Переход систем электроснабжения на трехфазный переменный ток

В конце XIX столетия в энергетике промышленно развитых стран произошел переход от электроснабжения с использованием генераторов и двигателей постоянного тока на электроснабжение с использованием генераторов и двигателей переменного синусоидального тока с трехфазной системой напряжений. Трехфазная система напряжений позволяет создавать в расточке статора электрических машин вращающееся магнитное поле, что открывает широкие возможности создания исполнительных двигателей переменного тока: асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, асинхронных двигателей с фазным ротором и синхронных двигателей.

Переменный ток достаточно удобно получать с помощью вращающихся машин – генераторов переменного тока. Потребители такой электроэнергии – двигатели переменного тока – также более удобны в исполнении и проще в эксплуатации, чем двигатели постоянного тока. Объясняется это тем, что машина постоянного тока (генератор и двигатель) имеет коллектор с щётками, через который происходит токосъём электроэнергии с неподвижной части на подвижную и обратно. В машине переменного тока такой элемент принципиально отсутствует – обмен электроэнергии с сетью происходит через обмотку неподвижного статора.

Важным достоинством перехода с постоянного тока на переменный является кроме того наличие так называемых «бестоковых» пауз при изменении токов по синусоидальному закону (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Изменение тока в одной из фаз при трёхфазном коротком замыкании

Известно, что размыкание цепи в момент протекания тока сопровождается образованием электрической дуги. Пока дуга не погашена, ток продолжает протекать по цепи, несмотря на разомкнутое состояние контактов. Электрическая дуга оказывает существенное тепловое воздействие на детали электроустановок – вплоть до термического разрушения. Кроме того, дуга может перейти в короткое замыкание. И, самое главное, дуга чрезвычайно опасна для человека, находящегося вблизи электроустановки. Возникает задача быстрого и эффективного гашения дуги, особенно при внезапных коротких замыканиях, когда токи увеличиваются многократно по отношению к нормальному режиму.

В России и большинстве стран используется частота переменного тока f = 50 Гц (В США, частично в Японии и на Кубе частота составляет f = 60 Гц). Период, соответствующий частоте 50 Гц, вычисляется по формуле:

Т = 1/f = 1/50 = 0,02 с = 20 мс.

«Бестоковая» пауза с приближением тока к нулю существует дважды за период, то есть каждые 10 мс. Наличие «бестоковых» пауз существенно упрощает конструкцию выключателей на переменном токе с использованием дугогасительных камер на сжатом воздухе, выключателей масляного типа, электромагнитного типа, вакуумных и элегазовых выключателей на основе шестифтористой серы SF₆.

На рис. 1.1 показано изменение токов и напряжений при трехфазном коротком замыкании (КЗ) для одной из фаз трехфазного переменного тока с выделением нормального режима, неустановившегося процесса КЗ в сети, подключенной к генератору переменного тока с автоматическим регулятором возбуждения и установившегося режима КЗ [5]. На рисунке обозначены «бестоковые» паузы в токе нормального режима и в процессе КЗ.

В неустановившемся процессе КЗ переходный ток обычно можно представить в виде двух составляющих: периодической i_п и апериодической i_а. Периодическая составляющая обусловлена тем, что генераторы и электродвигатели, продолжая вращаться, подпитывают точку короткого замыкания синусоидальным током. Апериодическая составляющая обусловлена следующим. До короткого замыкания в индуктивных элементах сети была запасена электромагнитная энергия, которая начиная с момента КЗ необратимо выделяется в виде тепла на активных сопротивлениях. Поэтому, как видно из рис. 1.1, апериодическая составляющая, является затухающей и однополярной.

Мгновенное значение полного тока в момент t переходного процесса будет равен:

i_t = i_пt + i_аt.

Наибольшее мгновенное значение полного тока КЗ – ударный ток i_уд – наступает приблизительно через полпериода (0,01 с) после возникновения КЗ. Апериодическая составляющая проявляется лишь в течение первых моментов переходного процесса. Установившийся режим КЗ наступает через (3...5) с после начала КЗ. Современные защиты отключают КЗ значительно раньше, до наступления установившегося режима. Тем не менее, «бестоковые» паузы имеются как в нормальном режиме, так и при КЗ, что способствует быстрому отключению коротких замыканий: t_откл = 0,02 – 0,07 с. В момент перехода тока через ноль, в дугогасительной камере складываются наиболее благоприятные условия для гашения дуги. Постоянный ток в отличие от переменного не имеет естественного перехода через нулевое значение. Поэтому коммутировать цепи постоянного тока при прочих равных условиях гораздо сложнее.

Другим значимым достоинством системы переменного тока по сравнению с постоянным является возможность изменения (трансформации) напряжений и токов с помощью трансформаторов. При этом можно выполнять линии электропередачи на разные классы напряжений. При одной и той же передаваемой мощности напряжение и ток связаны обратно пропорционально. Чем выше напряжение, тем меньше ток и, следовательно, меньше потери электроэнергии при передаче на большие расстояния. Напомним, что на постоянном токе трансформатор работать не может, т. к. для создания электродвижущей силы нет главного условия – изменения магнитного потока.

Ещё до начала Великой Отечественной Войны, в СССР было освоено напряжение 220 кВ переменного тока и на этом напряжении в 1933 г. от построенной на реке Свирь Нижне-Свирской ГЭС по линии протяженностью 240 км была подана электроэнергия в г. Ленинград. В дальнейшем был большой перерыв по повышению напряжений до окончания Великой Отечественной Войны. В 1957 году было освоено сначала напряжение 400 кВ, а затем и 500 кВ – для передачи в центр и на Урал энергии электростанций Волжского каскада ГЭС.

На электростанциях электроэнергия вырабатывается генераторами, как правило, на напряжениях (6,3...24) кВ. Данный диапазон соответствует наивыгоднейшему сочетанию технико-экономических характеристик генератора. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используются напряжения (110...750) кВ. Поэтому перед выдачей электроэнергии в сеть, её параметры преобразуются с помощью блочных повышающих трансформаторов. Ранее также существовала система напряжения 1150 кВ, но после распада СССР линии электропередач данного напряжения были переоборудованы на напряжение 500 кВ.

Потребляется электроэнергия на напряжении 0,4 кВ при малых мощностях электроприёмников и на напряжении 6,3 (10,5) кВ при относительно больших мощностях. Соответственно, перед подачей электроэнергии потребителю напряжение преобразуется в понижающем трансформаторе. На пути от генератора к потребителю напряжение может преобразовываться многократно. Это происходит на трансформаторных подстанциях, находящихся на стыке сетей с разными классами напряжений.