Наружный покров защищает броню от коррозии. Представляет собой джутовое покрытие, пропитанное битумной массой

При повышении напряжения слой изоляции нужно увеличивать. Это не выгодно. Поэтому при напряжении 35 кВ и выше кабели выполняются с отдельно освинцованными или экранированными жилами. И электрическое, и тепловое поля – радиальные (рис. 3.5 б).

Кабели с вязкой пропиткой имеют существенный недостаток: после снятия токовой нагрузки, т.е. при остывании в кабеле появляются газовые включения. Это связано с тем, что коэффициент линейного расширения кабельной массы значительно больше коэффициента линейного расширения изолирующей бумаги. Диэлектрическая прочность газовых включений меньше в несколько раз, чем у бумаги. При повышении напряженности электрического поля это может привести к пробою изоляции.

Чтобы избежать этого при напряжениях 10 – 110 кВ применяют газонаполненные кабели. Это освинцованные кабели. Фазная изоляция выполняется из обедненно-пропитанной бумаги. Кабель находится под небольшим избыточным давлением (0,1 – 0,3 МПа) инертного газа (азота). Это повышает изолирующие свойства бумаги. Постоянство давления обеспечивается непрерывной подпиткой газа.

При напряжении 110 – 500 кВ используются маслонаполненные кабели. Жилые выполняют полыми и заполняют их маловязким очищенным маслом под давлением до 1,6 МПа. Избыточное давление исключает возможность образования пустот в изоляции кабеля, что увеличивает его электрическую прочность. В зависимости от величины давления различают маслонаполненные кабели высокого и низкого давления. Маслопроводящий канал через специальные муфты на трассе соединяется с баками давления.

Маркируются кабели по начальным буквам элементов, которые характеризуют их конструкцию:

· жила – буква А для алюминия, без обозначения для меди;

· оболочка – буква А для алюминия, С – для свинца, В – для поливинилхлорида, Н – для резины, П – для полиэтилена;

· броня – буква Б для стальных лент, П – для плоских освинцованных проволок, К – для круглых освинцованных проволок, Г – для кабелей без брони и защитного слоя.

Если кабели выполняются с отдельно освинцованными жилами, то в маркировке указывается буква О.

Для маслонаполненных кабелей низкого давления перед основной аббревиатурой указывают буквы МН, а для кабелей высокого давления – МВД.

После аббревиатуры указывают количество жил и сечение жил в мм².

Например, ААБ-3 х 120 – трехжильный алюминиевый кабель с алюминиевой оболочкой и броней из свинца с сечением жил 120 мм²; СБ-3 х 95 трехжильный медный кабель со свинцовыми оболочкой и броней сечением жил 95 мм².

Лекция № 4

Схемы замещения и параметры элементов электрических сетей

План.

8. Активное сопротивление.

9. Реактивное сопротивление.

10. Активная проводимость.

11. Реактивная проводимость.

12. Схема замещения ЛЭП.

В состав электрической сети входят различные по назначению и конструкции элементы (ЛЭП, трансформаторы и т.д.). Но на каждом из участков её можно охарактеризовать одинаковым набором параметров, отражающих свойства элементов и различающихся между собой только количественно.

Каждый элемент электрической сети представляется в виде схемы замещения. Расчётная схема электрической сети, таким образом, образуются в результате объединения схем замещения отдельных элементов с учётом последовательности соединения их в сеть.

Любая ЛЭП, строго говоря, обладает большим количеством равномерно распределённых вдоль неё бесконечно малых активных и реактивных сопротивлений и проводимостей. Точный их учёт необходим при расчёте длинных линий (ВЛЭП больше 300 км, для КЛЭП больше 50 км). В практических расчётах ограничиваются упрощёнными методами и считают, что ЛЭП обладает не распределёнными, а сосредоточенными сопротивлениями и проводимостями.

Активное сопротивление

Активное сопротивление зависит от материала, сечения и температуры. Активное сопротивление обусловливает тепловые потери проводов и кабелей. Определяется материалом токоведущих проводников и площадью их сечения.

Различают сопротивление проводника постоянному току (омическое) и переменному току (активное). Активное сопротивление больше активного (R_а > R_ом) из-за поверхностного эффекта. Переменное магнитное поле внутри проводника вызывает противоэлектродвижущую силу, благодаря которой происходит перераспределение тока по сечению проводника. Ток из центральной его части вытесняется к поверхности. Таким образом, ток в центральной части провода меньше, чем у поверхности, то есть сопротивление провода возрастает по сравнению с омическим. Поверхностный эффект резко проявляется при токах высокой частоты, а также в стальных проводах (из-за высокой магнитной проницаемости стали).

Для ЛЭП, выполненных из цветного металла, поверхностный эффект на промышленных частотах незначителен. Следовательно, R_а ≈ R_ом.

Обычно влиянием колебания температуры на R_а проводника в расчётах пренебрегают. Исключение составляют тепловые расчеты проводников. Пересчет величины сопротивления выполняют по формуле:

где R₂₀ – активное сопротивление при температуре 20^о;

текущее значение температуры.

Активное сопротивление зависит от материала проводника и сечения:

где ρ –удельное сопротивление, Ом мм²/км;

l – длина проводника, км;

F – сечение проводника, мм².

Сопротивление одного километра проводника называют погонным сопротивлением:

где удельная проводимость материала проводника, км См/мм².

Для меди γ_Cu=53×10^{-3 км См/мм2}, для алюминия γ_Al=31.7×10^{-3 км См/мм2}.

На практике значение r₀ определяют по соответствующим таблицам, где они указаны для t⁰=20⁰С.

Величина активного сопротивления участка сети рассчитывается:

R = r₀×l.

Активное сопротивление стальных проводов намного больше омического из-за поверхностного эффекта и наличия дополнительных потерь на гистерезис (перемагничивание) и от вихревых токов в стали:

r₀ = r_0пост + r_0доп,

где r_0пост – омическое сопротивление одного километра провода;

r_0доп – активное сопротивление, которое определяется переменным магнитным полем внутри проводника, r_0доп = r_{0поверх.эф} + r_{0гистер.} + r_0вихр.

Изменение активного сопротивления стальных проводников показано на рисунке 4.1.

При малых величинах тока индукция прямо пропорциональна току. Следовательно, r₀ увеличивается. Затем наступает магнитное насыщение: индукция и r₀ практически не изменяются. При дальнейшем увеличении тока r₀ уменьшается из-за снижения магнитной проницаемости стали (m).

Зависимость r₀= f(F) имеет вид (см. рис. 4.2):

Из рис. 4.2 видно, что при малых значениях сечения r₀ имеет большое значение. При увеличении сечения величина r₀ уменьшается.

Индуктивное сопротивление

Переменный ток, проходя по проводу, образует вокруг него переменное магнитное поле, которое наводит в проводнике ЭДС обратного направления (ЭДС самоиндукции). Сопротивление току, обусловленное противодействием ЭДС самоиндукции, называется реактивным индуктивным сопротивлением.

Величина реактивного индуктивного сопротивления зависит как от значения тока в собственном проводе, так и от величины токов в соседних проводах. Чем дальше расположены фазные провода линии, тем меньше влияние соседних проводов – поток рассеяния и индуктивное сопротивление увеличиваются.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние диаметр провода, магнитная проницаемость (m) и частота переменного тока. Величина погонного индуктивного сопротивления рассчитывается по формуле:

(4.1)

где w – угловая частота;

m – магнитная проницаемость;

среднегеометрическое расстояние между фазами ЛЭП;

радиус провода.

Погонное индуктивное сопротивление состоит из двух составляющих и . Величина называется внешним индуктивным сопротивлением. Обусловлено внешним магнитным полем и зависит только от геометрических размеров ЛЭП. Величина называется внутренним индуктивным сопротивлением. Обусловлено внутренним магнитным полем и зависит только от m, то есть от тока проходящего по проводнику.

Среднегеометрическое расстояние между фазными проводами рассчитывается по формуле:

.

На рис. 1.3 показано возможное расположение проводов на опоре.

При расположении проводов в одной плоскости (рис. 4.3 а, б) формула для расчета D_ср упрощается:

Если же провода расположены в вершинах равностороннего треугольника, то D_ср = D_.

Для ВЛЭП напряжением 6-10 кВ расстояние между проводами составляет 1-1,5 м; напряжением 35 кВ – 2-4 м; напряжением 110 кВ – 4-7 м; напряжением 220 кВ – 7-9м.

При f = 50Гц значение w =2×p×f = 3,14 1/с. Тогда формула (4.1) записывается следующим образом:

Для проводников выполненных из цветного металла (медь, алюминий) m = 1.

На ЛЭП высокого напряжения (330 кВ и выше) применяют расщепление фазы на несколько проводов. На напряжении 330 кВ обычно используют 2 провода в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 19%). На напряжении 500 кВ обычно используют 3 провода в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 28%). На напряжении 750 кВ используют 4-6 проводов в фазе (индуктивное сопротивление снижается приблизительно на 33%).

Величина погонного индуктивного сопротивления при расщепленной конструкции фазы рассчитывается как:

где n – количество проводов в фазе;

R_{пр экв} – эквивалентный радиус провода.

При n = 2, 3

где а – шаг расщепления (среднегеометрическое расстояние между проводами в фазе);

R_пр – радиус провода.

При большем количестве проводов в фазе их располагают по окружности ( см. рис. 4.4). В этом случае величина эквивалентного радиуса провода равна:

где r_p – радиус расщепления.

Величина погонного индуктивного сопротивления зависит от радиуса провода, и практически не зависит от сечения (рис. 4.5).

Величина x₀ уменьшается при увеличении радиуса провода. Чем меньше средний диаметр провода, тем больше x₀, так как в меньшей степени влияют соседние провода, уменьшается ЭДС самоиндукции. Влияние второй цепи для двухцепных ЛЭП проявляется мало, поэтому им пренебрегают.

Индуктивное сопротивление кабеля намного меньше чем у воздушных ЛЭП из-за меньших расстояний между фазами. В ряде случаев им можно пренебречь. Сравним погонное индуктивное кабельных и воздушных линий разных напряжений:

Номинальное напряжение, кВ	КЛЭП	ВЛЭП
	0,06	0,31
	0,125	0,4

Величина реактивного сопротивления участка сети рассчитывается:

Х = х₀×l.

Активная проводимость

Активная проводимость (G) обусловлена потерями активной мощности в диэлектриках. Ее величина зависит от:

· тока утечки по изоляторам (малы, можно пренебречь);

· потерь мощности на корону.

Активная проводимость приводит к потерям активной мощности в режиме холостого хода ВЛЭП. Потери мощности на корону (DR_кор) обусловлены ионизацией воздуха вокруг проводов. Когда напряжённость электрического поля у провода становится больше электрической прочности воздуха (21,2кВ/см), на поверхности провода образуются электрические разряды. Из-за неровностей поверхности многопроволочных проводов, загрязнений и заусениц разряды появляются вначале только в отдельных точках провода – местная корона. По мере повышения напряжённости корона распространяется на большую поверхность провода и в конечном счёте охватывает провод целиком по всей длине – общая корона.

Потери мощности на корону зависят от погодных условий. Наибольшие потери мощности на корону происходят при различных атмосферных осадках. Например, на воздушных ЛЭП напряжением 330¸750кВ DR_кор при снеге повышаются на 14%, дожде – на 47%, изморози – на 107% по сравнению с потерями при хорошей погоде. Корона вызывает коррозию проводов, создаёт помехи на линиях связи и радиопомехи.

Величину потерь мощности на корону можно рассчитать по формуле:

кВт/км

где коэффициент, учитывающий барометрическое давление;

U_ф, U_{кор ф} – соответственно фазные рабочее напряжение ЛЭП и напряжение, при котором возникает корона.

Начальная напряжённость (в хорошую погоду), при которой возникает общая корона рассчитывается по формуле Пика:

кВ/см

где m – коэффициент негладкости привода;

R_пр – радиус провода, см;

коэффициент, учитывающий барометрическое давление.

Для гладких цилиндрических проводов значение m = 1, для многопроволочных проводов – m = 0,82¸0,92.

Величина δ рассчитывается по формуле:

,

где Р – давление, мм ртутного столба;

температура воздуха, ⁰C.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре 20 ⁰C d = 1. Для районов с умеренным климатом среднегодовое значение d равно 1,05.

Рабочая напряженность при нормальных условиях работы ЛЭП определяется по формулам:

· для нерасщепленной фазы

кВ/см

· для расщепленной фазы

, кВ/см

где U_экс – среднее эксплуатационное (линейное) напряжение.

Если величина эксплуатационного напряжения неизвестна, то считают, что U_экс = U_ном.

Величина рабочей напряженности на фазах разная. В расчетах принимается величина наибольшей напряжённости:

E_max = k_расп×k_расщ E,

где k_расп – коэффициент, учитывающий расположение проводов на опоре;

k_расщ – коэффициент, учитывающий конструкцию фазы.

Для проводов, расположенных в вершинах равностороннего треугольника или близкого к нему, k_расп = 1. Для проводов, расположенных в горизонтально или вертикально, k_расп = 1,05 – 1,07.

Для нерасщепленной фазы k_расщ = 1. При расщепленной конструкции фазы коэффициент k_расщ рассчитывается по формулам:

· при n = 2

· при n = 3

Напряжение, при котором возникает корона, рассчитывается по формуле:

Чтобы повысить U_кор нужно снизить E_max. Для этого нужно увеличить либо радиус провода R_пр либо D_ср. В первом случае эффективно расщеплять провода в фазе. Увеличение D_ср приводит к значительному изменению габаритов ЛЭП. Мероприятие малоэффективно, так как D_ср находится под знаком логарифма.

Если E_max > E₀, то работа ЛЭП является неэкономичной из-за потерь мощности на корону. Согласно ПУЭ, корона на проводах отсутствует, если выполняется условие:

E_max £ 0,9 E₀ (m =0,82, d = 1).

При проектировании выбор сечений проводов выполняют таким образом, чтобы короны в хорошую погоду, не было. Так как увеличение радиуса провода является основным средством снижения DP_кор, то установлены минимально допустимые сечения по условиям короны: при напряжении 110 кВ – 70мм², при напряжении 150 кВ – 120мм², при напряжении 220 кВ – 240мм².

Величина погонной активной проводимости рассчитывается по формуле:

, См/км.

Активная проводимость участка сети находится следующим образом:

При расчете установившихся режимов сетей напряжением до 220кВ активная проводимость не учитывается – увеличение радиуса провода снижает потери мощности на корону практически до нуля. При U_ном ³ 330кВ увеличение радиуса провода приводит к значительному удорожанию ЛЭП. Поэтому в таких сетях расщепляют фазу и учитывают в расчетах активную проводимость.

В кабельных ЛЭП расчет активной проводимости выполняется по тем же формулам, что и для воздушной ЛЭП. Природа потерь активной мощности иная.

В кабельных линиях DP вызываются явлениями, происходящими в кабеле за счет тока абсорбции. Для КЛЭП диэлектрические потери указываются заводом – изготовителем. Диэлектрические потери в КЛЭП учитываются при U ³ 35 кВ.

Реактивная (ёмкостная проводимость)

Реактивная проводимость обусловлена наличием емкости между фазами и между фазами и землей, так как любую пару проводов можно рассматривать как конденсатор.

Для ВЛЭП величина погонной реактивной проводимости рассчитывается по формулам:

· для нерасщепленных проводов

, См/км;

· для расщеплённых проводов

Расщепление увеличивает b₀ на 21¸33%.

Для КЛЭП величина погонной проводимости чаще рассчитывается по формуле:

b₀ = w×C₀.

Величина емкости C₀ приводится в справочной литературе для различных марок кабеля.

Реактивная проводимость участка сети рассчитывается по формуле:

В = b₀×l.

У воздушных ЛЭП значение b₀ значительно меньше, чем у кабельных ЛЭП, мало, так как D_{ср ВЛЭП} >> D_{ср КЛЭП}.

Под действием напряжения в проводимостях протекает ёмкостный ток (ток смещения или зарядный ток):

I_c=В×U_ф.

Величина этого тока определяет потери реактивной мощности в реактивной проводимости или зарядную мощность ЛЭП:

В районных сетях зарядные токи соизмеримы с рабочими токами. При U_ном = 110 кВ, величина Q_с составляет около 10% от передаваемой активной мощности, при U_ном = 220 кВ – Q_с ≈ 30% Р. Поэтому ее нужно учитывать в расчетах. В сети номинальным напряжением до 35 кВ величиной Q_с можно пренебречь.

Схема замещения ЛЭП

Итак, ЛЭП характеризуется активным сопротивлением R_л, реактивным сопротивлением линии х_л, активной проводимостью G_л, реактивной проводимостью В_л. В расчетах ЛЭП может быть представлена симметричными П- и Т- образными схемами (рис. 4.6).

П – образная схема применяется чаще.

В зависимости от класса напряжения теми или иными параметрами полной схемы замещения можно пренебречь (см. рис. 4.7):

· ВЛЭП напряжением до 220 кВ (DР_кор » 0);

· ВЛЭП напряжением до 35кВ (DР_кор » 0, DQ_c » 0);

· КЛЭП напряжением 35кВ (реактивное сопротивление » 0)

· КЛЭП напряжением 20 кВ (реактивное сопротивление » 0, диэлектрические потери » 0);

· КЛЭП напряжением до 10 кВ (реактивное сопротивление » 0, диэлектрические потери » 0, DQ_c » 0).

Лекция № 5