭП обладает не распределёнными, а сосредоточенными сопротивлениями и проводимостями. Энергия, от передающей подстанции, частично расходуется на преодоление сопротивления линии и доходит до приемной стороны с небольшими изменениями. Эта доля характеризуется потерей и падением напряжения.

Для понимания процессов, происходящих при передаче электроэнергии, удобна векторная форма представления основных характеристик. Различные математические методы расчета также базируются на этом способе.

Чтобы упростить вычисления в трехфазной системе ее представляют тремя однофазными схемами замещения. Этот способ хорошо работает при симметричной нагрузке и позволяет анализировать процессы при ее нарушениях.

Рисунок 1 - Однофазная схема замещения линии

Рассмотрим векторную диаграмму одну фазу и откладываем для нее на комплексной плоскости вектора U_2 и I, сдвинутые на угол φ, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Векторная диаграмма

Разность потенциалов на активном сопротивлении провода совпадает по направлению с током, а по величине определяется выражением I∙R. Этот вектор откладываем от окончания U_2 (рис. 2).

Разность потенциалов на реактивном сопротивлении провода отличается от направления тока на угол φ_1 и вычисляется произведением I∙X. Откладываем его от вектора I∙R (рис. 1).

На рисунке 2  показано построение векторов разности потенциалов на общем сопротивлении провода I∙Z и напряжения на входе в схему U_1.

Теперь можно сравнивать вектора на входе в схему замещения и на нагрузке.

Рисунок 3 – Векторная диаграмма

Падение напряжения – геометрическая (векторная) разность между комплексами напряжений начала и конца линии. На рисунке 3 падение напряжения – это вектор ac, т.е.

(ac) ⃗=I∙Z= ▁(U_1 )-▁(U_2 )                                                                              (1.1)

Продольной составляющей падения напряжения ∆U_^к называют проекцию падения напряжения на действительную ось или на напряжение ▁(U_2 ),  ∆U_^к=ad на рисунке 3. Индекс «к» означает, что ∆U_^к - проекция на напряжение конца линии ▁(U_2 ).

Поперечная составляющая падения напряжения δU_^к - это проекция падения напряжения на мнимую ось δU_^к=cd на рисунке 3. Таким образом

▁(U_1 )-▁(U_2 )= ▁I∙▁Z  =∆U_^к+jδU_^к.                                    (1.2)

Потеря напряжения, определяется как алгебраическая разность между абсолютными величинами напряжений в начале и в конце линии. В линиях постоянного тока потеря напряжения равна падению напряжения, т.е. разность потенциалов между началом и концом линии. В линиях переменного тока потеря напряжения отличается от падения напряжения, определяемого геометрической разностью векторов напряжений в начале и в конце линии. На рисунке 3 это вектор ad.

Если поперечная составляющая  δU_^к мала (например, в сетях U_ном≤110 кВ), при расчетах им пренебрегают и можно приближенно считать, что потеря напряжения равна продольной составляющей падения напряжения и рассчитывать потери напряжения по длине отрезка ad. Он состоит из двух отрезков ae и ed.

Поскольку ae=I∙R∙cosφ, а ed=I∙x∙sinφ, то потери напряжения для одной фазы можно вычислить по формуле:

∆Uф=I∙R∙cosφ+I∙x∙sinφ.                                (1.3)

При симметричной нагрузке потеря напряжения в линии определяется следующим выражением:

〖∆U〗_л=√3I∙(R∙cosφ+x∙sinφ).                          (1.4)

Если правую часть этой формулы умножить и разделить на напряжение сети Uн, то получим формулу, позволяющую выполнять расчет потерь напряжения через мощности:

〖∆U〗_л=((P∙r+Q∙x))/U_н .                                              (1.5)

Величины активной P и реактивной Q мощностей можно снимать с показаний электросчетчиков линии.

Таким образом, потери напряжения в электрической схеме зависят от:

- активного и реактивного сопротивления цепи;

- составляющих передаваемой мощности;

- величины приложенного напряжения.

Векторную величину ас, по рисунку 3,  можно представить гипотенузой прямоугольного треугольника acd. Катет ad мы уже вычислили. Определим поперечную составляющую cd.

На рисунке видно, что

cd=cf-df;                                            (1.6)

df=ce=I∙R∙sin φ;                                    (1.7)

df=ce=I∙R∙sin φ;                                      (1.8)

cf=I∙x∙cos φ;                                          (1.9)

cd=I∙x∙cosφ-I∙R∙sinφ.                          (1.10)

Используя выведенные закономерности, проведем небольшие математические преобразования и получим поперечную составляющую падения напряжения

δU=√3 I∙(x∙cosφ-r∙sinφ)=((P∙x-Q∙r))/Uн.                   (1.11)

Зная величину напряжения на конце линии U_2, потери 〖∆U 〗_л и поперечную составляющую падения δU, можно вычислить по теореме Пифагора величину вектора U_1. В развернутой форме она имеет следующий вид:

U_1=√([(U_2+((Pr+Qx))/U_н )^2+(((Px-Qr))/U_н )^2 ] ).                  (1.12)

Расчет потерь напряжения выполняется на стадии создания проекта электрической схемы для оптимального выбора конфигурации сети и составляющих ее элементов.

В процессе эксплуатации электроустановок при необходимости могут периодически проводиться одновременные замеры векторов напряжений на концах линий и сравнение полученных результатов с помощью расчетов. Этот способ актуален для устройств, к которым предъявляются повышенные требования, обусловленные необходимостью высокой точности работы.

          1.2 Нормы отклонения напряжения

Пределы допустимых потерь напряжения определены по экономическому критерию (наименьшим приведенным затратам).  При этом в большинстве случаев суммарные потери напряжения не выходят за пределы допустимых по ПУЭ. Однако для весьма протяженных линий и высоких зданий и при значительном удалении от трансформаторной подстанции (что возможно в редких случаях) суммарные потери напряжения могут оказаться выше допустимых. В этих случаях их следует пропорционально уменьшить до пределов, предусмотренных ПУЭ.

Падение напряжения между источником питания установки потребителя и оборудованием не должно быть более приведенного в таблице 1.

Таблица 1 – Падение напряжения между источником питания установки потребителя и оборудованием

Тип установки Освещение, % Другие пользователи

А - Установки низкого напряжения, питающиеся непосредственно от общей системы электроснабжения общего пользования. 3 5

В - Установки низкого напряжения, питающиеся от индивидуального источника электроснабжения. 6 8

Когда длина электропроводки более чем 100 м, эти падения напряжения могут быть увеличены на 0,005 % на метр электропроводки вне 100 м, но не более, чем на 0,5 %.

Падение напряжения определяется в зависимости от характеристик применяемого оборудования, с учетом различных факторов его применения или в зависимости от значения расчетного тока цепи. [11, с. 68]

Отклонения напряжения от номинального на зажимах силовых электроприемников и наиболее удаленных ламп электрического освещения не должны превышать в нормальном режиме ±5 %, а предельно допустимые в послеаварийном режиме при наибольших расчетных нагрузках - ±10 %.

В сетях напряжением 12-50 В (считая от источника питания, например понижающего трансформатора) отклонения напряжения разрешается принимать до 10 %. Для ряда электроприемников (аппараты управления, электродвигатели) допускается снижение напряжения в пусковых режимах в пределах значений, регламентированных для данных электроприемников, но не более 15 %.

С учетом регламентированных отклонений от номинального значения суммарные потери напряжения от шин 0,4 кВ ТП до наиболее удаленной лампы общего освещения в жилых и общественных зданиях не должны, как правило, превышать 7,5 %. Размах изменений напряжения на зажимах электроприемников при пуске электродвигателя не должен превышать значений, установленных в ГОСТ 13109-97. [12, с. 47]

Предварительный выбор сечений проводов и кабелей допускается производить исходя из средних значений предельных потерь напряжения в нормальном режиме: в сетях 10(6) кВ не более 6 %, в сетях 0,38 кВ (от ТП до вводов в здания) не более 4-6 %. Большие значения относятся к линиям, питающим здания с меньшей потерей напряжения во внутридомовых сетях (малоэтажные и односекционные здания), меньшие значения - к линиям, питающим здания с большей потерей напряжения во внутридомовых сетях (многоэтажные многосекционные жилые здания, крупные общественные здания и учреждения).[14, с. 22]

1.3 Влияние отклонений напряжения

Отклонения напряжения характеризуются показателем установившегося отклонения текущего значения напряжения от номинального значения:

〖δU〗_уст=(U-U_ном)/U_ном  100%.                                              (1.13)

Наиболее распространенными приемниками электрической энергии, в промышленности, являются асинхронные двигатели, и отклонения напряжения оказывают существенное влияние на их работу.

Рисунок 4 - Механическая характеристика двигателя при номинальном (М_1) и пониженном (М_2) напряжениях.

При увеличении напряжения возрастает магнитный поток и, как следствие, ток холостого хода и магнитные потери в стали магнитопровода увеличиваются. По этой причине КПД и cosφ двигателя становятся меньше. Так как пропорционально квадрату напряжения изменяется максимальный вращающий момент двигателя при снижении напряжения и при большом моменте нагрузки может произойти нарушение устойчивости двигателя.

При снижении напряжения, когда двигатель недогружен, и угрозы нарушения устойчивости нет, могут возрасти КПД и cosφ, так как как пропорционально напряжению уменьшаются магнитный поток Ф_m, ток холостого хода и магнитные потери в стали магнитопровода.

Изменение напряжения влияет на механическую характеристику асинхронного двигателя. На рисунке 4 показана зависимость вращающего момента двигателя М от скольжения s. Из формулы (1.14) видно, что вращающий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения на его выводах.

M_max=1/2∙(3pU^2)/2πf(r_1+x_1+〖x^'〗_2 ) .                           (1.14)

где f — частота напряжения питающей сети (стандартная частота равна 50 Гц); р — число пар полюсов обмотки машины; 〖x^'〗_2 - приведенное реактивное сопротивление обмотки ротора; x_1 - индуктивное сопротивление обмотки статора; r_1 - активное сопротивление статора.[6, с. 46]

Так как при снижении напряжения увеличивается скольжение  двигателя, вращающий момент и частота вращения ротора, уменьшаются. Снижение частоты вращения также зависит от  изменения момента сопротивления M_с (на рис. 4 M_с принят постоянным) и от загрузки двигателя. Зависимость частоты вращения ротора  от напряжения можно выразить:

n=n_c (1-k_з  (U_ном^2)/U^2  S_ном );                                  (1.15)

где n_с — синхронная частота вращения; k_з — коэффициент загрузки двигателя; U_ном, S_ном — номинальные значения напряжения и скольжения соответственно.

Из формулы (1.15) видно, что при малых загрузках двигателя частота вращения ротора будет больше номинальной частоты вращения (при номинальной загрузке двигателя). В таких случаях понижения напряжения не приводят к уменьшению производительности технологического оборудования, так как снижения частоты вращения двигателей ниже номинальной не происходит.

Для двигателей, работающих с полной нагрузкой, понижение напряжения приводит к уменьшению частоты вращения. Если производительность механизмов зависит от частоты вращения двигателя, то на выводах таких двигателей рекомендуется поддерживать напряжение не ниже номинального. При значительном снижении напряжения на выводах двигателей, работающих с полной нагрузкой, момент сопротивления механизма может превысить вращающий момент, что приводит к «опрокидыванию» двигателя, т.е. к его остановке. Во избежание повреждений двигатель необходимо отключить от сети.

Снижение напряжения ухудшает и условия пуска двигателя, так как при этом уменьшается его пусковой момент.

Практический интерес представляет зависимость потребляемой двигателем активной и реактивной мощности от напряжения на его выводах.

В случае снижения напряжения на зажимах двигателя реактивная мощность намагничивания уменьшается (на 2-3 % при снижении напряжения на 1 %), при той же потребляемой мощности увеличивается ток двигателя, что вызывает перегрев изоляции.

Если двигатель длительно работает при пониженном напряжении, то из-за ускоренного износа изоляции срок службы двигателя уменьшается. Приближенно срок службы изоляции Т можно определить по формуле:

T=T_ном/R;                                                           (1.16)

где Tном — срок службы изоляции двигателя при номинальном напряжении и номинальной нагрузке; R — коэффициент, зависящий от значения и знака отклонения напряжения, а также от коэффициента загрузки двигателя и равный :

R=(47∙δU^2-7,55∙δU+1)∙k_3^2,  при — 0,2 < δUy < 0;    (1.17)

R=k_3^2  при 0,2 ≥ δUy > 0;                                  (1.18)

Поэтому с точки зрения нагрева двигателя более опасны в рассматриваемых пределах отрицательные отклонения напряжения.

Снижение напряжения приводит также к заметному росту реактивной мощности, теряемой в реактивных сопротивлениях рассеяния линий, трансформаторов и АД.

Повышение напряжения на выводах двигателя приводит к увеличению потребляемой ими реактивной мощности. При этом удельное потребление реактивной мощности растет с уменьшением коэффициента загрузки двигателя. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3 % и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода двигателя), что в свою очередь приводит к увеличению потерь активной мощности в элементах электрической сети.

Лампы накаливания характеризуются номинальными параметрами: потребляемой мощностью P_ном , световым потоком F_ном , световой отдачей η_ном (равной отношению излучаемого лампой светового потока к ее мощности) и средним номинальным сроком службы Tном .