ПРЕДИСЛОВИЕ
Расчеты режимов даже небольших электрических систем достаточно сложны, так как режим каждого из элементов системы – станции, подстанции, линии электропередачи или приемных систем электроснабжения – в той или иной степени зависит от режима работы других элементов. Достаточно удобным инструментом исследования режимов работы электрических систем являются расчетные модели переменного тока. На основе математического моделирования они позволяют исследовать установившиеся и переходные процессы в системах, наглядно представить структуру системы, варьировать начальные условия и значения параметров системы в процессе работы. Простота и наглядность представления режима системы, возможность внесения изменений в схему, простота измерений и фиксации результатов позволяют успешно использовать расчетные модели переменного тока в качестве универсальных стендов для проведения лабораторных работ по курсам:
1. Передача и распределение электроэнергии.
2. Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах.
3. Электроснабжение городов и промышленных предприятий.
Лабораторные работы составлены коллективом преподавателей кафедры "Электроэнергетические системы" и предназначены для дисциплины "Передача и распределение электрической энергии", которую изучают как одну из базовых на третьем курсе института электроэнергетики студенты всех специальностей.
При составлении лабораторных работ был использован многолетний опыт кафедры по выполнению подобных работ на универсальной модели электроэнергетической системы переменного тока (профессора Веников В.А., Глазунов А.А., Зуев Э.Н., Строев В.А., Федоров Д.А. и др.).
По сравнению с предыдущими изданиями содержание лабораторных работ и их описания были переработаны. В составлении настоящего сборника лабораторных работ приняли участие: ст. преподаватель Ильинская Л.И., проф. Надеждин С.В. и доц. Панкратова Е.А.
Продолжительность выполнения лабораторных работ – 4 часа. Домашняя подготовка – 2 часа.
ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МОДЕЛИ
Общая характеристика стенда
Лабораторные стенды, имеющие в своей основе расчетные столы переменного тока, являются универсальными моделями электрической системы и потому содержат элементы, моделирующие: синхронные генераторы, воздушные и кабельные линии электропередач, нагрузку потребителей, силовые трансформаторы, батареи конденсаторов.
Указанные элементы соединяются между собой согласно схеме исследуемой системы. При этом в любой точке набранной схемы с помощью комплекта измерительных приборов можно измерить: ток, напряжение, активную и реактивную мощности.
Расчетная модель является статической моделью электрической системы. На ней анализируются установившиеся режимы электрической системы, определяются распределение потоков мощности и уровня напряжений в электрической сети, угол сдвига между векторами напряжений.
Номинальное напряжение для всех элементов расчетной модели равно 50В, максимально допустимый ток не должен превышать 0,3А, номинальная частота – 200 Гц.
На модели воспроизводится режим одной фазы исследуемой системы. Поэтому все нулевые точки генераторных станций, трансформаторных и нагрузочных элементов присоединены к общему для стенда нулевому проводу.
Погрешность расчета на модели, по отношению к аналитическому, не превышает 2,5%, если все параметры расчетной схемы и параметры режима не отличаются от базисных более чем в 5 раз. Это объясняется классом точности 0,5 измерительных приборов, установленных на модели.
Рассмотрим устройство и функциональное назначение элементов расчетной модели.
Генераторная станция
Генераторная станция моделирует синхронный генератор. На лицевую панель генераторной станции выведены: ручки грубого и плавного регулирования напряжения, фазы выходного напряжения генератора, ручка потенциометра, регулирующего величину выходного напряжения.
Номинальная мощность генераторной станции 20 В×А, номинальное выходное напряжение 50 В. Пределы изменения регулируемых параметров:
Xd¢ = 0 – 999 Ом; Eq = 0 – 80 В; arg Eq¢ = 0 - 360°.
Настройка генераторной станции должна быть следующей:
1. Потенциометр в нулевом положении.
2. Регулирование напряжения Uг осуществляется потенциометром и сельсином С ("Фаза").
1.3. Трансформаторные элементы
Трансформаторные элементы предназначены для моделирования двух и трехобмоточных силовых трансформаторов в расчетных схемах электрических систем. В одном блоке помещается два трансформаторных элемента. Каждый из них содержит:
1. Автотрансформатор с отпайками, позволяющими изменять коэффициент трансформации на ± 15%, ступенями через 1,25%;
2. Индуктивное сопротивление, предназначенное для воспроизведения сопротивлений рассеяния обмоток моделируемого трансформатора.
Трансформаторные элементы воспроизводят Г-образную схему замещения силовых трансформаторов. Их входные автотрансформаторы служат для изменения коэффициентов трансформации и приближенно представляют ветвь намагничивания в схеме замещения трансформаторов.
Имеется два типа трансформаторных элементов для моделирования двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов. У последних на панели элемента имеется дополнительный ряд контактов над буквой С. Буквы В и Н имеются на всех трансформаторных элементах.
Сопротивление рассеяния трансформаторов моделируется трехдекадным магазином индуктивных сопротивлений. Для трехобмоточных трансформаторов сопротивления изменяются от 999 до 1 Ом (через 1 Ом), для двухобмоточных – от 99 до 0,1 Ом (через 0,1 Ом).
Регулирование коэффициента трансформации осуществляется при помощи штеккеров, вставляемых в соответствующие гнезда левых трех (или двух) вертикальных рядов гнезд. Против каждого гнезда указано соответствующее изменение коэффициента трансформации в процентах. Для обмоток В и С обозначения изменения коэффициента трансформации общие. Установка трех штеккеров в положение 0 в каждом из вертикальных рядов соответствует коэффициенту трансформации, равному единице.
Включением штеккеров в другие гнезда вертикальных рядов В и С можно получить независимое регулирование коэффициента трансформации в диапазоне ±5% (если штеккер в ряду Н стоит в нулевом гнезде). Дальнейшее увеличение диапазона регулирования может быть достигнуто за счет изменения места включения штеккера в ряду Н. Наибольшее увеличение коэффициента трансформации (на +15%) достигается при установке штеккера в ряду Н на –10%, а в ряду В или С на +5%.
Наибольшему снижению коэффициента трансформации (на –15%) соответствует установка штеккера в ряду Н в положение +10%, в ряду В или С на –5%. Для включения трансформаторного элемента обязательно должен быть вставлен штеккер в левое нижнее гнездо ряда Н, обозначенное ^.
Следует указать, что трансформаторные элементы в расчетных схемах используются, когда в процессе работы необходимо изменять коэффициенты трансформации. Если этой необходимости нет, то силовые трансформаторы моделируются линейными элементами.
1.4. Нагрузочные элементы
Нагрузочные элементы предназначены для моделирования режима работы потребителей электрических систем. Нагрузочные элементы состоят из трех активных и трех индуктивных сопротивлений с отпайками.
Изменение сопротивлений нагрузки осуществляется при помощи круговых контакторов с рукоятками, выведенными на лицевую панель. В середине панели имеется двухпозиционный переключатель, позволяющий соединять активные и реактивные сопротивления последовательно или параллельно.
Имеется два типа нагрузочных элементов с сопротивлениями, меняющимися в пределах 999 – 1 Ом и 9990 – 10 Ом.
Обычно, при установке режимов системы, режим нагрузки устанавливают не по значениям ее активных и реактивных сопротивлений, а по величине активной и реактивной мощности, потребляемой при заданном значении напряжения. Величину этого напряжения устанавливают на выходе источника бесконечной мощности, к которому присоединяют нагрузочный элемент. Далее, следя за показаниями приборов, постепенно уменьшают величину сопротивлений нагрузки до того момента, пока активная и реактивная мощности, потребляемые нагрузкой, не достигнут необходимых значений. При этом более удобным является параллельное соединение активного и реактивного сопротивлений нагрузки, так как в этом случае возможна независимая регулировка ее активной и реактивной мощности.
1.5. Линейные и емкостные элементы
Линейные элементы (ЛЭ) предназначены для моделирования линий электропередач. 60% линейных элементов соответствуют П-образной схеме замещения, а 40% - последовательно соединенному активному и индуктивному сопротивлениям. Активные и индуктивные сопротивления выполнены аналогично нагрузочным элементам и включены последовательно.
Для того, чтобы включить линейный элемент, необходимо в каждую колонку штеккерного магазина вставить штеккер. Если в какой-либо колонке штеккер будет отсутствовать, то этот ЛЭ будет отключен.
Емкости, согласно П-образной схеме замещения, одним концом жестко присоединены к шинам на коммутационной панели. Чтобы включить соответствующую емкость, необходимо вставить штеккер в гнезда двух рядов штеккерных магазинов, расположенных на панели слева от соответствующих линейных сопротивлений. Каждый ряд соответствует одной поперечной ветви П-образной схемы замещения. Значения емкости в микрофарадах, активных и индуктивных сопротивлений в Омах, выгравированы на панелях.
Пределы регулирования емкости во всех линейных элементах, выполненных по П-образной схеме, одинаковы. Максимальная величина емкости каждого плеча П-образной схемы – 4,21 мкФ.
1.6. Панель выводов линейных элементов
На панели выводов линейных элементов выведены гнезда линейных и двух емкостных элементов, которые жестко не соединены с линейными элементами.
В верхней части панели линейных элементов расположены измерительные шнуры.
В нижней части – гнезда трансформаторных шин, связывающих между собой блоки модели. С помощью этих шин любой из элементов каждого блока может быть включен в любую точку другого блока.
1.7. Коммутационная панель
На коммутационной панели собираются расчетные схемы исследуемых электрических систем. На нее выведены гнезда от четырех генераторных станций, восьми нагрузочных элементов и двенадцати трансформаторных элементов. Помимо этого на коммутационной панели находятся соединительные шнуры с концевыми штеккерами, служащие для сборки схемы. Для удобства набора схем соединительные шнуры соединены между собой по четыре и образуют электрический узел, изображенный на мнемонической схеме коммутационной панели в виде шин с соответствующим номером. Кроме этих шин на коммутационной панели условно изображены шины генераторных станций, трансформаторных и нагрузочных элементов. Помимо соединительных гнезд в цепи каждого элемента и каждого соединительного шнура имеются измерительные гнезда (большего диаметра), предназначенные только для включения измерительных штеккеров. Ни в коем случае не допускается использование измерительных гнезд для сборки схем. Это может привести к выходу их из строя и обрывам цепи.
1.8. Измерительные приборы ПРМ-2 и схема измерений
На модели применены специальные электродинамические измерительные приборы с усилителями на транзисторах.
В каждом блоке модели установлено по одному комплекту приборов, состоящему из вольтметра, амперметра, ваттметра и варметра.
В одном корпусе заключены амперметр и ваттметр, в другом – вольтметр и варметр реактивной мощности.
Приборы имеют шкалу со световым отсчетом.
Погрешность измерительных приборов вместе с приборными усилителями составляет 0,5% от полного отклонения указателя.
Комплект приборов имеет пределы измерений:
- по напряжению: 10В; 25В; 50В; 100В.
- по току: 0,02А; 0,05А; 0,1А; 0,2А; 0,5А; 1А.
При этом предел измерения по мощности определяется как произведение предельных значений тока и напряжения.
Схема включения измерительных приборов позволяет производить 4 вида измерений.
При измерении напряжения, тока и мощности переключатель выбора измеряемой величины устанавливается в положения " U, I, P, Q " соответственно. Для измерения этих величин достаточно вставить измерительный штеккер в измерительное гнездо, в котором производится измерение. На приборе в этом случае будет показано напряжение между данной точкой и нулем модели и ток, протекающий по данной цепи.
Измерительное гнездо, куда вставляется измерительный штеккер, состоит из втулки и пружинящей контактной пластины. В нормальном положении, когда не производится измерений, контактная пластина плотно прилегает к скобе, соединенной с втулкой гнезда, и в цепи протекает ток. Измерительный штеккер имеет два контакта: наружную втулку и внутренний стержень, разделенные изолирующей прокладкой. К ним присоединены токовые цепи приборов. При включении штеккера в измерительное гнездо контактная пластина отгибается и ток протекает через приборы от одного контакта измерительного штеккера к другому. Цепь вольтметра и цепи напряжения ваттметра и варметра одним концом присоединены к нулевому проводу стенда, а другим – к одному из контактов измерительного штеккера.
Таким образом, при включении штеккера в измерительное гнездо, комплект приборов измеряет напряжение, ток, активную и реактивную мощности.
Методика работы на расчетной модели электрической системы при выполнении лабораторных работ