Izgube in padci napetosti - kakšne so razlike

V običajnem človeškem življenju se besedi "izguba" in "padec" uporabljata za označevanje dejstva zmanjšanja določenih dosežkov, vendar pomenita drugačno vrednost.

V tem primeru "izguba" pomeni izgubo dela, poškodbo, zmanjšanje velikosti predhodno dosežene ravni. Izgube so nezaželene, vendar jih lahko dopuščate.

Beseda "padec" se razume kot resnejša škoda, povezana s popolnim odvzemom pravic. Tako lahko tudi občasno nastale izgube (recimo portfelj) sčasoma povzročijo upad (na primer ravni materialnega življenja).

V zvezi s tem bomo to vprašanje obravnavali glede na napetost električnega omrežja.

Kako nastanejo izgube in padci napetosti

Električna energija se prenaša na velike razdalje po nadzemnih vodih od ene transformatorske postaje do druge.

Nadzemni vodi so zasnovani za prenos dovoljene moči in so izdelani iz kovinskih žic določenega materiala in preseka. Ustvarijo uporovno obremenitev z vrednostjo upora R in reaktivno obremenitvijo X.

Na sprejemni strani stoji transformatorpretvorbo električne energije.Njegove tuljave imajo aktivno in izrazito induktivno upornost XL. Sekundarna stran transformatorja zniža napetost in jo oddaja naprej do porabnikov, katerih obremenitev je izražena z vrednostjo Z in je aktivne, kapacitivne in induktivne narave. To vpliva tudi na električne parametre omrežja.

Napetost, ki se uporablja za žice nosilca nadzemnega voda, ki je najbližje transformatorski postaji za prenos električne energije, premaga reaktivni in aktivni upor vezja v vsaki fazi in ustvari tok v njem, katerega vektor odstopa od vektorja uporabljena napetost za kot φ.

Narava porazdelitve napetosti in pretoka tokov vzdolž črte za simetrični način obremenitve je prikazana na fotografiji.

Ker vsaka faza voda napaja različno število porabnikov, ki so prav tako naključno izklopljeni ali priključeni na delo, je tehnično zelo težko popolnoma uravnotežiti fazno obremenitev. V njem vedno obstaja neravnovesje, ki je določeno z vektorskim seštevanjem faznih tokov in zapisano kot 3I0. V večini izračunov je preprosto zanemarjena.

Energija, ki jo porabi oddajna postaja, se delno porabi za premagovanje upora voda in doseže sprejemno stran z majhnimi spremembami. Za to frakcijo so značilne izgube in padec napetosti, katerih vektor rahlo zmanjša amplitudo in se premakne za kot v vsaki fazi.

Kako se izračunajo izgube in padec napetosti

Za razumevanje procesov, ki potekajo med prenosom električne energije, je vektorska oblika primerna za predstavitev glavnih značilnosti. Na tej metodi temeljijo tudi različne matematične metode izračuna.

Za poenostavitev izračunov v trifazni sistem predstavljajo ga trije enofazni ekvivalentni tokokrogi. Ta metoda dobro deluje s simetrično obremenitvijo in vam omogoča analizo procesov, ko je zlomljena.

V zgornjih diagramih sta aktivna R in reaktanca X vsakega vodnika linije zaporedno povezana s kompleksno obremenitveno upornostjo Zn, označeno s kotom φ.

Poleg tega se izvede izračun izgube napetosti in padca napetosti v eni fazi. Če želite to narediti, morate določiti podatke. V ta namen se izbere transformatorska postaja, ki sprejema energijo, kjer je že treba določiti dovoljeno obremenitev.

Vrednost napetosti katerega koli visokonapetostnega sistema je že navedena v referenčnih knjigah, upornost žic pa je določena z njihovo dolžino, presekom, materialom in konfiguracijo omrežja. Največji tok v vezju je nastavljen in omejen z lastnostmi žic.

Zato imamo za začetek izračunov: U2, R, X, Z, I, φ.

Vzamemo eno fazo, na primer «A» in zanjo ločimo v kompleksni ravnini vektorja U2 in I, zamaknjena za kot φ, kot je prikazano na sliki 1. Potencialna razlika v aktivnem uporu prevodnika sovpada v smeri s tokom in po velikosti se določi iz izraza I ∙ R. Ta vektor odložimo od konca U2 (slika 2).

Razlika potenciala v reaktanci prevodnika se razlikuje od smeri toka za kot φ1 in se izračuna iz produkta I ∙ X. Odložimo jo od vektorja I ∙ R (slika 3).

Opomniki: za pozitivno smer vrtenja vektorjev v kompleksni ravnini se vzame gibanje v nasprotni smeri urnega kazalca. Tok, ki teče skozi induktivno obremenitev, za določen kot zaostaja za uporabljeno napetostjo.

Slika 4 prikazuje izris vektorjev potencialne razlike na skupni upor žice I ∙ Z in napetost na vhodu vezja U1.

Zdaj lahko primerjate vhodne vektorje z enakovrednim vezjem in čez obremenitev. Da bi to naredili, postavite nastali diagram vodoravno (slika 5) in narišite lok od začetka s polmerom modula U1, dokler se ne preseka s smerjo vektorja U2 (slika 6).

Slika 7 prikazuje povečavo trikotnika za večjo jasnost in risanje pomožnih črt, ki označujejo značilne točke presečišča s črkami.

Na dnu slike je prikazano, da se dobljeni vektor ac imenuje padec napetosti, ab pa izguba. Razlikujejo se po velikosti in smeri. Če se vrnemo na prvotno merilo, bomo videli, da ac dobimo kot rezultat geometrijskega odštevanja vektorjev (U2 od U1), ab pa je aritmetika. Ta postopek je prikazan na spodnji sliki (slika 8).

Izpeljava formul za izračun napetostnih izgub

Zdaj pa se vrnimo k sliki 7 in opazimo, da je segment bd zelo majhen. Zaradi tega je v izračunih zanemarjen in izguba napetosti se izračuna iz dolžine segmenta ad. Sestavljen je iz dveh daljic ae in ed.

Ker je ae = I ∙ R ∙ cosφ in ed = I ∙ x ∙ sinφ, se lahko izguba napetosti za eno fazo izračuna po formuli:

∆Uph = I ∙ R ∙ cosφ + I ∙ x ∙ sinφ

Če predpostavimo, da je obremenitev v vseh fazah simetrična (pogojno zanemarimo 3I0), lahko z matematičnimi metodami izračunamo izgubo napetosti v vodu.

∆Ul = √3I ∙ (R ∙ cosφ + x ∙ sinφ)

Če desno stran te formule pomnožimo in delimo z omrežno napetostjo Un, potem dobimo formulo, ki nam omogoča pIzračun napetostnih izgub skozi napajanje.

∆Ul = (P ∙ r + Q ∙ x) / Un

Vrednosti aktivne P in reaktivne moči Q je mogoče vzeti iz odčitkov števca.

Tako je izguba napetosti v električnem tokokrogu odvisna od:

• aktivna in reaktanca vezja;

• komponente uporabljene moči;

• velikost uporabljene napetosti.

Izpeljava formul za izračun prečne komponente padca napetosti

Vrnimo se k sliki 7. Vrednost vektorja ac lahko predstavimo s hipotenuzo pravokotnega trikotnika acd. Oglasno nogo smo že izračunali. Določimo prečno komponento cd.

Slika prikazuje, da je cd = cf-df.

df = ce = I ∙ R ∙ sin φ.

cf = I ∙ x ∙ cos φ.

cd = I ∙ x ∙ cosφ-I ∙ R ∙ sinφ.

S pomočjo pridobljenih modelov izvedemo majhne matematične transformacije in dobimo transverzalno komponento padca napetosti.

δU = √3I ∙ (x ∙ cosφ-r ∙ sinφ) = (P ∙ x-Q ∙ r) / Un.

Določitev formule za izračun napetosti U1 na začetku daljnovoda

Če poznamo vrednost napetosti na koncu črte U2, izgubo ∆Ul in prečno komponento padca δU, lahko izračunamo vrednost vektorja U1 po Pitagorovem izreku. V razširjeni obliki ima naslednjo obliko.

U1 = √ [(U2 + (Pr + Qx) / Un)2+ ((Px-Qr) / Un)2].

Praktična uporaba

Izračun napetostnih izgub izvajajo inženirji v fazi izdelave projekta električnega tokokroga za optimalno izbiro konfiguracije omrežja in njegovih sestavnih elementov.

Med obratovanjem električnih inštalacij se lahko po potrebi občasno izvajajo sočasne meritve napetostnih vektorjev na koncih vodov in primerjajo rezultati, dobljeni z metodo preprostih izračunov.Ta metoda je primerna za naprave, ki imajo povečano zahteve zaradi potrebe po visoki natančnosti dela.

Napetostne izgube v sekundarnih tokokrogih

Primer so sekundarni tokokrogi merilnih napetostnih transformatorjev, ki včasih dosežejo več sto metrov dolžine in se prenašajo po posebnem napajalnem kablu s povečanim prerezom.

Za električne lastnosti takega kabla veljajo povečane zahteve glede kakovosti prenosa napetosti.

Sodobna zaščita električne opreme zahteva delovanje merilnih sistemov z visokimi meroslovnimi kazalci in razredom točnosti 0,5 ali celo 0,2. Zato je treba spremljati in upoštevati izgube napetosti, ki se nanje nanaša. V nasprotnem primeru lahko napaka, ki jo vnesejo v delovanje opreme, bistveno vpliva na vse operativne značilnosti.

Izgube napetosti v dolgih kablovodih

Značilnost zasnove dolgega kabla je, da ima kapacitivni upor zaradi dokaj tesne razporeditve prevodnih žil in tanke plasti izolacije med njimi. Nadalje odklanja vektor toka, ki poteka skozi kabel, in spreminja njegovo velikost.

Pri izračunu za spremembo vrednosti I ∙ z je treba upoštevati učinek padca napetosti na kapacitivni upor. V nasprotnem primeru se zgoraj opisana tehnologija ne spremeni.

Članek podaja primere izgub in padcev napetosti na nadzemnih daljnovodih in kablih. Najdemo pa jih v vseh porabnikih električne energije, vključno z elektromotorji, transformatorji, induktorji, kondenzatorskimi baterijami in drugimi napravami.

Višina napetostnih izgub za vsako vrsto električne opreme je zakonsko urejena glede obratovalnih pogojev, princip njihovega določanja v vseh električnih tokokrogih pa je enak.