1.2. Поняття про номінальну напругу .

Номінальною напругою споживачів електроенергії, генераторів, трансформаторів і т.д. є рівень наруги, який передбачено для нормальної їх роботи і при якій вони дають найбільший економічний ефект.

Під час передачі електроенергії завжди існують втрати напруги і цьому значення напруги у різних точках мережі різне. Для кожної мережі при проектуванні обґрунтовується номінальна напруга. На це значення напруги і повинне бути розраховано обладнання, яке включається у мережу.

Номінальні напруги генераторів за умовами компенсації втрат напруги у мережі приймаються на 5 % вище номінальної напруги мережі.

Первина обмотка трансформатора є приймачем електроенергії і тому для підвищувальних трансформаторів її номінальна напруга дорівнює номінальній напрузі генераторів , а для понижуючих трансформаторів - номінальній напрузі мережі. Напруга вторинних обмоток трансформаторів повинна бути при навантаженні на 5 % вище номінальної напруги відповідної мережі. Але оскільки при навантаженні мають місце втрати  напруги у самому трансформаторі, то значення номінальної напруги вторинних обмоток приймається на 10 % вище значення номінальної напруги мережі.

Елементи електричної мережі, а також споживачі електроенергії працюють з найкращими економічними показниками при номінальній напрузі.

Тому режим напруги мережі є однією з важливих характеристик її поточної роботи.

Під режимом напруги розуміється сукупність усіх значень напруги у вузлових пунктах мережі. Розрахунок режиму напруги мережі є однією із основних задач при проектуванні і експлуатації електричної мережі.

Різниця між фактичним значенням напруги у будь-якому вузлі мережі і номінальним значенням напруги  V = U – Uном називається відхиленням напруги. Звичайно ця величина визначається у процентах від номінальної напруги V %=( U - Uном)/Uном*100.

Виникає запитання: яке співвідношення повинне бути між номінальними напругами різних елементів мережі. Встановлено наступний стандарт для номінальних напруг табл. 1). (на самостійну роботу)

Таблиця 1

Лінійна номінальна напруга мережі	Лінійна номінальна напруга генератора	Трансформатори з РПН		Максимальна робоча напруга
		Первинна обмотка	Вторинна обмотка
3	3,15		3,15	3,6
6	6,3	6 и 6,3	6,3 и 6,6	7,2
10	10,5	10 и 10,5	10,5 и 11	12
20	21	20 и 21	22	24
35	-	35 и 36,75	38,5	40,5
110	-	110 и 115	115 и 121	126
220	-	220 и 230	230 и 242	252
330	-	330	330	363
500	-	500		525
750	-	750		787

Таким чином Uном г > Uном мережі. Для чого? На підставі схеми, яка показана на рис. 4,а, за допомогою рис. 4, б-г розглянемо три варіанти :співвідношення між номінальними напругами елементів системи:

1 – Uг =Uном мережі і коефіцієнт трансформації трансформатораКт=1(рис. 4, б);

2 -  Uг =1,05Uном мережі і Кт=1 (рис. 4, б);

3 -  Uг =1,05Uном мережі і Кт=Uвном/Uнном <1 (рис. 4, б).

Аналіз рис. 4 дозволяє зробити наступні висновки:

1. Якщо номінальна напруга генератора і номінальна напруга мережі будуть рівні і Кт=Uвном/Uнном =1 (залежність 1), то тільки споживачі 1 та 2 будуть забезпечені електроенергією належної якості бо виконується умова Uмін доп < U < Uмакс доп.

2. Якщо номінальна напруга генератора більша за номінальну напругу мережі  і Кт=Uвном/Uнном =1 (залежність 2), то споживачі 1-4 будуть забезпечені електроенергією належної якості бо виконується умова Uмін доп < U < Uмакс доп.

3. Якщо Uг =1,05Uном мережі і Кт=Uвном/Uнном <1, то усі споживачі будуть забезпечені електроенергією належної якості бо виконується умова Uмін доп < U < Uмакс доп.

1.3. Класифікація електричних мереж          Електричні мережі розрізнюються по: 1. Роду струму а) мережі постійного струму (рис. 1), які використовуються для - живлення промислових підприємств (електролізні цехи, електричні печі і інше); - міського електротранспорту (трамвай, тролейбус, метрополітен); - залізничного транспорту (використовується і змінний струм); - передачі електроенергії на великі відстані, однак його використання є обмеженим у зв’язку з необхідністю перетворення змінного струму в постійний на початку і постійного в змінний в кінці лінії електропередавання. Електрифікація залізничного транспорту може здійснюватись як на постійному, так і на змінному струмах. - вставки постійного струму (зв'язок двох енергосистем однакової або різної частоти; підвищення стійкої роботи енергосистеми; підключення нетрадиційних джерел типу вітрових електричних станцій або приливних; підключення віддалених ГЕС) Переваги в порівнянні з ЛЕП змінного струму: - немає проблеми стійкості паралельної роботи; - менші втрати потужності і енергії, тому що Х=0; - менші витрати металу (два проводи, а не три); Недоліки: - підключення споживачів в проміжку між ПС скрутно і вимагає значних витрат на споруду перетворюючих підстанцій. Раніше підкреслювали, що економічно вигідно будувати ЛЕП постійного струму при довжині лінії більше за 2000 км; б) мережі змінного струму. 2. Значенню номінальної напруги а) мережі напругою до 1 кВ (використовується термін низьковольтні мережі); б) мережі напругою вище за 1 кВ (використовується також термін високовольтні). Використовується і така класифікація: Мережі низької напруги (до 1 кВ); середньої напруги (6-35 кВ); високої напруги (110-220 кВ); надвисокої (330-750 кВ); ультрависокої (понад 1000 кВ). 3. По конфігурації (схемі з'єднань) а) розімкнені (радіальні і магістральні) (рис. 2); Л1  б) прості замкнені (кільцева і з двостороннім живленням) (рис. 3);   в) складнозамкнуті. 4. По конструктивному виконанню а) повітряні; б) кабельні; в) повітряно - кабельні. 5. По ролі в схемі електропостачання а) міжсистемні (330 кВ і вище); б) живильні (110-220 кВ); в) розподільні ( до 35 кВ включно). 6. По місцю розташування і характеру споживачів а) міські; б) промислові; в) сільські; г) електрофіцірований транспорт; д) магістральних нафто- і газопроводів; е) електричних систем. 7. По території і характеру обслуговування а) районні (110 - 220 кВ). або постачальні; б) місцеві (до 35 кВ включно), або розподільчі; 8. По режиму роботи нейтралі мережі (на самостійну роботу) а) мережі з ізольованої нейтраллю (рис. 4); До них відносяться мережі напругою 6-35 кВ. Як видно з рис. 4 нульова  точка зірки не має зв’язку з землею (ізольована від землі). Нульову точку зірки називають нейтраллю. Звідси витікає назва режиму нейтраллі мережі напругою 6-35 кВ. б) мережі з компенсованою нейтраллю (резонансно заземленою) Це мережі також напругою 6-35 кВ, але нейтраль пов'язана із землею через регульовану індуктивність (рис. 5). А    в) мережі з глухо заземленою нейтраллю (рис. 6) у яких нейтраль глухо (без опору) пов'язана із землею. До них відносяться мережі напруженням 110 кВ і вище. д) мережі з ефективно заземленої нейтраллю (в мережах напругою 110 і 220 кВ для зниження складової нульової послідовності в струмі несиметричного КЗ диспетчер розземлює нейтраль трансформаторів на деяких підстанціях). У мережах напругою нижче за 1 кВ режим роботи нейтралі мережі визначається умовами безпеки. У мережах напругою вище за 1 кВ експлуатацією (струмом замикання на землю). Розглянемо мережі напруженням до 1 кВ: а) чотирьохпроводних мережах 380 В (рідше є мережі 220 В) працюють з глухо заземленою нейтраллю (рис. 7). Замикання будь-якої фази на землю приводить до короткого замикання мережі, запобіжник пошкодженої фази перегорає. Корпус двигуна приєднаний до нульового проводу; б) трипровідні мережі напругою 660 в працюють в режимі з ізольованою нейтраллю. Замикання фази на землю тут не є коротким замиканням і не приводить до відключення мережі. Однак фазні напруження двох непошкоджених фаз при цьому зростають до лінійних значень. Нижче розглянемо векторну діаграму напружень при замиканні фази на землю. Мережі напругою вище за 1 кВ. Мережі з струмами замикання на землю до 500 А згідно з ПУЕ відносяться до мереж з малими струмами замикання на землю. Це мережі напругою 6-35 кВ. Вони можуть працювати або з ізольованої нейтраллю, або з компенсованої нейтралью. Мережі напругою 110 кВ і вище Мережі напругою 110 кВ і вище характеризуються великими струмами замикання на землю. Вони працюють в режимі з глухо заземленою нейтраллю. Замикання однієї фази на землю приводить до короткого замикання і пошкоджена дільниця автоматично відключається. Робота таких мереж в режимах з ізольованою або компенсованою нейтралями не може бути обґрунтована ні технічно, ні економічно через великі струми замикання на землю і необхідність посилення ізоляції, яка повинна бути розрахована на лінійне значення, що дорого. Але в мережах 110 кВ при ситуації, коли струм при однофазному КЗ більше струму при трифазному КЗ в тій же точці, для здешевлення пристроїв для заземлення, зниження струму, що відключається при КЗ вимикачами, уникнення вдосконалення РЗ на ряді підстанцій по вказівці диспетчерів розмикають нейтраль одного з трансформаторів. При цьому меншає струм нульової послідовності і загалом струм однофазного КЗ. Розмикання нейтралей трансформаторів на багатьох підстанціях наближає режим всієї мережі до режиму з ізольованої нейтраллю. Тому при розмиканні користуються критерієм . Розглянемо мережі напругою 6-35 кВ. На рис. 8 зображено мережі при замиканні фази С на землю. На рис. 8 наведено струми замикання. На рис. 9 наведено векторну діаграму напруг (ВДН) і струмів  для нормального режиму роботи мережі, тобто до замикання фази на землю. При замиканні фази С на землю фазна напруга цієї фази дорівнює 0. Фазні напруги двох непошкоджених фаз зростають в 1.73 і стануть рівні лінійним значенням. Ємкісний струм пошкодженої фази буде рівний нулю, а двох непошкоджених фаз зросте. Струм замикання рівний Побудувати ВДН можливо шляхом накладення на напруги фаз А, В, С нормального режиму напруги фази С з зворотним напрямком – Uc (рис. 10). Частіше ВДН будують таким чином: пошкоджену фазу з'єднують із землею. Фазні напруження непошкоджених фаз тепер співпадають з лінійними напругами нормального режиму цих фаз і пошкодженої Струм однофазного замикання визначається ємностями фаз мережі відносно землі або заземленій металевій оболонці кабелю і залежить від напруги, конструкції і протяжності мережі. Розрізнюють металеве або глухе замикання на землю, яке частіше виникає при малих струмах замикання на землю, і дугове, коли в місці замикання на землю виникає дуга, що перемежається та супроводжується повторними згасаннями і заживаннями (рис. 11).   Між ємністю і індуктивністю мережі в цьому випадку з'являються зведені електричні коливання високої частоти і як наслідок в мережі виникають перенапруги (мережа є коливальним контуром). Амплітуда дугових перенапруг при відсутності ферорезонансних явищ може досягати 3.2 UФ на здорових фазах і 2.2 на пошкодженій. Ці перенапруги розповсюджуються на всю електричну пов'язану мережу. Тривалий вплив перенапруг на ізоляцію може привести до іонізації і теплового пробою її в будь-якій точці мережі. Це означає, що виникають міжфазні КЗ. Найбільш ймовірно виникнення дуг, що перемежаються, при ємнісних струмах замикання на землю, що перевищують встановлені межі (6-10 кВ 30 А, мережа 35 кВ - 10 А).          Мережі з компенсованою нейтраллю. Мережі з струмами замикання на землю більше граничних виконують з компенсованою нейтраллю. У нейтраль мережі включають дугогасну котушку. При замиканні на землю однієї фази напруга нейтралі дорівнює фазній напрузі. Під дією цієї напруги через дугогасну котушку піде струм. Опір котушки підбирають таким, щоб індуктивний струм IL, що проходить через котушку, був би по величині рівний сумарному ємнісному струму 3Ic, що проходить через ємності. При цьому створюються умови для погасання дуги: сповільнюється швидкість наростання напруги в місці замикання і відновлюються діелектричні властивості ізоляції. Пробої ізоляції відбуваються значно рідше - через 12 і більше періодів промислової частоти. У компенсованих мережах перенапруги на здорових фазах не перевищують 2.8 UФ Оскільки в мережі постійно виконується перемикання, то і міняється ємкісний струм. Котушку необхідно постійно настроювати на резонанс. Це виконують автоматичні системи компенсації струму замикання на землю. Потрібно підкреслити чутливість настройки для створення умов для гасіння дуги. Невелика різниця приводить до того стану, що відповідає умовам мережі з ізольованої нейтраллю. Мережі з ізольованої або компенсованої нейтраллю не вимагають негайного відключення при виникаючих однофазних замиканнях на землю і можуть працювати із заземленою фазою декілька годин. Основні відомості про конструкції ліній електропередачі План. 1. Повітряні лінії електропередачі. 2. Кабельні лінії електропередачі. Повітряні лінії електропередачі Електричної повітряною лінією електропередачі називається пристрій для передачі електричної енергії по проводах, розташований на відкритому повітрі і прикріплений за допомогою ізоляторів та арматури до опор або кронштейнів інженерних споруд. Головні елементи повітряної ЛЕП: • дроти, які служать для передачі електроенергії; • грозозахисні троси для захисту від атмосферних перенапруг (грозових розрядів). Вони монтуються в вехрней частини опори; • опори, що підтримують проводи і троси на певній висоті над поверхнею; • ізолятори, ізолюючі дроти від тіла опори; • арматура, за допомогою якої дроти закріплюються на ізоляторах, а ізолятори на опорі. За конструктивним виконанням розрізняють одноланцюгові і дволанцюгові ЛЕП. Під ланцюгом розуміють три дроти (трифазний ланцюг) однієї ЛЕП. Конструктивна частина ЛЕП характеризується типами опор, довжинами прольотів, габаритними розмірами, конструкцією фази і типами гірлянд ізоляторів. За типом опори ПЛ діляться на проміжні та анкерні. Проміжні та анкерні розрізняються способом підвіски проводів. На проміжній опорі провід підвішується за допомогою підтримуючих гірлянд ізоляторів. На анкерних опорах проводу закріплені жорстко і натягнуті до заданого тяжиння за допомогою натяжних гірляндів ізоляторів (див. рис. 3.1).

За призначенням розрізняють опори кутові, кінцеві, спеціального призначення.

За матеріалом опор розрізняють дерев'яні (до 220 кВ), залізобетонні (35 - 330 кВ) і металеві (35 кВ і вище).

На ПЛЕП застосовують голі проводи і троси. Перебуваючи на відкритому повітрі, вони піддаються атмосферних впливів. Тому матеріал проводів, крім гарної провідності, повинен бути стійким до корозії, володіти механічної міцністю. Для проводів застосовують наступні матеріали:

• мідь;

• олюміній;

• сталь;

• сплави алюмінію та міді з іншими металами (залізом, магнієм, кремнієм).

Мідь має питому провідність См • км/мм2. Відрізняється механічною міцністю. Плівка окису захищає її від корозії і хімічних впливів. Володіє стійкістю контакту. Алюміній має питому провідність См • км/мм2. Механічна міцність гірше, ніж у міді. Отже, частіше слід ставити опори. Плівка окису захищає її від корозії. Погано протистоїть хімічних впливів. Не володіє стійкістю контакту.

Сталеві дроти мають погану провідність. Відрізняються великою механічною міцністю. Не володіють стійкістю до корозії. Активний опір залежить від протікаючого струму. Виконують дроти і з двох металів - сталі та алюмінію. Сталь знаходиться всередині дроти і служить для збільшення механічної міцності. Алюміній знаходиться зовні і є струмопровідною частиною.

У маркуванні проводів спочатку вказується матеріал, а потім перетин в мм2. Мідні дроти маркують буквою М, алюмінієві дроти - літерою А, сталеві дроти - літерами ПС та ПСО і сталевоалюмінієвий - літерами АС. У маркуванні сталеалюмінієвих проводів спочатку вказують перетин алюмінію, а потім стали. Наприклад, АС-120/19. Проводи марки АС випускаються з різним відношенням перерезів алюмінію і сталі при одному і тому ж перерізі алюмінію. В залежності від цього відносини розрізняють дроти полегшеної конструкції, середньою, посиленої і особливо посиленої міцності.

Для захисту проводів марки АС від корозії і хімічних впливів використовують спеціальні захисні засоби. Тип захисту відбивається у маркуванні проводи:

• марки АСКС, АСКП - провід сталеалюмінієвих корозієстійких із заповненням сталевого сердечника (С) або всього проводу (П) мастилом;

• марка АСК - як і АСКС, сталевий сердечник ізольований поліетиленовою плівкою.

За кордоном застосовуються ізолюючі самонесучі проводу. Являють собою систему ізольованих жил, скручених навколо несучого тросу. Скрутка виконується таким чином, що вся механічна навантаження сприймається тільки несучим тросом. Такі дроти прокладаються без ізоляторів. На опорі можуть бути змонтовані кілька ЛЕП різних напруг.

По конструкції проводів розрізняють:

• однодротові, що складаються з одного дроту суцільного перерізу;

• багатодротяні з одного металу, що складаються в залежності від перерізу проводу з непарної кількості дротів (від 7 до 61);

• багатодротяні з двох металів. Кількість проводів сталевого сердечника - непарне (1, 7 або 19). Кількість дротів струмопровідної частини - парне.

Провід ПЛЕП розташовують на опорі різними способами:

• на одноланцюгових опорах - трикутником або горизонтально (рис. 3.2, а, б);

• на двоколових опорах - зворотної ялинкою або шестикутником у вигляді "бочки" (рис. 3.2, в, г).

Г оризонтальне розташування дротів - найкраще за умовами експлуатації, тому дозволяє застосовувати більш низькі опори і виключає схлестиваніе проводів при скиданні ожеледі або «пляске» проводів. («Пляска» проводів - це коливання проводів з малою частотою і великою амплітудою).Так як у всіх варіантах маємо несиметричне розташування проводів по відношенню один до одного, то для вирівнювання реактивного опору і ємнісний провідності по фазах застосовують транспозицію, тобто міняють розташування проводів на опорах (рис. 3.3).

Кабельні лінії електропередас (КЛЕП)

Кабельна лінія електропередачі - це лінія для передачі електроенергії, що складається з одного або декількох кабелів.

Кабель - це ізольована по всій довжині металева жила (або декілька жил), поверх якої накладено захисні покриття.

Переваги КЛЕП по відношенню до ВЛЕП:

• відсутність атмосферних впливів;

• скритність траси і недоступність для сторонніх осіб.

Недоліки:

• дорожче ВЛЕП того класу напруги;

• більш трудомісткі у спорудженні;

• вимагають більшого терміну для ремонту і більш кваліфікованого обслуговуючого персоналу;

• передача однієї і тієї ж потужності вимагає дроти більшого перерізу.

Кабельні ЛЕП широко використовуються в міських мережах, на територіях підприємств, при перетині великих водойм, у забрудненій атмосфері.

Головними елементами КЛЕП є:

• кабель для передачі електроенергії;

• з'єднувальні муфти;

• кінцеві муфти (закладення);

• стопорні муфти. Застосовуються на крутих ділянках траси для попередження стікання кабельної маси;

• підживлюючі апарати і система сигналізації тиску масла для ліній виконаних маслонаповненими кабелями;

• кабельні споруди (кабельні колектори, тунелі, канали, шахти, колодязі), які застосовують на окремих ділянках траси.

До основним частинам кабелю будь-якої напруги належать:

• струмопровідні жили;

• ізоляція або ізолюючі оболонки, що відокремлюють струмопровідні жили один від одного і від землі;

• захисна оболонка, що оберігає ізоляцію від шкідливої ​​дії вологи, кислот, механічних пошкоджень.

Конструкція кабелю напругою 10 кВ наведена на рис. 3.4.

Струмопровідна жила виконується з міді або алюмінію з однієї (до 16 мм2) або декількох дротів. За кількістю жил розрізняють кабелі:

• одножильні. Застосовують на постійному струмі і на змінному струмі при напрузі 110 кВ і вище;

• двожильні. Застосовують на постійному струмі;

• трижильні. Застосовують на змінному струмі при напругах до 35 кВ;

• чотирижильного (три жили і нульовий провід). Застосовують на змінному струмі при напрузі до 1000В.

Фазна ізоляція призначена для ізоляції жил один від одного. Виконують із спеціальною технічною паперу з в'язким просоченням, яке збільшує електричну міцність. Поясна ізоляція забезпечує однакову електричну міцність між жилами і між будь фазою і землею. Це важливо, тому що в мережі з ізольованою нейтраллю при замиканні однієї з фаз на землю дві інші фази по відношенню до землі опиняються під лінійною напругою. Поділ ізоляції на фазну і поясну дозволяє зменшити діаметр кабелю. Але при наявності поясний ізоляції електричне поле відрізняється від радіального (рис. 3.5). У цьому випадку силові лінії мають різні кути нахилу по відношенню до шарів паперу, що зумовлює наявність у них тангенціальної складової поля. Електрична міцність уздовж шарів паперу в 8 - 10 разів менше, ніж поперек.

Вільний простір кабелю заповнюється паперовими джгутами. Вони ускладнюють переміщення пропиточного складу, подовжуючи термін служби кабелю. Вони також надають округлу форму кабелю.

Оболонка служить для герметезаціі ізоляції і захисту її від проникнення вологи, повітря, хімічних продуктів, виключає старіння ізоляції під дією тепла і світла. Виконують з алюмінію, свинцю, поліетиленових матеріалів.

Броня служить для захисту оболонки від механічних пошкоджень при розкопках, сповзанні грунту. Виконують зі сталевих стрічок або дротів.

Зовнішній покрив захищає броню від корозії. Являє собою джутове покриття, пропитане бітумної масою.

При підвищенні напруги шар ізоляції потрібно збільшувати. Це не вигідно. Тому при напрузі 35 кВ і вище кабелі виконуються з окремо освинцьованих або екранованими жилами. І електричне, і теплове поля - радіальні (рис. 3.5 б).

Кабелі з в'язкої пропиткою мають істотний недолік: після зняття струмового навантаження, тобто при охолодженні в кабелі з'являються газові включення. Це пов'язано з тим, що коефіцієнт лінійного розширення кабельної маси значно більше коефіцієнта лінійного розширення ізолюючої паперу. Діелектрична міцність газових включень менше в кілька разів, ніж у паперу. При підвищенні напруженості електричного поля це може привести до пробою ізоляції. Щоб уникнути цього при напругах 10 - 110 кВ застосовують газонаповнені кабелі. Це освинцьовані кабелі. Фазна ізоляція виконується із збідненого-пропитаного паперу. Кабель знаходиться під невеликим надлишковим тиском (0,1 - 0,3 МПа) інертного газу (азоту). Це підвищує ізолюючі властивості паперу. Сталість тиску забезпечується безперервною підживленням газу.

При напрузі 110 - 500 кВ використовуються маслонаповнені кабелі. Виконують порожнистими і заповнюють їх маловязким очищеним маслом під тиском до 1,6 МПа. Надмірний тиск виключає можливість утворення пустот в ізоляції кабелю, що збільшує його електричну міцність. В залежності від величини тиску розрізняють маслонаповнені кабелі високого і низького тиску. Маслопроводящій канал через спеціальні муфти на трасі з'єднується з баками тиску. Маркуються кабелі по початкових буквах елементів, які характеризують їх конструкцію:

• жила - буква А для алюмінію, без позначення для міді;

• оболонка - буква А для алюмінію, С - для свинцю, В - для полівінілхлориду, Н - для гуми, П - для поліетилену;

• броня - літера Б для сталевих стрічок, П - для плоских освинцьованих дротів, К - для круглих освинцьованих дротів, Г - для кабелів без броні і захисного шару.

Якщо кабелі виконуються з окремо освинцьованих жилами, то у маркуванні вказується буква О.

Для маслонаповнених кабелів низького тиску перед основною абревіатурою вказують літери МН, а для кабелів високого тиску - МВС.

Після абревіатури вказують кількість жил і перетин жил в мм2. Наприклад, ААБ-3 х 120 - трижильний алюмінієвий кабель з алюмінієвою оболонкою і бронею зі свинцю з перетином жив 120 мм2; СБ-3 х 95 трижильний мідний кабель зі свинцевими оболонкою і бронею перетином жив 95 мм2.