Сопротивления, проводимости и схемы замещения линий электросетей

Линии электросетей обладают активными и индуктивными сопротивлениями и активными и емкостными проводимостями, равномерно распределенными по их длине.

В практических электрических расчетах электросетей принято равномерно распределенные постоянные линии заменять сосредоточенными постоянными: активным r и индуктивным х сопротивлениями и активной g и емкостной b проводимостями. Соответствующая этому условию П-образная схема замещения линии приведена на рис. 1,а.

При расчетах местных электросетей напряжением 35 кв и ниже проводимости g и b можно не учитывать и применять более простую схему замещения, состоящую из последовательно соединенных активного и индуктивного сопротивлений (рис. 1,б).

Активное сопротивление линии определяют по формуле

где l— длина провода, м; s — сечение провода или жилы кабеля, ммг γ — удельная расчетная проводимость материала, м/ом-мм2.

Рис. 1. Схемы замещения линий: а — для районных электросетей; б — для местных электросетей.

Среднее расчетное значение удельной проводимости при температуре 20° С для однопроволочных и многопроволочных проводов с учетом их фактического сечения и увеличения длины при скрутке многопроволочных проводов равно для меди 53 м/ом∙мм2, для алюминия 32 м/ом∙мм2.

Активное сопротивление стальных проводов непостоянно. При увеличении тока по проводу возрастает поверхностный эффект, а следовательно, увеличивается активное сопротивление провода. Активное сопротивление стальных проводов определяют по экспериментальным кривым или таблицам в зависимости от величины протекающего по ним тока.

Индуктивное сопротивление линии. Если линия трехфазного тока выполнена с перестановкой (транспозицией) проводов, то при частоте 50 гц индуктивное сопротивление фазы на 1 км длины линии можно Определить по формуле

где: аср – среднее геометрическое расстояние между осями проводов

а1, а2 и а3 — расстояния между осями проводов разных фаз, d — наружный диаметр проводов, принимаемый по таблицам ГОСТ на провода; μ— относительная магнитная проницаемость металла провода; для проводов из цветного металла μ=1; х’0 — внешнее индуктивное сопротивление линии, обусловленное магнитным потоком вне провода; х»0 — внутреннее индуктивное сопротивление линии, обусловленное магнитным потоком, замыкающимся внутри провода.

Индуктивное сопротивление линии длиной l км

Индуктивные сопротивления х0 воздушных линий с проводами из цветного металла составляют в среднем 0,33—0,42 ом/км.

Линии напряжением 330—500 кв для снижения потерь на корону (см. ниже) выполняют не одним многопроволочным проводом большого диаметра, а двумя-тремя сталеалюминиевыми проводами на фазу, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. При этом индуктивное сопротивление линии существенно снижается. На рис. 2 показано подобное выполнение фазы линии 500 кв, где три провода расположены по вершинам равностороннего треугольника со сторонами 40 см. Провода фазы скреплены несколькими жесткими растяжками в пролете.

Применение нескольких проводов на фазу эквивалентно увеличению диаметра провода, что ведет к уменьшению индуктивного сопротивления линии. Последнее можно подсчитать по второй формуле, разделив второй член ее правой части на п и подставив вместо наружного диаметра d провода эквивалентный диаметр dэ определенный по формуле

где n — число проводов в одной фазе линии; асp—среднее геометрическое расстояние между проводами одной фазы.

При двух проводах на фазу индуктивное сопротивление линии снижается примерно на 15—20%, а при трех проводах—на 25—30%.

Суммарное сечение проводов фазы равно необходимому расчетному сечению, последнее как бы разделяют на два-три провода, поэтому такие линии принято условно называть линиями с расщепленными проводами.

Стальные провода обладают значительно большей величиной х0, так как магнитная проницаемость стали больше единицы и определяющим является второй член второй формулы, т. е. внутреннее индуктивное сопротивление х»0.

Рис. 2. Подвесная гирлянда с тремя расщепленными проводами одной фазы линии 500 кв.

Вследствие зависимости магнитной проницаемости стали от величины протекающего по проводу тока определение х»0 стальных проводов достаточно сложно. Поэтому в практических расчетах определяют х»0 стальных проводов по кривым или таблицам, полученным экспериментальным путем.

Индуктивные сопротивления трехжильных кабелей можно принимать, исходя из следующих средних значений:

Активная проводимость линии определяется потерями активной мощности в ее диэлектриках.

В воздушных линиях всех напряжений потери через изоляторы невелики даже в районах с сильно загрязненным воздухом, поэтому их не учитывают.

В воздушных линиях напряжением 110 кв и выше при определенных условиях возникает коронирование проводов, обусловленное интенсивной ионизацией окружающего провод воздуха и сопровождающееся фиолетовым свечением и характерным потрескиванием. Особенно интенсивно провода коронируют в сырую погоду. Наиболее радикальным средством снижения потерь мощности на корону является увеличение диаметра провода, так как с увеличением последнего напряженность электрического поля, а следовательно, и ионизация воздуха вблизи провода уменьшаются.

Для линий 110 кв диаметр провода из условий короны должен быть не менее 10— 11 мм (провода АС-50 и М-70), для линий 154 кв — не менее 14 мм (провод АС-95), а для линии 220 кв — не менее 22 мм (провод АС-240).

Потери активной мощности на коронирование в проводах воздушных линий 110—220 кв при указанных и больших диаметрах проводов незначительны (десятки киловатт на 1 км длины линии), поэтому в расчетах их не учитывают.

В линиях 330 и 500 кв применяют два или три провода на фазу, что, как указывалось ранее, эквивалентно увеличению диаметра провода, вследствие чего напряженность электрического поля вблизи проводов значительно снижается и провода коронируют незначительно.

В кабельных линиях 35 кв и ниже потери мощности в диэлектриках малы и их также не учитывают. В кабельных линиях 110 кв и выше потери в диэлектрике составляют несколько киловатт на 1 км длины.

Емкостная проводимость линии обусловлена емкостью между проводами и между проводами и землей.

С достаточной для практических расчетов точностью емкостную проводимость трехфазной воздушной линии можно определять по формуле

где С0 — рабочая емкость линии; ω — угловая частота переменного тока; аср и d — см. выше.

При этом не учитывают проводимость почвы и глубину возврата тока в земле и предполагают, что на линии выполнена перестановка проводов.

Для кабелей рабочую емкость определяют по заводским данным.

Проводимость линии длиной l км

Наличие емкости в линии обусловливает протекание емкостных токов. Емкостные токи опережают на 90° соответствующие фазные напряжения.

В действительных линиях с равномерно распределенными по длине постоянными емкостные токи неодинаковы вдоль длины линии, так как напряжение вдоль линии непостоянно по величине.

Емкостный ток в начале линии в предположении постоянного по величине напряжения

где Uф—фазное напряжение линии.

Емкостная мощность линии (мощность, генерируемая линией)

где U — междуфазное напряжение, кв.

Из третьей формулы следует, что емкостная проводимость линии мало зависит от расстояния между проводами и диаметра проводов. Мощность, генерируемая линией, сильно зависит от напряжения линии. Для воздушных линий 35 кв и ниже она весьма мала. Для линии 110 кв длиной 100 км Qc≈З Мвар. Для линии 220 кв длиной 100 км Qc≈13 Мвар. Наличие расщепленных проводов увеличивает емкость линии.

Емкостные токи кабельных сетей учитывают только при напряжениях 20 кв и выше.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое активное сопротивление

При прохождении тока в электрической цепи он подвергается противодействию ее отдельных частей, которое в электротехнике называется сопротивлением. Это приводит к потере части мощности. Чтобы правильно рассчитать параметры электрической цепи, нужно учитывать природу сопротивления и знать, в чем заключается действие различных его видов.

Что такое сопротивление

Ток, протекая через провода и различные радиодетали, тратит свою энергию. Это явление количественно выражается величиной сопротивления. В электротехнике его разделяют на активное и реактивное сопротивление. В первом случае при прохождении тока часть его энергии превращается в тепловой вид, а иногда и в другие (например, проявляется в химических реакциях). Величина активного сопротивления зависит от частоты переменного электротока и возрастает с ее увеличением.

Второй тип сопротивления имеет более сложную природу и возникает в момент включения или выключения потребителя электроэнергии в сеть переменного или постоянного тока. В цепи с реактивным сопротивлением энергия электрического тока частично превращается в другую форму, а затем переходит обратно, то есть, наблюдается периодический колебательный процесс. Полное сопротивление цепи включает в себя активный и реактивный типы, которые учитываются по особым правилам.

Виды сопротивления

В электротехнике рассматривается активное электрическое сопротивление, а также две разновидности реактивного: индуктивное и ёмкостное.

Активное сопротивление

Можно представить себе электрическую цепь, в которой к клеммам батарейки через провод последовательно присоединены резистор и электрическая лампочка. Если замкнуть провода, лампочка загорится. Можно использовать вольтметр или мультиметр в соответствующем режиме работы, с помощью которых измеряется разность потенциалов между двумя точками цепи.

Измерив напряжение между клеммами и сравнив его с тем, которое имеется на проводах подсоединённых к лампочке, можно увидеть, что последнее меньше. Это связано с падением напряжения на впаянной в цепь радиодетали. Последняя оказывает противодействие электрическому току, затрудняя его прохождение.

Активным сопротивлением обладает каждая деталь, через которую проходит ток. У металлических проводов оно очень маленькое. Чтобы узнать величину сопротивления радиодетали, нужно изучить обозначение на ее корпусе. Если из рассматриваемой электроцепи убрать резистор, то сила тока, проходящего через лампочку, увеличится.

Формула для расчета активного сопротивления соответствует закону Ома:

Для расчета активного сопротивления проводника формула будет другая:

где K-коэффициент поверхностного эффекта, который равен 1,

Сопротивление принято измерять в Омах. Оно существенно зависит от формы и размеров объекта, через который протекает ток: сечения, длины, материала, а также от температуры. Действие активного сопротивления уменьшает энергию электрического тока, превращая её в другие формы (преимущественно в тепловую).

Реактивное сопротивление

Этот вид возникает тогда, когда переменный ток проходит сквозь элемент, который обладает индуктивностью или емкостью. Основной особенностью реактивного сопротивления является преобразование электрической энергии в другую форму в прямом и обратном направлениях. Часто это происходит циклически. Реактивное сопротивление проявляется только при изменениях силы тока и напряжения. Существует два его вида: индуктивное и емкостное.

Индуктивное сопротивление

При увеличении силы тока порождается магнитное поле, обладающее различными характеристиками. Наиболее важной из них является индуктивность. Магнитное поле, в свою очередь, воздействует на проводник, по которому протекает ток. Влияние является противоположным направлению изменения тока. То есть, если сила тока увеличилась, то магнитное поле будет уменьшать его, и наоборот, если снизилась, то поле усилит его. Когда ток не меняется, реактивное сопротивление катушки индуктивности будет равно нулю.

Индуктивное сопротивление зависит от частоты тока. Чем она выше, тем выше скорость изменения данного параметра. Это значит, что будет образовано более сильное магнитное поле. Возникающая при этом ЭДС препятствует изменению электрического тока.

Расчет реактивного индуктивного сопротивления осуществляется по такой формуле:

XL = L×w = L×2π×f, где буквами обозначаются:

При синусоидальном изменении напряжения сила тока будет меняться, отставая от него по фазе. Поэтому реактивное сопротивление трансформатора существенно зависит от его индуктивности.

Емкостное сопротивление

Оно имеет иную природу, чем индуктивное. Это понятие удобно проиллюстрировать на примере электрической цепи, состоящей из источника питания, клеммы которого соединены с обкладками конденсатора. Сразу после подключения на них будет постепенно накапливаться заряд, создавая ток в цепи.

После достижения предельной величины, которая определяется ёмкостью детали, ток не будет проходить по цепи. Если после этого отключить провода от клемм, а затем последние соединить, то между ними начнётся перемещение зарядов до тех пор, пока разность потенциалов станет равной нулю.

Если к конденсатору подключить источник переменного тока, то будет происходить следующее. С увеличением разности потенциалов заряд на обкладках конденсатора будет расти. Когда напряжение перейдёт в фазу уменьшения, накопленный заряд начнёт стекать с них, образуя ток противоположного направления. Затем разность потенциалов станет отрицательной, но по абсолютной величине будет расти до максимального значения. При этом конденсатор начнет вновь заряжаться, но при этом знак поступающих зарядов будет не такой, который был раньше.

Когда напряжение начнёт увеличиваться (уменьшаясь по абсолютной величине), заряд с обкладок конденсатора будет стекать. Когда разность потенциалов у источника достигнет нуля и продолжит увеличиваться, начнётся новый цикл изменений.

На каждом этапе описанной ситуации ток с обкладок конденсатора будет иметь направление противоположное тому, которое порождается переменной разностью потенциалов источника питания.

Происходящее таким образом уменьшение силы тока представляет собой физический смысл ёмкостного сопротивления. Оно обозначается буквами ХС и рассчитывается по формуле:

XС = 1/(w×C) = 1/(2π×f×C), где

В рассматриваемом случае изменения тока отстают от напряжения.

Полное сопротивление

При использовании нескольких разновидностей важно знать, как они сочетаются между собой. Активное сопротивление присутствует в любых схемах. Оно способствует превращению части электрической энергии в нагрев. Реактивное сопротивление возникает лишь в цепи переменного тока. Чтобы определить его величину, необходимо из индуктивного вычесть ёмкостное. Эта характеристика показывает энергию, которая пульсирует в цепи, переходя из одной формы в другую.

Полное сопротивление представляет собой сумму активного и реактивного сопротивления в цепи переменного тока, но такое сложение необходимо выполнять особым образом. Для этого нужно начертить прямоугольный треугольник, катеты в котором должны иметь длину, равную величине активного и реактивного сопротивлений соответственно.

Длина гипотенузы будет численно выражать полное сопротивление электрической цепи. Для его определения используется правило, говорящее о том, что сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы. Это правило называют теоремой Пифагора. Следовательно, формула, с помощью которой можно найти полное сопротивление, выглядит так:

Следовательно, при расчёте полного сопротивления или импеданса нужно учитывать, что такое ёмкость и индуктивность и как они могут проявляться в электрических схемах. Эти величины называются еще паразитными, так как они могут отрицательно влиять на работу электроприбора. Их возникновение относят к непредсказуемым факторам. При этом емкостным или индуктивным сопротивлением, имеющим небольшое значение, при выполнении расчетов можно пренебречь.

Заключение

Как видим, при расчете электрической цепи необходимо учитывать и активное, и реактивное, и полное сопротивление. Они отличаются друг от друга не только названием. Физика этих сопротивлений также разная. Если под воздействием активного сопротивления электроэнергия превращается в другой вид и поступает в окружающую среду, то реактивное возвращает ее обратно в сеть. Без понятия о сопротивлении и знания формул расчета невозможно конструировать электросхемы.

Видео по теме

Источник

Проводимость и сопротивление воздушных и кабельных линий

Для того, чтобы произвести расчет электрической сети на потерю напряжения необходимо знать параметры линий, а именно их сопротивления и проводимости. Если производятся расчеты цепей постоянного тока, то вполне достаточно знать только омическое сопротивление линии. А вот при расчете линии переменного тока одного омического сопротивления бывает недостаточно, и помимо активных сопротивлений, необходимо знать еще индуктивные сопротивления и емкостные проводимости проводов и кабелей.

Активное сопротивление проводов и кабелей

Из электротехники известно, что полное сопротивление при равных условиях переменному и постоянному току будут отличаться. Касается это также проводов и кабелей. Это вызвано тем, что переменный ток распределяется по сечению неравномерно (поверхностный эффект). Однако для проводов из цветных металлов и с частотой переменного напряжения 50 Гц этот эффект не оказывает слишком большого влияния и им можно пренебречь. Таким образом, при расчете проводников из цветных металлов, их сопротивления переменному и постоянному току принимаются равными.

На практике активное сопротивление медных и алюминиевых проводников рассчитывают по формуле:

Величина r₀, как правило, берется из таблиц справочников.

На активное сопротивление провода влияет и температура окружающей среды. Величину r₀ при температуре Θ можно определить по формуле:

Где: α – температурный коэффициент сопротивления; r₂₀ – активное сопротивление при температуре 20 0 С, γ₂₀ – удельная проводимость при температуре в 20 0 С.

Стальные провода обладают значительно большими активными сопротивлениями, чем аналогичные провода из цветных металлов. Его увеличение обусловлено значительно меньшей величиной удельной проводимости и поверхностным эффектом, который у стальных проводов выражен гораздо более ярко, чем у алюминиевых или медных. Более того, в стальных проводах присутствуют потери активной энергии на вихревые токи и перемагничивание, что в схемах замещения линий учитывают дополнительной составляющей активного сопротивления.

Активное сопротивление стальных проводов (в отличии от проводов из цветных металлов) сильно зависит от величины протекаемого тока, поэтому использовать постоянное значение удельной проводимости при расчетах нельзя.

Активное сопротивление стальных проводов в зависимости от протекающего тока аналитически выразить весьма трудно, поэтому для его определения используют специальные таблицы.

Индуктивное сопротивление проводов и кабелей

Для определения индуктивного сопротивления (обозначается Х) кабельной или воздушной линии определенной протяженности в километрах удобно пользоваться выражением:

Где: Х₀ – индуктивное сопротивление одного километра провода или кабеля на фазу, Ом/км.

Х одного километра воздушной или кабельной линии можно определить по формуле:

Где: D_ср – расстояние среднее между проводами или центрами жил кабелей, мм; d – диаметр токоведущей жилы кабеля или диаметр провода, мм; μ_т – относительная магнитная проницаемость материала провода;

Где: D_1:2 расстояние между проводами.

Для одинарной трехфазной линии при расположении проводов по треугольнику:

При горизонтальном или вертикальном расположении проводов трехфазной линии в одной плоскости:

Таким образом выражение для Х₀ можно представить в виде:

Для линий из немагнитными материалов μ = 1 внутреннее индуктивное сопротивление Х₀ // по сравнению с внешним Х₀ / составляет ничтожную величину, поэтому им очень часто пренебрегают.

В таком случае формула для определения Х₀ примет вид:

Для практических расчетов индуктивные сопротивления кабелей и проводов определяют по соответствующим таблицам.

В случае приближенных расчетов можно считать для воздушных линий напряжением 6-10 кВ Х₀ = 0,3 – 0,4 Ом/км, а для кабельных Х₀ = 0,08 Ом/км.

Внутренне индуктивное сопротивление стальных проводов сильно отличается от Х₀ // проводов из цветных металлов. Это вызвано тем, что Х₀ // пропорционально магнитной проницаемости μ_r, которая сильно зависит от величины тока в проводе. Если для проводов из цветных металлов μ_r = 1, то для стальных проводов μ_r может достигать величины в 10 3 и даже выше.

Х₀ // для линий прокладываемых стальными проводами пренебрегать нельзя. Как правило, данную величину берут из таблиц, составленных на основе экспериментальных данных.

Сопротивления r₀ и Х₀ // при некоторых значениях тока могут достигать максимальных значений, а затем с увеличением тока уменьшатся. Это явление объясняется магнитным насыщением стали.

Емкостная проводимость линий

Электрические линии, кроме активного и индуктивного сопротивлений, характеризуются и емкостной проводимостью, которая обусловлена емкостью между проводами и между проводам и землей.

Величину рабочей емкости в трехфазной воздушной линии приближенно можно определить по формуле:

Из данной формулы видно, что рабочая емкость будет увеличиваться с увеличением сечения проводов и уменьшением расстояния между ними. Поэтому при равных сечениях токоведущих частей линии низкого напряжения имеют большую рабочую емкость, чем линии высокого напряжения. В следствии небольших расстояний между токоведущими жилами кабеля и большей диэлектрической проницаемости изоляции по сравнению с воздухом рабочая емкость кабельной линии значительно больше, чем емкость воздушной линии.

Емкостная проводимость одноцепной воздушной линии определяется по формуле:

Определение рабочей емкости кабельной линии по формулам, в которые входят диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля, геометрические размеры и другие конструктивные особенности, задача не из легких, поэтому значения рабочей емкости определяют по специальным таблицам, составленным заводом изготовителем для различных марок кабелей, в зависимости от их номинального напряжения.

Емкостной ток вначале линии при холостом ходе (при отключенных электроприемниках) можно определить из формулы:

Где: U – линейное напряжение сети, В; l – длина линии, км;

Емкостные токи имеют серьезное значение в воздушных линиях с рабочим напряжением 110 кВ и выше и в кабельных линиях с напряжением выше 10 кВ. При расчете электрических сетей с напряжениями ниже, чем выше перечисленные, емкость линии могут не учитывать. Емкость токопроводящих частей линии по отношению к земле имеет значение при расчете заземляющих устройств и защиты.

В сети с изолированной нейтралью величину емкостного тока однофазного замыкания на землю приближенно можно определить по формулам:

Источник