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

(r_л=2ℓ / _S). которое зависит от длины ее двух проводов (2ℓ), их попереч­ного сечения (_S) и удельной проводимости материала ( ).

Потребитель электроэнергии также обладает сопротивлением (r_п).

Величина тока во всех элементах такой цепи одна и та же (т.к. соединение последовательное) и определяется законом Ома:Δ

I=E / (r₀+ r_п+r_л)

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 = Ir_л

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 (r_п = 0). При этом
ток достигает максимальной величины, т.к. он ограничен только
сопротивлением линии ( I = U₁/r_л ). Всё напряжение и мощность,
поступающие от источника в линию, теряются в её проводах

U₁= ΔU_л = I r_л; P₁ = ΔР_л = Ir_л .

Это может вызвать возго­рание изоляции и оплавление проводов, т.е. режим короткого замы­кания - аварийный.

Согласованный режим достигается при равенстве (согласова­нии) сопротивлений линии и потребителя (r_л= r_п). Ток при этом равен половине тока короткого замыкания,

I = U₁/(r_л+ r_п) = 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

(ΔU_л= U₂ ; ΔР_л= P₂)

,

т.е. к.п.д. составля­ет 50%, т.к.

ή = P₂ / P₁ = P₂ / (P₂+ ΔР_л) = U₂ / (U ₂+ ΔU_л) =

= r_п / (r_п + r_л) = 1 / (1+ r_л / r_п)

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 (U_н, I_Н ) 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 =ΔU_л/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 r_п = ∞ (холостой ход) до r_п = 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:

ΔU_л= U₁ - U₂; Р₁= U₁ I; Р₂= U₂ I

ΔР_л= Р₁ - Р₂; ή = Р₂ / Р₁ = U₂ / U₁ ; ε =ΔU_л/U₁ х 100%.

где U₁, U₂ и ΔU_л -напряжение в начале и конце линии и потеря -напряжения;

Р₁ , Р₂ и Р_л -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