Нагрев проводов электрическим током. 1 страница

Согласно закону Джоуля – Ленца проводники электрических сетей нагреваются при прохождении по ним электрического тока. Количество выделенной тепловой энергии прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Нагрев изменяет физические свойства проводника. Повышается его сопротивление, а значит повышается и бесполезный расход электроэнергии на нагрев токоведущих частей. Слишком высокая температура нагрева проводника может привести к преждевременному износу изоляции, ухудшению контактных соединений, а в некоторых случаях к возникновению пожара и даже взрыва.

Наибольшая температура, при которой обеспечивается надежная продолжительная работа проводов и кабелей, называется длительно допустимой температурой. Ее величина зависит от вида проводника (см. табл. 2.3 стр. 39 /1/). Ток, при котором устанавливается длительно допустимая температура нагрева проводника, называется длительно допустимым током. Учитывая условия надежности, безопасности и экономичности, правила устройства электроустановок (ПУЭ) установили значения длительно допустимых токов для проводников различных марок и сечений с учетом способа их прокладки.

Чем выше сечение проводника, тем больше длительно допустимый ток. Это объясняется двумя причинами:

1) у проводника большего сечения при одной и той же длине сопротивление меньше, значит, при одном и том же токе, он будет нагреваться меньше;

2) у проводника большего сечения больше площадь наружной поверхности, а значит лучше условия передачи тепла в окружающую среду.

2. Определение длительных токов ЭП и выбор сечений проводов и кабелей.

При расчете сети по нагреву сначала выбирают марку проводника в зависимости от характеристики среды помещения и способа прокладки сети. Затем выбирают наименьшее сечение проводника, для которого выполняется условие:

(1)

I_Р – расчетный максимальный ток нагрузки, А;

I_Д – длительно допустимый ток (табличное значение),А.

Для одного ЭП за максимальный расчетный ток принимают его номинальный ток. Исключение: АД с короткозамкнутым ротором, установленные во взрывоопасной зоне; для них I_Р = 1,25*I_НОМ. Для группы ЭП I_Р определяется специальным расчетом.

Значения длительно допустимых токов в таблице указаны для нормальных условий прокладки: t_ВОЗД. = 25 °С, t_ЗЕМЛИ = 15 °С. Если условия прокладки отличаются от нормальных, то длительно допустимый ток определяется по формуле:

К_П – поправочный температурный коэффициент (см. табл. П2 стр. 358 /1/).

При повторно- кратковременном режиме (ПКР) проводники нагреваются меньше, чем при продолжительном, поэтому для них допустимый ток равен:

Эту формулу используют, если ПВ 40%,а сечение проводников выше 6 мм² для меди, 10 мм² для алюминия (иначе ).

Для кратковременного режима работы с длительностью включения до 4 мин. длительно допустимый ток определяют так же, как и для ПКР, а при длительности включения более 4 мин. – как для продолжительного режима.

Урок №9

Практическое занятие №1 – Выбор сечений проводов и кабелей по их допустимому нагреву электрическим током.

Задача №1

Для привода механизма используется асинхронный двигатель (АД), который имеет следующие технические данные: Р_НОМ=40 кВт; U_НОМ=380 В; h_НОМ=90,5%; cosj_НОМ=0,89. Выбрать сечение проводов марки АПВ, проложенных в стальной трубе, если температура окружающего воздуха равна 25 °С.

Решение:

1. Определяем номинальный ток двигателя:

2. Соблюдая условие I_НОМ I_Д по таблице 2.7 стр. 42 /1/ принимаем сечение проводов равным 25 мм² - I_Д=80 А.

Указания:

1. Таблица, которой воспользовались в задаче, может быть применена для проводов марок АПВ, АПР, АППВ, АППВС, АПРТО и т.д.

2. При определении I_Д воспользовались тем столбцом таблицы, где указаны длительно допустимые токи для трех одножильных проводов проложенных в одной трубе, т.к. в качестве четвертого (нулевого) проводника можно использовать трубу и провода марки АПВ являются одножильными.

Задача №2

Решить задачу №1 при температуре воздуха равной 35 °С.

Решение:

1. Определяем номинальный ток двигателя:

2. По таблице П2 стр. 358 /1/ находим поправочный температурный коэффициент: к_п=0,87.

3. Соблюдая условие I_НОМ по таблице 2.7 стр. 42 /1/ принимаем сечение проводов равным 35 мм² - =I_Д* к_п =95*0,87=82,65 А.

Указания:

1. В таблице П2 стр. 58 /1/ в столбце, соответствующем температуре воздуха 35 °С, указаны несколько поправочных коэффициентов в зависимости от расчетной температуры среды и нормированной температуры жил (см. первый и второй столбцы таблицы). Поправочный коэффициент был принят равным 0,87, т.к. при прокладке в воздухе расчетная (нормальная) температура среды равна 25 °С, а нормированная температура жил для проводов с полихлорвиниловой изоляцией равна 65 °С согласно табл. 2.3 стр. 39 /1/.

Задача №3

Стационарный сварочный трансформатор имеет следующие технические данные: S_НОМ=50 кВА; U_НОМ=380 В; ПВ=40%. Выбрать сечение кабеля марки АВВГ для питания этого трансформатора при нормальных условиях прокладки.

Решение:

1. Определяем номинальный ток ЭП:

2. Так как ПВ 40% и ориентировочно сечение больше 10 мм², то его выбор производим по условию: I_НОМ . По таблице 2.8 стр. 43 /1/ выбираем сечение 16 мм², для которого

Указания:

1. Таблица, которой воспользовались в задаче, может быть применена для кабелей марок АВВГ, АПВГ, АВВБ, АВРБ, АВРГ и т.д.

3. При определении I_Д воспользовались тем столбцом таблицы, где указаны длительно допустимые токи для трехжильных кабелей проложенных в воздухе, т.к. кабель марки АВВГ небронированный и прокладка его в земле не рекомендуется.

4. При использовании таблицы 2.8 стр. 43 /1/ в формулу для определения длительно допустимого тока всегда вводится коэффициент 0,92(см. примечание к таблице).

Задача №4

Решить задачу №3 при ПВ=60%.

1. Определяем номинальный ток ЭП:

2. Так как ПВ>40%, то выбор сечения производим по условию: I_НОМ I_Д. По таблице 2.8 стр. 43 /1/ выбираем сечение 35 мм², для которого

Задача №5

Для привода механизма, установленного во взрывоопасном помещении класса В-Iа, используется АД с короткозамкнутым ротором, который имеет следующие технические данные: Р_НОМ=100 кВт; U_НОМ=380 В; h_НОМ=92,4%; cosj_НОМ=0,89. Выбрать сечение проводов марки ПВ для питания данного ЭП при нормальных условиях среды.

Решение:

1. Определяем номинальный ток двигателя:

2. Определяем расчетный ток для выбора сечения проводов:

I_Р = 1,25*I_НОМ=1,25*184,8=231 А

3. Соблюдая условие I_НОМ I_Д по таблице П2.1 стр. 510 /2/ принимаем сечение проводов равным 120 мм² - I_Д=260 А.

Указания:

1. При определении I_Д воспользовались тем столбцом таблицы, где указаны длительно допустимые токи для четырех проводов проложенных в одной трубе, т.к. во взрывоопасных помещениях нельзя применять открытую прокладку проводов и использовать в качестве четвертого (нулевого) проводника трубу.

Таблица 1 - Исходные данные к домашней контрольной работе №1 по электроснабжению

№ вар.	Задача №1	Задача №2	Задача №3
Рном, кВт	cosjн	hн	tвозд., °C	Sном, кВА	ПВ %	Рном, КВт	cosjн	hн	Рном, КВт	cosjн	hн	tвозд., °C
1.	7,5	0,88	87,5				-	-	-		0,9	87,5
2.		0,95	-		-			0,92			0,9
3.		0,9					-	-	-		0,88	87,5
4.		0,95	-		-			0,92			0,88
5.	18,5	0,92	88,5				-	-	-		0,88
6.		0,95	-		-			0,92			0,9
7.		0,91	88,5				-	-	-		0,9
8.		0,95	-		-			0,92			0,9	88,5
9.		0,92					-	-	-		0,88	90,5
10.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,88	87,5
11.		0,89					-	-	-		0,72
12.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,73
13.		0,9					-	-	-		0,73	87.5
14.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,73
15.		0,92					-	-	-		0,72
16.		0,95	-		-			0,91	88,5	7,5	0,88	85,5
17.	7,5	0,88	87,5				-	-	-		0,71	91,5
18.		0,95	-		-			0,92			0,9	92,5
19.		0,9					-	-	-		0,87	93,5
20.		0,95	-		-			0,92			0,83	92,5
21.	18,5	0,92	88,5				-	-	-		0,73	92,5
22.		0,95	-		-			0,92			0,76
23.		0,91	88,5				-	-	-		0,86	86,5
24.		0,95	-		-			0,92			0,85
25.		0,92					-	-	-	7,5	0,8	85,5
26.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,84
27.		0,89					-	-	-		0,83	90.5
28.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,88	90,5
29.		0,9					-	-	-		0,88
30.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,88	89,5
31.		0,92					-	-	-		0,86	88,5
32.		0,95	-		-			0,91	88,5		0,83	90.5

Примечание. Во всех задачах принять U_НОМ = 380 В.

Задача №1: Для вариантов 1 –16 требуется выбрать сечение проводов марки АПВ, проложенных в трубе; Для вариантов 17 –32 требуется выбрать сечение кабеля марки АВВГ, проложенного в канале; Тип ЭП: для нечетных вариантов – электропривод, для четных – электронагревательная установка (см. задачи №1 и №2, решенные на уроке №9).

Задача №2: Для вариантов 1 –16 требуется выбрать сечение кабеля марки АВВГ, проложенного в канале; Для вариантов 17 –32 требуется выбрать сечение проводов марки АПВ, проложенных в трубе; Тип ЭП: для нечетных вариантов – сварочный трансформатор, для четных – подъемное устройство; условия окружающей среды для всех вариантов нормальные (см. задачи №3 и №4, решенные на уроке №9).

Задача №3: Для всех вариантов выбрать сечение проводов марки ПВ для ЭП, расположенного во взрывоопасной зоне (см. задачу №5, решенную на уроке №9).

Урок №10

Тема: «Графики электрических нагрузок».

1. Общие сведения о графиках электрических нагрузок.

Электрическая нагрузка – это величина, характеризующая потребление мощности отдельным ЭП или группой ЭП.

Графиком электрической нагрузки называется кривая, показывающая ее изменение во времени. Графики электрических нагрузок дают наглядное представление об изменении потребляемой мощности в течение заданного периода времени.

Графики электрических нагрузок подразделяют на индивидуальные и групповые. Групповые графики строят путем суммирования индивидуальных графиков, т.е. графиков отдельных ЭП. Суммируя групповые графики можно получить график нагрузки цеха или всего предприятия.

По роду нагрузки различают графики активной и реактивной мощности, по длительности рассматриваемого промежутка времени – суточные и годовые графики.

Рисунок 7 – Суточный (а) и годовой (б) графики активной Р и реактивной Q нагрузок.

Изменение нагрузки во времени можно наблюдать по измерительным приборам и регистрировать самопишущим прибором. На практике графики нагрузок обычно получают по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии, снятым через определенные равные промежутки времени (30 минут).

Если суточный график нагрузки представлен кривой линией, то его разбивают на интервалы продолжительностью 30 минут и для каждого из них находят среднее значение нагрузки. Наибольшее из этих значений называется максимальной нагрузкой или получасовым максимумом. По расчетному значению этой величины производят выбор различных элементов СЭС, в том числе сечений проводников.

Графики электрических нагрузок характеризуются повторяемостью, т.е. для одного и того же участка цеха, цеха, производства и т.д. графики электрических нагрузок полученные для разных суток являются одинаковыми. Это свойство графиков нашло применение:

- сначала для разных производств были получены суточные графики электрических нагрузок;

- затем для каждого из них была установлена связь между его формой и типом и количеством применяемых ЭП, эта связь выражается специальными коэффициентами, которые называются показателями графиков электрических нагрузок;

- в настоящий момент эти показатели используют для расчета электрических нагрузок проектируемых предприятий.

Графики электрических нагрузок всегда неравномерны. Для разных производств неравномерность проявляется в разной степени (см. рис. 2.13 стр. 48 /1/). Чем больше неравномерность графика, тем больше потери электроэнергии. Для энергосистемы неравномерность графика нагрузки это не только лишние потери электроэнергии, но и необходимость увеличивать число и/или мощность генераторов электростанций в соответствии со значением максимальной нагрузки. Поэтому энергосистема стимулирует предприятия к выравниванию графика нагрузки путем введения двухставочного тарифа, при котором предприятие платит не только за фактически потребленную энергию, но и за максимальную (заявленную) мощность.

2. Показатели графиков электрических нагрузок.

Показатели графиков электрических нагрузок – это безразмерные коэффициенты, характеризующие режим работы ЭП. Они применяются при расчетах электрических нагрузок.

Коэффициент использования активной мощности – это отношение средней активной мощности за наиболее загруженную смену к ее номинальному значению:

Коэффициент включения ЭП – это отношение продолжительности включения ЭП в цикле t_В ко всей продолжительности цикла t_Ц. Время включения ЭП за цикл складывается из времени работы t_Р и времени холостого хода t_Х:

Коэффициент загрузки – это отношение фактически потребляемой (активной) мощности к номинальной мощности ЭП:

Коэффициент формы характеризует неравномерность графика нагрузки во времени. Он равен единице при нагрузке неизменной во времени.

Коэффициент максимума активной мощности – это отношение максимальной расчетной мощности к активной средней мощности за наиболее загруженную смену:

Коэффициент спроса – это отношение максимальной расчетной мощности к номинальной:

Коэффициент заполнения графика нагрузки – это величина обратная коэффициенту максимума:

Урок №11

Тема: «Потери мощности и электроэнергии в электрических сетях».

1. Потери мощности и электроэнергии в линиях и трансформаторах.

При передаче электроэнергии от источников питания к потребителям в электрической сети возникают потери мощности и электроэнергии. Для линий электропередачи эти потери объясняются тем, что проводники линий нагреваются и отдают тепло в окружающую среду. Потери же в трансформаторах состоят из двух частей:

1) электрические потери, связанные с нагревом обмоток трансформатора;

2) магнитные потери, связанные с нагревом сердечника трансформатора.

Потери активной и реактивной мощности в линии определяются по формулам:

Р_М, Q_М – максимальные значения активной и реактивной мощности, передаваемые по линии;

R_Л, X_Л – активное и реактивное сопротивление линии.

Площадь годового графика нагрузки равна годовому расходу электроэнергии W_ГОД. Энергия в течение года расходуется при изменяющемся значении мощности. Если бы мощность всегда имела максимальное значение Р_М, то количество энергии W_ГОД расходовалось бы за время Т_мах меньшее года. Это время называется временем использования максимума нагрузок:

Потери активной и реактивной электроэнергии в линии определяются по формулам:

t_МАХ – время максимальных потерь.

Время максимальных потерь – это время, в течение которого электрическая сеть, работая с максимальной нагрузкой, имеет потери электроэнергии, равные действительным годовым потерям. Величина t_МАХ зависит от Т_мах и соsj и определяется по графику, приведенному в учебнике (рис. 2.24 стр. 93 /1/).

Для трансформаторов используют следующие формулы:

где DР_ХХ – потери холостого хода трансформатора, кВт;

DР_КЗ – потери короткого замыкания трансформатора, кВт;

b - коэффициент загрузки трансформатора;

u_К – напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

i_Х – ток холостого хода трансформатора, %;

S_НОМ – номинальная мощность трансформатора, кВА;

Т_ВК – время включения трансформатора в году, ч.

2. Мероприятия по снижению потерь электроэнергии.

Значительную величину составляют потери электроэнергии в трансформаторах. Они могут быть снижены за счет правильного выбора числа и мощности трансформаторов, а также исключения работы трансформатора с малой загрузкой. Последнее обеспечивается отключением трансформатора в периоды минимальных нагрузок, Во время такого отключения питание ЭП обеспечивает второй трансформатор этой подстанции, а при его отсутствии – трансформатор ближайшей соседней подстанции с помощью специальной кабельной перемычки.

Если питание потребителей производится по двум или нескольким линиям, то их следует включать параллельно для уменьшения потерь электроэнергии.

Применение более высокого напряжения приводит к значительному снижению потерь электроэнергии, однако, это приводит и к увеличению капитальных вложений. Поэтому вопрос о применении того или иного напряжения решается на основании технико-экономического расчета.

Следует стремиться к получению равномерного графика нагрузки, благодаря чему повышается использование оборудования и снижаются потери электроэнергии.

Для снижения потерь электроэнергии в осветительных сетях следует: использовать естественное освещение и поддерживать чистоту световых проемов, регулярно чистить светильники и правильно размещать их, своевременно включать и отключать освещение.

Урок №12

Тема: «Расчет электрических нагрузок в электроустановках напряжением до 1 кВ».

1. Назначение расчета электрических нагрузок.

Создание каждого промышленного предприятия начинается с его проектирования. При проектировании СЭС объекта первым этапом является определение ожидаемых электрических нагрузок, т.е. расчет максимальной мощности. Правильное определение ожидаемых электрических нагрузок имеет большое значение, т.к. результаты этого расчета являются исходными данными для выбора всех элементов СЭС.

Нельзя принять максимальную нагрузку равной сумме номинальных мощностей всех ЭП: она всегда меньше этой суммы. Это объясняется неполной загрузкой некоторых ЭП, не одновременностью их работы и т.д. Завышение ожидаемых нагрузок приводит к удорожанию строительства, перерасходу проводникового материала и неоправданному увеличению мощности трансформаторов и другого электрооборудования. Занижение ожидаемых нагрузок может привести к увеличению потерь мощности, перегреву проводов, кабелей и трансформаторов, а, следовательно, – к сокращению срока их службы.

Существующие ныне методы расчета электрических нагрузок основаны на обработке данных об электрических нагрузках действующих промышленных предприятий различных отраслей промышленности.

2. Методы расчета нагрузок.

Название метода	Сущность метода	Применение метода
Метод удельного расхода электроэнергии на единицу продукции	Определяют годовой расход активной электроэнергии: а затем расчетную нагрузку: РР= , где М- количество выпускаемой продукции за год, шт., кг, м и т.д.; w0 – удельный расход электроэнергии на единицу продукции, кВт*ч/шт, кВт*ч/кг и т.д.; ТГ – годовое число часов работы предприятия.	Для предварительных и поверочных расчетов
Метод коэффициента спроса	РР=кС*РНОМ КС – коэффициент спроса;	Для расчета электрических нагрузок высокого напряжения и для расчета осветительных нагрузок
Метод удельной плотности электрических нагрузок на единицу производственной площади	РР=у0*F у0 – удельная плотность нагрузки на 1 м^2 производственной площади, Вт/м^2; F – площадь размещения ЭП, м^2.	Этот метод также как и метод коэффициента спроса носит оценочный характер и применяется для расчета нагрузок высокого напряжения
Метод упорядоченных диаграмм (метод коэффициента максимума)	¾	Для расчета электрических нагрузок в электроустановках напряжением до 1 кВ. На практике в основном применяют первый из них, т.к. он более простой и изученный.
Статистический метод (самый точный)

Дата добавления: 2017-02-01