Распределение электрической энергии в аэропортах

Электрические сети

Электрические сети являются частью электрических систем и служат для передачи и распределения электрической энергии от источников к приемникам. Электрические сети можно классифицировать по ряду признаков: сети постоянного и переменного токов; сети низкого и высокого напряжений; сети воздушные и кабельные; сети радиальные, разветвленные и замкнутые (кольцевые). Электрические сети должны обеспечивать надежность и бесперебойность питания потребителей при высоком качестве электроэнергии, быть экономичными и безопасными для обслуживающего персонала.

Воздушные линии используются, в основном, во внешней части системы электроснабжения аэропортов, т.к. они представляют собой летное препятствие, на территории аэропорта используются главным образом кабельные линии.

Основными конструктивными элементами воздушных линий являются провода, опоры, изоляторы и монтажно-установочная арматура. Обычно применяют многопроволочные провода, имеющие стальной сердечник (для придания механической прочности) и токоведущую часть скрученную из отдельных алюминиевых проволок и имеющие сечение от 35 до 400 мм2. Над линиями с напряжением свыше 110 кВ устанавливаются защитные стальные тросы сечением 30-70 мм2, которые защищают линию от атмосферных перенапряжений. С этой же целью на линиях устанавливаются трубчатые разрядники или искровые промежутки.

Кабельные линии применяют для передачи и распределения электроэнергии на территории аэропортов. По сравнению с воздушными, они не подвержены атмосферным воздействиям, не загромождают территорию. Однако, стоимость сооружения кабельных линий больше воздушных, они требуют большего времени для ремонта и более квалифицированного персонала.

Рис.1.21

Элементы кабельной линии: кабель, муфты для соединения участков кабеля между собой, кабельные сооружения (туннели, каналы, колодцы).

По конструкции кабели делятся на кабели с поясной изоляцией (рис.1.21а) и кабели с отдельно освинцованными жилами (рис.1.21б).

Токоведущие жилы кабелей выполняют витыми из отдельных медных или алюминиевых проволок. По форме жилы бывают круглыми либо секторными (для уменьшения диаметра кабеля), сечением до 240 мм. По числу жил кабели бывают одножильные, двухжильные, трехжильные и четырехжильные.

Изоляцией в силовых кабелях служат кабельная пропитанная бумага, резина и пластмассы. Кабельная бумага используется на напряжения 1-500 кВ, резиновая - на 500 6000 В, пластмассовая - на 1 110 кВ. Для защиты изоляции кабеля от воздействия на нее влаги и кислот, а также от вытекания пропиточного состава и высушивания бумажной изоляции, поверх изоляции наносится гибкий герметичный покров - оболочка из свинца, алюминия или пластмассы.

Для защиты от механических повреждений кабель имеет защитную броню из стальных лент, круглых или плоских оцинкованных проволок. Броня покрывается асфальтовым лаком для защиты от коррозии, а иногда - джутовым асфальтированным покрытием. Между броней и свинцовой оболочкой имеется защитный слой из пропитанной бумажной ленты и слоя джута, пропитанного асфальтовым составом. Этот покров защищает оболочку от механических повреждений стальной броней и от химических воздействий окружающей среды. Кабели для вертикальной и крутонаклонной прокладки изготавливают с обедненно-пропитанной изоляцией или с изоляцией с неистекающей пропиткой.

Расшифровка обозначения силового кабеля: первая буква - материал жил (А-алюминий; если жилы выполнены медными, буква не ставится); вторая буква -материал оболочки (А- алюминий, С- свинец, В- поливинилхлорид, Н-найрит); третья буква - исполнение защитного покрова (Б-бронированный; Ш - шланговый с оболочкой из поливинилхлорида, Г-голый, без брони); первая цифра - номинальное напряжение, кВ; вторая цифра -число жил; третья цифра- сечение жилы, мм.

В аэропортах основными являются кабели с поясной изоляцией типов СБ (с медными жилами в свинцовой оболочке, с броней из стальных лент); АСБ - тот же кабель с алюминиевыми жилами; ААБ - с алюминиевыми жилами в алюминиевой оболочке, с броней из отдельных лент. Кабель АВБбШ – для прокладки в траншеях.

Рис.1.22

Кабели армированные высоковольтные «КВОРНЭ-3(6)» (рис.1.22). Предназначены для применения в системах светосигнального электрооборудования аэродромов при напряжении 3000(6000) В переменного тока с частотой 50Гц и номинальном токе 10А. Кабели применяют для соединения первичных обмоток изолирующих трансформаторов, питающих аэродромные огни, в общую последовательную цепь и присоединения к регуляторам яркости. Для питания световых указателей применяют кабели КГ-ДА.

Для прокладки на воздухе находят применение кабели типов АПВГ (до 1 кВ) и АПОВБГ (до 10 кВ) с пластмассовой изоляцией (полиэтилен - П) и в пластмассовой оболочке.

Электрический расчет сетей. Для приемников электрической энергии существуют определенные нормы отклонения напряжения от заданного номинального значения, обычно они лежат в пределах 2,5-10%. Передача электрической энергии сопровождается потерями энергии, т.к. провода обладают активным и индуктивным сопротивлениями, а также активной и емкостной проводимостями. Расчет электрической сети сводится к выбору сечения проводов линий, обеспечивающего заданную величину напряжения у приемника.

Рис.1.23

Рассмотрим линию длиной ℓ, обладающую активным (R) и индуктивным (Х) сопротивлениями, по которой подается питание к нагрузке индуктивного характера (рис.1.23а). На (рис.1.23а) U_НАЧ и U_К - фазные напряжения в начале и конце линии; i - ток нагрузки; cos𝜑 - коэффициент мощности нагрузки.

На рис.1.23б показана векторная диаграмма фазных напряжений.

Для линии на переменном токе различают понятия "потери" и "падения" напряжения в линии. Потеря напряжения - это алгебраическая разность напряжений в начале и в конце линии (отрезок ае). Падение напряжения - векторная разность напряжений в начале и конце линии (отрезок ас). Расчеты электрических линий ведут на допустимую потерю напряжения. В практических расчетах для упрощения вместо истинной величины потери напряжения берут величину продольной составляющей падения напряжения - отрезок аd. Погрешность при такой замене обычно не превышает 0,5% номинального напряжения сети.

Величина потери фазного напряжения (𝜟U_Ф) определится следующим образом:

𝜟U_Ф=ad=af + fd=iRcos𝜑+iXsin𝜑=i(Rcos𝜑+Xsin𝜑). (1.9)

Линейная потеря напряжения 𝜟U определяется аналогично:

𝜟U= 𝜟U_Ф = i(Rcos𝜑+Xsin𝜑). (1.10)

Если обозначить активное и индуктивное сопротивления единицы длины линии (погонные сопротивления) соответственно: r₀ и х₀, а длину линии L, то можно записать:

𝜟U_Ф=iL(r₀cos + х₀sin𝜑). (1.11)

Если умножить левую и правую части уравнения (1.10) на U/U (где U- напряжение на нагрузке), то потерю напряжения можно выразить через активную (P) и реактивную мощность (Q) нагрузки:

𝜟U = iUcos𝜑R+ iU sin𝜑X)/U= (PR+QX)/U=L(Pr₀+Qx₀)/U (1.12)
Вместо U с достаточной точность можно принять номинальное значение напряжения U_Н.

При необходимости 𝜟U определяется в процентах от номинального напряжения по формуле:

𝜟U% = (1.13)

Потеря линейного напряжения для линии с несколькими нагрузками и постоянным сечением вдоль линии (рис.1.24) можно определить следующим образом:

𝜟U = i_iR_icos𝜑_i+i_iX_isin𝜑_i)= I_i r_i cos𝜑_i+I_ix_isin𝜑_i) (1.14)

где: i_i – токи нагрузок; R_i, X_i - активные и индуктивные сопротивления от точки питания до каждой нагрузки; I_i – ток на i –м участке линии; r_i, x_i, активные и индуктивные сопротивления отдельных участков сети.

Рис.1.24

Если нагрузка выражена через мощности, то формулы для подсчета потери напряжения в случае нескольких нагрузок вдоль линии принимают вид:

𝜟U = , (1.15)

где: p_i и q_i – активная и реактивная мощности нагрузок; P_i, Q_i -активная и реактивная мощности, передаваемые по отдельным участком линии.

Выразив активное погонное сопротивление провода (r₀) через его сечение (S) и удельную проводимость материала проводника (γ), можно записать:

𝜟U . (1.16)

Выражение (1.16) позволяет найти необходимое сечение провода, задавшись допустимой потерей напряжения 𝜟U_доп, однако оно содержит неизвестную величину x₀.

Реактивное сопротивление х₀ имеет сложную зависимость от сечения и конфигурации линии, поэтому расчет ведут упрощенным методов по следующей методике.

Задаются по справочникам средней величиной х₀ (для воздушной линии x₀=0,4 Ом/км, для кабельной линии x₀=0,1 Ом/км) и определяют часть потери напряжения, обусловленную этим сопротивлением (𝜟U_r):

𝜟U_r = i_iX_isin𝜑_i)= I_il_isin𝜑_i)= , (1.17)

где Q_i - реактивная мощность нагрузки на i-ом участке линии; l_i длина i-го участка линии.

Зная общую величину допустимой потери напряжения 𝜟U_доп и 𝜟U_r, можно определить величину допустимой потери напряжения, обусловленную активным сопротивлением линии:

U_{а доп} = 𝜟U_доп - 𝜟U_r.

Сечение провода равно

S= (1.18)

где: Р_i - активная мощность нагрузки на i-ом участке. После расчета выбирают из справочника ближайшее большее сечение из стандартного ряда и определяют величину x₀. Затем проверяют по формуле (1.15) выполнение условия 𝜟U 𝜟U_доп, если оно выполняется, то расчет окончен. Если нет, то выбирают ближайшее большее сечение и повторяют проверку. Для чисто активной нагрузки выражение (1.18) примет вид:

S= (1.19)

Наряду с расчетом на допустимую потерю напряжения, могут проводиться расчеты сетей из условия минимальных эксплуатационных расходов, а также из допустимого нагрева проводов.