I-ая группа вопросов

1. Электрический ток. ЭДС. Электрическое напряжение. Падение напряжения. Элементы электрической цепи. Неразветвленная и разветвленная электрические цепи.

Электри́ческий ток или электрото́к — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.

Электродвижущая сила или сокращено ЭДС – это способность источника тока ил по-другому питающий элемент, создавать в электрической цепи разность потенциалов. Элементами питания являются аккумуляторы или батареи. Это скалярная физическая величина, равная работе сторонних сил для перемещения одного заряда с положительной величиной.

Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая “заставляет” протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные – на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.

Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид

U = R * I .

Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, то чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше сила тока (I).

Падение напряжения – это величина, отраженная в изменении потенциала в разных частях проводника. Протекающий от источника по направлению к нагрузке ток меняет свои параметры в силу сопротивления проводов, но его направление остается неизменным. Измерить напряжение можно с помощью вольтметра:

• двумя приборами в начале и конце линии;
• поочередное измерение в нескольких местах;
• вольтметром, подключенным параллельно кабелю.

 

 

Электрическая цепь — совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Цепь образуется источниками энергии (генераторами), потребителями энергии (нагрузками), системами передачи энергии (проводами).

Электрические цепи подразделяют на неразветвленные и разветвленные. На рис. 2.6а, а представлена схема простейшей неразветвленной цепи. Во всех элементах ее течет один и тот же ток. Простейшая разветвленная цепь изображена на рис. 2.6 б; в ней имеются три ветви и два узла. В каждой ветви течет свой ток.

Ветвь- участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (через которые течет одинаковый ток) и заключенный между двумя узлами.

Узел — это точка цепи, в которой сходятся не менее трех ветвей. Если в месте пересечения двух линий на электрической схеме поставлена точка (рис. 2.6в), то в этом месте есть электрическое соединение двух линий, в противном случае (рис. 2.6г) его нет.

Кроме термина «узел» иногда используют термин «устранимый узел». Под устранимым узлом понимают точку, в которой соединены два последовательных сопротивления (рис. 2.6д). Этим понятием пользуются при введении данных в ЭВМ о значении и характере сопротивлений.

Последовательное соединение элементов -это соединение элементов, в которых протекает один и тот же ток (рис.2.6а).

Это соединение элементов можно заменить одним эквивалентным сопротивлением, вычисленным по формуле:

1. Электрическая цепь постоянного тока и её основные свойства (напряжение источника, электрический ток, электрическая мощность, закон Кулона, закон Джоуля — Ленца, закон Ома для участка цепи и полной цепи, законы Кирхгофа и др.)

Электрической цепью постоянного тока называют совокупность устройств и объектов: источников электрической энергии, преобразователей, потребителей, коммутационной, защитной и измерительной аппаратуры, соединительных проводов или линии электропередачи. Электрические и электромагнитные процессы в этих объектах описываются с помощью понятий об электродвижущей силе (ЭДС — E), токе (I) и напряжении (U).

 

1. Метод контурных токов

Метод контурных токов используется для расчета резистивных линейных цепей с постоянными токами и для расчета комплексных схем замещения линейных цепей с гармоническими токами. При этом в расчет вводятся контурные токи – это фиктивные токи, которые замыкаются в независимых замкнутых контурах, отличающихся друг от друга наличием хотя бы одной новой ветви.

Методика расчета цепи методом контурных токов

В методе контурных токов за неизвестные величины принимаются расчетные (контурные) токи, которые якобы протекают в каждом из независимых контуров. Таким образом, количество неизвестных токов и уравнений в системе равно числу независимых контуров цепи.

Расчет токов ветвей по методу контурных токов выполняют в следующем порядке:

1 Вычерчиваем принципиальную схему цепи и обозначаем все элементы.

2 Определяем все независимые контуры.

3 Произвольно задаемся направлением протекания контурных токов в каждом из независимых контуров (по часовой стрелке или против). Обозначаем эти токи. Для нумерации контурных токов можно использовать арабские сдвоенные цифры (I11, I22, I33 и т. д.) или римские цифры.

4 По второму закону Кирхгофа, относительно контурных токов, составляем уравнения для всех независимых контуров. При записи равенства считать, что направление обхода контура, для которого составляется уравнение, совпадает с направлением контурного тока данного контура. Следует учитывать и тот факт, что в смежных ветвях, принадлежащих двум контурам, протекают два контурных тока. Падение напряжения на потребителях в таких ветвях надо брать от каждого тока в отдельности.

5 Решаем любым методом полученную систему относительно контурных токов и определяем их.

6 Произвольно задаемся направлением реальных токов всех ветвей и обозначаем их. Маркировать реальные токи надо таким образом, чтобы не путать с контурными. Для нумерации реальных токов можно использовать одиночные арабские цифры (I1, I2, I3 и т. д.).

7 Переходим от контурных токов к реальным, считая, что реальный ток ветви равен алгебраической сумме контурных токов, протекающих по данной ветви.

При алгебраическом суммировании без изменения знака берется контурный ток, направление которого совпадает с принятым направлением реального тока ветви. В противном случае контурный ток умножается на минус единицу.

 

2. Метод узловых потенциалов

Ток в любой ветви схемы можно найти по обобщенному закону Ома. Для того чтобы можно было применить закон Ома, необходимо знать значение потенциалов узлов схемы. Метод расчета электрических цепей, в котором за неизвестные принимают потенциалы узлов схемы, называют методом узловых потенциалов. Число неизвестных в методе узловых потенциалов равно числу уравнений, которые необходимо составить для схемы по I закону Кирхгофа. Метод узловых потенциалов, как и метод контурных токов, – один из основных расчетных методов. В том случае, когда п – 1 < p (n – количество узлов, p – количество независимых контуров), данный метод более экономичен, чем метод контурных токов.

Проиллюстрируем на простом примере получение методики расчета электрической цепи методом узловых потенциалов:

Физический смысл сопротивления

Протекание электрического тока через проводник приводит к направленному движению свободных электронов. Наличие свободных электронов зависит от самого вещества и берется из таблицы Д. И. Менделеева, а именно из электронной конфигурации элемента. Электроны начинают ударяться о кристаллическую решетку элемента и передают энергию последней. В этом случае возникает тепловой эффект при действии тока на проводник.

При этом взаимодействии они замедляются, но затем под действием электрического поля, которое их ускоряет, начинают двигаться с той же скоростью. Электроны сталкиваются огромное количество раз. Этот процесс и называется сопротивлением проводника.

Следовательно, электрическим сопротивлением проводника считается физическая величина, характеризующая отношение напряжения к силе тока.

Что такое электрическое сопротивление: величина, указывающая на свойство физического тела преобразовывать энергию электрическую в тепловую, благодаря взаимодействию энергии электронов с кристаллической решеткой вещества. По характеру проводимости различаются:

• Проводники (способны проводить электрический ток, так как присутствуют свободные электроны).
• Полупроводники (могут проводить электрический ток, но при определенных условиях).
• Диэлектрики или изоляторы (обладают огромным сопротивлением, отсутствуют свободные электроны, что делает их неспособными проводить ток).

Обозначается эта характеристика буквой R и измеряется в Омах (Ом). Применение этих групп веществ является очень значимым для разработки электрических принципиальных схем приборов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Синусоидальный ток. Схемы для мгновенных, действующих и комплексных величин. Уравнения электрического состояния для мгновенных величин и в комплексной форме. Векторная диаграмма. Сопротивления: активное, реактивное, полное и комплексное. Треугольник сопротивлений. Эквивалентное комплексное сопротивление цепи

Последовательное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости.

В схеме, состоящей из последовательно соединенных активного сопротивления, индуктивности и емкости (рис. 22.1), заданы приложенное напряжение U, частота f и числовые значения параметров R, L и С. Требуется найти ток и напряжения на элементах.

Рис. 22.1

При анализе электрических цепей синусоидального тока типична ситуация, когда метод решения незнакомой задачи неизвестен. Во многих случаях помогает следующий подход. По установленным ранее правилам строится векторная диаграмма, из анализа которой выводятся необходимые расчетные формулы. Так же поступим сейчас и мы.

В последовательной цепи общим для всех элементов является протекающий по ним ток, поэтому именно с него начинаем построение векторной диаграммы. Проводим его изображение горизонтально (рис. 22.2).

Вообще, направление первого вектора при построении диаграмм произвольно. Оно диктуется соображениями удобства. Дальше мы должны показать векторы напряжений на всех элементах и в соответствии со вторым законом Кирхгофа в векторной форме U=UR+UL+UC получить вектор входного напряжения. Сложение векторов можно выполнять по правилу параллелограмма, однако удобнее применять правило многоугольника, когда каждый последующий вектор пристраивается к концу предыдущего.

Рис. 22.2 — Векторная диаграмма последовательной цепи

Нам известно, что напряжение на активном сопротивлении совпадает по фазе с током, поэтому вектор UR мы направляем по вектору I. К его концу пристраиваем вектор UL и направляем его вверх, так как напряжение на индуктивности опережает ток на 90°. Напряжение UС находится в противофазе с UL, т.е. отстает от тока на тот же угол 90°, поэтому вектор UС, пристроенный к концу вектора UL, направлен вниз. Векторная сумма UR, UL и UС дает вектор приложеного напряжения U.

Величины напряжений на отдельных элементах цепи нам известны:

Из треугольника oab (рис. 22.2) по теореме Пифагора находим:

Вынося из под знака радикала, записываем последнее выражение в виде: U=I*z; где,z — полное сопротивление.

В последней формуле разность индуктивного и емкостного сопротивлений мы обозначили буквой х. Это общее реактивное сопротивление цепи: х = хL – xC. Сами индуктивность и емкость называются реактивными элементами, и их сопротивления хL и xC тоже носят названия реактивных.

Выражение U=Iz называется законом Ома для всей цепи. Оно может быть записано и так: I=U/z=Uy.

где, y– полная проводимость цепи, представляющая величину, обратную полному сопротивлению 1/z

Если необходимо определить угол сдвига фаз между напряжением и током, то это можно сделать из треугольника напряжений oab (рис. 22.2):

Векторная диаграмма на рис. 22.2 построена для случая, когда UL>UC, что имеет место при XL>XC, когда в цепи преобладает индуктивность, и цепь носит активно-индуктивный характер. Общий ток отстает по фазе от входного напряжения.

Возможны также режимы, когда ULC и UL=UC

Параллельное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости

Рассмотрим схему, состоящую из параллельно соединенных активного и реактивных элементов (рис. 23.1, а).

Требуется по известным G, ВL, ВC, U рассчитать токи. Как и прежде, задачу будем решать двумя методами.

1. Метод векторных диаграмм.

Токи ветвей находятся сразу:

Для определения общего тока необходимо построить векторную диаграмму (рис. 23.1, б). Построение начинаем с вектора напряжения, так как оно является общим для всех ветвей. Из векторной диаграммы имеем:

или

где y — полная проводимость цепи, равная

Разность индуктивной и емкостной проводимостей представляет собой общую реактивную проводимость цепи B=BL-BC.

Рис. 23.1 — Электрическая цепь и ее векторная диаграмма

Векторы токов на диаграмме образуют треугольник токов. Его горизонтальный катет, представляющий проекцию вектора тока на вектор напряжения, называется активной составляющей тока и равен току в активном элементе цепи: Ia=Ig=GU (рис. 23.2, а). Проекция вектора тока на направление, перпендикулярное напряжению, – это реактивная составляющая тока. Она равна суммарному току реактивных элементов:

и определяется как разность длин векторов:

Рис. 23.2 — Треугольники токов и проводимостей

Разделив все стороны треугольника токов на U, получим треугольник проводимостей (рис. 23.2, б), стороны которого связаны следующими соотношениями:

2. Символический метод.

Раньше были получены следующие формулы:

Подставляя их в уравнение первого закона Кирхгофа, получаем:

где y — полная проводимость цепи, равная

 

2. Мощности в цепях синусоидального тока: активная, реактивная, полная и комплексная. Треугольник мощностей. Коэффициент мощности

В цепях синусоидального тока рассматривают понятия мгновенной, активной, реактивной и полной мощности.

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенных значений напряжения и тока.

;

Активной мощностью называют среднее значение мгновенной мощности за период колебания. Для цепей синусоидального тока:

;

где   — сдвиг по фазе между напряжением и током,

U,I – действующие значения напряжения и тока.

Активная мощность характеризует необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии, например, в тепловую. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).

Реактивная мощность, это мощность, характеризующая взаимный энергообмен между реактивными элементами цепи и источником энергии, т.е. обратимые преобразования энергии, например, в энергию магнитного поля и представляет собой амплитуду мгновенной мощности реактивных элементов. Реактивная мощность измеряется вольт-амперах реактивных (вар) и определяется по формуле:

;

В зависимости от знака угла   реактивная мощность будет либо положительной, т.е. носить индуктивный характер (   ), либо отрицательной и носить емкостной характер (   ).

Полной мощностью называется максимальное значение мощности, которое может отдать или получить участок электрической цепи, при заданных значениях напряжения и тока U, I. Понятие полной мощности часто употребляется для характеристики эксплуатационных возможностей электротехнических устройств (трансформаторов, генераторов, электрических машин и др.). Номинальное значение полной мощности является их паспортной величиной.

 

Определяется полная мощность по формуле:

; т.к.

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).

Комплексная мощность

При анализе цепей синусоидального тока символическим методом используют понятие комплексной мощности. Комплексной мощностью называется произведение комплекса напряжения на комплексно сопряженный ток.

;

где   — комплекс напряжения на участке цепи,

— сопряженное комплексное значение тока на участке цепи.

Пусть заданы комплексы напряжения и тока на участке цепи:

,

.

где U,I — действующие значения напряжения и тока,

— начальные фазы напряжения и тока соответственно,

— активные составляющие напряжения и тока,

— реактивные составляющие напряжения и тока.

Величина, сопряженная комплексу тока   равна:

;

Тогда, комплексная мощность   , представляющая собой произведение комплексных чисел запишется следующим образом:

;

.

где   — активная мощность,

— реактивная мощность.

Таким образом, действительная часть комплексной мощности   представляет собой активную мощность, мнимая часть – реактивную мощность, а модуль комплексной мощности S – полную мощность.

Треугольник мощности — это просто прямоугольный треугольник, сторона которого представляет активную мощность, реактивную мощность и полную мощность. Базовая составляющая символизирует активную мощность, перпендикулярная составляющая обозначает реактивную мощность, а гипотенуза символизирует полную мощность.

В силовой треугольник, активная мощность P, реактивная мощность Q и полная мощность S образуют прямоугольный треугольник. Следовательно,

гипотенуза² = база² + перпендикулярный²

S² = P² + Q²

Здесь полная мощность (S) измеряется в вольт-амперах (ВА).

Активная мощность (P) измеряется в ваттах (Вт).

Реактивная мощность (Q) измеряется в вольт-амперных реактивных (VAR).

• Активная или истинная мощность относится ко всей мощности, рассеиваемой в электрической цепи. Он измеряется в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт) и обозначается буквой P и средним значением активной мощности P..
• Реактивная мощность или мнимая мощность — это мощность, которая не выполняет никакой реальной работы и вызывает нулевое рассеивание мощности. T также известен как безваттная мощность. Это мощность, получаемая от реактивных элементов, таких как индуктивная нагрузка и емкостная нагрузка. Реактивная мощность рассчитывается в киловольтах реактивной мощности (KVAR) и обозначается Q.
• Полная мощность в цепи, как поглощенная, так и рассеиваемая, называется полной мощностью. Полная мощность вычисляется путем умножения среднеквадратичного значения напряжения на среднеквадратичное значение тока без какой-либо величины фазового угла.
• Закон Ома всегда работает с цепями постоянного тока, но в случае переменного тока он работает только тогда, когда цепь является чисто резистивной, то есть в цепи нет индуктивной или емкостной нагрузки. Но большинство цепей переменного тока состоят из последовательной или параллельной комбинации RLC. Из-за этого напряжение и ток не совпадают по фазе, и вводится сложная величина.
• Мощность трехфазной системы равна = √3 x коэффициент мощности x напряжение x ток.

 

3. Трехфазные цепи переменного тока и её электрические параметры (мгновенные, амплитудные действующие, средние значения электрических величин, фазное напряжение, линейное напряжение). Симметричные и несимметричные трехфазные системы ЭДС.

Трехфазная цепь является совокупностью трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120^o, создаваемые общим источником. Участок трехфазной системы, по которому протекает одинаковый ток, называется фазой.

Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, соединительных проводов и приемников или нагрузки, которые могут быть однофазными или трехфазными.

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину. На статоре генератора размещена обмотка, состоящая из трех частей или фаз, пространственно смещенных относительно друг друга на 120^o. В фазах генератора индуктируется симметричная трехфазная система ЭДС, в которой электродвижущие силы одинаковы по амплитуде и различаются по фазе на 120^o. Запишем мгновенные значения и комплексы действующих значений ЭДС.

Сумма электродвижущих сил симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна нулю.

Соответственно

На схемах трехфазных цепей начала фаз обозначают первыми буквами латинского алфавита ( А, В, С ), а концы — последними буквами ( X, Y, Z ). Направления ЭДС указывают от конца фазы обмотки генератора к ее началу.

Каждая фаза нагрузки соединяется с фазой генератора двумя проводами: прямым и обратным. Получается несвязанная трехфазная система, в которой имеется шесть соединительных проводов. Чтобы уменьшить количество соединительных проводов, используют трехфазные цепи, соединенные звездой или треугольником.

Соединение в звезду. Схема, определения

Если концы всех фаз генератора соединить в общий узел, а начала фаз соединить с нагрузкой, образующей трехлучевую звезду сопротивлений, получится трехфазная цепь, соединенная звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным. Трехфазная цепь, соединенная звездой, изображена на рисунке:

Провода, идущие от источника к нагрузке называют линейными проводами, провод, соединяющий нейтральные точки источника N_и приемника N’ называют нейтральным (нулевым) проводом.

Напряжения между началами фаз или между линейными проводами называют линейными напряжениями. Напряжения между началом и концом фазы или между линейным и нейтральным проводами называются фазными напряжениями.

Токи в фазах приемника или источника называют фазными токами, токи в линейных проводах — линейными токами. Так как линейные провода соединены последовательно с фазами источника и приемника, линейные токи при соединении звездой являются одновременно фазными токами.

I_л = I_ф.

Z_N — сопротивление нейтрального провода.

Линейные напряжения равны геометрическим разностям соответствующих фазных напряжений:

При симметричной системе ЭДС источника линейное напряжение больше фазного

в √3 раз.

U_л = √3 U_ф

Линейным напряжением называется напряжение, измеренное между любыми парами фаз.

Приемники, включаемые в трехфазную цепь, могут быть либо однофазными, либо трехфазными.

К однофазным приемникам относятся электрические лампы накаливания и другие осветительные приборы, различные бытовые приборы, однофазные двигатели и т.д.

К трехфазным приемникам относятся трехфазные асинхронные двигатели и индукционные печи. Причем, способ соединения фаз приемника не зависит от способа соединения фаз трехфазного генератора.

Приемники делятся на

• симметричные Z a = Z b = Z c = Ze. Комплексные сопротивления фаз трехфазных приемников равны между собой.
• несимметричные Z a ≠ Z b ≠ Z c ≠ Ze (в общем случае). Комплексные сопротивления фаз трехфазных приемников разные.

Симметричные и несимметричные трехфазные системы.

Система из трех ЭДС будет называться симметричной в том случае, если все три значения напряжений и токов фаз будут иметь одинаковые действующие значения, иметь сдвиг друг относительно друга на угол 2π/3 или 120 0.

Несимметричной система будет называться в случае если действующие значения токов и напряжений не будут равны или угол сдвига фаз будет не равен 2π/3 или 120 0.

 

4. Трехфазная система ЭДС. Последовательность фаз. Вращающееся магнитное поле

Трехфазные электрические цепи представляют собой частный случай многофазных цепей. Многофазная система электрических цепей есть совокупность нескольких однофазных электрических цепей, в каждой из которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, создаваемые общим источником энергии и сдвинутые друг относительно друга по фазе на один и тот же угол. Термин «фаза» применяется для обозначения угла, характеризующего стадию периодического процесса, а также для названия однофазной цепи, входящей в многофазную цепь.

Обычно применяют симметричные многофазные системы, у которых амплитудные значения ЭДС одинаковы, а фазы сдвинуты друг относительно друга на один и тот же угол 2π /m, где m — число фаз. Наиболее часто в электротехнике используют двухфазные, трехфазные, шестифазные цепи. В электроэнергетике наибольшее практическое значение имеют трехфазные системы.

Трехфазные цепи — это совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2π/3. Источником электрической энергии в трехфазной цепи является синхронный генератор, в трех обмотках которого, конструктивно сдвинутых друг относительно друга на угол 2π/3 и называемых фазами, индуцируются три ЭДС в свою очередь, также сдвинуты относительно друг друга на угол 2π/3. Устройство трехфазного синхронного генератора схематически показано на рис. 1.

В пазах сердечника статора расположены три одинаковые обмотки. На переднем торце статора витки обмоток оканчиваются зажимами А, В, С (начало обмоток) и соответственно зажимами X, Y, Z (концы обмоток). Начала обмоток смещены относительно друг друга на угол 2π/3, и соответственно их концы также cдвинуты относительно друг друга на угол 2π/3 ЭДС в обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, которое возбуждается постоянным током, проходящим по обмотке вращающегося ротора, которая называется обмоткой возбуждения. При равномерной частоте вращения ротора в обмотках статора индуцируются синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 2π/3.

Токи трехфазной системы сдвинуты относительно друг друга по фазе на угол 120⁰, поэтому максимума они достигают не одновременно, а в разные моменты времени. Порядок, в котором проходят через положительный максимум токи трехфазной системы, называют последовательностью фаз.

Фазы обычно обозначают буквами А, В и С. если максимум наступает в первую очередь в фазе А, затем в фазе В, а потом в фазе С,

то такую последовательность называют прямой. Если же после фазы А, максимум наступает в фазе С, а уж потом в фазе В,

то такую последовательность называют обратной.

Так как процесс чередования максимумов повторяется, и после фазы С максимума снова наступает в фазе А, то любую фазу можно принять за первую, и ответ на вопрос, какая из оставшихся двух фаз является второй, а какая третьей, зависит от последовательности. На рисунке, за первую принята фаза В, затем максимум наступает в фазе А и в последнюю очередь – в фазе С.

Написав подряд два раза этот порядок чередования фаз и начавсчет с фазы А, мы определим последовательность. В данном случае ВАСВАС. Начиная счет с фазы А , получаем обратную последовательность АВС (подчеркнуто).

Вращающимся магнитным полем называют магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции постоянным по величине, но изменяющим свое направление, а именно вращающимся с неизменной угловой скоростью.

Особенностью многофазных систем является возможность создать в механически неподвижном устройстве вращающееся магнитное поле.
Катушка, подключенная к источнику переменного тока, образует пульсирующее магнитное поле, т.е. магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению.

Возьмем цилиндр с внутренним диаметром D. На поверхности цилиндра разместим три катушки, пространственно смещенные относительно друг друга на 120^o. Катушки подключим к источнику трехфазного напряжения (рис. 12.1). На рис. 12.2 показан график изменения мгновенных токов, образующих трехфазную систему.

Рис. 12.1                                                           Рис. 12.2

Каждая из катушек создает пульсирующее магнитное поле. Магнитные поля катушек, взаимодействуя друг с другом, образуют результирующее вращающееся магнитное поле, характеризующееся вектором результирующей магнитной индукции

 

5. Соотношения между линейными и фазными напряжениями источника при соединении фаз приемника «звездой» и «треугольником». Мощности (активная, реактивная, полная) в симметричной трехфазной цепи. Векторные (топографические) диаграммы

Каждая часть многофазной системы, имеющая одинаковую характеристику тока, называется фазой.

Фазное напряжение – возникает между началом и концом какой-либо фазы. По другому его еще определяют, как напряжение между одним из фазных проводов и нулевым проводом.

Линейное — которое определяют еще как межфазное или между фазное – возникающее между двумя проводами или одинаковыми выводами разных фаз. Показатель фазного напряжения составляет примерно 58% от параметров линейного. Таким образом, при нормальных условиях эксплуатации показатели линейных одинаковы и превышают фазные в 1,73 раза. В трехфазной сети напряжение, как правило, оценивают по данным линейного напряжения. Для трехфазных линий, которые отходят от подстанции, устанавливается линейное напряжение номиналом 380 вольт. Это соответствует фазному в 220 вольт.

Так, токи, протекающие в каждой фазе, именуют фазными и условно обозначают IА, IB, IC либо условно Iф. Токи в ветвях нагрузки именуют линейными. Их величина обуславливается величиной фазных напряжений, типом нагрузки. При сугубо активной нагрузке токи идентичны с напряжениями по фазе, а при индуктивной либо емкостной нагрузке, токи могут опережать или отставать от напряжения.

В традиционных электросетях имеет место 2 метода соединения:

— треугольник;

— звезда.

При соединении ветвей схемы треугольником конец одной обмотки подключается к началу другой, т.е. получается замкнутый контур. Для каждого узла схемы выполняется баланс – сумма входящих токов равна сумме исходящих. При таком подключении и симметричной нагрузке выполняется соотношение:

Iл = v3 Iф.

При соединении ветвей элементов схемы звездой все окончания обмоток фаз подключают в один узел 0. Ввиду того, что фазы генератора соединяются последовательно с фазами электроприемников (нагрузки), то линейные токи по величине равны фазным:

Iф = Iл.

Соединение потребителей трехфазного тока по схеме «звезда». Симметричный и несимметричный режимы.

При соединение фаз обмотки генератора (или трансформатора) звездой их концы X, Y и Z соединяют в одну общую точку N, называемую нейтральной точкой (или нейтралью) (рис. 3.6). Концы фаз приемников (Z_a, Z_b, Z_c) также соединяют в одну точку n. Такое соединение называется соединение звезда.

Провода A−a, B−b и C−c, соединяющие начала фаз генератора и приемника, называются линейными, провод N−n, соединяющий точкуN генератора с точкой n приемника, – нейтральным.

Трехфазная цепь с нейтральным проводом будет четырехпроводной, без нейтрального провода – трехпроводной.

Напряжение на выводах цепи переменного тока или на любом из её участков можно выразить комплексным числом – комплексным напряжением и изобразить на комплексной плоскости вектором. Напряжение между двумя точками электрической цепи представляет собой разность потенциалов между этими точками. Следовательно, потенциалы отдельных точек цепи также можно представить комплексами – комплексными потенциалами и изображать соответствующими векторами. Вектор, изображающие комплексный потенциал, начинается в начале координат; его конец обозначают той же буквой (или цифрой), что в точке цепи, потенциал которой изображает вектор. Например, на рисунке 1 построены векторы комплексных потенциалов  ϕ_а = 10 + j20 В и ϕ_б = 30 – j15 В и разность векторов или вектор напряжения U_аб = ϕ_а — ϕ_б = 10 + j20 – 30 + j15 = -20 + j35 В.

Напряжение U_аб построено по правилу вычитания векторов, так что ϕ_а  = ϕ_б + U_аб рисунок 1. Поэтому напряжение U_аб изображается вектором, направленным от точки б (второй индекс у напряжения  U_аб) к точке а  (первый индекс).

Напряжение U_ба = ϕ_б — ϕ_а  = 30 – j15 -10 — j20 В = 20 – j35 В. Очевидно, U_ба = — U_аб и изображается вектором, направленным от точки а к точке б (штриховая линия на рисунке 1).

Рисунок 1 — Комплексные потенциалы

Такая векторная диаграмма называется топографической; она удовлетворяет двум условиям:

1. Каждой точке электрической цепи соответствует определенная точка на векторной диаграмме и
2. вектор, проведённый из начала координат в какую-либо точку диаграммы изображает комплексный потенциал соответствующей точки цепи.
3. Несимметричные трехфазные цепи. Соединение приемников «звездой» (трехпроводная и четырехпроводная цепи). Напряжение смещения нейтрали

Трехфазная цепь несимметрична, если комплексы сопротивлений ее фаз неодинаковы.

Несимметричной может быть действующая в цепи система э. д. с. (не равны модули э. д. с. или фазовые сдвиги между каждой парой э. д. с.). .
Для расчета несимметричной цепи применяются различные методы в зависимости от ее схемы и вида несимметрии.

Рассмотрим сначала общий случай расчета цепи с нулевым проводом, сопротивление которого Z_N. При этом сделаем некоторые упрощения: сопротивления линейных проводов и фаз источников будем полагать равными нулю. Если указанные сопротивления нельзя считать равными нулю, их можно отнести к приемнику, прибавив к сопротивлениям последнего по правилам сложения комплексов.
При таком упрощении потенциалы линейных зажимов источника и приемника (например, точек А и А’) можно считать одинаковыми.
Напряжение между нулевыми точками N и N’, или узловое напряжение

Смещение нейтрали

На рис. 21.1 изображена топографическая диаграмма цепи рис. 20.4, а при несимметричной нагрузке.

При наличии сопротивления в нулевом проводе ( ) нулевая точка приемника на топографической диаграмме не совпадает с нулевой точкой источника. Поэтому напряжение U_N называют напряжением смещения нейтрали. Вследствие смещения нейтрали напряжения на фазах приемника оказываются неодинаковыми, несмотря на симметрию фазных напряжений источника (см. решение задачи 21.3).

Рис. 21.1. Топографическая диаграмма при несимметричной нагрузке (соединение звездой)

Из формулы (21.1) видно, что симметрия фазных напряжений на нагрузке, когда U_N = 0, достигается в двух частных случаях.
1. При симметричной нагрузке, когда комплексы проводимостей фаз равны:  . В этом случае в числителе проводимость   можно вынести за скобку, внутри которой складывается три вектора э. д. с. источника, равных по величине и сдвинутых по фазе на 120°; эта сумма равна нулю (см. рис. 20.8, б) и U_N = 0. Поэтому ток в нулевом проводе равен нулю [см. формулу (21.4)] и необходимость в этом проводе отпадает, а электроснабжение симметричных приемников осуществляется по трехпроводной системе.
2. В четырехпроводной системе, когда сопротивление нулевого провода равно нулю (Y_N = ∞.)

Четырехпроводные трехфазные цепи (рисунок 4.4) используются при напряжениях до 1000 В во внутренних и наружных проводках стационарных объектов. При соединении обмоток генератора звездой концы фаз Х, Y, Z соединяют в одну общую точку N, называемую нейтральной точкой (или нейтралью). Концы фаз нагрузки x, y, z так же соединяются в нейтральной точке n. Начала фаз нагрузки (а, b, c) подключаются к началам фаз генератора (А, В, С).

Провода, соединяющие начала фаз генератора с нагрузкой называются линейными, а токи протекающие в этих проводах – линейными токами (   ,   ,   ). Напряжение между двумя линейными проводами называют линейным напряжением (   ,   ,   ). Провод, соединяющий нейтраль генератора и нейтраль приемника, называют нейтральным проводом, а ток протекающий в этом проводе – током нейтрального провода (   ). Ток, протекающий от начала к концу фазы нагрузки, называется фазным током нагрузки (   ,   ,   ), при соединении нагрузки звездой фазные токи равны линейным.

Напряжение между началом и концом фазы называют фазным напряжением (   ,   ,   ). Фазным током генератора является ток, протекающий через фазную обмотку статора. Расположение фаз по часовой стрелке называется прямым чередованием фаз (А, В, С), а против часовой – обратным чередованием (А, С, В).

Рисунок 4.4 — Четырехпроводная трехфазная цепь (звезда с нейтральным проводом)

Рисунок 4.6 — Трехпроводная трехфазная цепь при соединении нагрузки звездой

В трехпроводной трехфазной цепи фазные напряжения приемника не будут равны соответствующим фазным напряжениям источника. В этом случае между нейтральными точками источника и приемника возникает напряжение   — напряжение смещения нейтрали. Для определения напряжения смещения нейтрали можно воспользоваться методом двух узлов:

,

где   ,   ,   — комплексные проводимости фаз нагрузки. Зная напряжение смещения нейтрали и фазные напряжения источника можно определить фазные напряжения на нагрузке:

,   ,   .

 

7. Мощность в цепи синусоидального тока. Электрические фильтры. Высшие гармоники в трехфазных системах

Электрическая мощность в цепи синусоидального тока определяет количество ЭЭ, поступающее в нагрузку в единицу времени. Она равна произведению действующего значения напряжения U на действующее значение тока I. Ее физическая размерность — вольт-ампер (В-А). Различают три вида мощности: активную (Р), реактивную (Q) и полную (.S’).

Мощность в активных сопротивлениях цепи называется активной (Р). Она характеризует скорость преобразования электромагнитной энергии в тепловую энергию и механическую работу и измеряется в ваттах (Вт).

Мощность в реактивных сопротивлениях цепи называется реактивной (Q) и измеряется (для ее отличия от активной мощности) в вольт-амперах реактивных (В Ар). Она характеризует скорость изменения запаса энергии в электрическом и магнитном полях цепи и не связана с преобразованием энергии ЭМП в тепловую энергию.

Мощность на зажимах всей цепи, состоящей из различных комбинаций соединений R, L и С, называется полной мощностью (S) и измеряется в вольт- амперах (ВА). Она характеризует скорость поступления электрической энергии в данную цепь.

Заметим, что активная Р, реактивная Q и полная S мощности соотносятся между собой как стороны прямоугольного треугольника. Для цепи с последовательным соединением R, L, С его легко получить, если все стороны треугольника напряжений умножить на действующее значение тока I цепи. Для цепи с параллельным соединением R,L,C треугольник мощностей получается, если все стороны треугольника токов умножить на действующее значение U приложенного напряжения.

где (p = arctgQ/S = arccosP/S

Электрический фильтр — это устройство для выделения желательных компонентов спектра (частот) электрического сигнала и/или для подавления нежелательных. Для остальных частот, которые не входят в полосу пропускания, фильтр создает большое затухание, вплоть до полного их исчезновения.

Характеристика идеального фильтра должна вырезать строго определенную полосу частота и «давить» другие частоты до полного их затухания. Ниже пример идеального фильтра, который пропускает частоты до какого-то определенного значения частоты среза.

На практике такой фильтр реализовать нереально. При проектировании фильтров стараются как можно ближе приблизиться к идеальной характеристике. Чем ближе характеристика АЧХ к идеальному фильтру, тем лучше он будет исполнять свою функцию фильтрации сигналов.

Фильтры, которые собираются только на пассивных радиоэлементах, таких как катушка индуктивности, конденсатор, резистор, называют пассивными фильтрами. Фильтры, которые в своем составе имеют один или несколько активных радиоэлементов, типа транзистора или ОУ, называют активными фильтрами.

Высшие гармоники в трехфазных цепях

В трехфазных цепях кривые напряжения во второй и третьей фазах со сдвигом на треть периода обычно в точности воспроизводят форму кривой напряжения в первой фазе. Так, например, если напряжение   в фазе А может быть представлено некоторой функцией времени  , то  , где Т-период основной частоты.

Рассмотрим гармонику порядка k функции   во всех трех фазах. Пусть  .

Учитывая, что   и подставляя вместо t соответственно t — Т/3 и t + T/3, получаем  .

Сравнивая полученные выражения для различных значений k, можно заметить, что напряжения гармоник порядка, кратного трем (k=3n), где n — любое целое число, во всех фазах в любой момент времени имеют одно и то же значение и направление. При k= 3n+1 гармоники трех фаз образуют симметричную систему напряжений, последовательность которой совпадает с последовательностью фаз 1-й гармоники. При k=3n+2 гармоники образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, обратной основной.

Таким образом, гармоники порядка 1, 4, 7, 10, 13 и т. д. образуют системы напряжений прямой последовательности, гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и т. д. образуют системы напряжений обратной последовательности. Наконец, гармоники 3, 6, 9, 12 и т. д. образуют системы напряжений нулевой последовательности. При наличии постоянной составляющей в напряжении каждой из фаз она может рассматриваться как нулевая гармоника порядка, кратного трем (k=0), т. е. образующая нулевую последовательность.

В большинстве практически важных случаев в напряжениях отсутствуют как постоянная составляющая, так и все четные гармоники, поэтому в дальнейшем ограничимся исследованием только нечетных гармоник.

1. Несинусоидальные токи и напряжения

Несинусоидальные токи — это токи, форма которых отличается от чистой синусоиды. Они могут быть периодическими (повторяющимися) или непериодическими. Такие токи возникают при наличии нелинейных элементов, импульсных источников и прерываний.

Максимальное значение (Imax):

Наибольшее мгновенное значение тока в пределах периода.

Среднее значение (Iср):

Определяется как:

 

(для симметричных токов — интеграл берётся по полупериоду).

 

Действующее значение:

Это значение тока, которое производит такое же тепловое действие, как и постоянный ток:

​

Мощность в цепи несинусоидального тока:

Полная мощность:

​

где:

P — активная мощность, сумма активных составляющих по всем гармоникам,

Q — реактивная мощность, суммируется по гармоникам.

 

Также вводится искаженная мощность, обусловленная гармониками.

Переходные процессы в электрических цепях

Переходный процесс — это изменение параметров электрической цепи (тока, напряжения), вызванное резким изменением условий (включение, отключение, изменение сопротивлений и пр.).

Причины:

коммутация (включение/отключение),

изменения начальных условий,

короткие замыкания, броски тока.

 

Принужденные токи/напряжения — это установившиеся колебания под действием внешнего источника.

Свободные токи/напряжения — возникают из-за начальных условий, существующих в реактивных элементах (индуктивностях и емкостях).

3. Законы коммутации

Законы коммутации описывают поведение тока и напряжения в момент коммутации (t = 0):

Ток в индуктивности непрерывен:

Напряжение на конденсаторе непрерывно:

 

Это значит, что энергия в реактивных элементах не может измениться скачком.

Классический метод расчета:

Запись дифференциального уравнения цепи.

Нахождение общего решения (свободная составляющая).

Определение частного решения (принужденная составляющая).

Использование начальных условий (с помощью законов коммутации).

 

4. Зависимые и независимые начальные условия

Независимые — задаются внешними источниками, не связаны с другими параметрами схемы.

Зависимые — определяются через законы Кирхгофа, элементы схемы и т. д.

Пример: ток через катушку до момента коммутации может быть известен из установившегося режима — это зависимое начальное условие.

 

5. Характеристическое уравнение

Для линейной цепи с реактивными элементами:

Составляется дифференциальное уравнение.

Подставляется решение вида

Получаем характеристическое уравнение:

 

Свойства корней:

Реальные отрицательные — апериодический затухающий процесс.

Комплексные сопряжённые — колебательный процесс.

Нулевой или положительный корень — нестабильная система.

 

6. Операторный метод (метод Лапласа)

Преобразование Лапласа позволяет перейти от дифференциального уравнения к алгебраическому уравнению в области операторов:

Применяется преобразование:

Решается уравнение в операторной форме.

 

Переход к оригиналу осуществляется с помощью обратного преобразования Лапласа.

 

Теорема разложения:

Используется для разложения дробей на простые элементы, чтобы упростить обратное преобразование.

 

7. Основные характеристики магнитного поля

Вектор магнитной индукции: B

Напряженность магнитного поля: H

Связь:

𝐵=𝜇⋅𝐻

Постоянный ток создаёт стационарное магнитное поле.

Закон полного тока (Ампера):

​

Граничные условия:

На границе двух сред с разной проницаемостью:

 

Тангенциальная составляющая

H непрерывна.

 

Нормальная составляющая

B непрерывна при отсутствии поверхностных токов.

 

8. Нелинейные цепи

Нелинейный элемент — элемент, у которого вольт-амперная характеристика (ВАХ) не является линейной зависимостью.

ВАХ:

I=f(U) — может быть экспоненциальной, логарифмической и пр.

 

9. Расчет нелинейных цепей

Последовательное соединение:

Один и тот же ток, падения напряжения складываются.

Метод итераций: предполагаем ток, рассчитываем напряжения, корректируем.

Параллельное соединение:

Одно напряжение, токи складываются.

Также применяется итерационный метод или графическое решение.

 

10. Уравнения Максвелла

Фундаментальные уравнения электромагнетизма:

 

11. Режимы нагрева электрических аппаратов

Установившийся режим — температура стабилизируется.

Периодический режим — температура колеблется.

Короткое замыкание:

Резкое повышение тока → сильный нагрев.

Аппарат должен выдерживать термическую и электродинамическую стойкость.

Термическая стойкость — способность выдерживать нагрев без повреждения изоляции.

Электродинамическая стойкость — способность выдерживать механические усилия от токов КЗ.

 

16. Несинусоидальные токи и напряжения. Максимальное, действующее и среднее значения несинусоидального тока. Мощность в цепи несинусоидального тока.

Несинусоидальные токи и напряжения

Возникают, когда форма тока или напряжения отличается от синусоиды — это происходит при наличии нелинейных нагрузок: импульсных блоков питания, сварочных аппаратов, тиристорных преобразователей и др.

Характеристика таких сигналов:

Любой периодический несинусоидальный сигнал можно представить как сумму синусоидальных составляющих (гармоник):

• f₀ — основная частота (50 Гц),
• n·f₀ — высшие гармоники (100 Гц, 150 Гц и т.д.).

Основные параметры:

1. Максимальное значение (Iₘ или Uₘ):
   • Пиковое значение сигнала за период.
2. Среднее значение (Ī или Ū):
   • Для тока: полезно при анализе выпрямительных цепей.
   • Для симметричного синусоиды — 0, но для несинусоиды ≠ 0.
3. Действующее значение (RMS, I or U):
   • √(среднего квадрата сигнала за период).
   • Учитывает энергию, выделяемую на активной нагрузке.
4. где I1 — основная гармоника, In​ — остальные.

 

Мощность в цепи с несинусоидальным током:

Для несинусоидального режима понятие мощности усложняется:

• Активная мощность (P):
  Сумма активных мощностей всех гармоник.
• Полная мощность (S):
  Вычисляется как произведение действующих значений:

 

17. Понятие о переходных процессах в электрических цепях. Причины возникновения переходных процессов. Что понимают под принужденными и свободными токами и напряжениями.

Определение:

Переходный процесс — это кратковременное изменение токов и напряжений в цепи, возникающее при включении, отключении, КЗ, коммутациях, изменении параметров цепи.

После переходного процесса устанавливается новое устойчивое (установившееся) состояние.

Причины возникновения:

• Включение источника напряжения или тока.
• Размыкание/замыкание ключей.
• Изменение параметров цепи (сопротивление, индуктивность, ёмкость).
• Короткие замыкания.

Типы токов и напряжений:

1. Свободные (собственные) колебания:
   • Возникают под действием начальных условий (запасённой энергии).
   • Например: разряд конденсатора через резистор.
2. Принужденные колебания:
   • Возникают под действием внешнего источника ЭДС.
   • Зависимы от источника и параметров цепи.

 

Характер переходных процессов зависит от:

• Параметров цепи (R, L, C),
• Начальных условий (заряды, токи),
• Типа воздействия (постоянное или переменное напряжение).

 

18. Законы коммутации. Классический метод расчета переходных процессов. Зависимые и независимые начальные условия.

Законы коммутации:

Определяют, как ведут себя токи и напряжения в момент коммутации (время t=0).

• 1-й закон (тока индуктивности):

  Ток через катушку не может мгновенно измениться.

  2-й закон (напряжения на конденсаторе):

• Напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться.

 

Классический метод расчета переходных процессов:

1. Составление дифференциального уравнения по законам Кирхгофа.
2. Учет начальных условий.
3. Решение уравнения:
   • Общее решение = сумма частного решения (принужденная часть) и общего решения однородного уравнения (свободная часть).
4. Получение функции тока или напряжения во времени.

 

Начальные условия:

• Зависимые:
  Вытекают из состояния до коммутации, определяются законами коммутации.
• Независимые:
  Заданы внешне (например, источник напряжения приложен внезапно).

 

19. Порядок составления характеристического уравнения системы при расчете переходных процессов. Свойства корней характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение

Это алгебраическое уравнение, которое описывает динамические свойства цепи (обычно RLC) в переходном режиме. Получают его из дифференциального уравнения, составленного по законам Кирхгофа.

Порядок составления:

1. Составление схемы замещения электрической цепи (обычно до и после коммутации).
2. Применение законов Кирхгофа (закон Ома, первый/второй законы Кирхгофа).
3. Составление дифференциального уравнения для тока или напряжения.
4. Преобразование уравнения к однородному виду (правая часть = 0).
5. Замена производных на символ ​ или использование преобразования Лапласа.
6. Получение характеристического уравнения – это характеристический многочлен:

Свойства корней характеристического уравнения:

Корни характеристического уравнения s1,s2,…определяют вид переходного процесса:

1. Действительные отрицательные корни → апериодическое затухание:

Комплексно-сопряжённые корни → колебательный процесс с затуханием:

 

 

 

20. Операторный метод расчета переходных процессов. Теорема разложения и переход от изображения к оригиналу функции тока или напряжения.

Операторный метод (метод Лапласа)

Один из самых эффективных методов для анализа переходных процессов. Суть — заменяем дифференциальные уравнения алгебраическими с помощью преобразования Лапласа.

 

Этапы расчёта:

1. Преобразуем элементы схемы в операторную форму (s-образы):
   • R→R
   • L→sL
   • C→1/(sC)
2. Подставляем начальные условия (например, начальный ток в индуктивности).
3. Получаем уравнение для тока/напряжения в s-области (изображение).
4. Решаем его алгебраически → получаем функцию I(s)I(s)I(s) или U(s)U(s)U(s).
5. Переход к оригиналу — выполнение обратного преобразования Лапласа:

 

Теорема разложения:

Используется при обратном преобразовании Лапласа — представление сложной дроби в виде суммы простых дробей:

Каждое слагаемое соответствует типовой функции во времени (экспонента, синус, импульс и др.).

 

21. Основные характеристики магнитного поля. Магнитное поле постоянного тока. Закон полного тока. Граничные условия на поверхности раздела двух сред с различными магнитными проницаемостями.с

Основные характеристики магнитного поля:

1. Магнитная индукция (B):
   Векторная величина, измеряется в Тл.

Напряженность магнитного поля (H):
Сила, с которой поле действует на ток.
Измеряется в А/м.

Магнитный поток (Φ):
Сквозной «поток» B через площадь S:

Магнитное сопротивление (Rₘ):
Аналог электрического сопротивления:

Магнитное поле постоянного тока:

Возникает в проводниках с неизменным во времени током. Напряженность H и индукция B в таком поле — стационарны.

Примеры: электромагниты, дроссели, соленоиды.

 

Закон полного тока (закон Ампера):

Аналог закона Кирхгофа для магнитного поля:

Циркуляция H вдоль замкнутого контура равна алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур.

 

Граничные условия на границе двух сред:

На границе материалов с различной магнитной проницаемостью μ действуют:

1. Тангенциальная составляющая H непрерывна:

Нормальная составляющая B непрерывна:

Это позволяет решать задачи на магнитные поля в ферромагнитных сердечниках и воздушных зазорах.

 

22. Нелинейные электрические цепи. Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента.

Нелинейная электрическая цепь — это цепь, содержащая хотя бы один элемент, у которого ток и напряжение не связаны линейной зависимостью, т.е. закон Ома не выполняется в форме I=U/R

 

Нелинейные элементы:

• Полупроводники (диоды, тиристоры, транзисторы)
• Газоразрядные лампы
• Ферромагнитные элементы (на насыщении)
• Варисторы, стабилитроны и др.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ):

Это график зависимости тока от напряжения на элементе:

I=f(U)илиU=f(I)

ВАХ нелинейного элемента — кривая, не прямая. Примеры:

• Диод:
  • Прямое включение — экспоненциальный рост тока
  • Обратное — ток почти нулевой до пробоя
• Стабилитрон:
  • Имеет участок обратного пробоя, где напряжение стабилизируется
• Газоразрядные лампы:
  • Отрицательное сопротивление на части ВАХ

 

Классификация нелинейностей:

1. Жесткие (скачкообразные): тиристор, стабилитрон
2. Мягкие (плавные): нелинейный резистор, варистор

 

23. Расчет нелинейных цепей постоянного тока при последовательном и параллельном соединении нелинейных элементов.

Расчет таких цепей производится не по формулам линейной теории, а с применением графических или численных методов.

 

1. Последовательное соединение:

• Общее напряжение:

U=U₁+U₂

Ток одинаковый во всех элементах:

I=I₁=I₂

Графический метод:

• Для каждого элемента построить обратную ВАХ: U=f(I)
• Сложить по вертикали напряжения при каждом значении I
• Построить суммарную характеристику U(I)
• Определить рабочую точку при заданном U

 

2. Параллельное соединение:

• Общее напряжение:

U=U₁=U₂

• Суммарный ток:

I=I₁+I₂

Графический метод:

• Для каждого элемента построить обычную ВАХ: I=f(U)I = f(U)I=f(U)
• Складывать токи для каждого значения напряжения
• Получаем общую ВАХ цепи: I(U)I(U)I(U)
• По заданному току найти напряжение

 

Численные методы расчета:

1. Метод последовательных приближений (итераций):
   • Подставляют предполагаемые значения и уточняют их до сходимости
2. Метод Ньютона:
   • Используется, если ВАХ задана аналитически

 

Пример: цепь с резистором и диодом последовательно

1. Построить ВАХ диода I=f(Ud)
2. ВАХ резистора: прямая Ur=IR
3. Найти рабочую точку — точка пересечения обеих характеристик
4. Оттуда определить ток и напряжения на каждом элементе

24. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля.

Уравнения Максвелла — фундаментальные уравнения, описывающие поведение электрических и магнитных полей во времени и пространстве. Они формулируются для векторных полей напряжённости электрического поля E⃗, электрической индукции D⃗, магнитной индукции B⃗, напряжённости магнитного поля H⃗, плотности тока J⃗ и плотности электрического заряда ρ.

 

Дифференциальная форма уравнений Максвелла:

1. Закон Гаусса для электрического поля
   (источник поля — электрический заряд):

 

2. Закон Гаусса для магнитного поля
   (магнитных зарядов не существует):

 

3. Закон Фарадея электромагнитной индукции
   (изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле):

 

4. Обобщённый закон Ампера – Максвелла
   (магнитное поле возникает от тока и переменного электрического поля):

 

 

• Эти уравнения описывают взаимодействие электрических и магнитных полей в любых условиях: в вакууме, в веществе, при наличии токов и зарядов.
• Они лежат в основе работы всех электрических аппаратов, СВЧ-устройств, антенн, волноводов и др.

 

25. Режимы нагрева электрических аппаратов. Нагрев электрических аппаратов при коротком замыкании. Термическая и электродинамическая стойкость.

Режимы нагрева электрических аппаратов:

1. Установившийся нагрев — нормальный рабочий режим, температура достигает стационарного значения.
2. Периодический (циклический) — переменные нагрузки, температура колеблется в допустимом диапазоне.
3. Аварийный режим — перегрузки, КЗ, резкое повышение температуры.

 

Нагрев при коротком замыкании (КЗ):

Во время КЗ через аппарат проходит очень большой ток за короткое время (0.1–1 с). Это вызывает:

• Резкий тепловой удар:

 

• Нагрев до температуры, приводящей к деформации, оплавлению, потере прочности

 

Термическая стойкость:

Способность выдерживать нагрев без разрушения, определяемая максимально допустимой температурой:

• Зависит от материала обмоток, контактов, изоляции
• Выражается в термической выдержке тока:

 

 

Электродинамическая стойкость:

Способность выдерживать механическое воздействие от электромагнитных сил во время КЗ:

• Сила Ампера между токоведущими частями:

 

• Возникает риск:
  • смещения шин
  • изгиба или отрыва контактов
  • повреждения изоляции

Для оценки проводят прочностные расчёты и кратковременные испытания током КЗ.

 

Термическая и электродинамическая стойкость — ключевые параметры при проектировании и испытании аппаратов, таких как автоматические выключатели, контакторы, трансформаторы и шинопроводы. Они определяют надежность работы электроустановок в аварийных режимах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-ая группа вопросов

1. Режимы работы электрических сетей

Режим работы электрических сетей определяется токовой нагрузкой линий, частотой тока, уровнем напряжения у подключенных к сети приемников электроэнергии и источников питания, напряжением линий сети относительно земли, режимом нейтрали, симметричностью многофазной системы напряжения, синусоидальностью напряжения, сопротивлением изоляции линий между собой и относительно земли.

Режимы работы электрических сетей подразделяют на четыре вида:

1) нормальные режимы, при которых отклонение приведенных ранее параметров от их номинальных (нормируемых) значений не превышают длительно допустимые;

2) временно допустимые режимы, при которых отклонения приведенных ранее параметров допустимы на определенное ограниченное время без существенного ущерба для сети и питаемых от нее приемников (например, систематические перегрузки силовых трансформаторов);

3) аварийные режимы, характеризующиеся опасными для элементов сети сверхтоками или другими недопустимыми явлениями (например, КЗ, обрывы проводов); они имеют, как правило, переходный (неустановившийся) характер;

4) послеаварийные режимы, в которые входят как переходные процессы (например, вызванные одновременным самозапуском большого числа двигателей), так и установившиеся режимы в новых условиях питания, часто ограниченных по мощности.

В зависимости от длительности нагрузки электроприемники подразделяют на три характерные группы:

1) работающие в режиме с продолжительно неизменной или мало меняющейся нагрузкой; в этом режиме электрооборудование может работать продолжительное время без превышения температуры отдельных частей оборудования выше допустимой (например, электродвигатели насосов, вентиляторов);

2) работающие в режиме повторно-кратковременной нагрузки; в этом режиме кратковременные рабочие периоды электрооборудования чередуются с кратковременными периодами отключения; кроме того, в этом режиме электрооборудование может работать с допустимой для него относительной продолжительностью включения неограниченное время;

3) работающие в режиме кратковременной нагрузки; в этом режиме электрооборудование может работать длительно, так как период остановки электрооборудования настолько длителен, что оно практически успевает охладиться до температуры окружающей среды (например, электродвигатели электроприводов вспомогательных механизмов).

Для обеспечения надежного питания электроприемников при эксплуатации систем электроснабжения необходимо учитывать режимы кратковременных перегрузок электрооборудования на период от нескольких часов до нескольких суток. Эти режимы имеют место при повреждении или отключении электрооборудования (линий, трансформаторов, секций шин и др.) и должны предусматриваться заранее, еще при проектировании. Тогда в условиях эксплуатации надежность питания будет значительно повышена.

 

2. Требования к показателям качества электрической энергии

В соответствии с Федеральным законом №35 «Об электроэнергетике», субъекты электроэнергетики, обеспечивающие поставки электрической энергии потребителям электрической энергии, в том числе энергосбытовые организации, гарантирующие поставщики и территориальные сетевые организации (в пределах своей ответственности), отвечают перед потребителями электрической энергии за надежность обеспечения их электрической энергией и ее качество в соответствии с техническими регламентами и иными обязательными требованиями.

В соответствии с «Основными положениями функционирования розничных рынков электрической энергии (утверждены Постановлением Правительства РФ от 05.04.2012 № 442)»: субъекты электроэнергетики, обеспечивающие снабжение электрической энергией потребителей, в том числе гарантирующие поставщики, энергосбытовые (энергоснабжающие) организации, сетевые организации, системный оператор и субъекты оперативно-диспетчерского управления в технологически изолированных территориальных электроэнергетических системах, а также производители электрической энергии (мощности), в ходе исполнения своих обязательств по заключаемым ими на оптовом рынке и розничных рынках договорам совместными действиями обеспечивают на розничных рынках надежность снабжения потребителей и качество электрической энергии. Требования к надежности энергоснабжения и качеству электрической энергии устанавливаются в соответствии с законодательством Российской Федерации.

Данные положения определяют ответственность как субъектов электроэнергетики, обеспечивающих снабжение электрической энергией потребителей, так и потребителей, в форме обязательного включения в договоры купли-продажи (поставки) электрической энергии (мощности) существенных условий:

• требования к качеству поставляемой электрической энергии, которые должны соответствовать требованиям законодательства Российской Федерации;
• обязанность потребителя поддерживать на границе балансовой принадлежности значения показателей качества электрической энергии, обусловленные работой его энергопринимающих устройств, в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации, соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителя, определяемые в соответствии с договором оказания услуг по передаче электрической энергии, заключенным гарантирующим поставщиком в интересах данного потребителя.

Нормы качества электрической энергии

Показатели и нормы качества электрической энергии в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц определены ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Данным стандартом определены следующие показатели:

Продолжительные изменения характеристик напряжения:

• отклонение частоты;
• медленные изменения напряжения;
• колебания напряжения и фликер;
• несинусоидальность напряжения;
• несимметрия напряжений в трехфазных системах;
• напряжения сигналов, передаваемых по электрическим сетям.

Случайные события:

• прерывания напряжения;
• провалы напряжения и перенапряжения;
• импульсные напряжения.

 

3. Общая характеристика медленных изменений напряжения. Причины возникновения. Показатели, характеризующие медленные изменения напряжения

Медленные изменения напряжения электропитания (как правило, продолжительностью более 1 мин) обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети.

Показателями КЭ, относящимися к медленным изменениям напряжения электропитания, являются отрицательное δU₍₋₎ и положительное δU₍₊₎ отклонения от номинального/согласованного значения напряжения электропитания в точке (точке) передачи электрической энергии, %:

δU₍₋₎ = [(U_{n –} U_m(−) ) / U_o] · 100; ( 2 )

δU₍₊₎ = [(U_m(+) – U_n ) / U_o] · 100; ( 3 )

где U_m(−), U_m(+) – значения напряжения электропитания, меньшие U_о и большие U_о соответственно, измеренные в интервале времени 10 мин в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51317.4.30, подраздел 5.12; U_o –напряжение, равное стандартному номинальному напряжению U_nomили напряжениюсогласно договорным условиям U_с.

В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания U_nom равно 220 В (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех- и четырехпроводных трехфазных систем) ^{1, 2)} .

¹⁾ С переходом низковольтных сетей на напряжения по ГОСТ 29322 стандартное напряжение U_nom будет равно 230 В (между фазным и нейтральным проводниками), 400 В (между фазными проводниками).

²⁾ Нормы отрицательного и положительного отклонений напряжения электропитания должны быть по отдельности уточнены для обеспечения перехода низковольтных электрических сетей на напряжения по ГОСТ 29322.

В электрических сетях среднего и высокого напряжений вместо значения номинального напряжения электропитания принимают напряжение электропитания U_с согласно договорным условиям.

Для указанных выше показателей КЭ установлены следующие нормы: положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального (или согласно договорным условиям) значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

 

4. Способы управления отклонением напряжения в электрических сетях. Влияние отклонения напряжения на работу электроприемников.
5. Технологические установки:

— При снижении напряжения существенно ухудшается технологический процесс, увеличивается его длительность. Следовательно, увеличивается себестоимость производства.

— При повышении напряжения снижается срок службы оборудования, повышается вероятность аварий.

— При значительных отклонениях напряжения происходит срыв технологического процесса.

2. Освещение:

— Снижается срок службы ламп освещения, так, при величине напряжения 1,1U_ном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза.

— При величине напряжения 0,9U_ном снижается световой поток ламп накаливания на 40 % и люминесцентных ламп на 15 %.

— При величине напряжения менее 0,9U_ном люминесцентные лампы мерцают, а при 0,8U_ном просто не загораются.

3. Электропривод:

— При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.

— При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что влечёт разогрев обмоток и снижение срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9U_ном срок службы двигателя снижается вдвое.

— При повышении напряжения на 1 % увеличивается потребляемая двигателем реактивная мощность на 3 – 7 %. Снижается эффективность работы привода и сети.

4. Сварочное оборудование:

Фактическое напряжение существенно влияет на качество сварки. При снижении напряжения до 0,9∙Uном время сварки увеличивается на 20%, а при выходе его за пределы (0,9-1,1)∙Uном возникает брак сварных швов. Полный брак сварных швов при сварке обычных металлов наступает при выходе напряжения за пределы ± 5%, а при сварке коррозионных и жаропрочных сталей — при ±10%.

5.Электролизное производство

Отрицательные значения установившегося отклонения напряжения приводят к снижению производительности электролизных ванн и повышению удельных расходов электроэнергии. Снижение напряжения до уровня 0,95∙Uном на производстве хлора и каустической соды приводит к снижению производительности оборудования на 8% и износу электродов. Повышение напряжения свыше 1,05∙Uном приводит к недопустимому перегреву ванн электролизера.

Обобщённый узел нагрузки электрических сетей (нагрузка в среднем) составляет:
-10 % специфической нагрузки (например, в Петербурге это метро – 11 %);
— 30 % освещение и прочее;

— 60 % асинхронные электродвигатели.

Разность между текущим значением параметра электрической энергии и его номинальным или базовым значениями называется отклонением параметра электрической энергии. В качестве базового значения параметра могут быть приняты среднее рабочее, расчетное, предельное или обусловленное договором на электроснабжение.

Установившееся медленное изменение напряжения (частоты) — это изменение напряжения (частоты) в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

 

5. Отклонение частоты. Причины возникновения отклонения частоты в электроэнергетических системах. Способы управления частотой в системах электроснабжения. Влияние отклонения частоты на работу электроприемников.

Положительное и отрицательное отклонение напряжения вызвано суточными, технологическими, сезонными изменениями электрической нагрузки потребителей. К таким изменениям можно отнести: регулирование напряжения генераторами электрических станций и подстанций энергетических систем, изменение мощности компенсирующих устройств в электрической сети, изменение схемы и параметров электрической сети.

Превышение фактического значения отрицательного отклонения напряжения от установленных норм:

— ухудшение пуска, увеличение токов в обмотке электрических двигателей, что снижает срок ее службы, соответственно, снижая срок службы самого двигателя;

— перегрузка преобразователей, регулируемых выпрямителей, и стабилизаторов;

Превышение фактического значения положительного отклонения напряжения от установленных норм:

— увеличение расхода электрической энергии, увеличение реактивной мощности электрических двигателей, пробои преобразователей, выпрямителей, стабилизаторов.

Причинами несоответствия значений отрицательного и положительного отклонений напряжения могут быть:

— неправильно выбранный коэффициент трансформации силового трансформатора 6-10/0,4 кВ;

— непроведенное своевременно сезонное переключение отпаек силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ;

— несимметричный режим работы электрических сетей 0,4 кВ;

— чрезмерное падение напряжения в распределительных сетях;

— отсутствие трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой в центре питания;

 

— неправильно заданные уставки регулирующих преобразователей на силовых трансформаторах, автотрансформаторах и генераторах

— увеличение разрешенной мощности электропотребитилей у абонентов;

— пониженная пропускная способность питающих сетей и др.

 

6. Виды несимметрии токов и напряжений. Показатели, их влияние на работу электроприемников.
7. Что такое несимметрия?

Несимметрия токов и напряжений — это нарушение равенства по величине и/или фазе между тремя фазами в трехфазной системе.

 

В идеальной системе:

 

Напряжения и токи равны по величине,

 

Между ними сдвиг фаз составляет ровно 120°.

 

Любое отклонение от этих условий — несимметрия.

 

2. Виды несимметрии

а) Несимметрия по напряжению

Проявляется в разных значениях фазных напряжений или нарушении фазового сдвига. Причины:

 

Повреждение одной из фаз в линии.

 

Неравномерная нагрузка по фазам.

 

Аварии на подстанции.

 

б) Несимметрия по току

Наблюдается при неравномерной нагрузке на фазы. Особенно характерна для:

 

Бытовых и мелких промышленных потребителей (однофазные).

 

Старых распределительных сетей.

 

в) Комбинированная несимметрия

И токи, и напряжения несбалансированы — наиболее тяжёлый случай.

 

3. Причины возникновения несимметрии

Подключение однофазных нагрузок в трехфазную сеть без равномерного распределения.

 

Повреждение одной из фаз (обрыв, короткое замыкание).

 

Асимметрия в трансформаторах (например, обрыв обмотки).

 

Длительное неравномерное включение потребителей.

 

Плохой контакт или перегоревший предохранитель в одной фазе.

 

4. Показатели несимметрии

а) Коэффициент несимметрии напряжения

Один из стандартных способов оценки — через метод симметричных составляющих.

 

Рассчитывается как:

где:

 

𝑈1  — амплитуда прямой последовательности,

 

𝑈2  — амплитуда обратной последовательности.

 

По ГОСТ 32144-2013:

 

В норме:

𝑘_𝑢≤2%

Допустимо: до 4–5% в отдельных случаях.

 

б) Коэффициент несимметрии токов

Аналогично определяется:

 

5. Влияние несимметрии на электроприемники

⚠️ Для асинхронных двигателей:

Увеличение тока в обмотках — даже при нормальном напряжении.

 

Перегрев, особенно при обрыве одной фазы (режим «две фазы»).

 

Снижение крутящего момента.

 

Быстрый износ изоляции.

 

⚠️ Для трансформаторов:

Повышенные потери, дополнительный нагрев.

 

Могут возникать вибрации из-за несимметрии магнитных потоков.

 

⚠️ Для сетей в целом:

Появление обратных токов по нулевому проводу.

 

Рост реактивной мощности.

 

Ошибки в измерениях, ложные срабатывания РЗА.

 

🔹 6. Методы борьбы с несимметрией

Балансировка нагрузки между фазами.

 

Применение однофазных трансформаторов и компенсирующих устройств.

 

Использование автоматических балансировочных устройств (АВР).

 

Корректировка схемы подключения.

 

Постоянный мониторинг параметров сети (через АСКУЭ/SCADA).

 

🔹 7. Нормативные документы

ГОСТ 32144-2013 – «Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии…»

 

ПУЭ, гл. 1.7 — заземление и защита от перенапряжений.

 

СП 256.1325800.2016 – «Проектирование электроустановок зданий».

 

7. Причины возникновения несинусоидальности напряжений в электрических сетях. Влияние несинусоидальности напряжений и токов на дополнительные потери и качество электрической энергии. Влияние несинусоидальности напряжений на работу электроприемников. Способы управления несинусоидальными режимами в системах электроснабжения.

Причины возникновения:

Использование нелинейных нагрузок (преобразователи, импульсные блоки питания, частотные преобразователи, ИБП).

Работы дуговых печей, сварочных аппаратов.

Коммутация тиристоров и симисторов.

Работа электронных балластов и LED-драйверов.

Наличие магнитных насыщений в трансформаторах.

Влияние на качество электроэнергии:

Появление высших гармоник в напряжении и токе.

Ухудшение формы синусоиды, искажение основной частоты.

Снижение коэффициента мощности.

Дополнительные потери:

Повышенные нагревы в кабелях, трансформаторах, двигателях.

Возрастание вихревых и гистерезисных потерь в стали.

Увеличение токов в нулевом проводе из-за 3-й гармоники.

Влияние на электроприемники:

Перегрев и гудение трансформаторов и двигателей.

Ошибочная работа электроники и систем управления.

Снижение срока службы оборудования.

Способы управления:

Установка фильтров высших гармоник (пассивных и активных).

Применение ККМ (компенсаторов реактивной мощности) с фильтрацией.

Использование оборудования с повышенной электромагнитной совместимостью.

Разделение цепей питания нелинейных и чувствительных потребителей.

Постоянный мониторинг качества электроэнергии.

 

8. Случайные события в электрических сетях. Способы и технические средства снижения перенапряжений в системах электроснабжения

Случайные события:

Короткие замыкания.

Обрывы фаз.

Коммутационные процессы (включение/отключение нагрузки).

Воздействие молний.

Резонансные явления.

Виды перенапряжений:

Атмосферные — вызваны молниями.

Коммутационные — при переключениях и отключениях, особенно в ВЛ.

Внутренние резонансные — при определенных сочетаниях емкостей и индуктивностей.

Влияние:

Повреждение изоляции оборудования.

Разрушение полупроводниковых элементов.

Выход из строя релейной и измерительной аппаратуры.

Способы защиты:

Молниеотводы — принимают удар молнии и отводят ток в землю.

Ограничители перенапряжений (ОПН) — разряжают импульсы в землю.

Резисторы и RC-цепочки — подавляют коммутационные всплески.

Устройства быстродействующей защиты (УБЗ).

Правильное проектирование заземляющих устройств.

 

9. Общая характеристика быстрых изменений напряжения. Причины возникновения. Показатели, характеризующие быстрые изменения напряжения. Влияние быстрых изменений напряжения на работу электроприемников. Способы минимизации быстрых изменений напряжения.

Характеристика:

Быстрые изменения напряжения — это резкие отклонения уровня напряжения от номинального в течение долей секунды до нескольких секунд, не переходящие в провал или всплеск.

Причины:

Пуск мощных двигателей.

Включение/отключение крупных нагрузок.

Работы автоматических регуляторов напряжения.

Переключения трансформаторов под нагрузкой.

Показатели:

Амплитуда изменения (в процентах от номинального напряжения).

Скорость изменения (в вольтах в секунду).

Частота повторения.

Степень дискомфорта (например, по мерцанию освещения — «фликер»).

Влияние:

Мигание освещения (эффект фликера).

Ошибки в работе электроники и систем управления.

Перебои в работе электроприемников с чувствительной логикой.

Нарушения технологических процессов.

Способы минимизации:

Использование плавных пускателей, частотных преобразователей.

Установка динамических стабилизаторов напряжения.

Применение автоматических регуляторов напряжения (АРН) на трансформаторах.

Балансировка фазных нагрузок.

Включение мощных потребителей с задержкой или по расписанию.

 

10. Общая характеристика медленных изменений напряжения. Показатели, характеризующие медленные изменения напряжения. Влияние медленных изменений напряжения на работу электроприемников.

Общая характеристика

Медленные изменения напряжения — это отклонения уровня напряжения от номинального, происходящие в течение длительного времени (секунды, минуты, часы и дольше). Они не сопровождаются резкими скачками и связаны в основном с нагрузкой сети и регулированием напряжения.

Причины:

Суточные колебания нагрузки (пик и спад потребления).

Перегрузка трансформаторов и линий электропередачи.

Недостаточная или неотрегулированная работа устройств компенсации реактивной мощности.

Неэффективное регулирование напряжения на подстанциях.

Падение напряжения на длинных линиях.

Показатели:

Отклонение напряжения от номинального:

Нормируемое значение по ГОСТ 32144-2013:

 

для потребителей 0,4 кВ: ±10% от номинального.

 

для высоковольтных: обычно ±5%.

 

Влияние на электроприемники:

При пониженном напряжении:

 

снижение пускового момента электродвигателей,

 

рост токов, перегрев обмоток,

 

некорректная работа релейной защиты, автоматики.

 

При повышенном напряжении:

 

сокращение срока службы ламп, бытовой техники,

 

повышенные потери,

 

перегрузка изоляции оборудования.

 

11. Требования к показателям качества электрической энергии. Нормируемые показатели качества электрической энергии.

Понятие качества электрической энергии

Качество электроэнергии — это соответствие ее параметров установленным нормативам, обеспечивающее надежную и безопасную работу электроприемников.

 

Нормативный документ:

ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Показатель	Норматив
Отклонение напряжения от номинального	±10% (0,4 кВ), ±5% (6–220 кВ)
Частота	50 Гц ± 0,2 Гц (кратковременно до ±0,4 Гц)
Несимметрия напряжений	≤ 2% (по ГОСТ — отношение обратной последовательности к прямой)
Коэффициент искажения синусоиды (THD)	≤ 8% для 0,4 кВ
Фликер (мигание света, Pst)	≤ 1,0 (по 10-минутному интервалу)
Временные отклонения (просадки/всплески)	Не более 5% времени в течение суток

12. 12. Характеристика установившихся режимов работы электрических сетей.

Определение

Установившийся режим — это состояние электрической сети, при котором параметры (напряжение, ток, частота, мощности) остаются неизменными или изменяются медленно во времени, соответствуя текущему балансу генерации и потребления.

 

Основные параметры режима:

Напряжение на шинах всех уровней.

 

Токи в линиях, трансформаторах.

 

Частота в энергосистеме (для РФ — 50 Гц).

 

Активная и реактивная мощность на входе и выходе узлов сети.

 

Потери электроэнергии в элементах сети.

 

Уровни токов короткого замыкания (расчетные для проверки селективности).

 

Виды установившихся режимов:

Номинальный — соответствие всем расчетным параметрам при обычной нагрузке.

 

Максимальный — работа сети при наибольшей нагрузке (вечерние часы).

 

Минимальный — малое потребление (ночные часы).

 

Послеаварийный (перетоковый) — перераспределение токов и мощностей после отключения участка.

 

Задачи анализа установившегося режима:

Обеспечение надежности электроснабжения.

 

Оценка потерь мощности и энергии.

 

Выявление перегрузок линий, трансформаторов.

 

Оптимизация режимов компенсации реактивной мощности.

 

Расчет токов КЗ для настройки защиты.

 

13. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Основные параметры и характеристики. Нагрузочная способность силовых трансформаторов. Особенности применения трансформаторов с расщепленными обмотками.

Основные параметры:

• Мощность (S) – номинальная мощность в кВА или МВА.
• Напряжения – номинальные значения первичной и вторичной обмотки.
• Группа соединения обмоток – обозначается буквами и цифрами (например, Y/Δ-11).
• Коэффициент трансформации – отношение напряжений обмоток.
• КПД – обычно 98–99%.
• Потери холостого хода и короткого замыкания – важны для оценки экономичности.
• Класс изоляции и охлаждение – воздушное, масляное, с принудительной циркуляцией масла или воздуха.

Автотрансформаторы:

• Отличаются тем, что обмотки частично общие — экономят медь и железо.
• Применяются при небольшой разнице напряжений между уровнями (например, 220/110 кВ).
• Имеют меньшие габариты и потери, но меньшую гальваническую развязку.

Нагрузочная способность:

• Зависит от условий охлаждения, температуры окружающей среды.
• Может кратковременно превышать номинал (перегрузка) при соответствующем контроле температуры.
• Учитывается по термическим характеристикам и допустимому перегреву изоляции.

Трансформаторы с расщепленными обмотками:

• Обладают двумя и более параллельными ветвями обмотки, подключенными к одной фазе.
• Применяются для снижения потерь и повышения надежности, особенно в тяговых подстанциях и при мощной нагрузке.
• Уменьшают электродинамические усилия и нагрев.

 

14. Синхронные генераторы и компенсаторы. Основные параметры и характеристики. Отличительные особенности их применения.

Синхронные генераторы:

Применение – электростанции (ТЭС, ГЭС, АЭС), автономные системы.
Преобразуют механическую энергию в электрическую (трехфазное напряжение).

Основные параметры:

• Номинальное напряжение и мощность.
• Частота – 50 Гц (в РФ).
• Синхронная скорость вращения.
• Реакции по продольной и поперечной осям (Xd, Xq).
• Регулируемые характеристики возбуждения.

Особенности:

• Требуют начального вращения (пуск от привода).
• Обеспечивают регулирование напряжения и реактивной мощности через возбуждение.
• Могут работать параллельно (в составе ЕЭС).

 

Синхронные компенсаторы:

Применение – на подстанциях, для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения.

Принцип работы – по конструкции аналогичны генераторам, но не имеют привода нагрузки, работают «вхолостую», потребляя или отдавая реактивную мощность.

Особенности:

• Быстрое регулирование реактивной мощности.
• Улучшают напряжение и устойчивость сети.
• Имеют инерционную массу, что стабилизирует частоту.
• Требуют системы возбуждения и обслуживания.

 

15.Применение УШР и БСК для компенсации реактивной мощности и уменьшения ее перетоков в сети.

УШР — устройства шинного регулирования

(иногда интерпретируются также как устройства шунтирующего регулирования)

Назначение:

• Регулирование напряжения на шинах.
• Компенсация реактивной мощности.

Состав:

• Конденсаторные батареи.
• Реакторы.
• Автоматизированная система управления (по сигналам напряжения и нагрузки).

Преимущества:

• Повышение качества напряжения.
• Снижение потерь энергии.
• Возможность автоматического управления.

 

БСК — батареи статических конденсаторов

Назначение:

• Компенсация реактивной мощности на стороне потребителя.
• Уменьшение перетоков реактивной мощности по сети.

Принцип:

• Подключаются параллельно нагрузке.
• Создают емкостный ток, компенсирующий индуктивный ток нагрузки.

Преимущества:

• Простота устройства.
• Снижение нагрузки по току на трансформаторы и линии.
• Снижение штрафов за низкий cos(φ).
• Повышение пропускной способности сети.

Дополнительно:

• Могут комплектоваться автоматическими регуляторами (АРМК).
• Устанавливаются централизованно или распределенно (на участках с высокой реактивной нагрузкой).

16. Способы заземления нейтрали основного электрооборудования. Основные величины, характеризующие режимы заземления нейтрали электрических систем. Особенности электрических сетей с незаземленной (изолированной). Особенности электрических сетей с эффективно-заземленной нейтралью.

Варианты заземления нейтрали:

1. Изолированная (незаземленная) нейтраль
   – нейтраль не соединена с землей напрямую.
   – типична для сетей 6–35 кВ.
2. Заземленная нейтраль:
   • Прямое заземление (эффективно заземленная нейтраль)
     – нейтраль соединена с землей через малое сопротивление (например, трансформаторы 110/220 кВ).
     – применимо в высоковольтных сетях, где требуется быстрая и надежная защита.
   • Заземление через сопротивление
     – используется в сетях, где нужно ограничить ток замыкания на землю.
   • Заземление через дугогасящий реактор (Петерсенов контур)
     – снижает токи однофазных замыканий до минимальных значений.
     – применяется в сетях 6–35 кВ для повышения надежности.

Основные величины режима заземления:

• Ток замыкания на землю (однофазный).
• Напряжение прикосновения.
• Переходные перенапряжения.
• Сопротивление заземляющего устройства.
• Надежность отключения при КЗ на землю.

Особенности изолированной нейтрали:

• Малые токи однофазных КЗ (в пределах 1–10 А).
• Возможность долговременной работы при однофазном замыкании.
• Необходимость контроля изоляции.
• Трудности в селективности защиты.

Особенности эффективно заземленной нейтрали:

• Токи КЗ на землю близки к трехфазному КЗ.
• Позволяет применять быстродействующую защиту.
• Повышенные требования к изоляции оборудования.
• Широко применяется в сетях напряжением выше 110 кВ.

 

17. Основные понятия автоматизированных систем управления. АСУ ТП: назначение, функции, задачи.

Определение:

АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) — совокупность технических средств, программного обеспечения и организационных решений, предназначенных для автоматизации управления в реальном времени.

Назначение:

• Повышение надежности, экономичности, точности и безопасности технологических процессов.
• Снижение влияния человеческого фактора.
• Обеспечение диспетчерского и централизованного управления.

Функции АСУ ТП:

• Сбор и передача данных (измерения, аварии, состояния).
• Мониторинг и визуализация (через SCADA).
• Управление оборудованием (релейное, регулирующее).
• Архивация данных.
• Диагностика и самоконтроль систем.

Основные задачи:

• Контроль параметров электроустановок.
• Автоматизация процессов пуска/остановки.
• Реагирование на аварийные режимы.
• Поддержание оптимальных режимов работы.
• Интеграция с АСКУЭ, SCADA, DERMS.

 

18. Классификация устройств релейной защиты и автоматики. Что такое селективность, чувствительность, быстродействие защиты.

Основные типы устройств РЗА:

1. По принципу действия:
   • Классические электромеханические (на реле).
   • Полупроводниковые (устаревшие).
   • Микропроцессорные (цифровые) — современные, функционально гибкие.
2. По выполняемым функциям:
   • Токовая защита (максимальная токовая, направленная).
   • Дифференциальная защита (силовых трансформаторов, шин).
   • Защита от замыканий на землю.
   • Резервная защита.
   • Автоматика: АПВ (включение после отключения), АВР (резервное питание), АЧР (разгрузка по частоте).
3. По назначению:
   • Для линий, трансформаторов, генераторов, двигателей, шин.

Ключевые характеристики защит:

• Селективность
  – способность отключать только поврежденный участок, не нарушая работу остальной сети.
  – достигается правильной координацией срабатывания устройств по времени, току и направлению.
• Чувствительность
  – способность распознавать повреждения даже при слабых токах КЗ.
  – определяется минимальным током, при котором защита срабатывает.
• Быстродействие
  – время от возникновения КЗ до действия защиты.
  – критично для уменьшения повреждений и потерь — измеряется в миллисекундах (мс).

19. 19.        Классификация токовых защит. Максимальные токовые защиты. Токовая отсечка.

Классификация токовых защит:

Токовые защиты реагируют на превышение заданного значения тока и являются одними из наиболее распространённых в электроэнергетике. Делятся по следующим признакам:

1. По принципу действия:
   • Максимальные токовые защиты с выдержкой времени (МТЗ) — отключают нагрузку при превышении заданного тока с задержкой.
   • Токовая отсечка — мгновенная защита без выдержки времени.
   • Направленные токовые защиты — с учетом направления тока (важно в кольцевых и сложных схемах).
2. По используемым элементам:
   • Электромеханические (на реле РТ-40, РТ-80 и т. п.)
   • Микропроцессорные (цифровые, с множеством функций в одном устройстве)
3. По зоне действия:
   • Основные защиты — действуют на защищаемый элемент.
   • Резервные — дублируют основные защиты смежных участков.

 

Максимальные токовые защиты (МТЗ):

Назначение:

• Отключение потребителя или линии при перегрузке или коротком замыкании.

Характеристики:

• Срабатывают при токе, превышающем заданную уставку.
• Имеют временную задержку для обеспечения селективности.
• Часто используют инверсную характеристику времени (чем выше ток — тем быстрее срабатывание).

Применение:

• На линиях 6–35 кВ, в трансформаторах, вводах.

 

Токовая отсечка:

Отличие от МТЗ:

• Срабатывает без задержки, при токе выше уставки.
• Быстродействующая, используется для отсечения КЗ вблизи источника питания.

Преимущества:

• Быстрое устранение аварии.
• Защита от сильных коротких замыканий.

Недостаток:

• Отсутствие селективности — может отключить большую часть сети, если уставка выбрана неправильно.

Применение:

• В трансформаторах, ячейках КРУ, ВЛ, кабельных линиях.

 

20. Защита основного оборудования электростанций и подстанций. Защита и автоматика трансформаторов. Защита электродвигателей. Защита синхронных генераторов.

Защита и автоматика трансформаторов:

• Дифференциальная защита — основная, реагирует на разницу токов между вводами (внутренние КЗ).
• Токовая отсечка — резервная защита.
• Газовая защита (реле Бухгольца) — реагирует на выделение газа при КЗ внутри бака.
• Защита от перегрузки и перегрева — термодатчики, реле температуры.
• АПВ/AВР, сигнализация неисправностей.

 

Защита электродвигателей:

• Максимальная токовая защита — от перегрузки и КЗ.
• Тепловая защита — термодатчики в обмотке.
• Фазный контроль — обрыв, перекос фаз.
• Минимальное напряжение — отключение при «просадке».
• Задержка пуска и повторный пуск (автоматика).

 

Защита синхронных генераторов:

• Дифференциальная защита — защита от внутренних КЗ.
• Защита от потери возбуждения — предотвращение асинхронного режима.
• Защита от замыканий на землю в обмотке ротора и статора.
• Максимальная токовая защита — от внешних КЗ.
• Защита от перегрузки.
• Частотная и напряженческая защита.

 

21. Назначение автоматического повторного включения (АПВ). Назначение автоматического включения резервного питания (АВР).

АПВ — автоматическое повторное включение

Назначение:

• Повторное включение линии или оборудования после временного повреждения, например при грозовом пробое, кратковременном замыкании на землю.

Виды:

• Однократное/многократное.
• Неполное/полное (с контролем наличия фазы и синхронизации).
• Трехфазное, однофазное (в сетях с изолированной нейтралью).

Преимущества:

• Повышение надежности электроснабжения.
• Быстрое восстановление после временных аварий.
• Снижение простоев и потерь.

 

АВР — автоматическое включение резерва

Назначение:

• Автоматический перевод питания на резервный ввод или линию при отключении основного.

Применяется:

• На подстанциях, в распределительных устройствах, у потребителей I категории надежности.

Типовые условия срабатывания:

• Потеря напряжения на основном вводе.
• Наличие напряжения на резервном вводе.
• Отсутствие блокировок (например, при КЗ на резерве).

Функции:

• Повышение безопасности и надежности питания ответственных потребителей.
• Возможность автоматизации пуска/остановки оборудования.

22. Охарактеризуйте и опишите состав оборудования распределительных устройств.

Распределительное устройство (РУ) — элемент электроустановки, предназначенный для приёма, распределения, преобразования и коммутации электрической энергии.

Основной состав оборудования РУ:

1. Коммутационные аппараты:
   • Выключатели (масляные, вакуумные, элегазовые): размыкают и замыкают цепь под нагрузкой и при КЗ.
   • Разъединители: создают видимый разрыв цепи. Используются в отключенном состоянии.
   • Заземлители: служат для заземления отключённого оборудования.
   • Контакторы, рубильники (в РУ НН).
2. Измерительные трансформаторы:
   • Трансформаторы тока (ТТ): для измерения и защиты.
   • Трансформаторы напряжения (ТН): для учета и управления.
3. Шинные системы:
   • Шины: медные или алюминиевые, открытого или закрытого исполнения.
   • Шинные мосты, вводы, соединители.
4. Изоляционные элементы:
   • Изоляторы: опорные, проходные.
   • Изоляционные панели, кожухи.
5. КРУ и КРУН (комплектные РУ):
   • Заводская сборка, внутри зданий, до 35 кВ.
   • Включают выключатель, трансформаторы, РЗА, приводы, системы измерения и управления.
6. Системы защиты и автоматики (РЗА):
   • Устройства микропроцессорной защиты.
   • Автоматика АВР, АПВ, УРОВ.
7. Вспомогательное оборудование:
   • Обогреватели, вентиляторы, освещение, релейные шкафы, аккумуляторы, цепи управления.

 

23. Объясните технологию выполнения монтажа воздушных линий электропередачи.

Воздушные линии — это линии, где провода проложены по воздуху и закреплены на опорах. Работы по монтажу ВЛ выполняются поэтапно с соблюдением норм безопасности.

Основные этапы монтажа:

1. Подготовка трассы:
   • Расчистка полосы отвода.
   • Геодезическая разбивка опор.
2. Доставка и складирование материалов:
   • Опоры, арматура, провода, изоляторы, заземляющие элементы.
3. Монтаж опор:
   • Бурение (или копка) ям.
   • Установка опор (деревянные, железобетонные, металлические).
   • Выравнивание и закрепление (оттяжки, анкеры).
   • Бетонирование при необходимости.
4. Установка арматуры и изоляторов:
   • Подвеска или натяжка изоляторов.
   • Монтаж траверс, гирлянд, зажимов.
5. Подъём и натяжка проводов:
   • Протяжка проводов лебедками с роликами.
   • Натяжение с учетом температурных и ветровых условий.
   • Закрепление проводов.
6. Монтаж заземляющих устройств:
   • Контуры заземления, заземление опор.
7. Монтаж грозозащиты:
   • Грозотросы, ОПН, РВО.
8. Окончательные работы:
   • Осмотр, проверка натяжения.
   • Испытания и приёмка.

 

24. 24.        Объясните технологию выполнения монтажа кабельных линий электропередачи.

Кабельные линии (КЛ) — это линии, проложенные под землёй, в лотках, трубах или по конструкциям зданий. Монтаж требует точности и соблюдения температурных, механических и электрических условий.

Основные этапы:

1. Подготовка трассы:
   • Топографическая привязка.
   • Раскопка траншеи по проекту (глубина обычно 0,7–1,2 м).
   • Укладка подушки из песка (100–150 мм).
2. Прокладка кабеля:
   • Механизированная (лебёдками) или ручная.
   • В траншее, по эстакадам, в кабельных каналах.
   • В трубах (ПНД, ПВХ, металлические) или лотках.
   • Защита от механических повреждений: сигнальная лента, плиты, кирпич.
3. Устройство муфт и оконцеваний:
   • Соединительные муфты: термоусаживаемые, заливные, механические.
   • Концевые муфты — на вводах в РУ, ТП и т.д.
   • Обязательно соблюдение чистоты и технологии монтажа.
4. Ввод в здание:
   • Через гильзы в фундаментах.
   • Герметизация вводов.
5. Заземление и защитные меры:
   • Заземление металлических оболочек.
   • Устройство контуров заземления.
6. Испытания и приёмка:
   • Мегаомметр (изоляция), ВЧ-тесты.
   • Протоколы испытаний.
   • Акт скрытых работ (трасса, глубина, фотофиксация).

25. Пояснить понятие пусконаладочных работ и порядок выполнения.

Что такое ПНР:

Пусконаладочные работы — это комплекс мероприятий, проводимых после завершения монтажа, направленных на проверку правильности сборки, настройки, регулировки и пробного запуска электротехнического оборудования.

Цель ПНР:

• Проверка готовности оборудования к вводу в эксплуатацию.
• Обеспечение надёжной, безопасной и эффективной работы оборудования.

Общий порядок выполнения ПНР:

1. Подготовительный этап:
   • Проверка документации (проекты, схемы, паспорта).
   • Визуальный осмотр оборудования и проверка маркировки.
   • Контроль монтажа: наличие заземления, кабелей, соединений.
2. Электрические и функциональные испытания:
   • Проверка изоляции, сопротивления заземления.
   • Испытания трансформаторов, электродвигателей, цепей управления.
   • Проверка цепей РЗА и автоматики.
3. Регулировка и настройка:
   • Настройка уставок защит.
   • Проверка АВР, АПВ, логики управления.
   • Программирование ПЛК/контроллеров при наличии.
4. Пробный пуск:
   • Без нагрузки (холостой ход).
   • С нагрузкой (по графику).
5. Сдача в эксплуатацию:
   • Составление актов, протоколов.
   • Инструктаж персонала.
   • Подписание документации между подрядчиком и заказчиком.

 

26. Технология монтажа силовых трансформаторов.

Подготовка:

1. Приемка трансформатора:
   • Проверка упаковки, осмотр на повреждения.
   • Сверка паспортных данных.
2. Подготовка фундамента:
   • Проверка прочности и горизонтальности.
   • Наличие заземляющих устройств.
3. Транспортировка к месту установки:
   • На санях, роликах или с помощью автотранспорта.
   • Учет массы и габаритов.

 

Основной монтаж:

1. Установка бака трансформатора:
   • Размещение на фундаменте, выравнивание.
   • Анкерное крепление.
2. Сборка навесного оборудования:
   • Монтаж расширительного бака, термосифонных фильтров, охлаждения (вентиляторы, радиаторы).
   • Установка маслоуказателей, термометров, реле давления и газа (Бухгольца).
3. Вводы:
   • Установка проходных изоляторов.
   • Подключение высоковольтных и низковольтных вводов.
4. Заливка масла (если требуется):
   • Масло предварительно фильтруется и дегазируется.
   • Заполнение через маслофильтры до заданного уровня.
5. Подключение к РУ:
   • Присоединение кабелей, шин.
   • Проверка контактных соединений, вводов.

 

Заключительные работы:

• Проведение приемо-сдаточных испытаний: изоляция, сопротивление обмоток, газовая защита.
• Запись параметров в паспорт.
• Передача трансформатора в ПНР.

 

27. Нормы, объем и методы приемо-сдаточных и профилактических испытаний электроприводов и пускорегулирующей аппаратуры.

Нормативные документы:

• ПТЭЭП (Правила технической эксплуатации).
• ГОСТ 18311, ГОСТ 2582, инструкции заводов-изготовителей.

 

Цель испытаний:

• Проверить соответствие оборудования требованиям проекта и технических условий.
• Обеспечить надежность и безопасность эксплуатации.

 

Объем и методы испытаний:

Электроприводы (ЭД, УПП):

1. Визуальный осмотр:
   • Целостность корпуса, заземление, кабельные вводы.
2. Измерение сопротивления изоляции:
   • Мегаомметром (напр. 1000 В) — значение не менее 1 МОм.
3. Проверка цепей управления и защиты:
   • Реле тока, тепловая защита, фазный контроль.
4. Измерение сопротивления обмоток:
   • Омметром, сравнение фаз.
5. Пробный пуск:
   • Без нагрузки и под нагрузкой.
   • Контроль тока, вибраций, температуры.

 

Пускорегулирующая аппаратура (ПРА):

Включает контакторы, пускатели, УПП, частотные преобразователи и др.

1. Испытание на срабатывание:
   • Проверка всех режимов: пуск, останов, реверс.
2. Контроль уставок:
   • Установка параметров защиты, времени разгона/торможения.
3. Испытания под нагрузкой:
   • Измерение рабочих токов, температур.
4. Проверка интерфейсов:
   • Связь с АСУ, ПЛК, диспетчерскими системами.

 

Периодичность профилактических испытаний:

• Плановые: 1 раз в 1–3 года в зависимости от класса оборудования и условий эксплуатации.
• Внеплановые: после ремонтов, аварий, перенапряжений.

28. Диагностика и мониторинг электрооборудования. Понятия «Техническая диагностика», «Дефект оборудования», «Диагностические параметры».

Техническая диагностика — это область инженерии, направленная на оценку технического состояния оборудования без его демонтажа, с целью выявления дефектов, предсказания отказов и планирования ремонта.

Основные понятия:

• Дефект оборудования — нарушение исправного состояния (например, ухудшение изоляции, износ подшипников, повреждение обмотки).
• Диагностические параметры — физические величины, измеряемые для оценки состояния (температура, вибрация, токи, напряжения, сопротивление изоляции, частичные разряды и др.).

Задачи диагностики:

• Выявление скрытых дефектов.
• Оценка остаточного ресурса.
• Предотвращение аварий и снижение аварийности.
• Оптимизация графиков ремонта.

Методы диагностики:

• Тепловизионный контроль.
• Акустическая эмиссия, вибродиагностика.
• Измерение изоляции, тангенса δ.
• Анализ растворённых газов в масле трансформаторов (DGA).
• Онлайн-мониторинг параметров.

Мониторинг — это непрерывный или периодический контроль состояния оборудования с помощью датчиков и цифровых систем, часто в режиме реального времени.

 

29. Дать краткую характеристику основным системам мониторинга ВЛ.

Современные системы мониторинга ВЛ предназначены для оценки состояния линии, прогнозирования аварий и повышения надёжности электроснабжения.

Основные системы и технологии:

1. Грозозащита и измерение тока утечки:
   • Датчики утечек на изоляторах.
   • Оценка риска перекрытий.
2. Мониторинг температурных режимов:
   • Датчики температуры проводов.
   • Вычисление допустимого тока нагрузки (динамическая термическая нагрузка — DLR).
3. Контроль натяжения и провеса:
   • Сенсоры провеса/угла наклона тросов.
4. Системы обнаружения обрыва и замыканий:
   • Волоконно-оптические кабели внутри грозотросов.
   • Сигнализация обрывов, падения деревьев.
5. Дроны и спутниковый мониторинг:
   • Инфракрасная съёмка, 3D-модели, анализ состояния опор и арматуры.
6. Интеграция с SCADA:
   • Все данные могут быть переданы в систему диспетчерского управления.

 

30. 30.        Дать краткую характеристику основным системам мониторинга КЛ.

Кабельные линии труднодоступны, поэтому системы мониторинга КЛ направлены на раннее выявление дефектов и прогнозирование отказов.

Основные направления мониторинга:

1. Термоконтроль:
   • Оптоволоконные кабели с распределённым температурным контролем (DTS).
   • Определение перегревов, горячих точек, неправильной укладки.
2. Мониторинг изоляции:
   • Измерение сопротивления изоляции.
   • Контроль токов утечки.
3. Обнаружение частичных разрядов (ЧР):
   • ЧР указывают на ухудшение изоляции, особенно в муфтах и оконцеваниях.
4. Мониторинг оболочки кабеля:
   • Проверка целостности оболочек и защитных покровов.
   • Метод «проверки оболочки напряжением» (DC-тест).
5. Системы локализации повреждений:
   • Встроенные датчики, импульсные системы.
   • Быстрое определение места повреждения при КЗ.
6. Интеграция с АСКУЭ и SCADA:
   • Передача данных в реальном времени.
   • Поддержка решений по предиктивному обслуживанию.

 

31. Автоматизированные системы мониторинга и диагностики (АСМД) силовых трансформаторов

Назначение:

АСМД трансформаторов предназначены для непрерывного контроля технического состояния трансформаторов в реальном времени, предотвращения аварий, увеличения ресурса и снижения эксплуатационных затрат.

Функции АСМД трансформатора:

• Мониторинг температуры масла и обмоток.
• Газовый анализ (DGA): определение концентрации растворённых газов в масле (водород, метан, этан и др.).
• Контроль влажности в масле.
• Измерение напряжений, токов, нагрузок.
• Мониторинг частичных разрядов (ЧР).
• Контроль уровня масла, давления и работы охладителей.
• Анализ динамики изменений параметров (тренды, прогнозы отказов).
• Передача данных в SCADA/АСУТП.

Типовая структура АСМД:

• Датчики (температуры, давления, газа, вибрации).
• Коммутационный шкаф с контроллером (ПЛК).
• Коммуникационные модули (Ethernet, RS485).
• Программное обеспечение для визуализации и диагностики.
• Интеграция с цифровыми платформами обслуживания (предиктивный анализ, уведомления).

 

32. Системы мониторинга и диагностики коммутационного оборудования, ячеек КРУ и КРУЭ.

Цель:

Обеспечить надежную и безопасную работу выключателей, разъединителей, шин и других компонентов распределительных устройств за счёт раннего выявления дефектов и оценки остаточного ресурса.

Что контролируется:

Для выключателей (в т.ч. вакуумных, элегазовых):

• Износ контактов, число коммутаций.
• Время срабатывания, синхронность фаз.
• Давление элегаза (для КРУЭ).
• Температура контактов (тепловизионный или датчиковый контроль).
• Динамика тока дугогашения.

Для КРУ и КРУЭ:

• Наличие частичных разрядов.
• Вибрация, перегрев в местах соединений.
• Состояние изоляции, пробои, токи утечки.
• Механические параметры привода (мотор, замедления, заклинивания).

Методы диагностики:

• Онлайн-диагностика (датчики, контроллеры, ПО).
• Тепловизионный контроль.
• Акустическая эмиссия (ЧР).
• Регистрация событий (срабатывание защит, отключения).

Интеграция:

Системы мониторинга часто включаются в состав цифровой подстанции (см. ниже), передавая данные в SCADA/DERMS/ЦДУ.

 

33. Цифровая подстанция как ключевой элемент интеллектуальной электроэнергетической системы.

Понятие:

Цифровая подстанция (ЦПС) — это подстанция, в которой управление, защита, измерения и связь реализованы с использованием цифровых технологий, протоколов IEC 61850, интеллектуальных электронных устройств (IED) и системной интеграции.

 

Основные признаки цифровой подстанции:

1. Применение IED:
   • Все функции РЗА, измерения и управления реализуются в интеллектуальных терминалах.
2. Цифровые протоколы передачи данных:
   • IEC 61850 (GOOSE, MMS) — стандартизированный протокол для связи между устройствами.
   • Отказ от медных сигнальных кабелей — используются оптоволоконные линии и интерфейсы процессного уровня.
3. Замена аналоговых сигналов цифровыми (Process Bus):
   • Аналоговые данные (напряжение, ток, состояния) передаются в виде потоков данных.
4. Интеграция с SCADA, DERMS, АСКУЭ:
   • Единая архитектура управления, защиты, учёта.
5. Кибербезопасность и удалённый доступ:
   • Использование VPN, шифрования, мониторинга вторжений.

 

Преимущества цифровой подстанции:

• Снижение объема кабельных связей.
• Повышенная гибкость и масштабируемость.
• Улучшенная диагностика и контроль в реальном времени.
• Повышение надежности и снижение ошибок персонала.
• Поддержка концепции «умной сети» (Smart Grid) и цифровой трансформации энергетики.

 

 

 

III-ая группа вопросов

 

1. Нормативная документация для монтажа, наладки и эксплуатации электрооборудования

 

ПУЭ, ПТЭЭП, ГОСТ, СНиП, СП, инструкции производителей

 

Электромонтажные работы подчиняются ряду нормативных документов, регламентирующих проектирование, монтаж, проверку и эксплуатацию электроустановок. Основные из них:

 

ПУЭ — Правила устройства электроустановок

Главный нормативный документ в электромонтаже.

 

Регламентирует допустимые схемы подключения, прокладки кабелей, защиту от коротких замыканий и перегрузок, выбор проводников, заземление, молниезащиту и т.д.

 

Обязателен к соблюдению при проектировании и монтаже.

 

ПТЭЭП — Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей

Описывает требования по обслуживанию, осмотрам, допуску персонала, периодичности проверок и испытаний.

 

Обеспечивает безопасную и надёжную эксплуатацию уже смонтированных систем.

 

ГОСТы — Государственные стандарты

Охватывают конкретные технические параметры: например, ГОСТы на кабельную продукцию, муфты, методы измерения сопротивления, устройства защиты и т.д.

 

Примеры: ГОСТ 15150 (климатические исполнения), ГОСТ Р 50571 (системы электроснабжения), ГОСТ 28249 (методы испытаний кабеля).

 

СНиП — Строительные нормы и правила

Описывают общие строительные требования, включая требования к инженерным системам (электрика, вентиляция, пожарная безопасность).

 

Например, нормы по размещению электропроводки в жилых и общественных зданиях.

 

СП — Своды правил

Современное развитие СНиП. Часто обязательны к применению.

 

Примеры:

 

СП 31-110 — «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий»

 

СП 256.1325800 — «Проектирование наружного освещения»

 

СП 6.13130 — «Системы противопожарной защиты»

 

Инструкции производителей оборудования

Документация, прилагаемая к электрооборудованию и кабельной арматуре (муфты, автоматы, УЗО и пр.).

 

Устанавливает условия монтажа, подключения, настройки и технического обслуживания конкретного оборудования.

 

Нарушение инструкций может повлечь за собой отказ оборудования и утрату гарантии.

 

 

2. Организационная структура электромонтажных организаций

 

Дирекция, ПТО, участки и бригады, службы качества, снабжение

 

Структура таких организаций выстроена для обеспечения полного цикла: от проектирования до монтажа и сдачи объекта. Основные подразделения:

 

Дирекция (руководство организации)

Генеральный директор, заместители, главные инженеры.

 

Отвечают за стратегическое управление, финансы, договорную работу.

 

Контролируют выполнение обязательств перед заказчиком, взаимодействие с надзорными органами.

 

ПТО (производственно-технический отдел)

Готовит проектно-сметную документацию, ППР (проекты производства работ), согласования.

 

Обеспечивает соответствие работ нормативам.

 

Разрабатывает графики, оформляет исполнительную документацию.

 

Согласовывает технические решения с заказчиком и проектировщиками.

 

Участки и бригады

Участок — это подразделение, ведущее работы на определённом объекте или его части. Руководит — начальник участка.

 

Бригады — непосредственно исполняют монтажные работы. Состоят из электромонтажников разрядов 3–6, иногда — электросварщиков, арматурщиков и т.п.

 

У каждой бригады есть бригадир, который отвечает за качество и безопасность на месте.

 

Служба качества (ОТК / техконтроль)

Контролирует соблюдение технологий, проверяет качество монтажных работ.

 

Ведёт акты скрытых работ, участвует в испытаниях и проверках.

 

Может быть как внутренней, так и привлечённой со стороны.

 

Служба снабжения / логистика

Отвечает за закупку и доставку оборудования, материалов, инструмента.

 

Контролирует наличие кабеля, автоматов, муфт и т.д. на объекте.

 

Сотрудничает с поставщиками, решает вопросы комплектации и сроков.

 

 

3.Классификация электроустановок и электрооборудования

 

По напряжению: до 1 кВ, 1-35 кВ, >35 кВ

 

По назначению: производственные, бытовые и пр.

 

Электроустановки классифицируются по напряжению, назначению и другим параметрам. Это помогает выбрать правильное оборудование, меры безопасности и порядок обслуживания.

 

Классификация по напряжению:

До 1 кВ (низковольтные установки):

 

Наиболее распространённые — используются в жилых домах, офисах, небольших предприятиях.

 

Пример: бытовая сеть 220/380 В.

 

Применяются кабели ВВГ, автоматы, УЗО и пр.

 

Безопасность: заземление, двойная изоляция, устройства защитного отключения (УЗО).

 

От 1 до 35 кВ (среднее напряжение):

 

Применяются на промышленных объектах, подстанциях, в системах распределения электроэнергии.

 

Пример: КТП 10/0,4 кВ, питающие линии между ТП.

 

Используются масляные/вакуумные выключатели, трансформаторы, высоковольтные кабели.

 

Требуется спецобучение персонала, допуск к работе в РУ.

 

Свыше 35 кВ (высоковольтные установки):

 

Электросети 110, 220, 330, 500 и 750 кВ — магистральные линии электропередачи.

 

Эксплуатируются электросетевыми компаниями (например, Россети).

 

Оборудование — ОРУ, трансформаторы, выключатели с элегазом.

 

Высокие требования к защите от перенапряжений, обслуживанию, изоляции.

 

Классификация по назначению:

Производственные (промышленные):

 

Обеспечивают энергией станки, технологические линии, оборудование.

 

Часто требуют нестандартных решений: управления, частотного регулирования, стабилизации.

 

Повышенные нагрузки, жесткие условия эксплуатации.

 

Бытовые (жилые, офисные):

 

Электроснабжение квартир, домов, ТЦ, школ и пр.

 

Основной упор на безопасность, удобство эксплуатации.

 

Используются розетки, выключатели, осветительные приборы.

 

Коммунальные и общественные:

 

Электроустановки, обслуживающие инфраструктуру — уличное освещение, насосные станции, больницы, детсады и пр.

 

Повышенные требования к резервированию питания.

 

Электроустановки специального назначения:

 

Для шахт, морских судов, взрывоопасных зон (категории В-I, В-II).

 

Требуют применения взрывозащищенного оборудования, специальных кабелей.

 

4. Трансформаторные подстанции различного типа: КТП киоского типа, столбовые и мачтовые КТП, блочные КТП

 

Киосковая: металлический шкаф

 

Столбовая: на опоре

 

Мачтовая: на мачте

 

Блочная: заводской сборки

 

КТП — это устройства, преобразующие высокое напряжение (обычно 6–10 кВ) в низкое (0,4 кВ) для потребителей. Они классифицируются по типу конструкции и установки:

 

1. Киосковая (шкафная, КТП-К):

Располагается в металлическом (реже бетонном) шкафу или будке на земле.

 

Включает: трансформатор, РУ-6/10 кВ, РУ-0,4 кВ, защиту.

 

Может иметь две двери — вход высоковольтного кабеля и выход 0,4 кВ.

 

Применяется в городских и промышленных районах.

 

Плюсы: компактность, удобство обслуживания, защита от осадков.

 

2. Столбовая КТП (КТП-С):

Трансформатор установлен на железобетонной или металлической опоре.

 

РУ-0,4 кВ монтируется на нижней раме, а 6–10 кВ — на верхней части опоры.

 

Используется в сельской местности, где нет плотной застройки.

 

Плюсы: дешева в установке, нет необходимости в фундаменте.

 

3. Мачтовая КТП (КТП-М):

Разновидность столбовой, но трансформатор и оборудование размещаются на мачте (высокой опоре) или внутри неё.

 

Конструкция более закрытая, чем у обычной столбовой.

 

Устойчивее к погодным условиям, вандализму.

 

Иногда применяется в местах с ограниченной площадью.

 

4. Блочная КТП (КТП-Б):

Собирается полностью на заводе — трансформатор, ячейки, вводы, защита и автоматика размещены в одном блоке (или нескольких).

 

Доставляется и устанавливается как готовое изделие.

 

Может быть на фундаменте или на раме.

 

Подходит для крупных объектов, строительных площадок, модульных ТП.

 

Плюсы: быстрое развертывание, высокая надёжность, заводская сборка.

 

5. Конструктивное исполнение открытых распределительных устройств (ОРУ) напряжением 35÷500 кВ. Комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией напряжением 35÷500 кВ. Комплектные распределительные устройства напряжением 6÷20 кВ.

 

ОРУ 35–500 кВ: открытые, громоздкие

 

КРУЭ 35–500 кВ: с элегазовой изоляцией, компактные

 

КРУ 6–20 кВ: комплектные устройства внутри зданий

 

Распределительные устройства — это узлы, где происходит приём, распределение и защита электроэнергии. Они бывают разных типов в зависимости от напряжения, места установки и конструкции.

 

ОРУ (Открытое распределительное устройство) 35–500 кВ

Назначение: приём и распределение электроэнергии на подстанциях высокого и сверхвысокого напряжения.

 

Конструкция: все токоведущие части расположены на открытом воздухе, на рамах и металлоконструкциях.

 

Напряжение: 35, 110, 220, 330, 500 кВ и выше.

 

Особенности:

 

Занимает большую площадь (сотни метров).

 

Требует строгой изоляции и расстояний между фазами.

 

Простота обслуживания.

 

Минусы: зависимость от погодных условий, громоздкость.

 

КРУЭ (Комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией) 35–500 кВ

Назначение: то же, что у ОРУ, но занимает существенно меньше места.

 

Изоляция: используется элекстрогаз (SF₆) — инертный газ, обладающий высокой диэлектрической прочностью.

 

Преимущества:

 

Компактность — идеальны для городских подстанций.

 

Защищённость от влаги, загрязнений.

 

Надёжность и низкое обслуживание.

 

Недостатки: высокая стоимость, потребность в герметичности, экологические требования к газу SF₆.

 

КРУ (Комплектное распределительное устройство) 6–20 кВ

Место установки: в закрытых помещениях (ЗРУ).

 

Состав: шкафы, в которых размещены выключатели, трансформаторы тока/напряжения, защита, вводы/выводы.

 

Применение: на ТП, в промышленных зданиях, на распределительных пунктах (РП).

 

Плюсы:

 

Компактность и безопасность.

 

Быстрая замена шкафов или отдельных аппаратов.

 

Удобство для автоматизации.

 

 

6. Монтаж электропроводок и токопроводов.

 

Виды: открытые, скрытые, в трубах, коробах

 

Электропроводка — это система кабелей и проводов, обеспечивающая питание оборудования и освещение.

 

Виды монтажа:

Открытая прокладка:

 

По поверхности стен, потолков, несущих конструкций.

 

Кабели крепятся скобами, клипсами, по лоткам.

 

Плюсы: лёгкий доступ, удобство при ремонте.

 

Минусы: видимость, возможное механическое повреждение.

 

Скрытая прокладка:

 

Внутри стен, перегородок, потолков или под штукатуркой.

 

Часто используется в жилых помещениях.

 

Плюсы: эстетика.

 

Минусы: сложный ремонт, требуется точное планирование.

 

В трубах:

 

ПВХ, ПНД, металлические или гофрированные трубы.

 

Защищает от механических повреждений, УФ-излучения и влаги.

 

Используется при скрытой прокладке, особенно в бетонных конструкциях.

 

В коробах (кабель-каналах):

 

Пластиковые или металлические короба.

 

Удобны для офисов, торговых помещений — позволяют добавлять линии без штробления.

 

Плюсы: доступность, эстетичность.

 

 

7. Монтаж воздушных линий электропередач

 

Опоры, провода, изоляторы, заземление

Воздушные линии — основа электросетей между населёнными пунктами и объектами.

 

Основные элементы ВЛ:

Опоры:

 

Деревянные, железобетонные, металлические.

 

Устанавливаются в грунт с бетонированием или анкерным креплением.

 

Вид зависит от напряжения и условий (угловая, анкерная, промежуточная).

 

Провода:

 

Алюминиевые, сталеалюминиевые, самонесущие изолированные провода (СИП).

 

Прокладываются между опорами с натяжением.

 

На низких ВЛ (до 1 кВ) часто применяют СИП — безопаснее и проще в обслуживании.

 

Изоляторы:

 

Керамические, стеклянные, полимерные.

 

Разделяют провод и опору, обеспечивают изоляцию.

 

Количество изоляторов увеличивается с ростом напряжения.

 

Заземление:

 

Каждая опора имеет контур заземления.

 

На высоковольтных линиях заземление снижает риск поражения током при аварии.

 

Молниезащита устанавливается через грозозащитный трос или заземляющий провод.

 

8. Монтаж кабельных линий

 

1. Земля (траншеи)

Монтаж кабеля в земле — это прокладка кабельных линий в заранее подготовленных траншеях:

 

Выкапывается траншея нужной глубины (обычно 0.7–1.2 м).

 

На дно укладывается песчаная подушка.

 

Кабель укладывается, защищается сигнальной лентой или кирпичом сверху.

 

Засыпается обратно с соблюдением норм безопасности.

 

Применяется для наружных магистралей (от ТП до здания, между зданиями).

 

2. Лотки

Металлические или пластиковые лотки (кабельные короба) — применяются при прокладке кабеля внутри зданий, по стенам, потолкам или по техническим этажам:

 

Упрощают обслуживание и замену кабеля.

 

Часто используются в офисных, промышленных и серверных помещениях.

 

Позволяют организованно прокладывать множество кабелей параллельно.

 

3. Трубы

Кабель может прокладываться в гофрированных или гладких трубах (ПНД, ПВХ, стальные):

 

Под землёй — трубы защищают кабель от механических повреждений, особенно при пересечении дорог или других коммуникаций.

 

В зданиях — часто применяются для скрытой прокладки в стенах, под полом.

 

Улучшают защиту и позволяют легко заменять кабель без вскрытия стен.

 

4. Муфты

Соединительные или концевые муфты — применяются для:

 

Соединения отдельных отрезков кабеля.

 

Перехода с одного типа кабеля на другой.

 

Завершения кабеля на оборудовании.

 

Обеспечивают герметичность, электрическую и механическую прочность соединения.

 

5. Ввод в здание

Это место, где кабель заходит в здание с улицы или из подземной линии:

 

Обычно используется защитная труба или гильза.

 

Ввод герметизируется, чтобы исключить попадание воды, насекомых и пыли.

 

Должны быть выполнены меры заземления и молниезащиты при необходимости.

 

9. Монтаж электрооборудования трансформаторных подстанций и распределительных устройств.

 

Выключатели, трансформаторы тока/напряжения, шинопроводы

 

Монтаж оборудования на подстанциях и в РУ — это ключевой этап в создании систем электроснабжения высокого и среднего напряжения. Работы проводятся строго по ПУЭ и заводским регламентам.

 

Основные типы монтируемого оборудования:

🔹 Выключатели (масляные, вакуумные, элегазовые):

Назначение: включение/отключение линий и трансформаторов, защита при КЗ.

 

Особенности монтажа:

 

Проверка целостности изоляции и механизма.

 

При необходимости — заправка вакуумом или элегазом.

 

Механическая установка на раму/фундамент.

 

Подключение к РУ и схемам управления/защиты.

 

🔹Трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН):

Назначение: передача измерительных сигналов для автоматики и защиты.

 

Монтаж:

 

Установка на изолирующие стойки или в шкафы.

 

Проверка полярности, целостности вторичных цепей.

 

Заземление вторичных обмоток.

 

🔹 Шинопроводы:

Это система соединения оборудования подстанции (трансформаторы, выключатели, вводы).

 

Виды: жесткие (алюминиевые или медные шины), гибкие (кабели).

 

Монтаж:

 

Укладка шин на опоры, изоляторы.

 

Прокладка гибких соединений.

 

Контроль зажимов, термоусадка, защита от коррозии.

 

Испытания на электрическую прочность и термоконтроль соединений.

 

10. Монтаж силовых трансформаторов

 

Фундамент, сборка, масло, подключение

Силовой трансформатор — сердце подстанции. Его монтаж требует строгого соблюдения технических норм.

 

Этапы монтажа:

Фундамент:

 

Обычно монолитный железобетон.

 

Обеспечивает несущую способность (трансформаторы могут весить 20–100 тонн).

 

Включает маслоприёмник и систему отвода масла (на случай аварий).

 

Установка корпуса трансформатора:

 

Ставится краном на фундамент.

 

Проверяется ровность установки и зазоры.

 

Сборка навесного оборудования:

 

Монтаж радиаторов охлаждения, расширительных баков, предохранителей, фильтров и пр.

 

Установка силовых вводов и кабельных коробок.

 

Заливка трансформаторного масла:

 

Масло заливается в вакууме (для удаления воздуха и влаги).

 

После заливки проводится дегазация и проба на пробивное напряжение.

 

Подключение:

 

Присоединение высоковольтных и низковольтных выводов.

 

Подключение защитных устройств (ДРТ, РЗА).

 

Заземление корпуса трансформатора.

 

Испытания:

 

Измерение сопротивления обмоток, изоляции, коэффициента трансформации.

 

Проверка РПН (регулирование под нагрузкой).

 

Пробный пуск.

 

11. Монтаж защитного заземления электрооборудования

 

Электроды, соединение, контроль сопротивления

 

Система заземления — важнейший элемент электробезопасности. Обеспечивает безопасный отвод тока замыкания в землю, защищает людей и оборудование.

 

Основные компоненты и работы:

🔹 Заземляющие электроды (заземлители):

Стальные стержни, полосы, уголки — вбиваются или закапываются в землю.

 

Размещаются в земле на глубине 0,5–1 м (в зависимости от условий).

 

Часто используются контурные заземления по периметру ПС/ТП.

 

🔹 Соединение заземлителей:

Выполняется сваркой или болтовыми соединениями.

 

Применяется стальная полоса 40×4 мм или проволока.

 

Соединяется с заземляемыми элементами: трансформаторы, РУ, металлические оболочки кабелей.

 

🔹 Контроль сопротивления заземления:

Проводится мегомметром или специальными приборами (например, М-416).

 

Нормируемое сопротивление:

 

< 4 Ом для ТП.

 

< 0.5–1 Ом для ПС 110 кВ и выше.

 

Измерения проводятся до подключения к сети, а затем регулярно по графику.

 

12. Основные элементы электрических сетей промышленных предприятий, подлежащих контролю в процессе эксплуатации.

 

Изоляция, заземление, токи, потери

 

Контрольные элементы — это технические и организационные средства, обеспечивающие надёжность, безопасность и энергоэффективность сетей на промышленных и коммерческих объектах.

 

Основные элементы контроля:

🔹 Контроль изоляции:

Периодическая проверка состояния изоляции кабелей, оборудования, двигателей.

 

Методы: измерение мегомметром (500/1000/2500 В).

 

Нормы сопротивления — не менее 0,5 МОм для сетей до 1 кВ.

 

Обнаружение утечек, повреждений, старения изоляции.

 

🔹 Контроль заземления:

Проверка целостности цепей заземления и их сопротивления.

 

Особенно важен для оборудования с металлическими корпусами, ВРУ, РУ.

 

Используются приборы для измерения сопротивления растекания.

 

🔹 Измерение токов и напряжений:

Токоизмерительные трансформаторы, амперметры, мультиметры, счётчики.

 

Регистрация перегрузок, дисбаланса фаз, пусковых токов.

 

Автоматизированные системы мониторинга (АСКУЭ, АСУ ТП).

 

🔹 Контроль потерь:

Потери в трансформаторах, линиях, соединениях.

 

Делятся на:

 

Постоянные (холостого хода) — в магнитопроводе трансформатора.

 

Переменные (нагрузочные) — в обмотках и проводах.

 

Потери зависят от качества монтажа, сечения проводов, длины трассы.

 

13. Виды и области применения энергетических балансов. С какой целью проводится анализ энергетических балансов установок, технологических процессов и предприятия в целом.

 

Для анализа потерь, оптимизации, отчетности

 

Энергетический баланс — это метод анализа поступления и расходования энергии на объекте.

 

Назначение:

Определение, куда уходит энергия и где возникают потери.

 

База для энергоаудита, расчётов тарифов, модернизации.

 

Используется на предприятиях, в ЖКХ, для проектирования энергосистем.

 

Структура энергетического баланса:

Приход (вход энергии):

 

От внешних сетей (электроснабжение, газ, тепло).

 

От собственных источников (ДГУ, солнечные панели, ТЭЦ).

 

Расход:

 

Технологические процессы.

 

Отопление, вентиляция, освещение.

 

Потери в линиях, трансформаторах, оборудовании.

 

Учет собственных нужд (освещение ТП, охрана, вентиляция).

 

Потери и неучтённое потребление:

 

Технические и коммерческие потери (например, недоучёт).

 

Энергия, потребляемая несанкционированно.

 

Выводы из баланса:

Где потери больше нормы.

 

Какие участки нуждаются в модернизации.

 

Обоснование инвестиций в энергосберегающие мероприятия.

 

14. Энергетическое обследование (энергоаудит). Общие положения. Виды энергоаудита. Основные цели и задачи при проведении энергетических обследований предприятий и организаций.

 

Виды: общий, частный

 

Цель: снижение затрат, паспорт

 

Энергоаудит — это комплекс работ по оценке потребления энергии, выявлению потерь и разработке мер по их снижению.

 

Виды энергоаудита:

🔹 Общий (комплексный):

Охватывает все виды энергии (электричество, тепло, вода, газ).

 

Включает:

 

Обследование всех потребителей.

 

Построение энергетического паспорта.

 

Расчёт баланса.

 

Рекомендации по модернизации.

 

🔹 Частный (локальный):

Проводится по конкретному направлению: например, только электросеть или освещение.

 

Быстро реализуется, подходит для оценки одного объекта или системы.

 

Цели энергоаудита:

Снижение затрат на оплату энергии.

 

Повышение энергоэффективности.

 

Получение энергетического паспорта (требуется по закону для крупных предприятий).

 

Выполнение требований нормативных актов (например, 261-ФЗ «Об энергосбережении»).

 

Результаты:

Отчёт с данными об объектах потребления.

 

Перечень узких мест.

 

Конкретные предложения: замена освещения, частотные приводы, автоматизация, теплоизоляция и пр.

 

Расчёт срока окупаемости мероприятий.

 

15. Эксплуатация воздушных линий электропередач.

 

Осмотры, грозозащита, заземления

 

Эксплуатация ВЛ — это комплекс мероприятий, направленных на обеспечение надёжной и безопасной работы линий электропередачи.

 

Основные мероприятия:

🔹 Регулярные осмотры:

Визуальные и инструментальные.

 

Проверяется:

 

Состояние опор (коррозия, наклоны, повреждения).

 

Провода (провис, обрывы, следы дуговых разрядов).

 

Изоляторы (треснутые, загрязнённые, пробитые).

 

Частота — не реже 1–2 раз в год, после ураганов, обледенения и аварий.

 

🔹 Грозозащита:

Установка грозозащитных тросов (на высоковольтных ВЛ).

 

Устройства ограничения перенапряжений (ОПН) — на ТП, подстанциях.

 

Контроль за заземлением тросов.

 

🔹 Заземление:

Проверка сопротивления заземляющих устройств на опорах.

 

Защитное заземление металлических частей.

 

Контроль на переходах и вводах в здания.

 

16. Эксплуатация кабельных линий

Кабельные линии требуют более внимательного контроля, поскольку большая часть трассы скрыта под землёй или в конструкциях.

 

Основные методы и процедуры:

🔹 Диагностика:

Измерение сопротивления изоляции (мегомметр).

 

Высоковольтные испытания (ВН тестеры, ВЧ-генераторы).

 

Частичные разряды (ЧР) — оценка деградации изоляции.

 

🔹 Контроль муфт и концовок:

Осмотр мест соединений (кабельные муфты, концевые заделки).

 

Проверка герметичности, термоусадочных компонентов.

 

Часто именно муфты являются слабым местом.

 

🔹 Термография:

Бесконтактный метод с использованием тепловизора.

 

Позволяет выявить локальный перегрев: плохие контакты, износ изоляции.

 

Применяется на действующих линиях под нагрузкой.

 

17. 17. Эксплуатация силовых трансформаторов. Характерные повреждения силовых трансформаторов и соответствующие диагностические характеристики.

 

Проверки трансформаторов — основа их надёжной и длительной работы. Необходимо регулярно оценивать механическое, электрическое и тепловое состояние.

 

Основные проверки:

🔹 Проверка трансформаторного масла:

Анализ диэлектрической прочности.

 

Проверка наличия влаги и механических примесей.

 

Регулярность: 1 раз в год или чаще при перегревах/авариях.

 

🔹 Обмотки:

Измерение сопротивления постоянному току.

 

Коэффициент трансформации.

 

Измерение потерь и токов холостого хода и короткого замыкания.

 

Обнаружение межвитковых замыканий.

 

🔹 Газовый анализ (DGA):

Анализ растворённых газов в масле (водород, ацетилен, метан и пр.).

 

Позволяет выявить:

 

Развитие локальных разрядов.

 

Перегрев целлюлозной изоляции.

 

Дуговые разряды.

 

Проводится на трансформаторах 110 кВ и выше или по необходимости.

 

Дополнительно:

Контроль системы охлаждения (масло, вентиляторы, насосы).

 

Проверка работы РПН (регулировки под нагрузкой).

 

Учет температуры, аварийных сигналов, уровня масла.

 

 

18. Планирование ТО и ремонта электрооборудования.

Грамотно организованное техническое обслуживание (ТО) и ремонт оборудования обеспечивает безопасную, надёжную и длительную эксплуатацию электроустановок.

 

Основные формы и виды:

🔹 Планово-предупредительный ремонт (ППР):

Основа эксплуатации. Работы проводятся по заранее утверждённому графику.

 

Предотвращает аварии, удлиняет срок службы оборудования.

 

График ППР составляет ПТО на год вперёд с разбивкой по месяцам.

 

🔹 Категории обслуживания:

ТО-1 (ежедневное/еженедельное):

 

Визуальные осмотры.

 

Проверка температуры, шума, вибрации.

 

Очистка от пыли, подтяжка зажимов.

 

ТО-2 (раз в квартал/полгода):

 

Более детальный осмотр.

 

Электрические измерения (изоляция, сопротивление).

 

Обслуживание контактов, механизмов, заземления.

 

🔹 Ремонт:

Текущий:

 

Устраняет мелкие неисправности без демонтажа оборудования.

 

Пример: замена уплотнений, подтяжка болтов, долив масла.

 

Капитальный:

 

Полный демонтаж, разборка, замена или восстановление узлов.

 

Выполняется раз в 3–5 лет (по графику или по результатам диагностики).

 

19. Эксплуатация выключателей. Причины и характер повреждения коммутационных электрических аппаратов.

Выключатели — ключевые аппараты, предназначенные для включения, отключения и защиты электроустановок от аварийных режимов.

 

Основные элементы и принципы работы:

🔹 Механизмы управления:

Пружинные, электромагнитные, пневматические.

 

Обеспечивают быстрое срабатывание при подаче сигнала от РЗА.

 

Проверяются на срабатывание без нагрузки (ХХ), с имитацией аварии.

 

🔹 Система дугогашения:

Во время отключения возникает электрическая дуга — её нужно быстро потушить.

 

По типу дугогашения выключатели бывают:

 

Воздушные.

 

Масляные.

 

Вакуумные.

 

Элегазовые (SF₆).

 

🔹 Контакты:

Рабочие контакты изнашиваются при многократных включениях/отключениях.

 

Регулярно проверяется:

 

Износ и нагар.

 

Сопротивление контактов.

 

Соосность подвижной и неподвижной части.

 

При сильном износе — замена.

 

ТО выключателей включает:

Смазка механизмов.

 

Проверка изоляции.

 

Тестирование срабатывания под нагрузкой и без.

 

Замена или регенерация дугогасительных сред.

 

20. Техническое обслуживание трансформаторных подстанций и распределительных устройств.

Комплексное обслуживание подстанций и РУ необходимо для предотвращения аварий и обеспечения безопасной работы электрооборудования.

 

Основные работы:

🔹 Очистка оборудования:

Удаление пыли, загрязнений, коррозии.

 

Особенно важно для КРУ, где пыль может стать причиной пробоя.

 

🔹 Наладка:

Проверка настроек автоматов, реле, блокировок.

 

Тестирование устройств РЗА (релейной защиты и автоматики).

 

Калибровка приборов, настройка уставок.

 

🔹 Замена или обслуживание масел:

В трансформаторах, выключателях масляного типа:

 

Отбор проб на анализ (диэлектрическая прочность, вода, газ).

 

При ухудшении свойств — регенерация или полная замена.

 

Контроль за уровнем и отсутствием утечек.

 

Дополнительно:

Проверка состояния заземления и изоляции.

 

Измерение токов утечки, сопротивления цепей.

 

Испытания на пробой, термография РУ.

21. Конструктивное выполнение заземляющих устройств.

Заземляющее устройство предназначено для отвода тока короткого замыкания, грозовых и статических разрядов в землю и обеспечения безопасности персонала.

 

🔹 Конструкции:

Естественные заземлители

 

Металлические конструкции, имеющие контакт с землёй: трубы, арматура фундаментов.

 

Используются при условии непрерывного металлического контакта с почвой.

 

Искусственные заземлители

 

Вертикальные электроды (стальные стержни длиной 2–5 м).

 

Горизонтальные заземлители (полосы, проволока, проложенная в траншее).

 

Соединяются между собой в контур.

 

🔹 Материалы:

Чаще всего: сталь с антикоррозийным покрытием (горячее цинкование).

 

Также применяются:

 

Медные полосы/стержни — долговечны, но дорогие.

 

Сталь омеднённая — оптимальный вариант по цене/ресурсу.

 

Сварка и соединения:

Надёжный способ — электросварка, обеспечивающая прочность и низкое сопротивление перехода.

Допустимы болтовые соединения, но они должны быть защищены от коррозии.

Важно обеспечить сплошность контура — отсутствие разрывов и плохих контактов.

 

22. Назначение, принцип действия и область применения зануления.

Зануление — это преднамеренное соединение открытых проводящих частей электрооборудования с нулевым защитным проводником (PEN).

Назначение:

Обеспечить срабатывание защитных устройств (автоматов, предохранителей) при коротком замыкании на корпус.

Превратить замыкание на корпус в фазо-нуль, вызывающее ток, достаточный для отключения.

Особенности:

Применяется в системах TN (TN-C, TN-S, TN-C-S).

 

Не допускается соединение PEN с корпусами в потребителях с системой IT.

Все занулённые элементы должны иметь надёжный контакт с PEN.

 

Требования:

Нельзя использовать защитное зануление без автоматического отключения.

Проверяется цепь «фаза-корпус» на соответствие нормативному значению тока КЗ.

Переходные сопротивления соединений не должны превышать допустимых норм.

 

23. Защита электроустановок, зданий и сооружений, а также территорий промышленных предприятий от опасных воздействий атмосферного электричества.

Защита от молний — важный элемент обеспечения безопасности зданий, сооружений и электроустановок.

Основные элементы:

Молниеотводы (грозозащитные устройства):

Стержневые: вертикальные металлические штыри.

Тросовые: натянутые тросы над защищаемой зоной.

Сетчатые: сетка на крыше (для зданий).

 

Токопровод:

Путь, по которому ток молнии отводится от молниеотвода к заземлению.

Делается из стальной или медной полосы, минимальной длины и без изгибов.

Заземление молниезащиты:

Обычно отдельно от рабочего заземления.

Сопротивление ≤ 10 Ом (желательно ниже).

Ограничители перенапряжений (ОПН):

Устройства, подавляющие импульсы перенапряжений от молнии или коммутаций.

Устанавливаются на вводах ВЛ, в РУ, на трансформаторах.

Работают автоматически — пробой варистора → отвод в землю.

Разрядники внутренней установки (РВО):

Устройства защиты от внутренних перенапряжений.

Могут применяться совместно с ОПН.

Включаются параллельно сети, срабатывают при превышении допустимого напряжения.

 

24. Коммерческий и технический учёт электроэнергии – сравните между собой.

Учёт электроэнергии — система измерений, регистрации и анализа потребления электроэнергии. Делится на коммерческий и технический.

Коммерческий учёт:

Используется для финансовых расчётов между потребителями и поставщиками.

Требует высокой точности измерений (класс точности не ниже 1.0).

Включает:

Точечные измерения: электросчётчики (однофазные/трёхфазные).

Передача данных (ручная или через АСКУЭ).

Проверки и поверки приборов учёта.

Технический учёт:

Используется внутри предприятия для анализа, распределения затрат и оптимизации работы.

Позволяет:

Выявлять потери в сети.

Анализировать нагрузку по участкам.

Планировать энергосбережение.

Может использовать счётчики более низкой точности.

Дополнительно:

Учёт ведётся в активной (кВт·ч) и реактивной энергии (квар·ч).

Важно учитывать почасовой и суточный профили потребления — для оптимизации тарифов.

 

25. Структура и функции АСКУЭ. Требования к современной системе учета и управления энергопотреблением предприятия

АСКУЭ — система, предназначенная для сбора, передачи, хранения и анализа данных о потреблении электроэнергии в автоматическом режиме.

Структура АСКУЭ:

Счётчики электроэнергии:

Могут быть с прямым подключением или через трансформаторы тока/напряжения.

Оснащаются интерфейсами связи: RS-485, PLC, GSM, Ethernet.

Контроллеры (ПРМ):

Устройства, собирающие данные с нескольких счётчиков.

Выполняют функции накопления, первичной обработки и передачи информации.

Сервер (верхний уровень):

Программно-аппаратный комплекс, принимающий данные с объектов.

Отвечает за хранение, обработку, визуализацию, отчёты.

Функции АСКУЭ:

Автоматический съём показаний (ежечасный, посуточный и др.).

Контроль энергопотребления (реальное время).

Анализ потерь, профилей нагрузки, реактивной мощности.

Выдача отчётов, балансов, прогнозов.

Удалённое управление счётчиками (например, отключение за неуплату).

 

26. Понятие «активно-адаптивная сеть». Принципиальное отличие активно-адаптивной сети от традиционной. Основные функциональные свойства ААС.

ААС — это элемент «умной энергетики» (Smart Grid), представляющий собой цифровую, саморегулируемую энергосеть.

Принципы работы:

Интеллектуальные устройства (счётчики, контроллеры, РЗА) постоянно обмениваются данными.

Сеть автоматически реагирует на изменения нагрузки, аварии, возобновляемые источники.

Применяются алгоритмы оптимизации, ИИ, автоматическое управление.

Характерные черты:

Внедрение цифровых датчиков и IoT-устройств.

Децентрализация: работа с солнечными, ветряными, накопительными станциями.

Двунаправленные потоки энергии и информации.

Возможность самовосстановления после аварии (self-healing).

Цели внедрения:

Повышение надёжности электроснабжения.

Снижение потерь и затрат.

Гибкое управление нагрузкой и генерацией.

Интеграция ВИЭ и электромобилей.

 

27. Дать краткую характеристику информационным технологиям SCADA и DERMS.

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

SCADA — это система диспетчерского управления и сбора данных, предназначенная для мониторинга, управления и автоматизации энергетических объектов.

Функции SCADA:

Сбор телеметрии (напряжение, ток, аварии, положения аппаратов).

Удалённое управление: включение/отключение выключателей, регулировка РПН трансформаторов.

Ведение архивов, формирование отчётов.

Отображение параметров на операторских панелях (HMI).

Интеграция с АСДУ, АИИС КУЭ, ПТК РЗА.

Примеры использования:

Подстанции 110 кВ и выше.

Городские распределительные сети.

ТЭЦ, ГЭС, крупные промышленные объекты.

DERMS (Distributed Energy Resource Management System)

DERMS — система управления распределёнными энергетическими ресурсами, особенно возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

Зачем нужна DERMS:

ВИЭ нестабильны (зависят от солнца, ветра) → нагрузка на сеть.

DERMS позволяет:

Управлять генерацией и накопителями.

Регулировать напряжение, частоту, реактивную мощность.

Встраивать ВИЭ в энергосистему без потери устойчивости.

Функции DERMS:

Мониторинг статуса всех ВИЭ в реальном времени.

Расчёт оптимального режима работы.

Предотвращение перегрузок, перекосов.

Обмен данными с SCADA, AMI, EMS, Smart Grid.

 

28. Электростанции, которые можно отнести к распределенной генерации. Основные функции управления в сети с распределенной генерацией.

Распределённая генерация (РГ) — это производство электроэнергии, размещённое ближе к потребителю, в отличие от централизованной (ГЭС, АЭС, ГРЭС).

Типы РГ:

Солнечные электростанции (СЭС):

Частные панели, фермы, солнечные крыши.

Биогазовые установки:

Работа на отходах, органике (ЖКХ, сельское хозяйство).

Мини-ТЭЦ (когенерация):

Одновременная выработка тепла и электроэнергии.

Часто на газе или мазуте.

Функции РГ:

Поддержка местных сетей — снижение нагрузки на магистральные линии.

Резервирование питания — в аварийных ситуациях.

Экономия — снижение потерь на транспортировку.

Участие в балансировке через DERMS, Smart Grid.

Особенности:

Требует инверторов, накопителей, систем синхронизации с сетью.

Может быть автономной, параллельной или гибридной.

 

29. Описать структуру диспетчерского управления ЕЭС России. Органы диспетчерского технологического управления.

Единая энергетическая система (ЕЭС России) — централизованная система генерации, передачи и распределения электроэнергии. Управляется в иерархической структуре.

Ключевые уровни управления:

СО ЕЭС (Системный оператор):

Высший уровень.

Обеспечивает баланс спроса и генерации, устойчивость и безопасность работы всей энергосистемы.

ЦДУ (Центральное диспетчерское управление):

Центр принятия стратегических решений по управлению ЕЭС.

Осуществляет планирование режимов, аварийное управление, координацию регионов.

РДУ (Региональные диспетчерские управления):

Управляют сетью и генерацией в пределах одного или нескольких субъектов РФ.

Отвечают за распределение нагрузки, отключения, аварийные переключения.

Задачи диспетчерского управления:

Поддержание частоты 50 Гц и допустимого напряжения в сети.

Управление резервами мощности.

Своевременное реагирование на аварии и отклонения.

Интеграция ВИЭ и РГ в ЕЭС через SCADA, DERMS и EMS.

 

30. Схемы электрических соединений сети. Основные понятия и определения.

Схемы соединений — это конфигурации распределительных электрических сетей, от которых зависят надежность, управляемость и гибкость электроснабжения.

Радиальная схема

Самая простая: один источник – одна линия – один потребитель.

Применяется для неответственных или маломощных потребителей.

Плюсы:

Простота исполнения и эксплуатации.

Низкая стоимость.

Минусы:

– При аварии на линии потребитель полностью отключается.

– Низкая надёжность.

Кольцевая схема

Потребители подключаются к замкнутому кольцу, питающемуся с двух сторон.

Плюсы:

Возможность резервного питания при повреждении участка кольца.

Повышенная надежность.

Минусы:

– Требует сложной коммутации и координации РЗА.

– Дороже радиальной.

Смешанная схема

Комбинирует радиальные и кольцевые участки.

Используется в городских и промышленных сетях, где важно оптимизировать стоимость и надежность.

Пример:

Кольцо между подстанциями, от которого отходят радиальные линии к потребителям.

 

31. Понятие «Технологического присоединения» как комплексная процедура, состоящая из ряда последовательных этапов. Этапы технологического присоединения.

Процесс технологического присоединения (ТП) — это официальный и технический путь подключения потребителя к электрическим сетям.

Этапы ТП:

Заявка

Подготавливается потребителем.

Указываются: мощность, координаты объекта, сроки ввода, права на землю.

Заключение договора

Сетевая организация рассматривает заявку и предлагает договор ТП.

Устанавливаются сроки, стоимость, ответственность сторон.

Выдача технических условий (ТУ)

Определяют:

– Точку присоединения;

– Условия выполнения работ;

– Требования по РЗА, учету, заземлению и др.

Проектирование

На основании ТУ разрабатывается проект электроснабжения.

Проходит экспертизу, согласование.

Строительство

Выполняются строительно-монтажные работы (вводы, линии, КТП и пр.).

Ввод в эксплуатацию

Проведение пуско-наладочных работ.

Проверка соответствия проекту и ТУ.

Акт технологического присоединения → допуск к потреблению электроэнергии.

Кто участвует:

Потребитель

Сетевая организация

Проектировщик

Подрядчики (строительство)

Ростехнадзор (при необходимости)

 

32. Организационная структура службы энергетического хозяйства промышленного предприятий

Энергохозяйство предприятия — это система управления, эксплуатации и развития энергетического обеспечения (электроэнергия, тепло, газ и др.).

 

Типовая структура:

Главный энергетик (ГЭ):

Руководит всей системой энергоснабжения.

Отвечает за техническую политику, безопасность, нормативное соответствие.

Входит в состав главной инженерной службы.

Участки (цеховые энергетики):

Обеспечивают энергоснабжение конкретных производств/цехов.

Отвечают за локальные ремонты, учёт, работу оборудования.

Служба учёта и отчетности:

Снимает и анализирует показания.

Составляет энергетические балансы, отчёты, контролирует потери.

Служба РЗА (релейной защиты и автоматики):

Обеспечивает защиту оборудования при авариях.

Настройка, проверка, модернизация устройств РЗА.

Электролаборатория (при наличии):

Испытания, измерения, ПУЭ-контроль.

Проверка заземления, сопротивления изоляции, наладка автоматики.

Функции энергохозяйства:

Надёжное и безопасное энергоснабжение.

Минимизация потерь и расходов.

Планирование ремонтов и ТО.

Ведение технической документации.

Энергоаудит и энергосбережение.