Источники электроснабжения

1. Источники электроснабжения

1.1. Источники внешнего электроснабжения

Источником электрической энергии для предприятия связи обычно является энергосистема или электростанция.

Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, подстанций и приемников электроэнергии, связанных между собой линиями электрической сети. Часть энергосистем, состоящая из генераторов, распределительных устройств, повышающих и понижающих подстанций, линий электрической сети и приемников электрической энергии, называется электрической системой. Часть электрической системы, состоящая из подстанций и линий различных напряжений, называется электрической сетью.

На рис. 1.1. изображена примерная схема энергосистемы. Районная сеть 110 кВ получает электроэнергию от гидроэлектростанции через повышающую подстанцию, линию электропередачи 220 кВ и понижающую подстанцию. Эта сеть получает питание также через линию электропередачи 110 кВ и повышающую подстанцию от тепловой электростанции конденсационного типа, расположенной в районе добычи местного топлива (торфа, угля и т.д.).

Рис. 1.1. Схема энергетической системы

Внутри кольцевой районной сети имеются понижающие подстанции, обслуживающие большой промышленный район. В центре этого района имеется теплоцентраль (ТЭЦ), работающая на привозном топливе и снабжающая потребителей электрической и тепловой энергией. Для связи с сетью ТЭЦ имеет повышающую подстанцию.

Рекомендуемые материалы

От районной сети 110 кВ через понижающую подстанцию питается районная сеть 35 кВ, от которой, в свою очередь, через понизительную подстанцию питаются местные сети 10 кВ или 6 кВ с понижающими трансформаторами для распределительных сетей 380/220 В.

Предприятия связи могут получать электроэнергию как от местной сети 10 или 6 кВ, так и от районной сети 35 кВ.

Для резервирования электропитания на предприятиях связи применяются автоматизированные дизель-генераторные установки на различные мощности с двигателями внутреннего сгорания. Установки могут работать постоянно и запускаться в ход непосредственно у двигателя и ли дистанционно из другого помещения. Если установки применяются как резервные, то они включаются в ход автоматически в случае пропадания напряжения в местной электросети и останавливаются при появлении напряжения сети.

Подстанцией называется электроустановка, предназначенная для преобразования или распределения электрической энергии. В зависимости от назначения подстанции могут быть преобразовательными и распределительными.

Трансформаторные подстанции разделяются на главные понижающие подстанции (ГПП), центральные распределительные подстанции (ЦРП), распределительные пункты (РП), цеховые трансформаторные подстанции или трансформаторные пункты (ТП) и специальные подстанции, например преобразовательные (ПП). Подстанции ГПП потребляют электроэнергию от электростанции или энергосистемы и, понижая напряжение, распределяют электроэнергию между потребителями, но при неизменном напряжении (без трансформации). Распределительные пункты распределяют электроэнергию между потребителями без изменения напряжения. Трансформаторные пункты принимают электроэнергию высокого напряжения (6, 10, 35 кВ) от РТ (или ЦРП) распределяют её по напряжениям 500, 380, 220 В между отдельными предприятиями или нагрузками.

На предприятиях связи устанавливаются тепловые и комплексные трансформаторные подстанции как открытого, так и закрытого типа с одним и двумя силовыми трансформаторами.

Подстанция, полностью собранная в заводских условиях и состоящая из трансформаторов, комплексного распределительного устройства и вспомогательного оборудования, считается комплектной трансформаторной подстанцией (КТП). При наружной установке КТП помещается на бетонном основании высотой 1,5 м от уровня земли и состоит из двух частей – силового трансформатора и распределительного устройства. Подстанции для внутренней установки снабжаются воздушными автоматическими включателями и разъединителями.

Разъединительное устройство (РУ) представляет собой электрическую установку, предназначенную для приёма и распределения электрической энергии; содержит коммутационные, измерительные и защитные аппараты, соединительные шины и вспомогательное оборудование. Распределительные устройства делятся на открытые и закрытые по тому же принципу, что и подстанции.

Комплектным РУ считается, если оно собрано на заводе и состоит из закрытых шкафов со встроенным в них аппаратами, шинами, и вспомогательным оборудованием. Комплектные РУ изготовляются на стандартные напряжения, 3, 6, 10, 35 кВ для установки, как в закрытых помещениях, так и на открытом воздухе.

Распределительное устройство напряжением до 1000 В, оборудование которого смонтировано на панелях, установленных на общем каркасе, называется распределительным щитом.

Если по условиям эксплуатации какое-нибудь оборудование РУ должно быть отдельно от остального, то оно устанавливается в специальном помещении – камере. Камера, ограниченная со всех сторон стенами и перекрытиями и имеющая сплошные (не сетчатые) двери, называется закрытой. Открытой называется камера, имеющая проёмы, защищённые полностью или частично не сплошными (сетчатыми) ограждениями.

1.2. Оборудование трансформаторных подстанций

Приём электрической энергии и дальнейшее её распределение на подстанциях и в распределительных устройствах осуществляется главными шинами, которые укрепляются на фарфоровых изоляторах. Шины для закрытых распределительных устройств (ЗРУ) 6…10 кВ – это обычно алюминиевые полосы прямоугольного поперечного сечения, окрашенные в различные цвета; фаза 1 – в жёлтый, фаза 2 – в зелёный, фаза 3 – в красный цвет.

Электрические линии присоединяются к главным шинам с помощью выключателей, разъединителей и т.д. все электрические соединения подстанций и распределительных устройств обычно изображаются в виде однолинейных схем, на которых условными обозначениями показываются основные элементы установки (выключатели, предохранители и т.д.)

В электрооборудование подстанции входят также измерительные трансформаторы и устройства автоматического контроля, управления и защиты. Измерительные трансформаторы применяют для включения измерительных приборов и обмоток реле защиты и управления.

К устройствам защиты и коммутации, устанавливаемые на подстанциях, относятся выключатели мощности, выключатели нагрузки, предохранители, реакторы и разрядники.

На рис. 1.2 показана однолинейная схема трансформаторной подстанции небольшой мощности.

Выключатели нагрузки предназначены для выключения и отключения электрических цепей только в условиях нормального режима работы. Дугогасительным устройством выключателя нагрузки является пластмассовая разъёмная камера с вкладышем из органического стекла, внутри которого перемещается подвижной нож дугогасительной системы выключателя.

Рис. 1.2. схема трансформаторной подстанции небольшой мощности:

1 - высоковольтный кабель; 2 - разъединитель; 3 - плавкие предохранители высокого напряжения; 4 - силовой трансформатор; 5 - трансформатор тока; 6-рубильники  или выключатели; 7 - сборные шины низкого напряжения; 8 - рубильники; 9 - плавкие предохранители низкого напряжения; 10 - кабели к нагрузке.

В нижней части камеры находится неподвижный нож дугогасительной системы. При отклонении расходятся сначала рабочие контакты, а затем контакты дугогасительной системы, между которыми возникает дуга. Под действием высокой температуры из стенок вкладыша выделяются газы (в основном водород), потоки которых гасят дугу. Выключатели нагрузки снабжаются плавкими предохранителями, защищающими цепь от перегрузок и коротких замыканий.

Для защиты силовых цепей до 35 кВ применяют плавкие предохранители с кварцевым заполнением (КП), состоящие из фарфоровой трубки, внутри которой помещены плавкие вставки. Трубку засыпают кварцевым песком, способствующим гашению дуги, возникшей при перегорании предохранителя.

В установках высокого напряжения разъединители отключают и переключают цепи, находящиеся под напряжением, например при ремонте. Выключать разъединитель под нагрузкой нельзя, так как на ножах разъединителя появляется устойчивая дуга, которая может послужить причиной аварий. Устройства разъединителя подобно устройству рубильника.

Реактор – это индуктивная катушка без стального сердечника, состоящая из нескольких витков изолированной медной проволоки большого поперечного сечения. Реакторы ограничивают токи коротких замыканий; имеют большое индуктивное и малое активное сопротивление.

На тех станциях и подстанциях, где применяют реакторы, можно устанавливать более дешёвую и простую аппаратуру, рассчитанную на меньшие токи короткого замыкания, также прокладывать кабели и шины меньшего сечения. Это значительно снижает стоимость распределительного устройства и повышает надёжность его работы.

Разрядник защищает электротехнические устройства от перенапряжений, т.е. от напряжений, превышающих номинальное. Напряжение увеличивается за счёт электромагнитных процессов, связанных с грозовыми разрядами или процессами, сопутствующими включениям, выключениям, замыканиям на землю, коротким замыканиям между фазами и т.п. Разрядник включают между проводом и землёй. Он служит для соединения с землёй провода, в котором возникло перенапряжение. В искровом промежутке разрядника при перенапряжении возникает электрическая дуга. По окончании перенапряжения дуга гаснет, и разрядник вновь не пропускает тока. Последовательно с разрядниками включают сопротивления, уменьшающие току через разрядник и гасящие дуги при снижении напряжения до номинального.

1.3. Аккумуляторы

Аккумулятором называют химический источник тока многократного действия. При разряде аккумулятора химическая энергия активных веществ, входящих в состав катода, анода и электролита, преобразуется в электрическую энергию, при этом активные вещества превращаются в продукты разряда. При заряде аккумулятора подводимая электрическая энергия расходуется на регенерацию продуктов разряда.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотными и щелочными.

В кислотных аккумуляторах электролитом служит водный раствор  серной кислоты (Н₂SO₄), в котором некоторая часть молекул последней распадается на положительные ионы водорода (Н₂+) и отрицательные ионы кислотного остатка (SO₄--). При этом раствор в целом остаётся электрически нейтральным.

При погружении в электролит пластины из чистого свинца положительные ионы (Pb++) переходят в раствор электролита. Часть этих ионов, вступая в реакцию с ионами кислотного остатка, образуют нейтральные молекулы сульфата свинца (PbSO₄), оседающего на пластине, что повышает концентрацию положительных ионов водорода в электролите. Сама пластина ввиду избытка электронов заражает отрицательно (отрицательный электрод).

Если в электролит погрузить вторую пластину из диоксида свинца (PbO₂), то ввиду повышенной концентрации ионов водорода диоксид свинца частично переходит в раствор, образуя положительные четырёхвалентные ионы свинца (Pb++++) и отрицательные ионы гидроксида (НО-). Сама пластина из-за избытка положительных ионов свинца заряжается положительно (положительный электрод). Повышение концентрации серной кислоты увеличивает потенциалы положительного и отрицательного электродов относительно электролита.

Электродвижущая сила Е такого простейшего аккумулятора определяется разностью равновесных потенциалов положительного и отрицательного электродов относительно электролита и не зависит от размеров и конструкции самих электродов.

При подключении к аккумулятору нагрузки под действием ЭДС во внешней цепи будет протекать ток, обусловленный перемещением электронов от отрицательного электрода, присоединяя на свой внешний энергетический уровень по два электрона, становятся двухвалентными ионами, которые, вступая в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка, образуют молекулы сульфата свинца. При уменьшении числа  электронов на отрицательном электроде нарушается равновесное состояние,  в результате чего новые положительные ионы свинца (Рb++) переходят в раствор электролита и вступают в реакцию с ионами кислотного остатка. Ток внутри аккумулятора обусловлен перемещением положительных ионов водорода к положительному электроду. При этом в результате взаимодействия ионов водорода с отрицательными ионами гидроксида образуются молекулы воды. Следовательно, при разряде аккумулятора на обоих электродах выделяется сульфат свинца и уменьшается плотность электролита. При заряде аккумулятора сульфат на одном электроде превращается в свинец, а на другом – в диоксид свинца РbО₂, причём концентрация Н₂SO₄ в электролите повышается.

Протекающие в кислотных аккумуляторах обратимые процессы можно изобразить следующим образом: Pb+РbО₂+2H₂SO₄Û2PbSO₄+2H₂O. При разряде равновесие сдвигается слева направо, а при заряде справа налево. Кроме того, при заряде на отрицательном электроде возможно восстановление ионов водорода и образование газообразного водорода.

Электродвижущая сила полностью заряженного кислотного аккумулятора, зависящая от плотности электролита, лежит в пределах 2,06…2,15 В. плотность электролита заряженного аккумулятора составляет 1,21…1,3 г/см³. Верхний уровень плотности относится к стартерным аккумуляторам, эксплуатируемым в зимнее время. Изменение температуры незначительно влияет на ЭДС. Повышение температуры на 10°C увеличивает ЭДС на 0,002…0,003 В.

При разряде аккумулятора напряжение между его выводами всегда меньше ЭДС за счёт падения напряжения на омическом сопротивлении и поляризации электродов. Омическое сопротивление аккумулятора, представляющее собой сумму омических сопротивлений электролита, электродов и других токоведущих частей, не зависит от силы разрядного тока. Под поляризации электрода понимают разность между потенциалом электрода относительно электролита при разряде (или заряде) и его значением при равновесии. Отношение суммы поляризации положительного и отрицательного электродов к силе разрядного тока называется поляризационным сопротивлением. Это сопротивление зависит от силы тока. Внутреннее сопротивление аккумулятора при разряде r_р представляет собой сумму поляризационного и омического сопротивлений.

Поляризация аккумулятора связана, прежде всего, с изменением плотности электролита непосредственно у электродов, так как образование сульфата свинца, имеющего существенно больший объём по сравнению со свинцом или диоксидом свинца, затрудняет диффузию серной кислоты к активной массе электродов. Уменьшение плотности электролита непосредственно у пластин тем больше, чем больше разрядный ток. Кривые изменения напряжения во времени при разряде и заряде неизменным током показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Напряжение и ЭДС кислотного аккумулятора при разряде и заряде.

Как видно из рис. 1.3, разрядное напряжение быстро спадает до 2,0 В, затем медленно понижается до 1,8 В, после чего наблюдается резкое снижение напряжения. Предельное значение разрядного напряжения, до которого можно разряжать аккумулятор стационарного типа, составляет 1,8 В для режимов разряда не короче одночасового (аккумуляторов типа СН для режимов разряда не короче трёхчасового) и 1,75 В для более коротких режимов разряда. Дальнейший разряд приводит к образованию крупнокристаллического сульфата свинца на пластинах, что исключает возможность последующего эксплуатационного заряда аккумулятора. Номинальным напряжением принято считать напряжение 2,0 В.

Количество электричества (А×ч), которое может отдать полностью заряжённый аккумулятор при нормальных условиях разряда, указанных для него, называется номинальной ёмкостью.

Под номинальной ёмкостью стационарных аккумуляторов, применяемых на предприятиях связи, понимают то количество электричества, которое он может отдать при 10 – часового режима разряда (СЦ) неизменном токе и температуре электролита +25°С (для аккумуляторов типа СН принята температура +20°С). Величина тока 10 - часового режима разряда численно равна частному от деления номинальной ёмкости на 10.

Ёмкость аккумулятора зависит от его конструкции, количества активных материалов и режима разряда (тока разряда и температуры окружающей среды). При увеличении разрядного тока ёмкость, которую может отдать аккумулятор до достижения его предельного разрядного напряжения, уменьшается, так как при этом возрастают его поляризации и омические потери (например, для аккумулятора типа СН номинальной ёмкостью С₁₀=72А×ч при часовом режиме разряда током 18 А завод – изготовитель гарантирует ёмкость С₃=54А×ч). Поляризация и омическое сопротивление аккумулятора возрастают также с понижением температуры электролита.

Под удельной ёмкостью аккумулятора понимают отношение его номинальной ёмкости к объёму или массе. Под энергией аккумулятора А понимают произведение его ёмкости С на среднее напряжение при разряде U_cp(A=Cu_cp). Отношение энергии аккумулятора, которую он отдаёт при разряде, к энергии, необходимой для его заряда А₃ при определённых условиях, называется отдачей по энергии (КПД аккумулятора).

При заряде кислотного аккумулятора неизменным по величине током напряжение его сравнительно быстро возрастает до 2,10…2,15 В (рис. 1.3). Затем напряжение медленно растёт до 2,3…2,35 В по мере восстановления активной массы пластин и повышении плотности электролита. При напряжениях выше 2,4…2,5 В начинается бурное выделение водорода и кислорода, связанное с электролизом воды. К концу заряда, когда ворсстановление активных масс пластин закончено, энергия заряда расходуется только на электролиз воды. При этом напряжение на аккумуляторе остаётся неизменным.

Температура электролита существенно влияет на напряжение во время его заряда. Понижение температуры, вызывающее увеличение его внутреннего зарядного сопротивления, приводит к повышению напряжения на нём. Следует отметить, что при низких температурах (близких к нулевой) не удаётся осуществить заряд кислотного аккумулятора, так как напряжение на нём сразу возрастает до значения, при котором начинается электролиз воды.

В отключённом состоянии (без нагрузки) заряженный аккумулятор теряет часть запасной им ёмкости. Это явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора увеличивается с повышением плотности электролита и его температуры.

На предприятиях связи в настоящее время находят широкое применение, как стационарные кислотные аккумуляторы, так и стартёрные.

Каждый кислотный аккумулятор состоит из сосуда, изготовленного из кислотоустойчивого материала (стекло, пластмасса, деревянные сосуды, выложенные внутри свинцом), положительного и отрицательного электродов (пластин), разделителей между ними – сепаратов, электролита и токоведуших частей.

В стационарных аккумуляторах открытого типа С и СК, не имеющих крышек, электролит непосредственно соприкосается с окружающим воздухом. Такие аккумуляторы требуют частой доливки воды и хорошо вентилируемого помещения. Положительными электродами в них служат поверхтностные пластины, т.е. работающие за счёт своего поверхностного слоя. Такой электрод состоит из свинцовой пластины, на погверхности которой электрически формируется слой активной массы (PbO₂). Для увеличения активной поверхности положительные пластины имеют ребристую форму. Отрицательными электродами в этих аккумуляторах служат коробчатые пластины. Пластины этого типа представляют собой решётку, в ячейках которой помещается активная масса. Для предотвращения выпадания активной массы из ячеек пластины закрываются перфорированными свинцовыми листами.

В стационарных аккумуляторах закрытого типа положительные и отрицательные электроды представляют собой пастированные пластины (аккумуляторы типа СН). В пастированных электродах активная масса удерживается в решётке из свинцово-сурьямного сплава толщиной 1…4 мм. Аккумулятор типа СН имеет в крышке специальную пробку, задерживающую аэрозоли серной кислоты.

В аккумуляторах несколько отрицательных пластин соединяют параллельно. Между ними помещают положительные пластины, также соединённые параллельно. Параллельное соединение одноимённых пластин позволяет увеличить ёмкость аккумулятора. Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна пластина, площадь которой равна сумме площадей, проницаемых для раствора электролита (из вулканизированного каучука – мипор, поливинилхлорида – мипласт и стекловолокна).

В условных обозначениях стационарных аккумуляторов открытого типа буква С обозначает «стационарный», две буквы СК указывают, что аккумуляторы пригодны для коротких режимов разряда большими токами. Число, стоящее после букв, указывает номер аккумулятора (С10=5328 А×ч). минимальное время разряда аккумуляторов типа СК составляет 0,5 ч. при этом разрядный ток не должен превышать 25 А. на номер аккумулятора. Следовательно, допустимый разрядный ток аккумулятора СК-148 при длительности разряда 0,5 ч составит 148х25=3700 А, а ёмкость, которую он при этом может отдать, С0,5=0,5х3700=1850 А×ч. удельная энергия аккумуляторов типа С и СК составляет 10…23 Втч/кг. Промышленность выпускает аккумуляторы типа С и СК ёмкостью от 36 до 5328 А×ч (45 типов).

В условном обозначении аккумуляторов закрытого типа СН, выпускаемых в Югославии цифры указывают не номер аккумулятора, а непосредственно его номинальную ёмкость С10 (аккумуляторы типа СН72…СН-1152). Эти аккумуляторы имеют несколько лучшие удельные показатели по сравнению с аккумуляторами типа СК и также пригодны для коротких режимов разряда.

В настоящее время на предприятиях связи применяется в основном один способ эксплуатации батарей, составленных из аккумуляторов типа С, СК и СН – непрерывный подзаряд. При этом способе эксплуатации в условиях нормального электроснабжения (при наличии сети переменного тока) аппаратура питается от этих выпрямительных устройств. Полностью заряженная аккумуляторная батарея получает непрерывный подзаряд от этих выпрямительных устройств или от отдельного стабилизированного выпрямительного устройства (для компенсации саморазряда). Напряжение содержания (непрерывного подзаряда) аккумуляторной батареи определяется в зависимости от числа последовательно соединённых аккумуляторов из условия обеспечения напряжения 2,2 В±2% на аккумулятор. При этом ток подзаряда I£0,03N (А), где N - индексовый номер аккумулятора.

В настоящее время в основном применяются послеаврийный (после её разряда на нагрузку) заряд батарей в две степени. На первой ступени заряд осуществляется стабильным зарядым током Iзар<0,25xC10 до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не повысится до 2,30…2,35 В. На этой ступени заряда аккумулятор получает основной заряд энергии. Вторая ступень заряда происходит при стабильном напряжении 2,2 В на аккумулятор. Заряд считается законченным, когда зарядный ток спадает до 0,02…0,03 А на индексовый номер аккумулятора.

В переносной аппаратуре связи, а также на сельских АТС небольшой ёмкости, применяются щелочные аккумуляторы, которые в отличие от кислотных, могут эксплуатироваться при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Наибольшее применение находят щелочные никель-кадмивые (НК) и никель-железные (НЖ) аккумуляторы. Активная масса положительных электродов состоит из гидроксида никеля (NiOOH), активная масса отрицательных электродов – соответственно из кадмия или железа. Электролитом служит раствор гидроксида калия КОН плотностью 1190…1210 кг/м³ с добавкой 20 г/л гидроксида лития (LiOH). Ёмкость НК-аккумуляторов при температуре – 20°С составляет не менее 0,6 номинальной ёмкости.

НК и НЖ-аккумуляторы чаще всего выполняются сламельными электродами. Ламели – плоские коробочки из стальной никелированной перфорированной ленты, в которые набивают активную массу. Ламели закрепляют в рамки. Они образуют пластины электродов. Аккумуляторы, помещённые либо в стальные никелированные, либо в полиэтиленовые сосуды, представляют собой аккумуляторы закрытого типа (подобно кислотным аккумуляторам типа СН). В аппаратуре связи находят применение также герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы безламельными электродами. Герметичные аккумуляторы разделяют на дисковые (обозначаются Д), цилиндрические (ЦНК) и удельными значениями ёмкости и энергии, меньшим значением внутреннего сопротивления. Однако по сроку службы они уступают ламельным аккумуляторам.

Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных, у полностью заряженного НК-аккумулятора ЭДС составляет 1,30...1,35 В; у НЖ-аккумулятора – 1,35…1,40 В. Кривые изменения напряжения на зажимах НК-аккумулятора при его разряде и заряде показаны на рис 1.4.

Рис. 1.4. Напряжение щелочного

аккумулятора при разряде и заряде.

Номинальное напряжение НК-аккумулятора составляет 1,2 В, напряжение в конце разряда – 1 В, конечное напяжение заряда – 1,75…1,8 В.

НЖ-аккумуляторы, по сравнению с никель-кадмиевыми, характеризуются большим внутренним сопротивлением, меньшими удельными ёмкостью и энергией и большим саморазрядом. Кроме того, заряд НЖ-аккумуляторов должен производиться относительно большими зарядными токами, что делает их непригодными для эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда.

В современной технике находят применение щелочные серебрянно-цинковые аккумуляторы, активныпи веществами в которых являются оксид серебра (AgO) и цинк, электролитом – раствор КОН. СЦ-аккумуляторы характеризуются высокой удельной энергией (до 130 Вт×ч/кг), малым внутренним сопротивлением (тысячные доли ома) и малым саморазрядом. Номинальное их напряжение равно 1,5 В. недостатками СЦ-аккумуляторов являются высокая стоимость и малый срок службы (10…100 циклов заряда – разряда).

Контрольные вопросы к разделу 1 «Источники электроснабжения».

Рекомендуем посмотреть лекцию "А. А. Фет, как поэт чистого искусства".

1. Энергетическая система и её состав.

2. Назначение трансформаторных подстанций и их оборудование.

3. Электроснабжение предприятий связи.

4. Комплектные трансформаторные подстанции и распределительные устройства.

5. Химические источники тока (кислотные и щелочные аккумуляторы).

6. Номинальная и удельная ёмкости аккумулятора.