Реактивний опір в електротехніці

Відомий в електротехніці закон Ома пояснює, що якщо по кінцях якоїсь ділянки ланцюга докласти різниця потенціалів, то під її дією потече електричний струм, сила якого залежить від опору середовища.

Джерела змінної напруги створюють струм в підключеної до них схемою, який може повторювати форму синусоїди джерела або бути зрушеним по куту від нього вперед або назад.

Якщо електричне коло не змінює напрямку проходження струму і його вектор по фазі повністю збігається з прикладеною напругою, то така ділянка має чисте активним опором. Коли ж спостерігається відмінність у обертанні векторів, то говорять про реактивному характері опору.

Різні електротехнічні елементи мають неоднакову здатність відхиляти напрямок струму, що протікає через них і змінювати його величину.

Реактивний опір котушки

Візьмемо джерело стабілізованого змінної напруги і відрізок довжиною ізольованого дроту. Спочатку підключимо генератор на всю розправлену дріт, а потім на її ж, але змотану кільцями навколо муздрамтеатру. який використовується для поліпшення проходження магнітних потоків.

Точно визначаючи в обох випадках струм, можна помітити, що при другому експерименті буде помічено значне зниження його величини і відставання по фазі на певний кут.

Це відбувається за рахунок виникнення протидіючих сил індукції, що проявляються під дією закону Ленца.

На малюнку проходження первинного струму показано червоними стрілками, а створюване їм магнітне поле - синіми. Напрямок його руху визначається за правилом правої руки. Воно ж перетинає все сусідні витки всередині обмотки і індукує в них струм, показаний зеленими стрілками, який послаблює величину прикладеної первинного струму, одночасно зрушуючи його напрямок по відношенню до доданої ЕРС.

Чим більше число витків намотано на котушці, тим сильніше створюється індуктивний опір XL. зменшує первинний струм.

Його величина залежить від частоти f, індуктивності L, розраховується за формулою:

За рахунок подолання сил індуктивності струм на котушці відстає від напруги на 90 градусів.

Реактивний опір трансформатора

У цього пристрою на загальному магнітопроводі розташовані дві або більшу кількість обмоток. Одна з них отримує електроенергію від зовнішнього джерела, а іншим вона передається за принципом трансформації.

Первинний струм, що проходить по силовий котушці, наводить в муздрамтеатрі і навколо нього магнітний потік, який перетинає витки вторинної обмотки і формує в ній вторинний струм.

Оскільки ідеально створити конструкцію трансформатора неможливо, то частина магнітного потоку буде розсіюватися в навколишнє середовище і створить втрати. Вони називаються потоком розсіювання і впливають на величину реактивного опору розсіювання.

До них додається активна складова опору кожної обмотки. Отримана сумарна величина називається електричним опором трансформатора або його комплексним опором Z, що створює перепади напруги на всіх обмотках.

Для математичного виразу взаємозв'язків всередині трансформатора активний опір обмоток (зазвичай виготовляються з міді) позначають індексами «R1» і «R2», а індуктивне - «Х1» і «Х2».

Імпеданс в кожній обмотці має вигляд:

У цьому виразі індексом «j» позначена уявна одиниця, розташована на вертикальній осі комплексної площини.

Найбільш критичний режим щодо індуктивного опору і виникненні реактивної складової потужності створюється при паралельному підключенні трансформаторів в роботу.

Реактивний опір конденсатора

Конструктивно в його склад входять дві або кілька струмопровідних пластин, відокремлених шаром матеріалу, який володіє діелектричними властивостями. За рахунок цього поділу постійний струм не може пройти через конденсатор, а змінний - здатний, але з відхиленням від початкової величини.

Її зміна пояснюється принципом роботи реактивного - ємнісного опору.

Під дією прикладеної змінної напруги, що змінюється по синусоїдальної формі, на обкладинках відбувається сплеск, накопичення зарядів електричної енергії протилежних знаків. Загальна їх кількість обмежена габаритами пристрою і характеризується ємністю. Чим вона більше, тим довше часу йде заряд.

Протягом наступного напівперіоду коливання полярність напруги на обкладках конденсатора змінюється на протилежне. Під його впливом відбувається зміна потенціалів, перезарядка сформованих зарядів пластин. Таким способом створюється протікання первинного струму і протидія його проходженню, коли він зменшується за величиною і зсувається по куту.

З цього питання у електриків є жарт. Постійний струм на графіку представлений прямою лінією і коли він йде по дроту, то електричний заряд, дійшовши до обкладання конденсатора впирається в діелектрик, потрапляючи в глухий кут. Ця перешкода не дає йому пройти.

Синусоїдальна ж гармоніка йде перевалюючись через перешкоди і заряд, вільно перекотившись через намальовані обкладання, втрачає невелику частину енергії, яка зачепилася за пластини.

У цій жарти є прихований сенс: при подачі на обкладки постійного або випрямленого пульсуючого напруги між пластинами за рахунок накопичення ними електричних зарядів створюється строго постійна різниця потенціалів, яка згладжує всі скачки живильного ланцюга. Це властивість конденсатора збільшеної місткості використовується в стабілізаторах постійної напруги.

Загалом, ємнісний опір Xc або протидія проходженню через нього змінному струмі залежить від конструкції конденсатора, що визначає ємність «С», і виражається формулою:

Хс = 1/2 π fC = 1 / # 969; C

За рахунок перезарядки обкладок струм через конденсатор випереджає напругу на 90 градусів.

Реактивний опір лінії електропередачі

Будь-яка ЛЕП створюється для передачі електричної енергії. Її прийнято представляти ділянками зі схемами заміщення, що володіють розподіленими параметрами активного r, реактивного (індуктивного) x опору і провідності g, віднесеними до одиниці довжини, як правило, одному кілометру.

Якщо знехтувати впливом ємності і провідності, то можна користуватися спрощеною схемою заміщення лінії, яка має зосередженими параметрами.

Передача електроенергії по неізольованих проводів, розташованим на відкритому повітрі, вимагає значного видалення їх між собою і від землі.

При цьому індуктивний опір одного кілометра дроту трифазної лінії можна представити виразом Х0. Воно залежить від:

середнього видалення осей проводів між собою АСР;

зовнішнього діаметра фазних жив d;

відносної магнітної проникності матеріалу μ;

зовнішнього індуктивного опору лінії Х0 ';

внутрішнього індуктивного опору лінії Х0 ''.

Для довідки: індуктивний опір 1 км ПЛ, виконаної з кольорового металу складає близько 0,33 ÷ 0,42 Ом / км.

Лінія електропередачі, яка використовує високовольтний кабель, конструктивно відрізняється від ПЛ. У неї відстань між фазами проводів значно зменшено і визначається товщиною шару внутрішньої ізоляції.

Такий трижильний кабель можна представити у вигляді конденсатора з трьома обкладинками з жив, простягнутих на велику відстань. Зі збільшенням його протяжності зростає ємність, знижується опір місткості і збільшується ємнісний струм, що замикається по кабелю.

У кабельних лініях під впливом ємнісних струмів найбільш часто відбуваються однофазні замикання на землю. Для їх компенсації в мережах 6 ÷ 35 кВ використовують дугогасильні реактори (ДГР), які підключають через заземлену нейтраль мережі. Їх параметри підбираються складними методами теоретичних розрахунків.

Старі ДГР не завжди ефективно працювали через низьку якість настройки і недосконалості конструкції. Вони створювалися під усереднені розрахункові струми замикань, які часто відрізнялися від реальних значень.

Зараз впроваджуються нові розробки ДГР, здатні в автоматичному режимі відслідковувати аварійні ситуації, швидко заміряти їх основні параметри і підлаштовуватися для надійного гасіння струмів замикання на землю з точністю до 2%. Завдяки цьому ефективність роботи ДГР відразу зросла на 50%.

Принцип компенсації реактивної складової потужності конденсаторними установками

Електричні мережі передають високовольтну електроенергію на великі відстані. Більшістю її споживачів є електродвигуни, що володіють індуктивним опором, і резистивні елементи. Повна потужність, яку направляють споживачам, складається з активної складової Р, що витрачається на вчинення корисної роботи, і реактивної Q - викликає нагрів обмоток трансформаторів і електродвигунів.

Реактивна складова Q, виникаючи на індуктивних опорах, знижує якість електроенергії. Для знищення її шкідливого впливу в вісімдесятих роках минулого століття в енергосистемі СРСР використовувалася схема компенсації за рахунок підключення конденсаторних батарей, що володіють опором місткості, яке знижувало косинус кута # 966 ;.

Вони встановлювалися на підстанціях, безпосередньо живлять проблемних споживачів. Цим забезпечувалося місцеве регулювання якості електроенергії.

Таким способом можна значно зменшити навантаження на устаткування за рахунок зниження реактивної складової при передачі одній і тій же активній потужності. Цей спосіб вважається найбільш ефективним прийомом енергозбереження не тільки на промислових підприємствах, а й на об'єктах житлово-комунального господарства. Його грамотне використання дозволяє значно підвищити надійність експлуатації енергосистем.