Лабораторная работа № 1
Электрические сети и системы – очень сложная техника, сложная по физическим основам функционирования, по преобразованиям в них электроэнергии, по особенностям реализации, эксплуатации и обслуживания, по масштабам – многокилометровая протяженность и сложная конфигурация.
Возникают некоторые вопросы. В каком соотношении должны находиться действительная электрическая сеть и ее малая модель, занимающая два – три лабораторных стола? Что должно быть общего между реальной электрической сетью и ее физической моделью?
Очевидно, модель адекватна, если, несмотря на многократно меньшие масштабы, в ней воспроизводятся такие же электромагнитные процессы, что и в реальности, таким образом выполняется натурное моделирование.
В цикле лабораторных работ по курсу «Электропитающие системы» на базе комплекта учебного оборудования «Электроэнергетика» выполняется натурное моделирование установившихся синусоидальных режимов электрических сетей. При этом становится возможным изучение в эксперименте широкого круга вопросов связанных с электрическими режимами сетей.
В ходе экспериментов, в расчетах и в анализах результатов для изучения дисциплины «Электропитающие системы» важен следующий момент: модели сетей и каждый их компонент – блок и даже элементы блоков (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и т.д.), а также все режимные величины (токи, напряжения и мощности) надлежит воспринимать и учитывать в терминах и понятиях данной дисциплины.
1. Цели и содержание работы.
Целью работы является получение необходимого для последующих лабораторных занятий минимума сведений о сущности, задачах и способах натурного моделирования электрических сетей.
Ведется изучение блочного (модульного) принципа выполнения и использования аппаратной части комплекта типового лабораторного оборудования.
Рассматриваются характеристики и возможности отдельных компонентов комплекта – натурных аналогов элементов реальных электрических сетей.
Проводится начальная учебная практика составления электрической цепи моделей установившихся режимов сетей.
2. Структура лабораторных стендов.
Лабораторный стенд одной натурной модели электрической сети занимает два, реже – три лабораторных стола, располагаемых рядом.
В комплектовании стенда для каждой очередной лабораторной работы по курсу «Электропитающие системы» используется блочный (модульный) принцип. Это значит, что комплект стенда составляется компонентами в виде функциональных блоков-модулей, каждый из которых можно рассматривать как аналог (модель) соответствующего элемента оборудования или части реальной сети.
Основные модули (блоки трансформаторов, модели линий, модули нагрузок) снабжены встроенными средствами регулировки.
Каждый блок имеет собственную переднюю панель с гнездами для электрических соединений, органами регулировок и с изображением мнемосхемы внутренних соединений.
Все внешние соединения выполняются гибкими изолированными проводами со специальными наконечниками, исключающими непреднамеренное касание неизолированных токоведущих частей.
Ряд блоков имеют гнезда для обязательного подключения к общему контуру защиты от коротких замыканий.
Индивидуального питания, т.е. отдельного подключения к сети лаборатории, кроме основного блока питания, требуют также два измерительных модуля и блок автоматического выключателя.
Все блоки устанавливаются на специальной раме, при оперативной необходимости их легко переместить или заменить.
3. Аппаратура моделей электрических сетей.
3.1. Перечень и количество компонентов одного стенда.
Таблица 3.1. Перечень и количество компонентов одного стенда.
| Тип | Название | Номер лабораторной работы | |||
| 201.2 | Трехфазный источник питания | ||||
| 347.1 | Трехфазная трансформаторная группа | - | - | ||
| Регулировочный трансформатор | - | - | |||
| 301.1 | Трехполюсный выключатель | - | - | ||
| 313.2 | Модель линии электропередачи | ||||
| 306.1 | Активная нагрузка | ||||
| 324.2 | Индуктивная нагрузка | ||||
| 317.2 | Емкостная нагрузка | - | - | - | |
| 314.2 | Линейный реактор | - | - | - | - |
| 315.2 | Устройство продольной емкостной компенсации | - | - | - | |
| 508.2 | Блок мультиметров | ||||
| 507.2 | Измеритель мощностей | ||||
| Коммутатор измерителя мощностей |
Примечание: в перечне компонентов могут быть изменения в связи с возможными заменами, обновлением, совершенствованием или расширением цикла лабораторных работ по курсу «Электропитающие системы».
3.2. Характеристика основных блоков-модулей.
3.2.1. Трехфазный источник питания (201.2)
Блок трехфазного источника питания используется как основной, так как:
1. Необходим в каждой лабораторной работе;
2. Осуществляет связь учебной модели электрической сети с трехфазным и однофазным контурами электропроводки лаборатории;
3. Обеспечивает питание током промышленной частоты функциональных блоков всех возможных однофазных и трехфазных лабораторных комплексов;
4. Содержит элементы защиты: ключ-выключатель – для предотвращения несанкционированного включения, автоматические фазные выключатели и устройства защитного заземления;
5. Ручные органы управления включением или выключением питания модели сети размещены на передней панели этого блока;
6. Блок и всю трехфазную совокупность напряжений на его выходе следует в лабораторной работе рассматривать как модель питающей энергосистемы.
Подключение блока к сети лаборатории выполняется с помощью специального трехфазного кабеля.
Изображение панели блока источника питания с необходимыми пояснениями дано на рис. 1.1.
Подготовительные действия на панели для включения блока в работу выполняются в следующем порядке:
1. Поворачивается ключ-выключатель до упора в положение «I»;
2. Соединяются гнезда «ТК» термоконтакта;
3. Включаются автоматические выключатели в фазах;
4. Включается устройство защитного заземления.
Включение в работу выполняется кнопкой «ВКЛ».
В ходе работы необходимо постоянно иметь ввиду красную кнопку-«грибок» для выключения источника питания, в особенности – в случае экстренной необходимости. Блок выключается также для существенных изменений в схеме цепи модели и сразу же по окончании работы.
Входные электрические характеристики блока трехфазного источника питания:
линейное напряжение – 380 ± 38 В;
ток – не более 16 А.
Выходные характеристики:
линейное напряжение – 380 ± 38 В;
фазное напряжение – 220 ± 22 В;
ток – не более 10 А.
Рис. 1.1. Трехфазный источник питания.
1 – фазы питающей сети; 2 – светодиоды; 3 – нулевой провод; 4 – гнезда защитного заземления; 5 – кнопка отключения; 6 – гнезда термоконтакта; 7 – ключ-выключатель; 8 – устройство защитного отключения; 9 – автоматические выключатели.
3.2.2. Трехфазная трансформаторная группа (347.1) и регулировочный трансформатор (338).
В моделировании каждый из этих трансформаторных блоков может использоваться как аналог силового трансформатора подстанции.
Рабочими элементами блоков являются три классических однофазных двухобмоточных трансформатора с отпайками.
Обмотки первичной стороны трансформаторов в блоках каждого типа связаны по схеме звезды с нейтралью. При этом возможно и трехфазное питание блоков и однофазное. При трехфазном питании вторичные обмотки соединяются звездой или треугольником, сообразно задачам каждой лабораторной работы. В случае однофазного питания трансформаторы блоков могут использоваться по отдельности или соединенные параллельно.
Наличие отпаек трансформаторных обмоток отвечает необходимости в лабораторных работах изменять напряжение.
Характеристики блока трехфазной трансформаторной группы:
номинальная мощность – 3х80 ВА;
номинальное первичное фазное напряжение – 230 В;
номинальное вторичное фазное напряжение – 127, 133, 220, 226, 230, 235, 242 В.
Характеристики регулировочного трансформатора:
номинальная мощность – 250 ВА;
номинальное первичное напряжение – 380 В;
номинальное вторичное напряжение – 90 + 2,5х(1÷20) В.
3.2.3. Модель линии электропередачи (313.2)
Блок модели линии электропередачи (ЛЭП) – единственный, в котором натурное моделирование (в смысле воспроизведения характера процесса) не выполняется. Действительная ЛЭП, как известно из курса ТОЭ, - это устройство с распределенными по длине линии параметрами, и в установившемся режиме напряжение и ток являются результатом наложения непрерывно распространяющихся прямой и обратной электромагнитных волн. В модели линии синусоидальный режим – это процесс в цепи с сосредоточенными параметрами, где возникновение волн не возможно.
Линия конечной длины (однофазная или трехфазная) представляет собой симметричный четырехполюсник, а для любого такого четырехполюсника можно определить расчетный эквивалент – П-образный или Т-образный четырехполюсник, который в теории электрических сетей принимается как схема замещения ЛЭП. Этот переход к схеме замещения уже есть моделирование, но теоретическое. «Натурным» моделированием будет составление электрической цепи по схеме замещения.
Электрические цепи в блоке модели линии содержат три четырехполюсника (рис. 1.2), их резисторы и катушки индуктивности представляют сопротивление и индуктивность фазных проводов ЛЭП, а конденсаторы, располагающиеся по концам четырехполюсников, - рабочую емкость фаз.
Весь блок представляет собой одну линию, если в модели создается трехфазный режим. Если блок используется в однофазной модели, можно считать, что в нем содержатся три линии, которые могут включаться по любой схеме.
Для всех элементов, изображенных в мнемосхеме на передней панели блока, предусмотрена ступенчатая регулировка параметров.
Рис. 1.2. Лицевая панель блока модели ЛЭП.
3.2.4. Блоки – модули нагрузок: «активная нагрузка 3 х 0…50 Вт» (306.1); «индуктивная нагрузка 3 х 0…40 Вар» (324.2); «емкостная нагрузка 3 х 0…40 Вар» (317.2)
Элементы блоков нагрузок в моделях электрических сетей используются в трехфазном или в однофазном режиме в качестве потребителей энергии активного или активно-реактивного характера.
Регулирование параметров элементов блоков ступенчатое, выполняется переключателями. На шкалах переключателей обозначены не сопротивления, индуктивности или емкости, а проценты от допустимой потребляемой элементами активной или реактивной мощности. Это связано с тем, что нагрузки в электрических сетях обычно задаются своей мощностью. Сопротивления нагрузок легко определить по мощности и напряжению.
Ступени регулирования (дискретность) прараметров элементов одной фазы блоков:
в блоке активной нагрузки – 10 %;
в блоке индуктивной нагрузки – 25 %;
в блоке емкостной нагрузки – 25 %.
Заметим, что проценты, считываемые по шкалам переключателей на панелях блоков нагрузок, ни в какие формулы не входят, так как действительная потребляемая блоками мощность зависит и от установленных параметров элементов, и от их напряжения, и определяется она в результате измерений. Если же в ходе лабораторной работы должны задаваться изменения нагрузок, то фиксируемые проценты являются обозначениями ступеней изменений, составляя первую строку таблицы опытных данных. В однофазном режиме три элемента каждого из блоков нагрузок могут включаться последовательно или параллельно, и условная сумма их процентов будет не более, чем обозначение ступени регулирования.
Все блоки нагрузок должны подключаться к контуру защитного заземления.
3.2.5. Измеритель мощности (507.2.)
Блок измерителя мощности в соединении с блоком коммутатора измерителя мощностей (349) позволяет проводить одновременную регистрацию активных и реактивных мощностей (до 600 Вт и до 600 ВАр) в нескольких точках модели сети.
Значения мощностей снимаются по показаниям аналоговых («стрелочных») щитовых приборов – ваттметра и варметра. Это приборы магнитоэлектрической системы, т.е. – с равномерной шкалой, и отклонение их указателя пропорционально току, протекающему через прибор. Встроенные в блок преобразователи обеспечивают пропорциональность тока измеряемой активной или реактивной мощности.
Так как мощность пропорциональна току и напряжению, для измерения мощности, потребляемой каким-нибудь объектом, к измерителю мощности необходимо подключить источники тока и напряжения. Поэтому любой измеритель мощности имеет две внутренних цепи: токовую, включаемую как амперметр (последовательно) и цепь напряжения, подключаемую как вольтметр (параллельно). Из четырех выводов этих цепей одна пара выводов, обращаемых на схемах моделей к источнику (генераторные выводы) образует узел внутри блока измерителя. Поэтому на панели блока измерителя имеются, связанные мнемосхемой, только три вывода приборов. Эти выводы можно подключить к интересующему объекту непосредственно или через коммутатор, позволяющий, не меняя режима и без изменения цепи, провести регистрацию мощностей сразу в пяти различных точках модели сети.
Пример включения измерителя мощностей показан на рис. 1.3.
Необходимо учитывать, что нулевое положение указателей приборов находится посередине шкалы. Значит, приборы учитывают не только характер (индуктивный или емкостный) реактивной составляющей мощности, но также регистрируют изменение направления потока мощности.
Рис. 1.3. Пример включения измерителя мощностей.
Число делений шкалы приборов – 15. Цена деления определяется отношением к этому числу величины произведения установленных пределов по напряжению и току. приборная погрешность измерений – порядка 2,5 %.
На панели блока в ходе экспериментов требуют также внимания выключатель сетевого питания, переключатель чувствительности измерителя (положения «х 10» и «х 1»), переключатели пределов измерения по напряжению и току и переключатель режима измерений – его положения «Р», «P,Q» и «Q». для работы удобен режим «P,Q», остальные позиции необходимы в случаях, когда один из приборов «зашкаливает» (при P >> Q или наоборот).
Светодиоды на панели сигнализируют о выходе получаемого прибором напряжения или тока за предел, установленный переключателем пределов, и о необходимости перехода на иной предел.
3.2.6. Блок мультиметров
Блок мультиметров включается в работу только после включения сетевого питания (220 В).
В лаборатории мультиметры используются, в основном, для измерения и контроля действующего значения напряжений.
До включения блока для каждого мультиметра необходимо провести следующие операции:
установка рода напряжения – на шкале переключателя выбирается диапазон переменного напряжения;
установка наибольшего предела измерений – 750 В;
проверка правильности присоединения к исследуемой цепи гнезд-выводов «COM» и «V».
При наличии питания блока, мультиметр начинает давать показания после двукратного нажатия кнопки «Power».
На пределе измерений «750 В» разрешение прибора – 1 В, точность – 1,2 % ± 3 ед. счета.
4. Указания к лабораторному моделированию
Несколько схем электрических сетей и схем их натурных моделей, предлагаемых здесь для получения начального опыта моделирования, приведены на рис. 1.4. и 1.6. – 1.9.
Рис. 1.4. Схемы электрических сетей.
Согласно заданию требуется, обращаясь вначале к рис. 1.4., определить схему сети, соответствующую каждому из следующих понятий:
§ ЛЭП радиальной сети;
§ передача с компенсацией реактивной мощности;
§ ЛЭП сети районного значения;
§ магистральная сеть.
Затем необходимо установить взаимные соответствия схем сети и электрических схем натурных моделей.
Рекомендуемый порядок действий:
1) изучить на лабораторном стенде состав его комплекта оборудования, подготовленного к началу занятия;
2) определить схему модели, электрическую цепь которой можно реализовать на компонентах установленного комплекта;
3) составить электрическую цепь определившегося варианта модели сети.
Составляя модель, вначале следует соединить гнезда защитного заземления тех блоков, которые включаются в электрические цепи модели, с гнездом «РЕ» трехфазного источника питания.
Чтобы избежать ошибок и потерь времени, при составлении цепей модели необходимо четко определить, какие цепи токовые и какие надо отнести к цепям напряжения. Токовые цепи образуют контуры, в которые входят обмотки питающих трансформаторов, контакты выключателей, участки линий, сопротивления нагрузок, амперметры и последовательные элементы измерителей мощности.
Сборку и проверку цепей рекомендуется проводить именно по контурам: начинать от источника, затем, обходя последовательно все элементы каждого из контуров, вернуться к источнику.
Цепи напряжения – это цепи присоединяемых вольтметров и элементов цепей напряжения измерителей мощности. Соединения этих цепей выполняются в последнюю очередь.
Необходимо понимать, что все компоненты – блоки модели сети сами являются моделями элементов или частей реальной сети – силовых трансформаторов, линий, нагрузок и т.д. Это позволяет с самого начала и в последующем в учебных целях воспринимать все элементы модели в терминах и понятиях курса электрических сетей. С этим связаны и некоторые правила составления моделей.
Например, в реальной линии, а значит и в ее модели есть передающий и приемный концы, и если необходимо измерять напряжение приемного конца, то в модели линии вольтметр следует подключить к выводам-гнездам именно выходной стороны блока. Это поясняет также рис. 1.5.: приемлемое присоединение выполняется согласно рис. 1.5, б, несмотря на то, что в этом случае могут потребоваться более длинные соединительные провода.
Данная лабораторная работа выполняется без подключения модели к сети лаборатории. Во всех последующих работах лабораторного цикла начальным пунктом техники безопасности является следующее обязательное положение: после проверки правильности собранной схемы первое ее включение делает преподаватель.
Рис. 1.5. Присоединение вольтметра
а) некорректное; б) правильное присоединение
6. Вопросы для самопроверки
1. Что принято понимать под натурным моделированием электрической сети?
2. Объясните сравнительные преимущества модульного принципа составления моделей сети?
3. Если составляемая электрическая цепь является моделью распределительной сети, то что из комплекта лабораторного стенда должно представлять модель питающей сети? Какие блоки служат аналогом подстанции связи с питающей сетью?
4. Что представляет собой блок модели ЛЭП? Как используется этот блок в качестве модели одной фазы ЛЭП и в трехфазном режиме? Можно ли использовать один блок для моделирования двух или трех линий?
5. Какова очередность действий при составлении модели сети, подготавливаемой к включению под напряжение?
6. Укажите органы управления включением и отключением питания всей модели. Где находится кнопка для экстренного отключения напряжения?
7. как выполняется подготовка блока источника питания к включению в сеть лаборатории? Какие еще модули требуют индивидуального питания?
8. Как регулируется напряжение питания работающей модели?
9. Поясните схему корректного включения зажимов измерителя мощности.
10. Объясните содержание лабораторной работы в соответствии с заданием.
11. Укажите взаимно соответствующие определения электрических сетей (по п.5), номера рисунков однолинейных схем сетей и схем их натурных моделей.
Рис. 1.6. Схема модели электрической сети
Рис. 1.7. Схема модели электрической сети
Рис. 1.8. Схема модели электрической сети
Рис. 1.9. Схема модели электрической сети
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2