Территория электротехнической информации WEBSOR. Территория электротехнической информации WEBSOR Активная и реактивная 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 ( 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 330750кВ 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:
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 = 0,820,92.
Величина δ рассчитывается по формуле:
,
где Р – давление, мм ртутного столба;
температура воздуха, 0 C.
При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре 20 0 C= 1. Для районов с умеренным климатом среднегодовое значениеравно 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 коэффициентk расщ рассчитывается по формулам:
при n = 2
при n = 3
Напряжение, при котором возникает корона, рассчитывается по формуле:
Чтобы повысить U кор нужно снизитьE max . Для этого нужно увеличить либо радиус проводаR пр либо D ср. В первом случае эффективно расщеплять провода в фазе. УвеличениеD ср приводит к значительному изменению габаритов ЛЭП. Мероприятие малоэффективно, так какD ср находится под знаком логарифма.
Если E max >E 0 , то работа ЛЭП является неэкономичной из-за потерь мощности на корону. Согласно ПУЭ, корона на проводах отсутствует, если выполняется условие:
E max 0,9E 0 (m =0,82,= 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 P кор, то установлены минимально допустимые сечения по условиям короны: при напряжении 110 кВ – 70мм 2 , при напряжении 150 кВ – 120мм 2 , при напряжении 220 кВ – 240мм 2 .
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 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 P вызываются явлениями, происходящими в кабеле за счет тока абсорбции. Для КЛЭП диэлектрические потери указываются заводом – изготовителем. Диэлектрические потери в КЛЭП учитываются при U35 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 b 0 на 2133%.
Для КЛЭП величина погонной проводимости чаще рассчитывается по формуле:
b 0 = C 0 .
Величина емкости C 0 приводится в справочной литературе для различных марок кабеля.
Реактивная проводимость участка сети рассчитывается по формуле:
В = b 0 l .
У воздушных ЛЭП значение b 0 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 (Р кор 0);
ВЛЭП напряжением до 35кВ (Р кор 0, Q 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, Q c 0).
Главная > Книги > Электроника
2.8. Параллельное соединение R, L, С
Если к зажимам электрической цепи, состоящей из параллельно соединенных элементов R, L, С (рисунок 2.18), приложено гармоническое напряжение u = Umcosωt , то гармонический ток, проходящий через эту цепь, равен алгебраической сумме гармонических токов в параллельных ветвях (первый закон Кирхгофа): i = iR + iL + iC .
Ток iR в сопротивлении R совпадает по фазе с напряжением и , ток iL в индуктивности L отстает, а ток iC в емкости С опережает напряжение на π /2 (рисунок 2.19).
Следовательно, суммарный ток i в цепи равен
(2.20)
Уравнение (2.20) представляет собой тригонометрическую форму записи первого закона Кирхгофа для мгновенных значений токов. Входящая в него величина называется реактивной проводимостью цепи , которая в зависимости от знака может иметь индуктивный (b > 0) или емкостный (b < 0) характер. В отличие от реактивной проводимости b активная проводимость g = l/R всегда положительна.
Для нахождения Im и φ воспользуемся векторной диаграммой, соответствующей уравнению (2.20) (рисунок 2.20, а и б). Прямоугольный треугольник с катетами IR и и гипотенузой I называется треугольником токов. Треугольник токов построен на рисунке 2.20, а для b >0 , а на рисунке 2.20, б − для b < 0 .
Из треугольника токов следует, что или I = yU; Im=yUm
Здесь (2.21)
полная проводимость рассматриваемой параллельной цепи.
Активная, реактивная и полная проводимости относятся к числу основных понятий, применяемых в теории электрических цепей.
Угол фазового сдвига тока i относительно напряжения и равен:
. (2.22)
Если задано напряжение и = Umcos(ωt + y) на зажимах цепи с параллельно соединенными R, L и С , то ток определяется по формуле
i = yUmcos(ωt + y - φ ) .
Угол φ , как и в предыдущем случае, отсчитывается на временной диаграмме ωt от напряжения к току, а на векторной диаграмме - от тока к напряжению; он является острым или прямым углом
|φ | .
Угол φ положителен при индуктивном характере цепи, т.е. при b > 0 ; при этом ток отстает по.фазе от напряжения. Угол φ отрицателен при емкостном характере цепи, т.е. при b < 0 ; при этом ток опережает по фазе напряжение. Ток совпадает с напряжением по фазе при b = bR - bC = 0 , т.е. при равенстве индуктивной и емкостной проводимостей. Такой режим работы электрической цепи называется резонансом токов.
Из (2.21) и (2.22) следует, что активная и реактивная проводимости цепи связаны с полной проводимостью формулами:
g = ycosφ ; b = уsinφ . (2.23)
Умножив правые и левые части выражений (2.23) на действующее значение напряжения U , получим действующие значения токов в ветвях с активной и реактивной проводимостями изображаемые катетами треугольника токов и называемые активной и реактивной составляющими тока:
Ia = gU = ycosφ U = Icosφ ;
Ip = bU = ysinφ U = Isinφ .
Как видно из треугольников токов и уравнений (2.24), активная и реактивная составляющие тока связаны с действующим значением суммарного тока формулой
.
Разделив стороны треугольника токов на U , получим прямоугольный треугольник проводимостей, подобный треугольнику напряжений (рисунок 2.21, а, б ).
Треугольник проводимостей служит геометрической интерпретацией уравнений (2.21) и (2.22); активная проводимость g откладывается по горизонтальной оси вправо, а реактивная проводимость b в зависимости от ее знака откладывается вниз (b > 0) или вверх (b < 0) .
Угол φ в треугольнике проводимостей отсчитывается, от гипотенузы у к катету g , что соответствует отсчету φ в треугольнике токов от I = yU к Ia = gU .
Для характеристики конденсаторов, представляемых цепью с емкостной и активной проводимостями, применяется понятие добротность конденсатора QC = b/g = ωCR , которое равнозначно тангенсу угла |φ | конденсатора. Обратная величина называется тангенсом угла диэлектрических потерь конденсатора tgδ = l/QC (угол диэлектрических потерь δ дополняет угол |φ | до 90°).
Чем больше сопротивление R , тем больше (при прочих равных условиях) добротность конденсатора и тем меньше угол потерь.
Добротность конденсаторов для разных частот и диэлектриков колеблется в широких пределах, примерно от 100 до 5000. Слюдяные конденсаторы обладают большей добротностью, чем керамические. Добротность конденсаторов, применяемых в высокочастотной технике, примерно в 10 раз превышает добротность индуктивных катушек.
На рис. 14.14, а параллельно соединены те же элементы цепи, которые были рассмотрены (см. рис. 14.7, а). Предположим, что для этой цепи известны напряжение u = U m sinωt . и параметры элементов цепи R, L, С. Требуется найти токи в цепи и мощность.
Векторная диаграмма для цепи с параллельным соединением ветвей. Метод векторных диаграмм
Для мгновенных величин в соответствии с первым законом Кирхгофа уравнение токов
Представляя ток в каждой ветви суммой активной и реактивной составляющих, получим
Для действующих токов нужно написать векторное уравнение
Численные значения векторов токов определяются произведением напряжения и проводимости соответствующей ветви.
На рис. 14.14, б построена векторная диаграмма, соответствующая этому уравнению. За исходный вектор принят, как обычно при расчете цепей с параллельным соединением ветвей, вектор напряжения U, а затем нанесены векторы тока в каждой ветви, причем направления их относительно вектора напряжения выбраны в соответствии с характером проводимости ветвей. Начальной точкой при построении диаграммы токов выбрана точка, совпадающая с началом вектора напряжения. Из этой точки проведен вектор l 1a активного тока ветви I (по фазе совпадает c напряжением), а из конца его проведен вектор I 1p реактивного тока той же ветви (опережает напряжение на 90°). Эти два вектора являются составляющими вектора I 1 тока первой ветви . Далее в том же порядке отложены векторы токов других ветвей. Следует обратить внимание на то, что проводимость ветви 3-3 активная , поэтому реактивная составляющая тока в этой ветви равна нулю. В ветвях 4-4 и 5-5 проводимости реактивные , поэтому в составе этих токов нет активных составляющих.
Расчетные формулы для цепи с параллельным соединением ветвей. Метод векторных диаграмм
Из векторной диаграммы видно, что все активные составляющие векторов тока направлены одинаково - параллельно вектору напряжения, поэтому векторное сложение их можно заменить арифметическими найти активную составляющую общего тока: I а = I 1a + I 2a + I 3a .
Реактивные составляющие векторов токов перпендикулярны вектору напряжения, причем индуктивные токи направлены в одну сторону, а емкостные - в другую. Поэтому реактивная составляющая общего тока в цепи определяется их алгебраической суммой, в которой индуктивные токи считаются положительными, а емкостные - отрицательными: I p = — I 1p + I 2p — I 4p + I 5p .
Векторы активного, реактивного и полного тока всей цепи образуют прямоугольный треугольник, из которого следует
Следует обратить внимание на возможные ошибки при определении полной проводимости цепи по известным проводимостям отдельных ветвей: нельзя складывать арифметически проводимости ветвей, если токи в них не совпадают по фазе.
Полную проводимость цепи в общем случае определяют как гипотенузу прямоугольного треугольника, катетами которого являются выраженные в определенном масштабе активная и реактивная проводимости всей цепи:
От треугольника токов можно перейти также к треугольнику мощностей и для определения мощности получить известные уже формулы
Активную мощность цепи можно представить как арифметическую сумму активных мощностей ветвей.
Реактивная мощность цепи равна алгебраической сумме мощностей ветвей. В этом случае индуктивная мощность берется положительной, а емкостная - отрицательной:
Расчет цепи без определения проводимостей ветвей
Расчет электрической цепи при параллельном соединении ветвей можно выполнить без предварительного определения активных и реактивных проводимостей , т. е. представляя элементы цепи в схеме замещения их активными и реактивными сопротивлениями (рис. 14.15, а).
Определяют токи в ветвях по формуле (14.4);
где Z 1 , Z 2 и т. д. - полные сопротивления ветвей.
Полное сопротивление ветви, в которую входят несколько элементов, соединенных последовательно, определяют по формуле (14.5).
Для построения векторной диаграммы токов (рис. 14.15, б) можно определить активную и реактивную составляющие тока каждой ветви по формулам
и т. д. для всех ветвей.
В этом случае отпадает необходимость определения углов ф 1 ф 2 и построения их на чертеже.
Ток в неразветвленной части цепи
Проводимости
Комплексной проводимостью называется отношение комплексного тока к комплексному напряжению
где
y=1/z
-
величина обратная полному сопротивлению, называется
полной проводимостью
.
Комплексная проводимость и комплексное сопротивление взаимно обратны. Комплексную проводимость можно представить в виде
где - действительная часть комплексной проводимости, называется активной проводимостью ; - значение мнимой части комп-лексной проводимости, называется реактивной проводимостью ;
Из () и ( 3.29) следует, что для схемы, представленной на рис. 3.12 , комплексная проводимость
где
и называются соответственно
активной, индуктивной и емкостной проводимостями
.
Реактивная проводимость
Индуктивная
и емкостная
проводимости - арифметические величины, а реактивная проводимость b - алгебраическая величина
и может быть как больше, так и меньше нуля. Реактивная проводимость
b
ветви, содержащей только индуктивность, равна индуктивной проводимости
, а реактивная проводимость
b
ветви, содержащей только емкость, равна емкостной проводимости с обратным знаком, т. е.
.
Сдвиг по фазе между напряжением и током зависит от соотношения индуктивной и емкостной проводимостей. Для схемы по на рис. 3.14 представлены векторные диаграммы для трех случаев, а именно
При построении этих диаграмм начальная фаза напряжения принята равной нулю, поэтому
, как это следует из ( 3.28), равны и противоположны по знаку ().
Рассматривая схему на рис. 3.12 в целом как пассивный двухполюсник, можно заметить, что при заданной частоте она эквивалентна в первом случае параллельному соединению сопротивления и индуктивности, во втором - сопротивлению и в третьем - параллельному соединению сопротивления и емкости. Второй случай называется резонансом. При заданных
L
и
С
соотношение между
зависит от частоты, а поэтому от частоты зависит и вид эквивалентной схемы.
Обратим внимание на то, что в схеме рис. 3.12 каждая из параллельных ветвей содержит по одному элементу. Поэтому получилось такое простое выражение для У, в которое проводимости элементов входят как отдельные слагаемые.
Заметим, что обозначения
применяются не только для сопротивлений и проводимостей, но и для элементов схемы, характеризуемых этими величинами. В таких случаях элементам схемы дают те же самые наименования, какие присвоены величинам, которые обозначаются этими буквами. Комплексные сопротивления или проводимости как элементы схемы имеют условное обозначение в виде прямоугольника (см. рис. 3.1). Точно так же обозначают реактивные сопротивления или проводимости, если хотят отметить, что они могут быть как индуктивными, так и емкостными сопротивлениями или проводимостями.