2.5. Контрольные вопросы

1) Какая электрическая цепь называется сложной? Изобразите произвольную схему сложной электрической цепи, содержащую три источника ЭДС и несколько приемников.

2) Какие существуют методы для расчета сложных электрических цепей постоянного тока и где они применяются?

3) На чем основывается метод наложения, как производится расчет цепи по этому методу?

4) В цепи действует несколько источников питания. Некоторые из них работают в режиме генератора, а остальные – в режиме потребителя. По какому признаку определяется режим работы тех и других источников питания?

Лабораторная работа 3

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

Ц е л ь р а б о т ы: определить изменение напряжения, потери мощности и коэффициент полезного действия электрической линии в зависимости от нагрузки; найти сопротивление проводов и ток короткого замыкания; доказать целесообразность повышения напряжения в линии электропередач [1, с. 35; 2, с. 27].

3.1. Основные теоретические положения

Г

Рис. 5. Схема линии электропередачи

енерирование электрической энергии осуществляется на электрической станции, где напряжение поддерживается постоянным и передается по двухпроводной линии к приемникам электроэнергии, имеющим сопротивлениеR_п. Линия электропередач имеет сопротивление r_л, на котором часть передаваемого от генератора напряжения теряется (рис. 5).

В условиях действующей электрической установки напряжение U₁ и сопротивление линии r_л практически остаются неизменными, поэтому ток I зависит только от нагрузки, подключенной в конце линии, определяемой сопротивлением приемника электроэнергии R_п.

Кривые зависимостей пот­ребляемой Р₂ и подведенной Р₁ мощностей, напряжения U₂ на зажимах приемника и коэффициента полезного действия η от силы тока показаны на рис. 6.

При двух предельных значениях сопротивления R_п – ∞ и 0 – потребляемая мощность равна нулю, так как в первом случае, когда линия разомкнута, ток в ней равен нулю, а во втором – напряжение U₂ равно нулю. Следовательно, некоторому определенному значению R_п соответствует наибольшее (при данных U₁ и r_л) значение мощности Р₂.

а б в

Рис. 6. Кривые зависимостей P = f (I) (а), U₂ = f (I) (б) и η = f (I) (в)

Потребляемая мощность Р₂ максимальна, когда значение сопротивления нагрузки равно сумме значений сопротивлений устройств, передающих энергию. Выполнение условия R_п = r_л называется согласованием сопротивлений и применяется в устройствах электросвязи, автоматики и других, при этом η = 0,5, т. е. половина энергии теряется в линии. Такой низкий КПД совершенно неприемлем для электроэнергетических систем, где потеря энергии при передаче не должна превышать 10 %.

В режиме холостого хода, когда линия разомкнута (R_п = ∞), ток в ней равен нулю. В режиме нагрузки при уменьшении R_п ток будет возрастать. В режиме короткого замыкания, когда R_п = 0, ток достигнет максимального значения и при неизменном напряжении будет определяться только сопротивлением линии электропередачи r_л, т. е. . Значение тока короткого замыкания значительно превышает значение номинального тока и является опасным для всех элементов электрической цепи, поэтому в цепях предусматривают защиту от режима короткого замыкания плавкими предохранителями и другими специальными автоматическими устройствами.

В нормальных условиях работы происходит падение напряжения на омическом сопротивлении r_л при протекании тока I в линии: . Падение напряжения пропорционально току и сопротивлению линии.

При постоянном напряжении U₁ на шинах линии напряжение на зажимах электроприемника будет меняться:

. (20)

Экспериментально падение напряжения может быть определено как разность напряжений: .

Сопротивление проводов электрической линии также определяется опытным путем на основании закона Ома:

. (21)

Подведенная мощность источника электрической энергии

, (22)

где P₂ – мощность приемника;

ΔP – потери мощности в линии,

. (23)

Зная подведенную Р₁ и потребляемую Р₂ мощности, можно определить коэффициент полезного действия линии передачи по формуле:

, (24)

где ; ,

или (24а)

Для сокращения потерь в линии и увеличения КПД следует уменьшать ток в проводах, что при неизменной передаваемой мощности вызывает необходимость применения более высокого напряжения для передачи электрической энергии на значительные расстояния. Рассмотрим пример, подтверждающий это положение. Пусть мощность Р₁ передавалась при напряжении U₁. Затем напряжение в линии повысили в 10 раз: . Подсчитаем потери в линии для такого напряжения при условии, что мощностьP₁ осталась неизменной, а сопротивление линии равно r_л.

Ток в линии при напряжении U₁

(25)

Ток в линии при напряжении

(26)

Потери в линии при напряжении U₁

(27)

Потери в линии при напряжении

(28)

т. е. потери в линии при повышении напряжения в 10 раз уменьшились в 100 раз.