Параллельное соединение. Активная, реактивная и полная проводимости. Электротехника. методическое пособие Полная реактивная 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:

7,58 ×10 - 6 b 0 р lg D ср .

R пр экв

Расщепление увеличивает b 0 на 21¸33%.

Для КЛЭП величина погонной проводимости чаще рассчитывается по фор-

b 0 = w ×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:

DQ c =Q зар = 3 ×U ×I c = B ×U 2 .

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 соп-

ротивлением линии х л, активной проводимостью G л, реактивной проводимостью В л.В расчетах ЛЭП может быть представлена симметричными П-и Т-образнымисхемами (рис. 4.6).

R	X	R/2 X/2	X/2
R/2
B /2	G /2	B /2
	G	B
G/2

Рисунок 4.6 – Схемы замещения ЛЭП: а) П – образная; б) Т - образная

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 110 кВ (DР кор » 0);

· ВЛЭП напряжением до 35кВ (DР кор » 0, DQ c » 0);

· КЛЭП напряжением 35кВ (реактивное сопротивление » 0)

· КЛЭП напряжением 20 кВ (реактивное сопротивление » 0, диэлектричес-кие потери » 0);

· КЛЭП напряжением до 10 кВ (реактивное сопротивление » 0, диэлектри-ческие потери » 0, DQ c » 0).

	Х	R		Х	R
	B /2	B /2
	а)				б)
	R
				R	R
G/2	B/2	B/2	B/2	B/2
G/2
	в)			г)	д)

Рисунок 4.7 – Упрощенные схемы замещения ЛЭП:

а) ВЛЭП при U ном до 110 кВ;

б) ВЛЭП при U ном до 35 кВ; в) КЛЭП при U ном 35 кВ;

г) КЛЭП при U ном 20 кВ; д) КЛЭП при U ном 6-10 кВ;

Лекция № 5

Параметры схемы замещения трансформаторов

13. Общие сведения.

14. Двухобмоточный трансформатор.

15. Трехобмоточный трансформатор.

16. Двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой низкого напряже-ния.

17. Автотрансформатор.

Общие сведения

На электростанциях и подстанциях устанавливаются трехфазные и однофаз-ные, двухобмоточные и трехобмоточные силовые трансформаторы и автотранс-форматоры, и силовые однофазные и трехфазные трансформаторы с расщеп-ленной обмоткой низшего напряжения.

В аббревиатуре трансформатора последовательно (слева направо) приво-дится следующая информация:

· вид устройства (А – автотрансформатор, без обозначения – трансфор-матор);

· количество фаз (О – однофазный, Т –трехфазный);

· наличие расщепленной обмотки низшего напряжения – Р ;

· система охлаждения (М – естественная циркуляция масла и воздуха, Д – принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла, МЦ –естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляциямасла, ДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла и др);

· количество обмоток (без обозначения – двухобмоточный, Т – трехобмо-точный);

· наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН);

· исполнение (З – защитное, Г – грозоупорное, У – усовершенствованное, Л

– с литой изоляцией);

· специфическая область применения (С – для систем собственных нужд электростанций, Ж – для электрификации железных дорог);

· номинальная мощность в кВ∙А,

· класс напряжения обмоток (напряжения сети, к которой подключается трансформатор) в кВ.

Двухобмоточный трансформатор

На электрических схемах двухобмоточный трансформатор представляется следующим образом (рис. 5.1):

					В обмотках указывается схемы со-
				ВН	единения обмоток (звезда, звезда с ну-
					лем, треугольник) и режим работы ней-
					трали:
					· звезда – с изолированной нейт- ра-
				НН	лью;
				· звезда с нулем – имеется соеди-
					нение нейтрали с землей.
Рисунок 5.1 – Условное изображение	В соответствии с принятой систе-
	двухобмоточного	мой обозначений аббревиатура транс-
	трансформатора.
	форматора ТДН-10000/110/10 расшиф-
					ровывается: трансформатор трехфаз-

ный, двухобмоточный с принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляцией масла и системой регулирования напряжения под нагрузкой. Номи-нальная мощность – 10000 кВ∙А, класс напряжения обмотки высшего напряжения

– 110 кВ, низшего напряжения – 10 кВ.

В практических расчетах двухобмоточный трансформатор чаще всего пред-ставляется Г-образной схемой замещения (рис. 5.2).

U 1	R т	X т	U 2 *
В т	G т

Рисунок 5.2 – Г-образная схема замещения двухобмоточного трансформатора

X т = X в + X н * .

Активное и реактив-ное сопротивления трас-форматора (продольная ветвь) представляют собой сумму активных и реак-тивных сопротивлений об-мотки высшего напряже-ния и приведенной к ней обмотки низшего напря-жения:

R т = R в + R н * ;

Поперечная ветвь схемы замещения представлена активной G т и реактивной В т проводимостями.Проводимости обычно подключают со стороны первичнойобмотки: для повышающих трансформаторов – со стороны обмотки низшего напряжения, для понижающих – со стороны обмотки высшего напряжения.

В такой схеме замещения отсутствует трансформация, то есть отсутствует идеальный трансформатор. Поэтому в расчетах вторичное напряжение U 2 * оказы-вается приведенным к напряжению первичной обмотки.

Активная проводимость обусловлена потерями активной мощности в стали трансформатора на перемагничивание и вихревые токи, реактивная проводимость

– намагничивающей мощностью. В расчетах режимов электрической сети прово-димости заменяются нагрузкой, равной потерям холостого хода.

Параметры схемы замещения трансформатора определяются из двух опытов

– холостого хода и короткого замыкания. В опытах определяют следующие вели-чины, которые указывают в паспортных данных трансформатора:

· потери активной мощности в режиме холостого хода DP х в кВт;

· потери активной мощности в режиме короткого замыкания DP к в кВт;

· напряжение короткого замыкания U к, в %;

· ток холостого хода I х, в %.

Величины активного и реактивного сопротивлений находят из опыта корот-кого замыкания (рис. 5.3). Опыт выполняют следующим образом: обмотку низше-го напряжения закорачивают, а на обмотку высшего напряжения подают такое напряжение (U к), чтобы в обеих протекал номинальный ток.

Так

как

напряжение

I 1ном

короткого

замыкания

I 2ном

намного

меньше номи-

U к

нального

напряжения

трансформатора, то поте-

ри активной мощности в

проводимости

практиче-

ски равны нулю. Таким

Рисунок 5.3 – Опыт короткого замыкания

образом,

все потери ак-

тивной мощности в режи-

двухобмоточного трансформатора.

ме короткого

замыкания

идут на нагрев обмоток. Математически это можно записать:

DP =3× I 2

× R .

(5.1)

к

1ном

т

Если в формуле (5.1) значение тока записать через мощность и номинальное напряжение обмотки высшего напряжения

Напряжение короткого замыкания U к складывается из падения напряжения на активном U к а и реактивном U к р сопротивлениях. Выразим их в процентах от номинального напряжения.

Падение напряжения в активном сопротивлении трансформатора:

U

к а

3 ×I

×R

U

, % =

×100 =

1ном

т

×100.

к а

U в ном

U в ном

Подставим в выражение значение R т. Получим:

×DP ×U 2

3 ×I

×R

3 ×I

DP

U

, % =

1ном

т

×100

=

1номк в ном

×100 =

к

×100.

к а

U в ном

U в ном × S ном 2

S ном

Таким образом, величина падения напряжения в активном сопротивлении, выраженная в процентах, пропорциональна потерям активной мощности в режиме короткого замыкания.

Выражение для падения напряжения в реактивном сопротивлении в процен-тах выглядит следующим образом

U к р

3 ×I

×X

т

U

, % =

×100 =

1ном

×100.

(5.2)

к р

U в ном

U в ном

Из него можем найти величину реактивного сопротивления трансформатора:

X т =		U кр × U в ном	.
	×	3 × I 1 ном

Умножим и разделим полученное выражение на U в ном:

X т =

U кр × U в ном

×

U в ном

=

U кр ×U в 2 ном

.

U в ном

100 × S ном

× 3

× I 1 ном

В современных трансформаторах активное сопротивление гораздо больше реактивного. Поэтому в практических расчетах можно принять, что U к р ≈ U к. То-гда, формула для расчета индуктивного сопротивления трансформатора имеет вид:

X		=	U к ×U в 2	ном	.
т
		× S ном

Трансформаторы имеют устройства регулирования напряжения (РПН или ПБВ), которые позволяют менять коэффициенты трансформации. Поэтому вели-

чина U к (следовательно, и величина индуктивного сопротивления) зависит от от-ветвления устройств РПН или ПБВ. В расчетах установившихся режимов этой за-висимостью пренебрегают. Ее учитывают при расчете токов короткого замыкания при выборе устройств автоматики и релейной защиты.

Проводимости ветви намагничивания определяются из опыта холостого хода (рис. 5.4), который выполняется при номинальном напряжении. В этом режиме трансформатор потребляет мощность, равную потерям холостого хода:

I 2 = 0

Рисунок 5.4 – Опыт холостого хода двухобмоточного трансформатора.

G		=		DP х	.
т
		U в 2
			ном

DS х = DP х + j DQ х.

Потери активной мощности пропорцио-нальны активной про-водимости трансфор

DP х =U в 2 ном × G т.

Отсюда может быть определена вели-чина активной прово-

Потери реактивной мощности пропорциональны реактивной проводимости трансформатора:

DQ х =U в 2 ном × B т.

Следовательно, величина реактивной проводимости трансформатора равна:

B т = D Q х.

U в 2 ном

Величина потерь реактивной мощности пропорциональна току намагничива-

DQ х =3× I m ×U в ном ф,

(5.3)

где U ном ф – фазное номинальное напряжение трансформатора.

Величина тока холостого хода складывается из тока намагничивания I μ и то-ка в стали I стали:

I х= I μ+ I стали.

Так как величина тока в стали составляет около 10 % от тока намагничива-ния, то выражение (5.3) можно записать:

DQ х »3× I х ×U в ном ф.

В паспортных данных величина тока холостого хода приводится в процентах от номинального тока. Поэтому мы можем записать:

С учетом полученного выражения, формула для расчета реактивной прово-димости имеет вид:

B т = I х % × × S ном.

. Конденсатор (идеальная емкость)

Аналогичный характер имеют процессы и для идеальной емкости. Здесь . Поэтому из (3) вытекает, что. Таким образом, в катушке индуктивности и конденсаторе активная мощность не потребляется (Р=0), так как в них не происходит необратимого преобразования энергии в другие виды энергии. Здесь происходит только циркуляция энергии: электрическая энергия запасается в магнитном поле катушки или электрическом поле конденсатора на протяжении четверти периода, а на протяжении следующей четверти периода энергия вновь возвращается в сеть. В силу этого катушку индуктивности и конденсатор называют реактивными элементами, а их сопротивления Х L и Х С, в отличие от активного сопротивления R резистора, – реактивными.

Интенсивность обмена энергии принято характеризовать наибольшим значением скорости поступления энергии в магнитное поле катушки или электрическое поле конденсатора, которое называется реактивной мощностью .

В общем случае выражение для реактивной мощности имеет вид:

Она положительна при отстающем токе (индуктивная нагрузка- ) и отрицательна при опережающем токе (емкостная нагрузка-). Единицу мощности в применении к измерению реактивной мощности называютвольт-ампер реактивный (ВАр).

В частности для катушки индуктивности имеем: , так как.

.

Из последнего видно, что реактивная мощность для идеальной катушки индуктивности пропорциональна частоте и максимальному запасу энергии в катушке. Аналогично можно получить для идеального конденсатора:

.

Резистор (идеальное активное сопротивление).

Здесь напряжение и ток (см. рис. 2) совпадают по фазе , поэтому мощностьвсегда положительна, т.е. резистор потребляет активную мощность

25. Активная, реактивная и полная проводимость цепи.

При параллельном соединении элементов R , L , C (рис. 1) полная проводимость равна
(1)

где g = 1/ R – активная проводимость цепи;

b – реактивная проводимость цепи.

Реактивная проводимость цепи при этом определяется выражением
(2)

Ток в цепи определяется выражением

(3)

Ток в активной проводимости совпадает с напряжением по фазе

(4)

Ток в ёмкости определяет напряжение по фазе на 90 0

(5)

Ток в индуктивности отстаёт от напряжения по фазе на 90 0

(6)

Средняя активность мощность, расходуемая в цепи

(7)

Сдвиг фаз между напряжением U на зажимах цепи и током I в ней определяется выражениями

(8)

(9)

26. Переходные процессы в линейных электрических цепях. Основные понятия, законы коммуникации.

При всех изменениях в электрической цепи: включении, выключении, коротком замыкании, колебаниях величины какого-либо параметра и т.п. – в ней возникают переходные процессы, которые не могут протекать мгновенно, так как невозможно мгновенное изменение энергии, запасенной в электромагнитном поле цепи. Таким образом, переходный процесс обусловлен несоответствием величины запасенной энергии в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора ее значению для нового состояния цепи.При переходных процессах могут возникать большие перенапряжения, сверхтоки, электромагнитные колебания, которые могут нарушить работу устройства вплоть до выхода его из строя. С другой стороны, переходные процессы находят полезное практическое применение, например, в различного рода электронных генераторах. Все это обусловливает необходимость изучения методов анализа нестационарных режимов работы цепи.

Основные методы анализа переходных процессов в линейных цепях:

Классический метод, заключающийся в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное состояние цепи.

Операторный метод, заключающийся в решении системы алгебраических уравнений относительно изображений искомых переменных с последующим переходом от найденных изображений к оригиналам.

Частотный метод, основанный на преобразовании Фурье и находящий широкое применение при решении задач синтеза.

Метод расчета с помощью интеграла Дюамеля, используемый при сложной форме кривой возмущающего воздействия.

Метод переменных состояния, представляющий собой упорядоченный способ определения электромагнитного состояния цепи на основе решения системы дифференциальных уравнений первого прядка, записанных в нормальной форме (форме Коши).

Законы коммутации

Название закона	Формулировка закона
Первый закон коммутации (закон сохранения потокосцепления)	Магнитный поток, сцепленный с катушками индуктивности контура, в момент коммутации сохраняет то значение, которое имел до коммутации, и начинает изменяться именно с этого значения: .
Второй закон коммутации (закон сохранения заряда)	Электрический заряд на конденсаторах, присоединенных к любому узлу, в момент коммутации сохраняет то значение, которое имел до коммутации, и начинает изменяться именно с этого значения: .

Доказать законы коммутации можно от противного: если допустить обратное, то получаются бесконечно большие значения и, что приводит к нарушению законов Кирхгофа.

На практике, за исключением особых случаев (некорректные коммутации), допустимо использование указанных законов в другой формулировке, а именно:

первый закон коммутации – в ветви с катушкой индуктивности ток в момент

.

второй закон коммутации – напряжение на конденсаторе в момент

коммутации сохраняет свое докоммутационное значение и в дальнейшем начинает изменяться с него: .

Необходимо подчеркнуть, что более общей формулировкой законов коммутации является положение о невозможности скачкообразного изменения в момент коммутации для схем с катушкой индуктивности – потокосцеплений, а для схем с конденсаторами – зарядов на них. В качестве иллюстрации сказанному могут служить схемы на рис. 2, переходные процессы в которых относятся к так называемым некорректным коммутациям (название произошло от пренебрежения в подобных схемах малыми параметрами, корректный учет которых может привести к существенному усложнению задачи).

Действительно, при переводе в схеме на рис. 2,а ключа из положения 1 в положение 2 трактование второго закона коммутации как невозможность скачкообразного изменения напряжения на конденсаторе приводит к невыполнению второго закона Кирхгофа . Аналогично при размыкании ключа в схеме на рис. 2,б трактование первого закона коммутации как невозможность скачкообразного изменения тока через катушку индуктивности приводит к невыполнению первого закона Кирхгофа. Для данных схем, исходя из сохранения заряда и соответственно потокосцепления, можно записать:

Зависимыми начальными условиями называются значения остальных токов и напряжений, а также производных от искомой функции в момент коммутации, определяемые по независимым начальным условиям при помощи уравнений, составляемых по законам Кирхгофа для . Необходимое число начальных условий равно числу постоянных интегрирования. Поскольку уравнение вида (2) рационально записывать для переменной, начальное значение которой относится к независимым начальным условиям, задача нахождения начальных условий обычно сводится к нахождению значений этой переменной и ее производных до (n-1) порядка включительно при.

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 330750кВ 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 = 0,820,92.

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 значениеравно 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 U35 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 2133%.

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).

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

Рассмотрим известное выражение для полной комплексной мощности

Таким образом, использование понятия о сопряженном комплексе тока позволяет реализовать аргумент полной комплексной мощности в виде разности фаз между синусоидами напряжения и тока (), а также установить корректную математическую связь между полной комплексной мощностью и ее составляющими (). Проведем преобразование с сопряженными комплексами. В соответствии с (13) получим

В таком случае будем иметь

Учтем, что

То есть для любого параметра произведение комплекса на сопряженный комплекс равно квадрату его модуля.

В соответствии с (27), (28) и (8) рассмотрим полную комплексную мощность

Треугольники мощностей, соответствующие выражению (29), приведены на рис. 9, 10, 11, которые иллюстрируют случаи:

– если , в этом случае , (рис. 9). Т. е. реактивная мощность всей цепи является положительной величиной и во внешней цепи происходит обмен циркулирующей энергией исключительно между магнитным полем L -элемента и источником питания, а перезаряд С -элемента полностью осуществляется за счёт энергии магнитного поля L - элемента;

– если , в этом случае , (рис. 10). Т. е. реактивная мощность всей цепи является отрицательной величиной и во внешней цепи происходит обмен циркулирующей энергией исключительно между электрическим полем С -элемента и источником питания. Энергия в магнитное поле L -элемента полностью поступает при разряде С -элемента;

– наконец, если , в этом случае , а (рис. 11). Т. е. обмена энергией между источником питания и цепью не происходит. Вся энергия, поступающая от источника, безвозвратно потребляется цепью. При этом полная мощность на зажимах цепи чисто активная. Внутри цепи происходит циркулирующий обмен энергией одинаковой интенсивности между полями L , C -элементов.

Расчёт параметров режима работы цепи, построение векторной диаграммы, треугольников проводимостей и мощностей можно провести, не прибегая к комплексным числам. Расчёт проводят в действующих значениях параметров режима и в модулях параметров цепи. При этом возможны две методики расчёта:

· с использованием понятия об активной и реактивной составляющих тока в каждой ветви;

· с использованием понятия о полной проводимости цепи, ветви и составляющих этих проводимостей.

По первой методике, по известным параметрам цепи определяют полные сопротивления ветвей

Затем определяют полные токи в каждой ветви и составляющие этих токов

После чего определяют полный (входной) ток цепи

и его фазовый угол

Рассчитывают мощности на ветвях

мощности на всей схеме

Используя полученные результаты, определяют проводимости ветвей и всей схемы

Наконец, по полученным результатам с учётом знаков φ 1 , φ 2 и φ строят векторные диаграммы токов, проводимостей и мощностей.

По второй методике, по известным параметрам цепи определяют проводимости ветвей и их фазовые углы

Затем определяют полную проводимость цепи и ее фазовый угол

После чего рассчитывают токи в ветвях и входной ток

Определяют мощности ветвей и всей цепи

И, наконец, зная величину и их знаки, строят векторные диаграммы токов, проводимостей и мощностей.

Иного характера расчёты проводят, если известны некоторые параметры режима работы цепи, и требуется определить параметры схемы замещения и построить векторную диаграмму. Такие расчёты проводят после экспериментального исследования схемы.

Например, дана схема замещения цепи (рис. 12). Путём эксперимента измерили следующие параметры режима работы этой цепи: P – активную мощность всей цепи; U – напряжение на зажимах цепи; I – входной ток; I 1 и I 2 – токи ветвей; угол сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока (с учетом его знака). Необходимо определить параметры схемы и построить векторную диаграмму. Проводят следующие расчёты:

1. Определяют эквивалентные параметры всей цепи (знак общей реактивной проводимости и общего реактивного сопротивления определяется знаком измеренного угла )

2. Определяют эквивалентные параметры каждой ветви

3. Определяют параметры элементов ветвей схемы

4. Рассчитывают остальные параметры режима работы схемы

5. Строят векторные диаграммы токов, проводимостей, мощностей.

В данной цепи, как и в цепи с последовательным соединением R , L , C- элементов, возможен резонансный режим, который носит название резонанса токов . При резонансе токов в цепи, содержащей L и С- элементы, включённые в параллельные ветви, синусоиды входного тока I и напряжения , приложенного к зажимам цепи, совпадают по фазе, т. е. . Особенности этого режима уже рассмотрены (рис. 4, 8, 11). Определим резонансную частоту в цепи (рис. 1). Если для резонанса токов то в соответствии с (11)

Выражение (34) определяет условие резонанса токов для конкретной цепи. Если катушка индуктивности и конденсатор включены в параллельные ветви, то модули реактивных проводимостей ветвей должны быть равны.

Подставив эти выражения в (34) и решив уравнение относительно , получим

Выражение (35) показывает, что резонансная частота определяется величиной четырёх параметров цепи L , C , R 1 , R 2 . Поэтому резонансного режима можно добиться, варьируя каждый из указанных параметров.

Проанализируем зависимости параметров контура и параметров режима его работы от изменения C на примере схемы рис. 12. Считаем, что величина ёмкости С изменяется от 0 до , а цепь подключена к идеальному источнику синусоидальной ЭДС.