Общие сведения об электроснабжении
Отдельные электростанции (ЭС) связаны линиями электропередачи (ЛЭП), работают на общую сеть, образуя энергетические системы (Мосэнерго, Ленэнерго, Оренбургэнерго и т.д), которые совместно снабжают электроэнергией потребителей.
Объединение ЭС в энергосистемы удешевляет электрическую энергию (ЭЭ) и обеспечивает бесперебойность электроснабжения потребителей, т.к. выработка ЭЭ, ее передача потребителям (электроприемникам) и расходование происходит одновременно и выработанную ЭЭ нельзя запасти на складах.
Значит, ЭС должны иметь достаточный резерв мощности, чтобы в любое время удовлетворить спрос потребителей. А этот спрос резко изменяется не только в течение суток, но и в разные времена года.
Зимой темнеет раньше, чем летом. Поэтому лампы включают раньше и горят они дольше.
В сельском хозяйстве ЭЭ в больших количествах нужна именно летом во время полевых работ. Наконец, на востоке светлеет и темнеет раньше, чем на западе, следовательно, максимальные нагрузки восточных и западных ЭС не совпадают. При совместной работе ЭС они помогают друг другу, загружаются более равномерно и их КПД выше.
На ЭС, работающих изолированно от энергосистемы, нельзя применять агрегаты большой мощности, т.к. выход из строя одного из них сразу же парализует работу многих предприятий, лишает целые районы света, грозит остановкой электротранспорта, водопровода и т.д.
В энергосистемах нет причин отказываться от агрегатов большой мощности, т.к. нагрузку вышедшего из строя агрегата подхватывают другие. Агрегаты большой мощности перегружаются незначительно и намного экономичнее.
На пути от ЭС к потребителям электроэнергия претерпевает изменения – она трансформируется с одного уровня напряжения на другой. При мер трансформации для небольшого участка энергосистемы показан на рисунке 13.1.
Сначала напряжение, например, 10500 В, получаемое от генератора 1 ЭС, повышается трансформатором 2, и при напряжении 110000 В идет передача ЭЭ по ЛЭП 3 на расстояние 100... 150 км. Затем, на районной подстанции трансформатором 4 напряжение снижается до 10500 В и по подземному кабелю 5 поступает на трансформаторную подстанцию, находящуюся в непосредственной близости от потребителей. На этой подстанции трансформатор 6 понижает напряжение до уровня 220.. .380 В.
Каждому напряжению соответствуют определенные способы выполнения электропроводки, т.к. чем выше напряжение, тем изолировать провода труднее.
Например, в квартирах, где напряжение не выше 220 В, проводку выполняют в резиновой или пластмассовой изоляции. Эти провода просты по устройству и дешевле. Дороже и сложнее устроен кабель, проложенный между трансформаторами 4 и 6 (рис.13.1).
1– генератор ЭС; 2 – повышающий трансформатор; 3 – линия электропередачи; 4 – понижающий трансформатор; 5 - подземный кабель; 6 – трансформаторная подстанция потребителя
Рисунок 13.1. – Участок энергосистемы: ЭС – ЛЭП – потребитель
На рисунке 12.2 изображены опоры для воздушных ЛЭП напряжениями 500, 220, 110, 35, и 10 кВ. Они приведены в одном масштабе. Из рисунка видно, как увеличиваются размеры и усложняются конструкции с ростом напряжения.
Опора ЛЭП-500 кВ имеет высоту семиэтажного дома. Высота подвеса проводов 27 м, расстояние между проводами 10,5 м длина гирлянды изоляторов более 5 м. Высота опор через реки достигает 70 м. Но 500 кВ это не предел.
Сложно и дорого оборудование высоковольтных подстанций. Высота выключателя около 10 м, масса примерно 10 т, и для его работы нужно давление 2000 кПа (1 атм ≈ 100 кПа).
Очевидно, что на повышение напряжения, связанное с огромными затратами средств, идут в силу острой необходимости уменьшения потерь электроэнергии в ЛЭП.
Рисунок 13.2. – Опоры воздушных ЛЭП разных напряжений
Действительно из-за того, что провода ЛЭП имеют резистивное сопротивление Rл, ток их нагревает. А так как эта теплота рассеивается и не может быть использована, энергия, затрачиваемая на нагревание, представляет собой потери.
Эффективным способом снижения потерь в ЛЭП является снижение силы тока I, т.к. мощность потерь Рп при этом резко снижается в соответствии с формулой:
(13.1)
А чтобы передаваемая мощность, равная
осталась неизменной, необходимо одновременно со снижением силы тока повышать напряжение U линии.
Например, если ток снизить в 100 раз, то напряжение необходимо повысить так же в 100 раз. При этом потери снизятся в соответствии с (13.1) в десять тысяч раз.
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
Общие сведения
Электрический ток (ЭТ), при прохождении через человеческое тело, оказывает поражающее действие на организм. Это происходит при соприкосновении с отдельными частями электроустановок, находящихся под напряжением.
Степень поражения ЭТ зависит от длительности и частоты тока. Наиболее опасным является ток промышленной частоты (50 Гц), сила которого в 0,05 А и более является смертельной.
Наиболее опасное поражение возникает, когда ток проходит через мозг или сердце.
Сила тока I, проходящего через тело человека, попавшего под напряжение U, определяется согласно закону Ома сопротивлением Rч тела человека:
Сопротивление человека изменяется в широких пределах – от нескольких тысяч до нескольких сотен Ом, т.к. оно зависит от многих факторов: состояния кожного покрова, площади поверхности соприкосновения тела с токоведущими частями и т.д.
Наименьшее сопротивление человек имеет в сырой запыленной среде, при высокой температуре окружающей среды, когда все тело покрыто потом и загрязнено. Поэтому даже низкие напряжения могут быть опасными для человека.
Так, например, при Rч = 600 Ом опасным является напряжение
B.
На практике в наиболее тяжелых условиях можно считать безопасным напряжение ниже 12 В, в сухих, мало загрязненных помещениях – ниже 36 В.
По степени опасности все помещения делятся на три категории: без повышенной опасности, с повышенной опасностью и особо опасные.
К первой категории относятся помещения сухие, отапливаемые, с токонепроводящими полами и относительной влажностью 60%.
В помещениях с повышенной опасностью имеют место высокая влажность (более 75%), токопроводящие полы и температура выше плюс 30 °С.
Особо опасными являются помещения с влажностью, близкой к 100%, с химически активной средой и т.п.
Токопроводящими считаются грязные или сырые деревянные, бетонные, железобетонные полы или полы из металлических плит. К непроводящим относятся сухие и чистые деревянные полы.
Безопасные условия эксплуатации электротехнических устройств обеспечиваются рядом мероприятий, предусмотренных техникой безопасности. Основными из них являются:
а) защита с помощью соответствующих ограждений всех токоведущих частей;
б) сооружение защитного заземления или зануления элементов оборудования, нормально не находящихся под напряжением, но могущих в аварийных случаях попасть под напряжение;
в) применение изолирующих подставок, резиновых рукавиц и бот, изолирующих штанг и т.п.
Защитное заземление
Защитное заземление (33) предназначено для того, чтобы снизить значение напряжения на корпусах заземленного электрооборудования до уровня, безопасного для человека.
Защитное заземление применяется в случае, когда заводские сети трехфазного тока бывают трехпроводными, т.е. при отсутствии нейтрального провода. При этом нейтраль N трансформатора трехпроводной сети изолирована (не соединена с землей) (рис. 14.1).
На рисунке 14.1 изображены производственный механизм (ПМ) 1, двигатель 2, прикрепленный с помощью фланца к механизму, заводская трехфазная сеть 3 и емкости СА, СВ, и СС между каждым из линейных проводов сети и землей.
Провод сети и земля играют роль обкладок конденсатора, между которыми находится изолятор (воздух).
При значительной протяженности заводской сети, емкости СА, СВ, и СС оказываются значительными, а емкостное сопротивление 
соизмеримым с сопротивлением Rч тела человека.
В нормальных условиях все токоведущие части ПМ и двигателя изолированы от металлического корпуса и соприкосновение человека с ПМ не представляет опасности.
Однако в случае пробоя изоляции электрический провод соединится с корпусом ПМ, и человек, коснувшийся этого корпуса, окажется соединенным с одним из проводов электрической сети (рис. 14.1, с проводом А). В результате этого образуется замкнутый контур (рис. 14.1, фазаА – Rч –земля – СВ – фазаВ), сила тока в котором в основном зависит от изоляции между ногами человека и землей. Если пол влажный и хорошо соединен с землей, то человек окажется под линейным напряжением Uл (рис. 14.1 напряжение UАВ), под действием которого по человеку протечет ток
где R – сопротивление пола и других элементов, соединенных последовательно с телом человека, Ом.
В результате человек может быть поражен током.
Для устранения такой опасности корпус ПМ надежно соединяют с землей – заземляют (рис.14.1,б).
Заземлитель 3 уложен в земле и имеет с ней хороший контакт. В этом случае тело человека и заземлитель оказываются включенными параллельно.
Рисунок 14.1. – Схемы электрической цепи при пробое изоляции и попадании человека под напряжение при отсутствии заземления (а) и при наличии заземления (б)
При выполнении заземления добиваются, чтобы его сопротивление Rз было во много раз меньше внутреннего сопротивления источника. Обычно Rз составляет 0,5... 10 Ом в зависимости от уровня напряжения и мощности источника питания.
При возникновении однофазных замыканий на корпус источник питания работает в режиме короткого замыкания и по нему и заземлителю протекает большой ток Iкз, что приводит к значительному падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника и напряжения на зажимах источника, а, следовательно, на корпусах оборудования снижается до безопасного уровня в соответствие законом Ома для полной цепи:
где 
– комплекс напряжения на зажимах источника, В;
– комплексное значение ЭДС источника, В;
– внутреннее сопротивление источника, Ом;
– комплекс тока короткого замыкания на землю, А.
Зануление
Зануление выполняется в четырехпроводной системе трехфазного тока и имеет ту же цель, что и заземление.
Зануление корпусов оборудования производится путем их присоединения к нейтральному проводу.
Пробой изоляции в этом случае приводит к короткому замыканию, что вызывает сгорание плавких предохранителей и отключение поврежденного участка.
Зануление и заземление обязательно во всех производственных помещениях, где напряжение 127 В и выше, за исключением сухих конторских помещений с деревянным полом, где заземление и зануление обязательно лишь при напряжении 380 В и выше.
Заземлению и занулению подлежат корпуса двигателей, станины станков, конструкции распределительных устройств, осветительная арматура, корпуса и магнитопроводы трансформаторов и т.п.
Конструкция заземлителя
Устройство заземляющего устройства (ЗУ) определяется удельным сопротивлением грунта и геометрическими размерами заземлителя.
ЗУ, состоящее из одиночного заземлителя, имеет значительное сопротивление и неблагоприятный характер распределения напряженности электрического поля в зоне растекания тока короткого замыкания. Поэтому ЗУ состоит из нескольких заземлителей. При этом общее сопротивление ЗУ снижается и определяется по формуле
где Rоз – сопротивление одиночного заземлителя, Ом;
п – число заземлителей;
η – коэффициент использования заземлителей, определяемый по графикам и таблицам в зависимости от конструкции ЗУ.
При расчете ЗУ необходимо знать удельное сопротивление грунта в том месте, где будет проходить заземляющая линия и где заложены зазем-лители. На нефтяных промыслах, например, грунт может оказаться пропитанным нефтью, в результате чего его удельное сопротивление резко возрастает, и необходимое сопротивление ЗУ 4... 10 Ом получить трудно. В таких случаях забивают заземлители в более глубокие слои грунта, не пропитанные нефтью или относят их в другое более отдаленное место. Аналогичные меры применяют в районах со скалистым грунтом, в районах вечной мерзлоты и т.п.
При сооружении ЗУ необходимо максимально использовать имеющиеся естественные заземлители: металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие соединения с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле; обсадные труды; водопроводные и другие металлические трубопроводы (кроме трубопроводов горючих жидкостей, горячей воды, а также горючих или взрывчатых газов и т.д.).
В качестве искусственных заземлителей рекомендуется применять вертикальные стальные трубы либо горизонтально проложенные стальные полосы. Стальные трубы диаметром 38...50 мм, длиной 2...3 м и толщиной стенок не менее 3,5 мм забивают в землю на глубину от поверхности земли до верхнего конца трубы 0,5...0,8 м. Для уменьшения взаимного экранирования труб их следует располагать на расстоянии друг от друга не менее одной длины трубы. Вместо труб допускается использовать круглую сталь диаметром не менее 25 мм или уголковую сталь 20x30x3 мм.
Для создания полосовых заземлителей применяют стальные полосы шириной 20...40 мм и толщиной не менее 4 мм, укладываемые в траншеи глубиной 0,5...0,8 м. Такие же полосы применяют для соединения друг с другом трубчатых заземлителей. Полосы соединяют между собой и с трубами заземлителей сваркой.
Каждый заземляемый элемент установки присоединяют к ЗУ или заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления.
Последовательное включение в заземляющий провод нескольких заземляемых участков не допускается, т.к. при таком соединении в случае обрыва заземляющего ответвления все заземляемые участки окажутся не-заземленными.
Площадь сечения заземляющих проводников должна удовлетворять требованиям Правил устройства электроустановок (обычно не менее 24 мм2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 1999. – 542с.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Высшая школа, 2000.
3. Кузовкин В.А. Теоретическая электротехника: Учебник. – М.: Университетская книга, Логос, 2005. – 480 с: ил.
4. Мурзин Ю.М., Волков Ю.И. Электротехника: Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2007.
5. Электротехника и электроника / Под ред. В.Г. Герасимова (в 3-х томах). – М.: Энергоатомиздат, 1996-1998, том 1.
6. Электротехника: Учебное пособие для вузов. – В 3-х книгах. Книга 1. Теория электрических и магнитных цепей. Электрические измерения / Под ред. П.А. Бутырина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003.
7. Электротехника: Учебное пособие для вузов. – В 3-х книгах. Книга 2. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004.
8. Электротехника: Учебное пособие для вузов. – В 3-х книгах. Книга 3. Электроприводы. Электроснабжение / Под ред. П.А. Бутырина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005.
СОДЕРЖАНИЕ
1 Основные понятия и определения…………………………………………..4
1.1 Общие сведения……………………………………………………….…4
1.2 Резистивные элементы…………………………………………………..5
1.3 Индуктивный и емкостный элементы………………………………….8
1.4 Источники постоянного напряжения…………………………………..9
2 Электрические цепи постоянного тока……………………………………10
2.1 Общие сведения………………………………………………................10
2.2 Законы Киргофа…………………………………………………………12
2.2.1 Первый закон Киргофа………………………………………………...12
2.2.2 Второй закон Киргофа…………………………………………………13
2.3 Распределение потенциала вдоль электрической цепи………………14
2.4 Последовательное и параллельное соединение резистивных элементов………………………………………………………………………..15
2.4.1 Последовательное соединение……………………………………….15
2.4.2 Параллельное соединение…………………………………………….16
2.5 Соединение резисторов треугольником и звездой……………………17
2.6 Электрическая энергия и мощность……………………………………19
2.7 Номинальные величины источников и приемников. Режимы работы электрических цепей……………………………………………………20
2.8 Нелинейные электрические цепи постоянного тока………………….21
2.9 Магнитные цепи………………………………………………………...26
3 Линейные однофазные электрические цепи синусоидального тока….36
3.1 Основные величины, характеризующие синусоидальный ток, напряжение и ЭДС…………………………………………………………………36
3.1.1 Мгновенное значение…………………………………………………36
3.1.2 Действующее и среднее значения……………………………………39
3.1.3 Изображение синусоидальных токов, напряжений и ЭДС комплексными числами и векторами………………………………………………41
3.2 Элементы электрических цепей синусоидального тока………………43
3.2.1 Резистивный элемент………………………………………………….43
3.2.2 Индуктивный элемент………………………………………………...45
3.2.3 Емкостной элемент……………………………………………………47
3.3 Расчет неразветвленной электрической цепи синусоидального тока...50
3.4 Мощность в линейных цепях синусоидального тока………………….53
3.5 Переходные процессы в электрических цепях…………………………55
4 Трехфазные линейные электрические цепи синусоидального тока…63
4.1 Трехфазный источник электрической энергии………………………...63
4.2 Анализ электрических цепей при соединении трехфазного источника и приемника по схеме «звезда» с нулевым проводом……………………65
4.3 Соединение приемника по схеме «треугольник»……………………...68
4.4 Мощность трехфазной цепи…………………………………………….70
4.4.1 Трехфазная электрическая цепь с симметричным приемником…...70
5 Электромагнитные устройства…………………………………………...71
5.1 Выключатели, кнопки и клавиши………………………………………71
5.2 Электрические контакты………………………………………………...73
5.3 Электромагниты………………………………………………………….75
5.4 Контакторы……………………………………………………………….77
5.5 Электромагнитные реле………………………………………………….78
6 Трансформаторы……………………………………………………………80
6.1 Общие сведения…………………………………………………………..80
6.2 Принципы действия трансформатора…………………………………..82
6.3 Работа трансформатора в режиме холостого хода……………………..84
6.4 Опыт короткого замыкания……………………………………………...87
6.5 Мощность потерь в трансформаторе…………………………………...89
6.6 Автотрансформаторы…………………………………………………….90
7 Электрические машины…………………………………………………...92
7.1 Общие сведения…………………………………………………………..92
7.2 Вращающееся магнитное поле…………………………………………..93
7.3 Асинхронные машины…………………………………………………...95
7.3.1 Принцип действия асинхронного двигателя………………………...95
7.3.2 Устройство асинхронного двигателя………………………………...97
7.3.3 Характеристики асинхронного двигателя…………………………...98
7.3.4 Контакторное управление асинхронными электродвигателями….100
7.4 Синхронные машины……………………………………………………102
7.4.1 Назначение и устройство синхронных машин…………………….102
7.4.2 Принципы действия синхронных машин…………………………..104
7.4.3 Основные характеристики синхронных генераторов……….…….105
8 Электроника……………………………………………………………….106
8.1 Общие сведения…………………………………………………………106
8.2 Полупроводниковые диоды…………………………………………….108
8.2.1 Полупроводниковые фотоэлектрические приборы………………..109
8.2.2 Транзисторы………………………………………………………….114
8.2.3 Оптоэлектронные приборы………………………………………….116
8.2.4 Тиристоры…………………………………………………………….121
8.3 Выпрямители на полупроводниковых диодах……………………….126
8.3.1 Однополупериодное выпрямление………………………………….126
8.3.2 Двухполупериодное выпрямление………………………………….129
8.3.3 Трехфазные выпрямители…………………………………………...130
8.3.4 Управляемые выпрямители………………………………………….133
8.3.5 Стабилизаторы напряжения…………………………………………136
8.4 Усилители на транзисторах……………………………………………..147
8.4.1 Операционные усилители…………………………………………...149
9 Электрические измерения и приборы …………………..……………...156
9.1 Системы электрических измерительных приборов…………………157
9.2 Основные характеристики электрических измерительных приборов………………………………………………………………………..161
9.2.1 Статическая характеристика………………………………………..161
9.2.2 Погрешность…………………………………………………………162
9.2.3 Класс точности……………………………………………………….163
9.2.4 Вариация……………………………………………………………...164
9.2.5 Цена деления…………………………………………………………164
9.2.6 Предел измерения……………………………………………………164
9.2.7 Чувствительность…………………………………………………….165
9.3 Измерение тока, напряжения и мощности…………………………...165
9.3.1 Измерение тока……………………………………………………….165
9.3.2 Трансформатор тока…………………………………………………167
9.3.3 Измерение напряжения………………………………………………170
9.3.4 Измерение мощности………………………………………………...172
9.3.5 Электронно-лучевые осциллографы………………………………..173
9.3.6 Цифровые измерительные приборы (ЦИП)………………………..179
9.3.7 Технические характеристики ЦИП…………………………………183
9.3.8 Цифровые вольтметры……………………………………………….184
9.3.9 Использование ЦИП для измерения переменных напряжений…...188
10 Частотно-регулируемый привод (система ПЧ-АД)………………….190
10.1 Методы частотного регулирования………………………………….191
10.2 Краткие сведения о преобразователях частоты…………………….195
10.3 Принцип действия однофазного ПЧ…………………………………198
11 Электрооборудование…………………………………………………...201
11.1 Трансформаторные подстанции и распределительные устройства...201
11.2 Релейная защита и защита от атмосферных перенапряжений………202
12 Электротехнологии……………………………………………………....205
12.1 Электротермия…………………………………………………………205
12.2 Электрохимия…………………………………………………………..207
12.3 Электронно-ионная технология……………………………………….209
13 Системы электроснабжения…………………………………………….212
13.1 Общие сведения об электроснабжении……………………………….212
14 Электробезопасность…………………………………………………….215
14.1 Общие сведения………………………………………………………...215
14.2 Защитное заземление…………………………………………………..217
14.3 Зануление………………………………………………….……………220
14.4 Конструкция заземления………………………………………………220
Список литературы…………………..………………………….……………223