2.6 Трехфазный ток. Генерация, передача, распределение и потребление электрической энергии
Трехфазная система переменного электрического тока (сокращенно - трехфазный ток) - это наиболее распространенная в современном мире централизованная система генерации (производства), передачи (транспорта), распределения и сбыта электрической энергии ее потребителям [2.5, 2.9].
От генераторов электростанций через электрические сети различного уровня напряжения, содержащие линии электропередачи и трансформаторные подстанции, энергия трехфазного переменного тока поступает к трехфазным и однофазным приемникам электрической энергии (электроприемникам) потребителей, где преобразуется в конечные виды и формы непосредственно используемых энергий - световую, тепловую, механическую, звуковую и другие.Основой этой системы являются синхронные электрические машины*, работающие в генераторном режиме - синхронные трехфазные генераторы переменного тока. Они, как и однофазные генераторы, действуют на основе принципа электромагнитной индукции (поэтому их иногда называют индукционными, или электромагнитными) и содержат два главных конструктивных элемента: источник постоянного магнитного поля (индуктор) и источник эдс индукции (иэдс) (рис.2.6.1).
Рис.2.6.1 Схемы генератора электроэнергии: а) вращения иэдс-ротора в постоянном магнитном поле индуктора, б) вращение индуктора-ротора при стационарной установке иэдс, в)
эквивалентные схемы иэдс
Индуктор мощных генераторов выполняется в виде электромагнита с ферромагнитным сердечником, в обмотке которого (обмотке возбуждения) под действием внешнего постоянного напряжение иИ протекает постоянный ток, создающий соответствующее постоянное магнитное поле с заданной магнитной индукцией. Напряжение для питания индуктора может подаваться как от независимого генератора постоянного тока (в генераторах с независимым возбуждением), так и от самого генератора переменного тока после выпрямления его выходного тока, поступающего в цепь возбуждения генератора (в генераторах с самовозбуждением).
В последнем случае, при нахождении генератора в состоянии останова и отсутствия в силу этого внешнего напряжения на обмотке возбуждения, индуктор сохраняет, тем не менее, слабую остаточную магнитную индукцию, которая позволяет в процессе пуска генератора получить в иэдс ненулевую эдс индукции, лавинообразно нарастающую в ходе пуска до установленного значения (величина эдс регулируется током обмотки возбуждения).Иэдс генератора представляет собой проводящий контур (одну или несколько рабочих обмоток переменного тока, или обмоток эдс), в котором под воздействием магнитного потока, создаваемого индуктором, и перемещения (вращения) иэдс и индуктора относительно друг друга генерируется соответствующая величина переменной эдс. Изменение магнитного потока, пронизывающего иэдс генератора, может создаваться двумя различными путями: а) за счет вращения иэдс в постоянном магнитном поле индуктора (рис.2.6.1, а); б) за счет вращения индуктора при стационарной установке иэдс (рис.2.6.1, б). Вращающуюся часть генератора называют ротором (в генераторах постоянного тока вращающуюся часть, в обмотках которой индуцируется эдс, называют якорем), а неподвижную - статором. В первом случае индуктор является статором, а иэдс - ротором (такая конструкция называется обращенной и используется в генераторах небольшой мощности - до 20 кВт), а во втором случае, наоборот, индуктор является ротором, а иэдс - статором.
Поскольку съем или подача напряжения на ротор осуществляется с помощью системы контактных колец и скользящих контактных пластин (щеток), то чем больше ток ротора, тем сложнее (из-за трения, процессов искрения, обгорания и износа колец и щеток) осуществить съем или подачу тока на него. Величина тока для питания индуктора всегда значительно меньше величины тока в рабочих обмотках генератора и поэтому в мощных генераторах съем генерируемой эдс (напряжения) осуществляют с неподвижного иэдс-статора, т.е. используют второй, наиболее типичный вид конструкции генератора. Эквивалентную схему (схему замещения) иэдс изображают в виде индуктивности, имеющей контакты или зажимы начала (А) и конца (Х), к которым через проводные линии подключается внешняя нагрузка генератора 2Н (иногда индуктивность, как источник эдс индукции, заменяют обобщенным изображением в виде кружка со стрелкой или знаком переменного тока «~» внутри) (рис.
2.6.1,в).Трехфазная электрическая цепь переменного тока является частным случаем многофазной системы и представляет собой совокупность трех электрических цепей, называемых фазами, в которых действуют три переменных напряжения одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга. Исторически всемирное применение, начиная с 1891года, получили симметричные трехфазные системы, в которых синусоидальные напряжения в фазах трехфазного генератора равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на угол 1200 или 2п/3 радиан. Трехфазную систему называют электрически несвязанной, если отдельные фазы представляют собой независимые электрические цепи, и электрически связанными, если эти фазы соединены между собой. Практическое использование получили электрически связанные трехфазные системы, образованные, в простейшем случае, фазными обмотками трехфазного генератора, электроприемниками (фазами нагрузки) и соединительными (линейными) проводами.
Признаком симметрии трехфазной системы в сети одного и того же уровня напряжения является равенство амплитуд и углов сдвига фаз между каждой из трех пар эдс, действующих в этой сети (соответственно признак несимметрии - это неравенство амплитуд и/или углов сдвига фаз). В трехфазных электрически связанных сетях различного уровня напряжения амплитуды эдс также различны, хотя частота и углы сдвига фаз между ними одинаковы.
Принцип работы трехфазного генератора переменного тока представлен на рис. 2.6.2 (для наглядности в качестве индуктора-ротора изображен постоянный магнит). Иэдс-статор генератора содержит три отдельные проводные обмотки с одинаковым количеством витков каждая, пространственно смещенные по окружности статора на углы 1200 относительно друг друга (рис.2.6.2,а), в которых наводятся соответствующие эдс индукции, одинаковые по частоте и величине, но сдвинутые в соседних фазах последовательно на один и тот же угол (рис.2.6.2,б,в):
Для передачи электроэнергии трехфазного тока от генератора к нагрузке можно было бы использовать (как это показано на рис.2.6.2,а) шесть проводных линий: по две от каждой из трех электрически несвязанных между собой фаз.
Но такое решение приводит к большому расходу провода и поэтому технически и экономически неэффективно. Экономия провода достигается путем электрического объединения начала и конца соответствующих обмоток фаз в трехпроводную или четырехпроводную систему трехфазного переменного тока.
Рис.2.6.2 Трехфазный генератор переменного тока с электрически несвязанными рабочими обмотками эдс: а) модель с неподвижным трехфазным иэдс и вращающимся индуктором (в виде постоянного магнита), б) временные диаграммы фазных эдс, в) векторная диаграмма
действующих значений фазных эдс
Электрическое соединение трех фаз генератора возможно осуществить тремя способами: а) звездой с нулем, или с нейтралью, когда концы всех трех обмоток генератора объединяются в одну точку (нуль), и соединение генератора с электроприемниками осуществляется четырьмя проводами: линейными А,В,С и нейтралью N; б) звездой без нуля, или без нейтрали, когда соединение генератора с электроприемниками осуществляется тремя линейными проводами А,В,С; в) треугольником, когда конец каждой фазы соединяется с началом следующей, а соединение генератора с электроприемниками осуществляется тремя линейными проводами А,В,С (рис.2.6.3; положительное направление эдс в каждой обмотке условно принимают от конца к началу обмотки). В нижнем ряду рисунка приведены обозначения синхронных трехфазных генераторов с различным соединением обмоток, используемые в трехлинейных и однолинейных (упрощенных) электрических схемах (в самом общем случае, когда схема соединения обмоток не важна, в кружке генератора помещают обозначение GS).
Рис.2.6.3 Виды электрического соединения обмоток эдс синхронного трехфазного генератора переменного тока и их условные обозначения в трехлинейных и однолинейных схемах : а) 4проводное соединение звездой с нейтралью, б) 3-проводное соединение звездой без нейтрали, в)
3-проводное соединение треугольником
Нагрузкой трехфазной генераторной цепи могут быть как однофазные, так и трехфазные электроприемники (на рис.2.6.3,а дан пример подключения к генератору однофазного приемника ZHa).
Заметим, что наличие нейтрали в схеме звезды уменьшает взаимное влияние режимов работы фаз и обеспечивает возможность подключения к трехфазной цепи однофазной нагрузки. В случае трехфазного приемника (например, трехфазных трансформатора или двигателя), нагрузка может быть организована, подобно фазам генератора, по тем же самым схемам звезды и треугольника, причем независимо от того, как это сделано в генераторе (рис. 2.6.4).
Рис.2.6.4 Трехфазные цепи с трехфазной нагрузкой: а) звезда с нейтралью по фазам генератора и нагрузки, б) звезда без нейтрали по фазам генератора и нагрузки, в) звезда без нейтрали по фазам генератора и треугольник по фазам нагрузки, г) треугольник по фазам генератора и нагрузки, д) треугольник по фазам генератора и звезда по фазам нагрузки
В реальных электрических сетях электроприемники потребителей, как правило, непосредственно не связаны с генератором, установленным на электростанциях. На пути электроэнергии от генераторов к приемникам устанавливаются силовые трансформаторы напряжения, с помощью которых в сетях неоднократно изменяется напряжение. Поэтому для электроприемников потребителей источником электроэнергии служат чаще всего трехфазные трансформаторы, которые сами по отношению к генераторам являются приемниками энергии. В общем случае под источником трехфазного электрического тока подразумевают трехфазные генераторы и силовые трансформаторы напряжения.
Передача электроэнергии от электростанций, где установлены генераторы, потребителям производится через электрические сети, содержащие линии электропередачи и трансформаторные подстанции. Этот процесс связан с неизбежной (технологической) потерей части электроэнергии,
величина которой существенно зависит от величины передаваемого тока. Наиболее значительные потери, до десяти и более процентов, имеют место в линиях электропередачи и связаны с неизбежным преобразованием в них электрической энергии в рассеиваемую в окружающем пространстве тепловую энергию (использование в будущем сверхпроводящих линий электропередачи позволит эти потери сократить).
При одной и той же мощности передаваемого тока эти потери квадратично зависят от величины тока, и, следовательно, уменьшив, например, в десять раз величину тока и повысив во столько же раз величину напряжения в сети (чтобы сохранить величину передаваемой мощности тока), потери в линиях можно уменьшить в сто раз. Эта зависимость является главной причиной создания в электроэнергетике электрических сетей различного уровня напряжения для передачи электрической энергии.Электрические сети в зависимости от уровня напряжения подразделяют на:
а) сети низкого напряжения (НН) - 0,4-1 кВ;
б) сети первого среднего напряжения (СН1) - выше 1 до 6-10 кВ;
в) сети второго среднего напряжения (СН2) - выше 10 до 35 кВ;
г) сети высокого напряжения (ВН) - выше 35 (в частности, 110 и 220) до 330 кВ;
д) сети сверхвысокого напряжения (СВН) - выше 330 (в частности, 500, 750 и 1150) кВ.
Выходное напряжение синхронных генераторов, установленных на электростанциях, как
правило, выбирается в диапазоне 3-20 кВ, а их единичная активная мощность колеблется от нескольких мегаватт до тысячи и более мегаватт (типичные величины -150,250,300,400,500,800 и 1000 МВт). Соответственно действующее значение тока в их обмотках эдс может достигать величины 3000-30000 А. Поэтому с выходов генераторов трехфазный ток подается на повышающую трансформаторную подстанцию (в зависимости от передаваемой мощности эта подстанция увеличивает напряжение до уровня ВН или СВН) и только после нее поступает в электрические сети для дальнейшей передачи.
В зависимости от назначения электрические сети подразделяют на:
а) передающие или системообразующие сети (сети ВН и СВН), которые передают электроэнергию на большие расстояния (сотни и тысячи км) и являются основой построения объединенных энергосистем;
б) рапределительные сети (сети СН1 и СН2), которые распределяют электроэнергию на определенной территории среднего размера (в масштабах административного района или области) для ее использования различными группами потребителей (промышленными, сельскохозяйственными, бытовыми и т.п.);
в) сети потребителей (сети НН), к которым непосредственно подключены электроприемники потребителей.
В зависимости от величины потребителей (мелкие, средние, крупные и сверхкрупные) входной уровень напряжения в их сетях может изменяться от НН до СН и ВН (для крупных и сверхкрупных потребителей с мощностью нагрузки в сотни мегаватт). На границах сетей различного уровня напряжения находятся повышающие или понижающие трансформаторные подстанции, осуществляющие соответствующие преобразования уровня напряжения между сетями.
Наиболее массовыми сетями являются сети потребителей с уровнем действующего трехфазного напряжения 0,4 кВ (линейное напряжение 380 В и фазное 220 В). Такие сети строятся по 4-проводной схеме (звезда с нейтралью) в целях обеспечения подключения к ним не только трехфазных, но и однофазных нагрузок. Кроме того, использование в таких сетях нейтрали позволяет свести до минимума взаимовлияние фаз из-за несимметрии их нагрузки. Дело в том, что несимметрию в трехфазной сети создают именно однофазные приемники, такие, например, как осветительные и другие бытовые приборы. Даже при разнесении осветительной и иной бытовой нагрузки поровну между фазами сети нагрузка останется несимметричной из-за неодновременности использования ее. Однако, при большом количестве однофазных приемников несимметрия нагрузки, вызванная неодновременностью включения/отключения приборов, становится сравнительно невелика в силу вероятностного характера этого процесса и его подчинения действию закона больших чисел.
В отличие от однофазных нагрузок, трехфазные электроприемники при правильном их подключении к трехфазной сети представляют из себя симметричную нагрузку (например, трехфазные электродвигатели имеют одинаковые фазы обмотки) и не нарушают симметрию в сети.
Поэтому электрические сети напряжением выше 0,4кВ, предназначенные для электроснабжения промышленных предприятий или аналогичных потребителей с трехфазной нагрузкой выполняют 3проводными, независимо от схемы соединения групп приемников (звездой или треугольником).