Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  
  

 

Электроснабжение, Электрические сети и системы

Потери и падение напряжения - в чем различия

 

Потери и падение напряжения - в чем различия В обычной жизни человека слова «потери» и «падение» применяются для обозначения факта снижения определенных достижений, но обозначают разную величину.

При этом «потерями» обозначает утрату части, ущерб, уменьшение количества достигнутого ранее уровня. Потери нежелательны, но с ними можно мириться.

Под словом «падение» понимается более серьёзный урон, связанный с полным лишением прав. Таким образом, даже иногда происходящие потери (скажем, кошелька) со временем могут привести к падению (например, уровня материальной жизни).

В этом плане рассмотрим этот вопрос по отношению к напряжению электрической сети.

Как образуется потери и падение напряжения

Электроэнергия на большие расстояния передается по воздушным линиям от одной подстанции к другой.

Провода ВЛ рассчитаны на передачу допустимой мощности и изготавливаются из металлических жил определенного материала и сечения. Они создают активную нагрузку с величиной сопротивления R и реактивную — X.

На приемной стороне стоит трансформатор, преобразующий электроэнергию. Его обмотки обладают активным и ярко выраженным индуктивным сопротивлением XL. Вторичная сторона трансформатора понижает напряжение и передает его дальше потребителям, нагрузка которых выражается величиной Z и носит активный, емкостной и индуктивный характер. Она тоже оказывает влияние на электрические параметры сети.

Напряжение, приложенное на провода ближайшей к передающей электроэнергию подстанции опоре ВЛ, преодолевает реактивное и активное сопротивление цепи в каждой фазе и создает в ней ток, вектор которого отклоняется от вектора приложенного напряжения на угол φ.

Характер распределения напряжений и протекания токов по линии для симметричного режима нагрузки показан на картинке.

Нагрузка на воздушной ЛЭП

Поскольку каждая фаза линии питает разное количество потребителей, которые к тому же случайным порядком отключаются или подключаются в работу, то идеально сбалансировать фазную нагрузку технически очень сложно. В ней всегда есть небаланс, который определяется векторным сложением токов фаз и записывается величиной 3I0. В большинстве расчетов им просто пренебрегают.

Энергия, затраченная передающей подстанцией, частично расходуется на преодоление сопротивления линии и доходит до приемной стороны с небольшими изменениями. Эта доля характеризуется потерей и падением напряжения, вектор которого немного уменьшается по амплитуде и сдвигается по углу в каждой фазе.

Как рассчитываются потери и падение 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.

Схема замещения трехфазной системы однофазными схемами

В приведенных схемах активное R и реактивное X сопротивление каждого провода линии подключаются последовательно к комплексному сопротивлению нагрузки Zн, характеризуемой углом φ.

Далее проводится расчет потери и падения напряжения в одной фазе. Для этого надо задать данные. С этой целью выбирается подстанция, принимающая энергию, на которой уже должна быть определена допустимая нагрузка.

Величина напряжения каждой высоковольтной системы уже задана справочниками, а сопротивления проводов определяются по их длине, поперечному сечению, материалу и конфигурации сети. Максимальный ток в цепи задан и ограничен свойствами проводников.

Поэтому для начала вычислений мы имеем: U2, R, X, Z, I, φ.

Последовательность расчета вектора U1

Берем одну фазу, например, «А» и откладываем для нее на комплексной плоскости вектора U2 и I, сдвинутые на угол φ, как показано на рисунке 1. Разность потенциалов на активном сопротивлении провода совпадает по направлению с током, а по величине определяется выражением I∙R. Этот вектор откладываем от окончания U2 (Рис. 2).

Разность потенциалов на реактивном сопротивлении провода отличается от направления тока на угол φ1 и вычисляется произведением I∙X. Откладываем его от вектора I∙R (Рис. 3).

Напоминания: за положительное направления вращения векторов на комплексной плоскости принято движение, противоположное ходу часовой стрелки. Ток, проходящий через индуктивную нагрузку, отстает по углу от приложенного напряжения.

На рисунке 4 показано вычерчивание векторов разности потенциалов на общем сопротивлении провода I∙Z и напряжения на входе в схему U1.

Теперь можно сравнивать вектора на входе в схему замещения и на нагрузке. Для этого расположим полученную диаграмму горизонтально (Рис. 5) и из начала координат проведем дугу с радиусом модуля U1 до пересечения с направлением вектора U2 (Рис. 6).

Падение и потери напряжения

На рисунке 7 показано увеличение треугольника для наглядности и проведение вспомогательных линий, обозначение характерных точек пересечения буквами.

Внизу картинки показано, что получившийся вектор ac называют падением напряжения, а ab — потерями. Они отличаются по величине и направлению. Если вернуться к исходному масштабу, то будет видно, что ас получен в результате геометрического вычитания векторов (U2 из U1), а ab — арифметического. Этот процесс показан на картинке ниже (Рис. 8).

Геометрическое и арифметическое вычитание векторов

Вывод формул для расчета потери напряжения

Теперь вернемся к рисунку 7 и обратим внимание, что отрезок bd очень маленький. По этой причине при расчетах им пренебрегают, а потери напряжения рассчитывают 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

Считая нагрузку симметричной во всех фазах (условно пренебрегая 3I0) можно математическими методами вычислить потери напряжения в линии.

∆Uл=√3I∙(R∙cosφ+x∙sinφ)

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

∆Uл=(P∙r+Q∙x)/Uн

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 приложенной мощности;

  • величины приложенного напряжения.

Вывод формул для расчета поперечной составляющей падения напряжения

Вернемся к рисунку 7. Векторную величину ас можно представить гипотенузой прямоугольного треугольника acd. Катет ad мы уже вычислили. Определим поперечную составляющую cd.

На рисунке видно, что cd=cf-df.

df=ce=I∙R∙sin φ.

cf=I∙x∙cos φ.

cd=I∙x∙cosφ-I∙R∙sinφ.

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

δU=√3I∙(x∙cosφ-r∙sinφ)= (P∙x-Q∙r)/Uн.

Определение формулы для расчета напряжения U1 в начале ЛЭП

Зная величину напряжения на конце линии U2, потери ∆Uл и поперечную составляющую падения δU, можно вычислить по теореме Пифагора величину вектора U1. В развернутой форме она имеет следующий вид.

U1=√[(U2+(Pr+Qx)/Uн)2+((Px-Qr)/Uн)2].

Практическое применение

Расчет потерь напряжения выполняется инженерами 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 концам линий и сравнение полученных результатов методом простых расчетов. Этот способ актуален для устройств, к которым предъявляются повышенные требования, обусловленные необходимостью высокой точности работы.

Потери напряжения во вторичных цепях

Примером могут служить вторичные цепи измерительных трансформаторов напряжения, которые по длине иногда достигают нескольких сотен метров и передаются специальным силовым кабелем увеличенного сечения.

Принцип измерения высоковольтного напряжения

К электрическим характеристикам такого кабеля предъявляются повышенные требования по качеству передачи напряжения.

Современные защиты электротехнических объектов требуют работу измерительных систем с высокими метрологическими показателями и классом точности 0,5 или даже 0,2. Поэтому потери подводимого к ним напряжения необходимо контролировать и учитывать. Иначе вводимая ими погрешность в работу оборудования может существенно влиять на все эксплуатационные характеристики.

Потери напряжения внутри протяженных кабельных линий

Особенность конструкции длинного кабеля состоит в том, что он обладает емкостным сопротивлением за счет довольно близкого расположения токопроводящих жил и тонкого слоя изоляции между ними. Оно дополнительно отклоняет проходящий через кабель вектор тока и изменяет его величину.

Влияние снижения напряжения на емкостном сопротивлении необходимо учесть в расчете для изменения величины I∙z. В остальном описанная выше технология не меняется.

В статье приведены примеры потерь и падения напряжения на воздушных линиях электропередач и кабелях. Однако, они происходят во всех потребителях электроэнергии, включая электродвигатели, трансформаторы, индуктивности, конденсаторные установки и другие устройства.

Величина потерь напряжения для каждого вида электрооборудования законодательно регламентирована применительно к условиям эксплуатации, а принцип их определения во всех электрических схемах действует одинаково.



Статьи близкие по теме:
  • Расчеты для улучшения коэффициента мощности в трехфазной сети
  • Расчет потенциометра и сложного шунта
  • Аккумуляторы. Примеры расчетов
  • Сила тяги электромагнитов
  • Падение напряжения



  • Школа для электрика | Основы электротехники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электромонтажные работы | Пусконаладочные работы | Эксплуатация электрооборудования

    Статьи и схемы

    » Школа для электрика
    » Электричество для чайников
    » Электробезопасность
    » Электрические схемы
    » Электроснабжение
    » Основы электротехники
    » Основы электроники
    » Электрические машины
    » Электрические аппараты
    » Автоматизация производственных процессов
    » Альтернативная энергетика
    » Заземление и молниезащита
    » Монтаж электрооборудования
    » Наладка электрооборудования
    » Релейная защита и автоматика
    » Ремонт электрооборудования
    » Экономия электроэнергии
    » Эксплуатация электрооборудования
    » Электрические измерения
    » Электрические системы и сети
    » Электрические станции и подстанции
    » Электрическое освещение
    » Электрооборудование промышленных предприятий
    » Электропривод
    » Электротехнические материалы
    » Электротехнология
    » Статьи на разные темы
    » Видеокурсы и другие обучающие материалы

    IEK: всё, что нужно для электромонтажа