Линия электропередач выполнена алюминиевыми проводами марки А-25 сечением 25 мм2, расстояние между фазами 600 мм, а напряжение 35кВ/км.
Решение.
1. Определяем активное сопротивление провода марки А-25:
где:
· γ – значение удельной проводимости для медных и алюминиевых проводов при температуре 20 °С принимается: для медных проводов – 53 м/Ом*мм2; для алюминиевых проводов – 31,7 м/Ом*мм2;
· s – номинальное сечение провода(кабеля),мм2;
Также вы можете встретить в тех. литературе еще одну формулу по определению активного сопротивления провода (кабеля):
где:
– значение удельного сопротивления принимается: для медных проводов — 0,017-0,018 Ом*мм2/м; для алюминиевых проводов – 0,026 — 0,028 Ом*мм2/м, см. таблицу 4.
2. Определяем индуктивное сопротивление для провода марки А-25 [7]:
Таблица 4 – Характеристика металлических проводниковых материалов
где:
· Дср. – среднее геометрическое расстояние между осями проводов, мм;
· d = 6,40 мм – диаметр провода, для марки провода А-25. Значение диаметра провода можно определить по ГОСТ 839-80 – «Провода неизолированные для воздушных линий электропередач» таблица 4. В данном расчете я привожу значение диаметра провода, только для провода марки А, для остальных марок проводов значения диаметров проводов вы сможете найти непосредственно в самом ГОСТе;
· µ — относительная магнитная проницаемость для цветных металлов (немагнитных) равна 1, для стальных проводов µ может достигать значений 103 и даже больше.
3.Определяем среднее геометрическое расстояние между осями трех проводов проложенных в одной плоскости [7]:
где: расстояние между проводами первой и второй фазы Д1-2= 600 мм, между второй и третью Д2-3 = 600 мм, между первой и третью Д1-3= 600 + 25 + 600 = 1225 мм.
4. Определяем коэффициент мощности tgϕ, зная cosϕ:
5. Определяем потерю напряжения в линии [7]:
U%=105/U2 ном. *(r0 + х0*tgɥ)*U*L=105/108*(1,26+0,34*0,75)*35кВ*0,050км=0,003%
35000В– 100%
Х- 0,003%
Х= 1,05 В Это значит, что на расстоянии 50 метров потери электроэнергии составят 1,05 В.
Из справочных данных видно, что при 35кВ формируется 9,3МВт электроэнергии, тогда 0,003% от этой величины составит 0, 000279 МВт
9300 кВт– 100%
Х- 0,003%
Х=0, 279 кВт это на 20 км, а на 100 м (5 шт. проводов по 20 м) потери мощности тока на расстоянии 50м от ЛЭП составит 0,5 Вт.
Далее рассчитаем необходимые параметры для повышающего трансформатора, чтобы увеличить выработку тока из напряжения 1,05 В в обмотках и мощности 0,5 Вт.
7. Рассчитаем необходимую площадь сечения тороидального магнитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:
S = ²√ (P * 1,69 / B), отсюда
S = 2√25,2*1,69/220 = 0,43 см2
Таблица 5 – Определение мощности электроэнергии в зависимости от параметров обмоток трансформаторов
8. Рассчитаем количество витков на первичной обмотке тороидального магнитопровода, для этого используем формулу (она валидна для частоты в 50Гц):
ω = 44 / (T * S)
ω – число витков на один вольт,
44 – постоянный коэффициент,
T – величина индукции в Тесла,
S – сечение магнитопровода в квадратных сантиметрах.
Для нашего примера при мощности 18,24 кВ*А это будет:
ω = 44/1,7*0,43 см2 = 60 витков.
9.Мощность во вторичной цепи нашего трансформатора равна 630 кВ*А, тогда напряжение будет составлять:
Р=U*I; I = Р/U = 630 кВ*А/0,220кВ = 2864 А
Таблица 6 –Таблица для расчета величины магнитной индукции, Тл
| Тип магнитопровода | Магнитная индукция max (Тл) при мощности трансформатора (Вт) | ||||
| 5-15 | 15-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Броневой штампованный | 1,1-1,3 | 1,3 | 1,3-1,35 | 1,35 | 1,35-1,2 |
| Броневой витой | 1,55 | 1,65 | 1,65 | 1,65 | 1,65 |
| Тороидальный витой | 1,7 | 1,7 | 1,7 | 1,65 | 1,6 |
10. Рассчитаем количество витков на вторичной обмотке, оно будет равно согласно формуле:
ω1 / I 1 = ω 2 / I 2
ω 1 – количество витков в первичной обмотке,
ω 2 – количество витков во вторичной обмотке,
I 1 – сила тока на первичной обмотке,
I 2 – сила тока на вторичной обмотке.
Тогда в нашем случае получиться пропорция:
60/114,5А = х/2864 А
Х= 60х2864А/ 114,4А = 1502 витка
11.Рассчитаем толщину провода на первичной обмотке:
Чем толще провод для обмотки, тем лучше, но с условием, что он поместится в окно магнитопровода. Если окно небольшое, то желательно посчитать ток каждой наматываемой обмотки, чтобы подобрать оптимальный диаметр провода из имеющихся в наличии.
Диаметр провода можно вычислить по формуле:
D = 1,13 √(I / j)
D – диаметр провода в мм,
I – ток обмотки в Амперах,
j – плотность тока в Ампер/мм².
Отсюда, D = 1,13 √114,4А/4 А/мм2)= 6 мм.
Таблица 7 – Расчет плотности тока в Ампер/мм²
| Конструкция трансформатора | Плотность тока (а/мм2) при мощности трансформатора (Вт) | ||||
| 5-10 | 10-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Однокаркасная | 3,0-4,0 | 2,5-3,0 | 2,0-2,5 | 1,7-2,0 | 1,4-1,7 |
| Двухкаркасная | 3,5-4,0 | 2,7-3,5 | 2,4-2,7 | 2,0-2,5 | 1,7-2,3 |
| Кольцевая | 4,5-5,0 | 4,0-4,5 | 3,5-4,5 | 3,0-3,5 | 2,5-3,0 |
12.Рассчитаем толщину провода на вторичной обмотке, используя ту же формулу, но знаяиную величину тока в обмотке:
D = 1,13 √(I / j)
D – диаметр провода в мм,
I – ток обмотки в Амперах,
j – плотность тока в Ампер/мм².
Отсюда, D = 1,13 √2864 А/3 А/мм2)= 34,9 мм2
13.Рассчитаем длину провода первичной и вторичной обмотки:
L = p * ω * 1,2
L – длина провода,
p – периметр каркаса в середине намотки,
ω – количество витков,
1,2* – коэффициент.
Для данного расчета потребуется дополнительные сведения:
-Мощность вторичной обмотки:
Р = Uвых X Iн = 6000Х909А = 5454000 Вт.
- Габаритная мощность трансформатора:
Рг = P: η =5454кВт: 0,95 = 5741к Вт
Величину КПД и другие необходимые для расчета данные выбрали по таблице 1 из нужной графы ряда габаритных мощностей.
Таблица 8-Расчета тороидальных трансформаторов
| Pг Вт | ω1 | ω2 | Sсм² | A мм² | η |
| До 10 | 41/S | 38/S | √Pг | 4,5 | 0,8 |
| 10 - 30 | 36/S | 32/S | √Pг: 1,1 | 0,9 | |
| 30 -50 | 33,3/S | 29/S | √Pг: 1,2 | 3,5 | 0,92 |
| 50 - 120 | 32/S | 28/S | √Pг: 1,25 | 0,95 |
Находим площадь сечения сердечника:
Sрасч. = √ Pг:12 = √ 5741000:12 = 692 см²
При переводе в S = ПR2 , величина радиуса будет равна R2 = S/П= 692/3,14=220,3 см2
Отсюда R = 14,8 см или диаметр = 29,6 см
Тогда, подставляя значения в ниже следующую формулу, мы получим:
Для первичной обмотки:
L1 = p * ω * 1,2 = (29,6*2)* 60*1,2 = 4292,4 см
Для вторичной обмотки:
L2 = p * ω * 1,2 = (29,6*2)* 1502*1,2= 10670208 см
Если на первичке 1502 витка, а на вторичке – 60 витков, то коэффициент транформации будет равен 25, тогда из мощности в 0,5 Вт на повышающем трансформаторе образуется 0,5 Вт*25 ≈ 12,5 Вт электроэнергии, что хватает на питание одной светодиодной лампы.
Заключение
Обобщая проделанную нами исследовательски работу можно сказать, что выдвинутая нами гипотеза доказана, а цель достигнута. Мы выявили, что ЛЭМ и создаваемые ими ЭМИ оказывают вредное воздействие на организм человека и предложили варианты создания защитных экранов на зданиях, расположенных возле ЛЭП. Также мы рассчитали, что от с ЛЭП мощностью 35 кВт/км можно на расстоянии 50 м собрать энергию напряжением в 1,05 В и мощностью в 0,5 Вт при использовании целой схемы последовательно соединенных оборудований.
Также мы рассчитали, что у нас на выходе повышающего трансформатора образуется 12,5 Вт электроэнергии, чего хватит на питание одной светодиодной лампы.
Список литературы
1. Аполлонский, С. М. Безопасность жизнедеятельности человека в электромагнитных полях / С.М. Аполлонский, Т.В. Каляда, Б.Е. Синдаловский. - М.: Политехника, 2018. - 264 c.
2. Блейк Б. Л. Защита от электромагнитных полей / Б. Л. Блейк. –М.: Гостехиздат,2017. - 448 c.
3. Государственные элементные сметные нормы на строительные и специальные строительные работы. ГЭСН-2001. Часть 33. Линии электропередачи. - М.: ФГУ ФЦЦС, 2009. - 881 c.
4. Ильинский, Ю. А. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом / Ю.А. Ильинский, Л.В. Келдыш. - М.: Издательство МГУ, 2016. - 304 c.
5. Гроднев, И.И. Инженерно-технический справочник по электросвязи: Кабельные и воздушные линии связи / И.И. Гроднев, А.Н. Гумеля, М.А. Климов, и др. - М.: Связь; Издание 3-е, перераб. и доп., 2012. - 672 c.
6. Котляревский, В.А. Воздушные линии электропередач, подвесные энергетические системы и магистральные трубопроводы / В.А. Котляревский. - М.: Нобель Пресс, 2013. - 167 c.
7. Методические указания по определению наведенного напряжения на отключенных воздушных линиях, находящихся вблизи действующих ВЛ. - М.: Энергия, 2014. - 670 c.
8. Максвелл, Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля / Дж. К. Максвелл. - М., 2016. -782c.
9. Мухачёв, Е. Биотестирование сверхслабых электромагнитных излучений / Е. Мухачёв. – М.: Наука, 2013. - 152 c.
10. Пилат, Б. В. Излучение и поле / Б.В. Пилат. – М.: ИЛ,2009. - 248 c.
11. Рассел, Д. Линия электропередачи / Д. Рассел. - М.: VSD, 2012. - 970 c.