Род тока и частота напряжения

Род тока и частота напряжения

По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. Одним из характеристик является частота тока: у переменного частота изменяется в широких пределах, а у постоянного она равна нулю.

Постоянный ток применяется там, где необходим по технологии и передачи энергии на большие расстояния.

Преимущества постоянного тока:

1. Нет реактивной мощности, передается только активная мощность;

2. На постоянном токе большая глубина регулирования скорости вращения электрических машин постоянного тока. Сейчас применяются тиристорные регуляторы частоты асинхронных двигателей (АД).

Недостатки:

1. На постоянном токе трудно трансформировать напряжение, нужно инвертирование;

2. Большая стоимость и габариты электрических машин.

Существует оптимальная частота на уровне прошлого века − 50 и 60 Гц. Такие значения частоты приводят к росту стоимости и габаритов оборудования, а если частота большая, то эти параметры уменьшаются, но увеличиваются потери (вихревые токи, гистерезис).

По мнению Мукосеева на сегодня оптимальная частота равняется 400 Гц (танки, подводные лодки, корабли и т.д.).

Выбор напряжения осветительных сетей

По режиму работы нейтрали трансформаторов различают системы с изолированной и заземленной нейтралью.

В связи с этим можно получить напряжения: 127 В, 220 В, 380 В.

Раньше по правилам ПУЕ не разрешалось применять в осветительных сетях лампы мощностью больше 250 Вт на напряжении 380 В, но сейчас разрешается.

Наиболее распространенными являются лампы накаливания. Сопоставим эти лампы на 127 В и 220 В. Чтобы получить наибольшую светоотдачу нужна большая температура нити, которая ограничивает срок службы лампы. В связи с этим существует оптимальный диаметр нити накала.

Сопротивление нити накала:

где − удельное сопротивление нити накала,

− длина нити накала,

− сечение нити накала.

где − номинальное напряжение лампы,

− номинальная мощность лампы.

Сопротивление нити накала лампы на 220 В в три раза больше, чем лампы на 127 В:

Тогда длина нити накала . Поэтому по конструкции уменьшают длину и сечение, а следовательно нужно уменьшить температуру нити накала для нормального срока службы. Поэтому для одной и той же мощности ламп накаливания световая отдача на напряжении 220 В меньше, т.е. чтобы обеспечить тот же уровень освещенности нужно затратить большую мощность или количество ламп. Лампы накаливания на напряжении 127 В применяются там, где нужна лучшая освещенность (самолетостроение).

Выбор напряжения для силовых электроприемников

От сети напряжением 220 В питаются электроприемники мощностью до 250 кВт, 380 В – 250-400 кВт, 660 В – больше 400 кВт.

Для генераторов, конденсаторных установок и вторичных обмоток понижающих трансформаторов номинальное напряжение на 5% больше, т.е. 230 В, 400 В и 690 В.

На выбор напряжения влияет мощность электроприемника, а мощность определяется электротехнологией.

Одну и ту же номинальную мощность электроприемника можно получить при разных номинальных напряжениях. Но существует экономический оптимум: если напряжение уменьшить, то увеличивается ток, а в связи с этим растут габариты оборудования, что сказывается на стоимость оборудования; если напряжение увеличить, то ухудшается КПД и коэффициент мощности электроприемника, а также нужно применять более дорогой класс изоляции.

Возможны применения систем:

Трехпроводные Четырехпроводные

1)3× 220 В 220/127 В

2)3× 380 В 380/220 В

3)3× 660 В нет необходимости

Наиболее распространенными являются сети 3× 380 В и 220/127 В.

Контроль изоляции

Контроль изоляции применяется в трехпроводных сетях.

В первой схеме проводится автоматический контроль исправности работы вольтметров, а во второй переключатель может выйти из строя.

Вольтметры измеряют напряжения на изоляции, для этого общая точка должна быть соединена с землей.

Если произойдет обрыв проводника, соединяющий вольтметры с землей, они все равно будут показывать фазные напряжения, так как соединены в звезду, создающая искусственный нуль, а во второй схеме вольтметры ничего показывать не будут.

Рассмотрим по табл. какие напряжения будут на фазах в нормальном режиме, при металлическом и неметаллическом замыкании на землю фазы А.

Таблица

фаза	А	В	С
нормальный режим	220 В	220 В	220 В
металлическое		380 В	380 В
неметаллическое	меньше фазного	больше фазного	больше фазного

При возникновении дуги показания вольтметров «прыгают».

В четырехпроводных сетях контроль изоляции не нужен, так как замыкание на землю является коротким. Эти повреждения отключает релейная защита.

Пробивной предохранитель

Пробивной предохранитель применяется в трехпроводных сетях. Он устанавливается в рассечку заземленной нейтрали силового трансформатора или в одну из фаз.

Следует различать плавкие и пробивные предохранители: пробивной предохранитель, в отличие от первого, не создает контакта в электрической цепи.

Пробивной предохранитель предназначен для защиты человека при переходе с высокого напряжения на низкое. Это может произойти, когда обмотки низкого и высокого напряжения расположены на одном стержне или рядом. В связи с этим человек может попасть под напряжение 6/ или 10/ кВ. Но пробивной предохранитель расплавляется и шунтирует человека.

Пробивной предохранитель является одноразовым, восстановлению не подлежит.

Сопоставление трех - и четырехпроводных сетей по бесперебойности

Рассмотрим два случая: короткое замыкание на землю в трех- и четырехпроводных сетях.

В четырехпроводных сетях короткие замыкания на землю отключает релейная защита (ток составляет килоамперы), а в сетях с изолированной нейтралью ток небольшой, поэтому сеть не обесточивается и продолжает работать некоторое время, которое допускает ПУЭ. Тогда получается, что трехпроводная сеть обеспечивает якобы бесперебойность. Но это одна сторона вопроса.

Вольтметры контроля изоляции фиксируют факт замыкания на землю, но не указывают место замыкания. Селективные указатели очень дорогие и из-за разветвленности сетей неэффективны. Для того, чтобы обнаружить повреждение, приходится поочередно отключать присоединения до момента, когда показания вольтметра не вернутся в нормальное положение.

Таким образом, неизвестно какая из сетей лучше по бесперебойности.

Сопоставление трех - и четырехпроводных сетей по экономичности

Произведем сопоставление сетей по следующим пунктам:

1. Рассмотрим осветительные трансформаторы, т.е. трансформаторы, которые нужны для питания однофазных нагрузок. В четырехпроводных сетях в отличие от трехпроводных они не применяются.

Из-за этого трехпроводные сети дороже, но в четырехпроводных сетях силовая и осветительная сеть объединены (точка М). В связи с этим нарушается электромагнитная совместимость и наносится ущерб от плохого качества напряжения. А при использовании отдельного осветительного трансформатора этого нет и на стороне силового трансформатора колебания напряжения меньше.

2. В трех- и четырехпроводных сетях происходит внедрение компьютерных технологий.

3. Рассмотрим измерительные цепи на рис.

Для трехпроводных сетей достаточно двух трансформаторов тока и трех амперметров для измерения тока в трех фазах, а для четырехпроводных нужно три трансформатора тока и четыре амперметра – по одному в каждой фазе и один, который устанавливается в нулевой провод на сумму токов. Если I_А+I_В+I_С=0, то нагрузка равномерная.

Таким образом, исходя из этих сопоставлений трехпроводная сеть экономичнее, но если провести технико-экономический расчет, то чаще всего получается наоборот – четырехпроводная экономичнее.

Сопоставление трех - и четырехпроводных сетей по безопасности

Раньше считалось, что обе системы безопасны, но разные по вариантам поражения электрическим током. Рассмотрим схемы, где человек дотрагивается фазы в трех- и четырехпроводных сетях.

В обоих случаях человек оказывается под фазным напряжением, т.е. 220 В. Но в первой схеме ток равняется , а во второй – :

Сопротивление изоляции очень большое, поэтому . Исходя из этого лучше применять сеть с изолированной нейтралью, но здесь нужен контроль изоляции и пробивной предохранитель.

Схемы силовых сетей

Существуют незамкнутые (магистральные, радиальные, смешанные) и замкнутые схемы сетей.

Цеховые сети

В сетях до 1000 В, как правило, применяются магистральные сети, только во взрывоопасных – радиальные.

Идеальной является схема блока трансформатор-магистраль

Это пример реализации принципа повышения надежности путем упрощения схемы коммутации – нет шины на стороне низкого напряжения трансформаторной подстанции. В действительности она есть. Это необходимо для отдельного питания осветительной сети, чтобы не нарушать показатели ЭМС.

В цехе могут устанавливаться силовые шкафы, а от них отходят магистральные или радиальные сети

На рис. Слева – абсолютно нерационально, справа - магистраль выполняется надежными элементами.

Замкнутая схема сети

Схема замкнутой сети изображена на рис.

Под землей располагается кабельная линия по схеме «сетка». Каждая точка присоединения называется «колодец». К некоторым из них подводится питание от силовых трансформаторов, а от других питаются потребители.

Различают американскую и европейскую (на рис. справа) замкнутую схему сети.

При коротком замыкании протекают большие токи, расплавляющие кабель, и происходит так называемый расплавляющий пробой, т.е. разгерметизация.

Преимущество такой схемы заключается в том, что напряжение теряется на время перегорания места повреждения, а недостаток – если по каким-либо причинам сеть отключится, то трудно восстановить ее питание: она имеет большую емкость, а, как известно, при включении емкости происходит бросок тока, который отключается защитой.

Классификация помещений

Конструктивное выполнение проводки зависит от вида помещения (производства). В ПУЭ классификация начинается с ненормальных помещений.

Ненормальные:

1. Пожароопасные помещение (в производстве используются вещества, которые горят на воздухе, т.е. бумага, промасленные тряпки и т.п.).

2. Взрывоопасные помещения (в производстве присутствуют газы, которые воспламеняются и дают взрыв при контакте с воздухом; легковоспламеняющиеся жидкости – керосин и бензин; взрывоопасная пыль – угольная, мучная и т.д.).

3. Влажные помещения (влажность до 75 %).

4. Сырые помещения (влажность 75-100 %).

5. Особо сырые помещения (влажность 100 % и на стенках конденсируется влага).

6. Жаркие помещения (температура более 30 ⁰С).

7. Пыльные помещения (помещения, в которых по условиям производства выделяется технологическая пыль в таком количестве, что она может оседать на проводах, проникать внутрь машин, аппаратов и т. п.; пыльные помещения разделяются на помещения с токопроводящей пылью и помещения с нетокопроводящей пылью).

8. Помещения с химически активной средой (помещения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образуются отложения или плесень, разрушающие изоляцию и токоведущие части электрооборудования).

К нормальным помещениям относятся все помещения, кроме вышеуказанных.

Скрытая проводка

Скрытая проводка выполняется специальным проводом, например ПВХ (поливинилхлоридная изоляция). Она выполняется до проведения строительно-отделочных работ.

Провода прокладываются только по вертикальным и горизонтальным линиям, а их расположение должно быть точно известно во избежание повреждения при сверлении отверстий, забивании гвоздей и т.д..

Преимущества: компактность, техническая.

Недостатки: трудоемкий способ прокладки, плохие условия охлаждения.

Закрытые шинопроводы

Закрытые шинопроводы бывают двух типов: магистральные и радиальные.

Магистральные шинопроводы - это шинопроводы, которые имеют относительно небольшое число присоединений (чаще всего они болтовые)

Шинопровод набирается из секций:

1. Прямая секция

2. Угловая секция

3. Т-образная или ответвленная секция

4. Секция с автоматом

Крепление закрытых магистральных шинопроводов осуществляется на стойках, подвесах, кронштейнах и т.д.

Преимущества: высокая надежность, универсальность (в любых помещениях), могут прокладываться на любой высоте.

Недостатки: если корпус металлический, то возникают дополнительные потери мощности из-за перемагничивания и вихревых токов; несколько меньший длительно допустимый ток по сравнению с открытым шинопроводом, так как хуже условия охлаждения; не приспособлен для перестановки оборудования.

Радиальные шинопроводы - это шинопроводы, которые имеют большое число присоединений. Если нет ответвлений, коробки просто закрываются.

Если есть ответвления, нужен видимый разрыва цепи на стойках, подвесах, кронштейнах.

Также как и магистральные набираются из секций, но отличаются тем, что ответвления штепсельные.

Крепление осуществляется теми же способами.

Преимущества: надежность, универсальность, большая пропускная способность, хорошо приспособлены к перестановке оборудования.

Применение кабелей

Чаще всего используются кабели с пластмассовой или поливинилхлоридной изоляцией.

Соединение кабелей производят с помощью муфт методами холодно- и термоусадки. Сейчас чаще всего применяется муфты холодной усадки. Самое очевидное различие состоит в принципе монтажа двух технологий. Технология термоусадки предполагает наличие источника нагрева — газовой горелки, фена или паяльной лампы. Качество монтажа в этом случае сильно зависит от квалификации монтажника и условий монтажа. Например, неравномерный нагрев, который может быть связан с ограниченным рабочим пространством или с ограниченным доступом ко всей поверхности муфты, может привести к неравномерности толщины изоляции.

Применение открытого пламени требует особой осторожности с точки зрения повреждения кабеля или окружающего оборудования.

Холодноусаживаемая муфта представляет собой изделие, предварительно растянутое и помещенное на спиралевидный пластиковый корд. Монтаж производится простым удалением корда, без применения каких-либо инструментов. При этом муфта плотно усаживается на кабель, обеспечивая электрическую изоляцию равномерной толщины, которая никак не зависит от мастерства монтажника.

Сейчас вместо многожильных применяются одножильные кабели. Поскольку в каждом кабеле есть заземленный экран, то магнитные поля других фаз практически не влияют на фазу. Поэтому кабели не обязательно прокладывать навалом (по вершинам равностороннего треугольника), а произвольно.

Преимущества одножильных кабелей: легко прокладывать, малый диаметр, соединять проще, место повреждения легче найти.

Сети постоянного тока

Сеть постоянного тока состоит из трехпроводной сети с заземленным средним проводом, если в цеху есть силовые и осветительные электроприемники.

По принципу работы трехпроводная сеть постоянного тока схожа с четырехпроводной сетью переменного тока.

Средний провод заземляется по той же причине, что и в четырехпроводной сети: по технике безопасности (пожарной и электрической), сопротивление нулевого провода не должно быть большим, иначе на однофазных электроприемниках не будет фазное напряжение.

Выбор предохранителей

Выбор предохранителей осуществляется по следующим параметрам:

1. По номинальному напряжению.

Если на один и тот же ток, но разные номинальные напряжения поставить одинаковый предохранитель, то плавкая вставка перегорит у предохранителя, рассчитанного на меньшее напряжение, и дуга будет продолжать гореть. Если сделать наоборот, т.е. взять предохранитель на более высшее напряжение, то будут зря затрачены средства.

2. По номинальному току патрона (в один и тот же патрон можно поставить вставки с разными токами перегорания).

3. По длительному току.

Это необходимо, чтобы предохранитель не перегорел при длительном токе и обеспечить бесперебойность электроснабжения.

Из вышеуказанного рис. следует, что чем меньше длительный ток, тем больше время перегорания вставки.

4. По пиковому току.

Это необходимо, чтобы предохранитель не перегорел при эксплуатационных бросках тока и обеспечить бесперебойность электроснабжения.

Это требование выполняется, когда длительность и значение пикового тока лежат ниже характеристики двигателя.

Тогда ток плавкой вставки равен:

где - коэффициент, который учитывает условия пуска двигателя (равен 2, 5 при нормальных условиях пуска, а если тяжелый - 2¸ 1, 8.

Если несколько двигателей:

где - пиковый ток самого мощного двигателя;

- количество двигателей.

Тогда ток плавкой вставки равен:

Если предохранитель защищает другие электроприемники, то у них свои значения коэффициента .

Магнитный пускатель

На рис. изображен участок электрической сети с магнитным пускателем и двигателем.

Магнитный пускатель предназначен для дистанционного управления электрооборудования и для защиты от минимального напряжения. Основным его конструктивным элементом является контактор. В нем есть два вида контактов: размыкающий и замыкающий.

Защита автоматами

Автомат – это коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи в нормальном режиме работы сети, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи короткого замыкания.

Здесь есть механизм свободного расцепления и даже если «курок» автомата находится в положении включено, то все равно автомат может отключиться.

При включении автомата сжимается включающая и отключающая пружины. Создаются большие усилия. Отключающая пружина становится на защелку, а включающая пружина замыкает контакты. Для отключения цепи расцепитель высвобождает защелку (здесь усилия небольшие) и отключающая пружина высвобождается.

Существуют различные конструкции автоматов. Например, есть автоматы с передним и задним присоединением.

Также были изобретены токоограничивающие автоматы: последовательно с контактами включают сопротивление (в нормальном режиме зашунтировано), а в первый момент короткого замыкания электромагнитное дутье размыкает эти контакты и ток уменьшается почти вдвое.

Различают автоматы с ручным и электродвигательным приводом.

Преимущества автоматов:

1. Высокая точность, низкий разброс характеристик

2. Возможность регулировать уставку.

3. Трехполюсное отключение, т.е. соблюдается симметричный режим при отключении.

4. Быстрота восстановления питания.

5. Меньшие перенапряжения, чем у предохранителей.

6. Автомат с электродвигательным приводом позволяет использовать его в АВР.

7. Дистанционное управление.

Недостатки:

1. Дорогой.

2. Наличие подвижных частей (хотя уже существуют электронные автоматы, в которых отключение происходит с помощью тиристоров).

3. Дребезг контактов.

Когда проходит сквозной ток КЗ (его автомат не должен отключать), электромагнитные силы слегка размыкают контакты – происходит дребезг, а возникающая дуга может приварить контакты друг к другу.

Выбор автоматов

Выбор автоматов осуществляется по следующим параметрам:

1. По номинальному напряжению.

2. По длительному току.

3. По пиковому току

Исходя из рис. уставка автомата должна быть больше пикового тока, а тепловой расцепитель выбирается как предохранитель.

4. Проверка по току КЗ, так как автомат должен надежно защищать электрическую схему:

где - коэффициент надежности, принимается равным 1.1;

- коэффициент, который учитывает характеристики конкретного автомата;

- ток уставки автомата.

Если нет сведений о выключателе, то произведение принимают равным 1.4 при токах до 100 А и 1.2 - более 100 А.

У автомата есть два вида коммутационной способности (рис.):

- Предельная коммутационная способность (автомат может отключать токи КЗ несколько раз без повреждений) – ПКС.

- Однократная предельная коммутационная способность (автомат в состоянии только один раз отключить ток КЗ) – ОПКС.

5. Проверка по сквозному току КЗ (проверка на дребезг).

6. Проверка по допустимому току защищаемой линии

Ток для электромагнитного расцепителя:

где - длительно допустимый ток линии, где установлен автомат.

Ток для теплового расцепителя:

7. Проверка по селективности

Чтобы обеспечить селективность защиты при КЗ первым должен сработать автомат №1, а не №2.

Согласно этому рисунку видно, что автомат №2 выбирается на сумму токов отходящих линий, и, соответственно, уставка по току этого аппарата будет больше, чем у автомата №1, т.е. селективность будет обеспечена. Но это одна сторона вопроса. Ток КЗ может достигнуть такого значения, что окажется близким к уставкам обоих автоматов, и тогда неизвестно какой из них сработает первым. Поэтому у автоматов устанавливают разные выдержки времени либо увеличивают и уставку по току и выдержку времени.

Тепловой расцепитель (качественно) имеет характеристики как у предохранителя. Поэтому автоматы с тепловым расцепителем не всегда обеспечивают селективность.

Иногда используют автоматы с двумя расцепителями.

Групповая защита автомата

Она применяется с целью уменьшения капзатрат.

Когда происходит КЗ, автомат отключает все присоединения, а защита минимального напряжения отключает все контакторы. После этого включается групповой автомат и поочередно присоединения. При включении поврежденного участка сети автомат снова отключает КЗ, т.е. нашлось место КЗ. В дальнейшем заново включается групповой автомат и «здоровые» присоединения.

Недостатками такой схемы является: нарушение бесперебойности электроснабжения (дважды отключаются неповрежденные присоединения) и автомат лишний раз отключает КЗ. Эта может применяться для неответственных потребителей, например, общий щит для нескольких пускателей.

Род тока и частота напряжения

Постоянный ток применяется там, где необходим по технологии и передачи энергии на большие расстояния.

Преимущества постоянного тока:

1. Нет реактивной мощности, передается только активная мощность;

Недостатки:

1. На постоянном токе трудно трансформировать напряжение, нужно инвертирование;

2. Большая стоимость и габариты электрических машин.

По мнению Мукосеева на сегодня оптимальная частота равняется 400 Гц (танки, подводные лодки, корабли и т.д.).

12 3 4 5 Следующая ⇒