Исследование режимов работы линии электропередачи постоянного тока
Цель работы: Выявление особенностей электрического состояния линии передачи постоянного тока при всех возможных нагрузках и их сравнительная оценка.
Основные теоретические положения
Электрической цепью называется совокупность элементов, предназначенных для передачи электрической энергии или информации.
Необходимыми элементами цепи является:
источник, линия передачи и потребитель.
Схема такой простейшей электрической цепи представлена на рисунке.
И с т о ч н и к электроэнергии является активным элементом цепи, т.к. обладает электродвижущей силой (Е), а также внутренним сопротивлением ( r0 )./
Л и н и я, соединяющая источник с потребителем, является пассивным элементом и обладает только сопротивлением
(rл=2ℓ / S). которое зависит от длины ее двух проводов (2ℓ), их поперечного сечения (S) и удельной проводимости материала (
).
Потребитель электроэнергии также обладает сопротивлением (rп).
Величина тока во всех элементах такой цепи одна и та же (т.к. соединение последовательное) и определяется законом Ома:Δ
I=E / (r0+ rп+rл)
Так как на каждом участке цепи ток вызывает п а д е н и е
н а п р я ж е н и я (Ir), то напряжение в конце линии U2 будет меньше напряжения в ее начале U1 , т.е.
U2 -U1 = ΔU = Irл
Эту разность называет п о т е р е й н а п р я ж е н и я.
Поддержание постоянства напряжения в начале линии U1=const есть важнейшее условие ее нормальной работы.
Относительная потеря напряжения ε= ΔU / U , выраженная в процентах, показывает степень отклонения напряжения от установленной стандартной величины.
В зависимости от величины тока нагрузки в элементах цепи возможны различные электрические состояния или режимы
работы. Для линий электропередачи выделяют:
1.Режим холостого хода.
2.Режим короткого замыкания.
3.Согласованный режим.
4.Номинальный режим.
Режим холостого хода имеет место при отключенном потребителе, когда ток в линии отсутствует, а, следовательно, нет потерь напряжения и мощности. Таким образом, холостой ход не опасен для электрической цепи, но практически нецелесообразен.
Режим короткого замыкания (к.з.) возникает в линии, если
сопротивление в конце ее будет равно нулю (rп = 0). При этом
ток достигает максимальной величины, т.к. он ограничен только
сопротивлением линии ( I = U1/rл ). Всё напряжение и мощность,
поступающие от источника в линию, теряются в её проводах
U1= ΔUл = I rл; P1 = ΔРл = Irл .
Это может вызвать возгорание изоляции и оплавление проводов, т.е. режим короткого замыкания - аварийный.
Согласованный режим достигается при равенстве (согласовании) сопротивлений линии и потребителя (rл= rп). Ток при этом равен половине тока короткого замыкания,
I = U1/(rл+ rп) = Iк.з. /2
а мощность на потребителе достигает максимума и доставляет половину мощности, поступающей в линию (P2 = P1/2). Потери напряжения и мощности в линии равны соответственно напря- жению и мощности потребителя
(ΔUл= U2 ; ΔРл= P2)
,
т.е. к.п.д. составляет 50%, т.к.
ή = P2 / P1 = P2 / (P2+ ΔРл) = U2 / (U 2+ ΔUл) =
= rп / (rп + rл) = 1 / (1+ rл / rп)
электропередачи как неэкономичный. Однако для слаботочных линий связи и сигнализации (при передаче информации) согласованный режим является оптимальным, т.к. позволяет передать сигналы с минимальным искажением.
Номинальный режим линии осуществляется тогда, когда напряжение, ток и мощность в ней соответствуют тем величинам, на которые она рассчитана. При этих номинальных величинах (Uн, IН ) гарантируются наилучшие условия работы линия (экономичность, долговечность, безаварийность).
Чтобы отклонения напряжения от номинальной величины не превышали допустимых для потребителя значений, линии передачи рассчитывают как на допустимый нагрев, так и на допускаемую относительную потерю напряжения ε =ΔUл/U1 х 100%.
При проектировании линий электропередачи разного назначения эти отклонения должны находиться в таких пределах:
1) для внутренних осветительных сетей ε = (1...3)% ,
2) для заводских силовых сетей ε = (4...6)% ,
3) для питающих магистралей ε =5... 10)% .
Необходимое лабораторное оборудование
В данной работе источник электроэнергии смоделирован лабораторным автотрансформатором с выпрямителем; линия электропередачи - сдвоенным ползунковым реостатом, а потребитель (нагрузка) - ламповыми реостатами. Для измерения величины тока и напряжений используются амперметр и вольтметры магнитоэлектрической системы.
Порядок выполнения работы
I. Собрать электрическую цепь и проверить вместе с препода-
вателем. При этом напряжение в начале линии поддерживается постоянным U1 = 30 В, а сопротивление потребителя изменяют от rп = ∞ (холостой ход) до rп = 0 (короткое замыкание). Между этими крайними состояниями ток нагрузки наращивают , постепенно увеличивая число включенных ламп от I до 6. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу:
Условия опыта (нагрузка) | Измерено | Вычислено | |||||||
I | U1 | U2 | ΔU | Р1 | Р2 | ΔР | ή | ε | |
А | В | В | В | Вт | Вт | Вт | - | % | |
I.Холостой ход 2.Вкл. 1 лампа 3.Вкл. 2 лампа : : 8.Вкл. 6 лампа 9.Короткое замыкание |
Расчетные формулы:
ΔUл= U1 - U2; Р1= U1 I; Р2= U2 I
ΔРл= Р1 - Р2; ή = Р2 / Р1 = U2 / U1 ; ε =ΔUл/U1 х 100%.
где U1, U2 и ΔUл -напряжение в начале и конце линии и потеря -напряжения;
Р1 , Р2 и Рл -мощность в начале и конце линии и мощность потерь;
ή - кпд линии; ε - относительная потеря напряжения.
В отчете необходимо представить;
I. Технические данные приборов и оборудования.
2. Схему электрической цепи.
3.Таблицу с результатами измерений и вычислений.
4.Расчетные формулы.
5.Графики всех измеренных и вычисленных величии в зависимости от тока нагрузки (в одной системе координатных осей).
6.Краткие выводы.
Схема лабораторной установки
Лабораторная работа № 2