1.1. Переход систем электроснабжения на трехфазный переменный ток
В конце XIX столетия в энергетике промышленно развитых стран произошел переход от электроснабжения с использованием генераторов и двигателей постоянного тока на электроснабжение с использованием генераторов и двигателей переменного синусоидального тока с трехфазной системой напряжений. Трехфазная система напряжений позволяет создавать в расточке статора электрических машин вращающееся магнитное поле, что открывает широкие возможности создания исполнительных двигателей переменного тока: асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, асинхронных двигателей с фазным ротором и синхронных двигателей.
Переменный ток достаточно удобно получать с помощью вращающихся машин – генераторов переменного тока. Потребители такой электроэнергии – двигатели переменного тока – также более удобны в исполнении и проще в эксплуатации, чем двигатели постоянного тока. Объясняется это тем, что машина постоянного тока (генератор и двигатель) имеет коллектор с щётками, через который происходит токосъём электроэнергии с неподвижной части на подвижную и обратно. В машине переменного тока такой элемент принципиально отсутствует – обмен электроэнергии с сетью происходит через обмотку неподвижного статора.
Важным достоинством перехода с постоянного тока на переменный является кроме того наличие так называемых «бестоковых» пауз при изменении токов по синусоидальному закону (рис. 1.1).
|
|
Рис. 1.1. Изменение тока в одной из фаз при трёхфазном коротком замыкании |
Известно, что размыкание цепи в момент протекания тока сопровождается образованием электрической дуги. Пока дуга не погашена, ток продолжает протекать по цепи, несмотря на разомкнутое состояние контактов. Электрическая дуга оказывает существенное тепловое воздействие на детали электроустановок – вплоть до термического разрушения. Кроме того, дуга может перейти в короткое замыкание. И, самое главное, дуга чрезвычайно опасна для человека, находящегося вблизи электроустановки. Возникает задача быстрого и эффективного гашения дуги, особенно при внезапных коротких замыканиях, когда токи увеличиваются многократно по отношению к нормальному режиму.
В России и большинстве стран используется частота переменного тока f = 50 Гц (В США, частично в Японии и на Кубе частота составляет f = 60 Гц). Период, соответствующий частоте 50 Гц, вычисляется по формуле:
Т = 1/f = 1/50 = 0,02 с = 20 мс.
«Бестоковая» пауза с приближением тока к нулю существует дважды за период, то есть каждые 10 мс. Наличие «бестоковых» пауз существенно упрощает конструкцию выключателей на переменном токе с использованием дугогасительных камер на сжатом воздухе, выключателей масляного типа, электромагнитного типа, вакуумных и элегазовых выключателей на основе шестифтористой серы SF6.
На рис. 1.1 показано изменение токов и напряжений при трехфазном коротком замыкании (КЗ) для одной из фаз трехфазного переменного тока с выделением нормального режима, неустановившегося процесса КЗ в сети, подключенной к генератору переменного тока с автоматическим регулятором возбуждения и установившегося режима КЗ [5]. На рисунке обозначены «бестоковые» паузы в токе нормального режима и в процессе КЗ.
В неустановившемся процессе КЗ переходный ток обычно можно представить в виде двух составляющих: периодической iп и апериодической iа. Периодическая составляющая обусловлена тем, что генераторы и электродвигатели, продолжая вращаться, подпитывают точку короткого замыкания синусоидальным током. Апериодическая составляющая обусловлена следующим. До короткого замыкания в индуктивных элементах сети была запасена электромагнитная энергия, которая начиная с момента КЗ необратимо выделяется в виде тепла на активных сопротивлениях. Поэтому, как видно из рис. 1.1, апериодическая составляющая, является затухающей и однополярной.
Мгновенное значение полного тока в момент t переходного процесса будет равен:
it = iпt + iаt.
Наибольшее мгновенное значение полного тока КЗ – ударный ток iуд – наступает приблизительно через полпериода (0,01 с) после возникновения КЗ. Апериодическая составляющая проявляется лишь в течение первых моментов переходного процесса. Установившийся режим КЗ наступает через (3…5) с после начала КЗ. Современные защиты отключают КЗ значительно раньше, до наступления установившегося режима. Тем не менее, «бестоковые» паузы имеются как в нормальном режиме, так и при КЗ, что способствует быстрому отключению коротких замыканий: tоткл = 0,02 – 0,07 с. В момент перехода тока через ноль, в дугогасительной камере складываются наиболее благоприятные условия для гашения дуги. Постоянный ток в отличие от переменного не имеет естественного перехода через нулевое значение. Поэтому коммутировать цепи постоянного тока при прочих равных условиях гораздо сложнее.
Другим значимым достоинством системы переменного тока по сравнению с постоянным является возможность изменения (трансформации) напряжений и токов с помощью трансформаторов. При этом можно выполнять линии электропередачи на разные классы напряжений. При одной и той же передаваемой мощности напряжение и ток связаны обратно пропорционально. Чем выше напряжение, тем меньше ток и, следовательно, меньше потери электроэнергии при передаче на большие расстояния. Напомним, что на постоянном токе трансформатор работать не может, т. к. для создания электродвижущей силы нет главного условия – изменения магнитного потока.
Ещё до начала Великой Отечественной Войны, в СССР было освоено напряжение 220 кВ переменного тока и на этом напряжении в 1933 г. от построенной на реке Свирь Нижне-Свирской ГЭС по линии протяженностью 240 км была подана электроэнергия в г. Ленинград. В дальнейшем был большой перерыв по повышению напряжений до окончания Великой Отечественной Войны. В 1957 году было освоено сначала напряжение 400 кВ, а затем и 500 кВ – для передачи в центр и на Урал энергии электростанций Волжского каскада ГЭС.
На электростанциях электроэнергия вырабатывается генераторами, как правило, на напряжениях (6,3…24) кВ. Данный диапазон соответствует наивыгоднейшему сочетанию технико-экономических характеристик генератора. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используются напряжения (110…750) кВ. Поэтому перед выдачей электроэнергии в сеть, её параметры преобразуются с помощью блочных повышающих трансформаторов. Ранее также существовала система напряжения 1150 кВ, но после распада СССР линии электропередач данного напряжения были переоборудованы на напряжение 500 кВ.
Потребляется электроэнергия на напряжении 0,4 кВ при малых мощностях электроприёмников и на напряжении 6,3 (10,5) кВ при относительно больших мощностях. Соответственно, перед подачей электроэнергии потребителю напряжение преобразуется в понижающем трансформаторе. На пути от генератора к потребителю напряжение может преобразовываться многократно. Это происходит на трансформаторных подстанциях, находящихся на стыке сетей с разными классами напряжений.
1.2. Области электротехники, использующие постоянный ток
Остается оговорить области электротехники, где постоянный ток сохраняет прочные позиции.
Это, прежде всего те системы, где двигатели постоянного тока проявляют гораздо лучшие характеристики по сравнению с двигателями переменного тока.
На электрифицированном транспорте трогание состава с места происходит при большом пусковом моменте, улучшаются регулировочные характеристики, появляется возможность рекуперации энергии.
В трамвае, в троллейбусе и в метрополитене тяговые двигатели выполняются на постоянном токе. Источником постоянного тока является статический преобразователь с питающим трансформатором и тиристорным блоком, питаемым от существующей сети переменного тока. Номинальное напряжение на шинах тяговых подстанций на постоянном токе равно 3,3 кВ.
В электроэнергетике применение постоянного тока сохранилось в системах возбуждения синхронных машин: турбогенераторов и гидрогенераторов, синхронных компенсаторов, дизель-генераторов, синхронных двигателей. Система возбуждения предназначена для создания постоянного тока в обмотке ротора.
Мощность возбудителей для питания обмотки возбуждения турбо- и гидрогенераторов не превосходит 1% от мощности машины. Для подключения источников постоянного тока к цепям обмоток возбуждения турбо- и гидрогенераторов, имеющих контактные кольца на роторе, а также для гашения поля этих машин выпускаются автоматы гашения поля (АГП). Времена отключения АГП гораздо больше, чем на переменном токе, и составляет до 0,5 с.
На электростанциях, подстанциях и других ответственных энергообъектах используются системы надежного электроснабжения в виде агрегатов бесперебойного питания, в составе которых имеется аккумуляторная батарея (АБ). Основное назначение аккумуляторной батареи – запасать и при экстренной необходимости вырабатывать электроэнергию постоянного тока за счёт обратимых электрохимических реакций. От АБ осуществляется питание устройств релейной защиты и автоматики. К этой же батарее подключены и некоторые электродвигатели постоянного тока, такие как электродвигатель маслонасоса уплотнений вала генератора, предотвращающий выход водорода в машинный зал и взрыв при аварийном останове машины, электродвигатели смазки подшипников турбины и генератора при останове, приводы управления некоторыми выключателями и устройства связи.
1.3. Типы электрических машин и аппаратов, работающих на трёхфазном переменном токе
Благодаря внедрению трёхфазного переменного тока, в электроэнергетике получили распространение следующие типы электрических машин и аппаратов:
синхронные турбогенераторы, роторы которых соединены с валом паровой или газовой турбины в схемах тепловых и атомных электростанций;
синхронные дизель-генераторы в качестве дополнительных источников на случай исчезновения напряжения от основного источника;
синхронные гидрогенераторы, роторы которых соединены с валом гидравлической турбины в схемах гидроэлектростанций;
обратимые синхронные генераторы-двигатели, роторы которых соединены с валом турбины-насоса в схемах гидроаккумулирующих электростанций;
повышающие и понижающие трансформаторы электрических станций и систем, позволяющие изменять с высоким КПД (до 99 %) значения токов и напряжений при передаче электроэнергии;
автотрансформаторы связи для обеспечения параллельной работы двух энергосистем с близкими по величине значениями напряжений;
устройства для регулирования напряжения трансформаторов и автотрансформаторов под нагрузкой (РПН) и без возбуждения при отключенном трансформаторе (ПБВ);
синхронные компенсаторы для выработки в энергосистемах реактивной мощности;
батареи конденсаторов параллельного включения для компенсации (выработки) реактивной мощности в энергосистемах и у потребителей;
шунтирующие реакторы параллельного включения для компенсации (потребления) реактивной мощности, генерируемой в протяженных линиях электропередач переменного тока с Uном = 330-750 кВ);
выключатели переменного тока для включения и отключения токов нормального режима и токов КЗ с различными типами дугогасительных камер: воздушные, элегазовые, масляные, электромагнитные и вакуумные;
разъединители для включения и отключения электрических цепей без тока и для создания видимого разрыва в воздухе без дугогасительных камер;
предохранители для быстрого отключения токов КЗ;
синхронные электродвигатели;
асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором;
измерительные трансформаторы напряжения (ИТН) и тока (ИТТ), применяющиеся в цепях переменного тока при высоких напряжениях и больших токах, когда непосредственное включение контрольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики в первичные цепи технически невозможно, нерационально или недопустимо по условиям безопасности;
воздушные линии электропередачи переменного тока со сталеалюминиевыми расщепленными и не расщепленными проводами;
кабельные линии электропередачи переменного тока с медными или алюминиевыми проводниками и с изоляцией различного типа: полиэтиленовая, бумажно-масляная, резиновая, поливинилхлоридная;
экранированные и неэкранированные жёсткие токопроводы;
токоограничивающие реакторы для ограничения токов КЗ и поддержания высокого остаточного напряжения;
заземляющие дугогасящие реакторы для защиты электросетей напряжением 6-35 кВ от аварий путем компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю;
вентильные разрядники для защиты изоляции электрооборудования переменного тока от грозовых перенапряжений;
нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) для защиты изоляции электрооборудования от грозовых и внутренних перенапряжений.
Кроме этого, существует большое разнообразие вспомогательного электрооборудования, являющегося предметом изучения специализированных курсов.
1.4. Основные законы и формулы, описывающие цепи трёхфазного переменного тока
Приведём важнейшие законы из теории общей электротехники, касающиеся принципов работы электрооборудования на трёхфазном переменном токе.
Синусоидальные токи и напряжения можно представлять как в виде мгновенных величин, так и в виде действующих.
Мгновенные токи и напряжения описывают изменение физической величины в каждый момент времени и обозначаются малыми буквами i, u.
Синусоидальный ток зависит от времени t по формуле:
i(t) = imaxsin(ωt + φi),
где imax – амплитуда синусоиды тока;
ω – угловая частота;
φi – начальная фаза.
Угловая частота определяется по формуле:
ω = 2π f,
где f – частота переменного тока.
Если принять f = 50 Гц, то ω = 314 рад/с.
Аналогично определяется мгновенное напряжение:
u(t) = umaxsin(ωt + φu),
Тепловое действие тока, а также механическая сила взаимодействия двух проводников, по которым проходит один и тот же ток, пропорциональны квадрату тока. Поэтому о величине тока можно судить по его среднеквадратичному значению за период, то есть по действующему значению. В этом случае применяют большую букву I. Действующее значение синусоидального тока численно равно такому постоянному току, который за период выделяет такое же количество тепла, что и синусоидальный ток. Аналогично вводится понятие действующего напряжения U. Действующее значение в 
раз меньше амплитудного.
Для удобства математического обращения с синусоидальными величинами токов и напряжений, их представляют в виде вращающихся векторов на комплексной плоскости. Так, например, симметричная трёхфазная система токов может быть представлена графически в виде тройки векторов, имеющих одинаковые длины и рассоложенных под углами 120° друг относительно друга – рис. 1.2.
Рис. 1.2. Изображение симметричной трёхфазной системы токов в виде векторов на плоскости
Такое представление позволяет графически складывать и вычитать токи и напряжения, анализировать сдвиг фаз между ними.
Для трёхфазной системы напряжений вводятся понятия фазного и линейного напряжения. Фазное напряжение Uф – это разность потенциалов между фазой и «землёй» (то есть точкой нулевого потенциала). Линейное напряжение Uл – это разность потенциалов между двумя фазами. На рис. 1.3 показано графическое отображение фазных и линейных напряжений. Пользуясь тригонометрией, несложно доказать, что линейное напряжение в 
раз больше фазного. Так, например, для сетей жилых зданий линейное напряжение составляет 380 В, а фазное 380/корень3 ≈ 220 В.
Рис. 1.3. К понятию фазного и линейного напряжения
Закон Ома связывает напряжение U, ток I и полное сопротивление цепи Z:
U = I ∙ Z.
Полное сопротивление цепи состоит из активной R и реактивной Х составляющих:
Z = 
.
Геометрически данное выражение можно представить в виде треугольника сопротивлений на рис. 1.4. Угол φ между активной и полной составляющей определяет разность фаз между синусоидами тока и напряжения. Косинус этого угла называется коэффициентом мощности и имеет очень важное значение для экономичности работы сети. При φ = 0 сопротивление цепи имеет число активный характер, а ток и напряжение совпадают по фазе.
Рис. 1.4. Треугольник сопротивлений
Активное сопротивление определяется удельным сопротивлением проводника ρ, его длиной l и площадью поперечного сечения s по формуле:
R = ρ ∙ l / s.
Реактивное сопротивление Х может быть индуктивным (положительным) и емкостным (отрицательным).
Индуктивное сопротивление катушки с индуктивностью L зависит от угловой частоты тока ω прямо пропорционально:
ХL = ω L.
Если сопротивление цепи чисто индуктивное, то синусоида тока отстаёт от синусоиды напряжения по фазе на 90° (φ = + 90°).
Емкостное сопротивление конденсатора с ёмкостью С зависит от угловой частоты тока ω обратно пропорционально:
ХС = 1 / ω С.
Если сопротивление цепи чисто емкостное, то синусоида тока опережает синусоиду напряжения по фазе на 90° (φ = – 90°).
Суммарное реактивное сопротивление складывается из сопротивлений ХL и ХС с учётом их знаков:
Х = ХL – ХС.
Закон электромагнитной индукции Фарадея описывает возникновение ЭДС в рамке при изменении магнитного потока. Фактически данный закон описывает принцип действия простейшего генератора переменного тока. Закон гласит: если внутри рамки изменять магнитный поток Ф, то на концах рамки возникнет ЭДС индукции εi, прямо пропорциональная скорости изменения магнитного потока dФ/dt и числу витков рамки N:
εi = – N dФ/dt,
где знак минус описывается правилом Ленца: индукционный ток, возникающий при изменении внешнего магнитного потока, имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменение внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Важное значение в электротехнике имеет закон, описывающий взаимодействие проводника с током и магнитного поля. При помещении проводника длиной l с током I в магнитное поле с индукцией В, на данный проводник действует сила Ампера:
FА = В∙I∙l∙sinα,
где α – угол между векторами тока и магнитной индукции.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: линии магнитного поля входят в ладонь, четыре пальца указывают направление тока, отставленный большой палец указывает направление силы Ампера. Данный закон описывает принцип действия любого электродвигателя.
Закон Джоуля-Ленца оговаривает тепловое действие тока. Если через проводник сопротивлением R в течение времени t пропускать ток I, то в данном проводнике будет выделяться теплота количеством:
Q = I2∙R∙t.
Квадратичный характер тепловых потерь вынуждает при одной и той же мощности снижать ток за счёт увеличения напряжения, что активно используется в современной энергетике.
1.5. Понятие активной, реактивной и полной мощности
Мгновенная мощность, выделяющаяся на элементах сети, определяется через мгновенные значения тока и напряжения:
р = u ∙ i.
Наличие сдвига по фазе между синусоидами тока и напряжения обусловливает необходимость введения понятий реактивной и полной мощности.
Если цепь чисто активная (φ = 0), то графическое перемножение синусоид тока и напряжения даст нам однополярный сигнал – рис. 1.5. В любой момент времени мощность больше либо равна нулю. Эта ситуация соответствует максимально эффективному (то есть активному) потреблению электроэнергии, которая необратимо и однонаправленно выделяется на активных элементах сети и не возвращается в источник. Эта мощность получила название активной, обозначается Р и измеряется в ваттах (Вт).
Рис. 1.5. Изменение токов, напряжений (а) и мощности (б)
при чисто активной нагрузке (φ = 0)
Если цепь имеет активно-индуктивный характер (0 < φ < 90°), то результат перемножения будет представлять собой синусоиду, поднятую относительно оси абсцисс и имеющую как положительную, так и отрицательную части – рис. 1.6.
Рис. 1.6. Изменение токов, напряжений (а) и мощности (б)
при активно-индуктивной нагрузке (0 < φ < 90°)
Будем далее увеличивать угол φ. Когда угол достигнет 90°, получим следующий график p(t) – рис. 1.7. Среднее значение мощности за период равно нулю. Эта ситуация соответствует наиболее неэффективному (то есть неактивному или реактивному) характеру потребления электроэнергии, которая первые полпериода потребляется приёмником, а вторые полпериода возвращается обратно в источник. Эта обменная мощность получила название реактивной, обозначается Q и измеряется в варах (вар).
Рис. 1.7. Изменение токов, напряжений (а) и мощности (б)
при чисто индуктивной нагрузке (φ = 90°)
На рис. 1.5, 1.7 рассмотрены крайние идеальные случаи, а на рис. 1.6 – промежуточная ситуация, в которой можно выделить активную и реактивную составляющие, а также величину, характеризующую их совместное действие – полную мощность S, измеряемую в вольт-амперах (ВА). Полученные три вида мощности образуют треугольник мощностей – рис. 1.8, из которого следует выражение:
S = 
.
Рис. 1.8. Треугольник мощностей
Угол φ между векторами активной и полной мощностей имеет тот же смысл, что и на рис. 1.4, относящемся к сопротивлениям. Коэффициентом мощности cosφ тем больше и тем ближе к единице, чем более активный характер имеет электрическая цепь.
Понятие реактивной мощности имеет особое значение в электроэнергетике. Актуальной является проблема регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистеме. Реактивная мощность является необходимым условием для создания магнитного поля в электрических машинах. Заметим, что в отличие от активной мощности, на создание реактивной мощности не расходуется топливо. Важно помнить, что реактивная мощность, протекающая по проводникам, приводит к активным тепловым потерям. Поэтому реактивную мощность целесообразно производить не на электростанции, а вблизи потребителя. В противном случае, реактивная мощность будет транспортироваться на большое расстояние, приводя к экономическому ущербу в виде необратимых потерь и ограничивая пропускную способность линий для передачи полезной активной мощности. Кроме того, неоправданно большие перетоки реактивной мощности приводят к падению напряжения в узлах потребления электроэнергии. Простейшими источниками реактивной мощности являются конденсаторы.
Кроме того, в ряде случае излишки реактивной мощности требуется потреблять. Если этого не сделать, то повысится уровень напряжения сверх допустимого предела. Такая ситуация может сложиться при использовании длинных линий электропередачи, которые обладают значительной ёмкостью относительно земли и поэтому являются генераторами избыточной реактивной мощности. Чтобы решить данную проблему, применяют простейшие потребители реактивной мощности – шунтирующие реакторы, представляющие собой катушки индуктивности, включенные между проводником и землёй.
Помимо этого используются и другие, более сложные устройства для регулирования реактивной мощности – синхронные компенсаторы и статические тиристорные компенсаторы.