Kolik voltů je ve skutečnosti v elektrické zásuvce (v elektrické síti)?
Třída napětí — je typická hodnota síťového (fázového) napětí v elektrických sítích, která je jmenovitá pro různé skupiny zařízení: transformátory, vedení, generátory, reaktory atd. Třída napětí určuje požadovanou úroveň elektrické izolace elektrických zařízení. Pořadí třídy napětí určuje účely a úkoly, pro které se toto zařízení používá. Zejména nízké napětí se používá k distribuci energie mezi malými spotřebiteli na krátké vzdálenosti, střední třídy — k distribuci energie mezi průměrnými spotřebiteli a skupinami spotřebitelů na střední vzdálenost, vysoké a ultravysoké třídy — k distribuci energie mezi velkými spotřebiteli a k přenosu energie na velké vzdálenosti. Jinými slovy, třídy nízkého a středního napětí jsou typické pro distribuční sítě, zatímco vysoké a ultravysoké třídy — pro systémotvorné sítě propojující jednotlivé energetické systémy.
Řada standardních napěťových tříd představuje sadu diskrétních hodnot.
Energetická soustava v různých napěťových třídách
Na úsvitu elektroenergetického průmyslu, kdy ještě neexistovala myšlenka jednotných energetických systémů, se elektrické sítě používaly izolovaně v jednotlivých podnicích, podobně jako se dříve používaly mechanické přenosové systémy. Každý podnik se snažil vybudovat si vlastní stanici a samostatně ji spravovat. Myšlenku elektrárny jako nezávislého zařízení, zaměřeného výhradně na výrobu a prodej elektřiny jako komodity, navrhl jako jednu z prvních Samuel Insull [1]. A pokud dříve pro potřeby průmyslu postačovaly třídy nízkého napětí, které se mohly lišit, protože neexistoval úkol společného provozu podniků, nyní v nové realitě vyvstaly dvě klíčové otázky: jak přenášet energii z elektráren k několika spotřebitelům najednou – problém vzdálenosti zdrojů elektřiny od oblastí spotřeby, a jak zajistit napěťovou kompatibilitu všech používaných instalací?
Pokud byl druhý problém z hlediska elektroenergetiky vyřešen relativně jednoduše: byla zavedena norma pro napěťové třídy, která zajistila jejich kompatibilitu, pak se první z nich naopak ukazuje jako extrémně složitý, protože přenos na velkou vzdálenost vytváří několik inženýrských problémů najednou. Hlavní jsou uvedeny níže:
Čím vyšší napětí, tím menší ztráty výkonu.Tento vzorec je dobře popsán vzorcem pro ztráty v síťovém prvku založeným na parametrech konce přenosu:
kde [math]Deltadot[/math] — ztráty výkonu při přenosu, MVA; [math]P[/math] , [math]Q[/math] — výkon na konci přenosu, MW a MVAr; [math]V[/math] — modul napětí na konci přenosu, kV; [math]R[/math] , [math]X[/math] — činný a jalový odpor přenosu, Ohm. Tento vzorec jasně ukazuje, že při přenosu jednoho výkonu se zvyšujícím se napětím ztráty výkonu kvadraticky snižují.
Čím vyšší napětí, tím vyšší je limit přenosu výkonu.Pro jakýkoli přenos existuje limit přenášeného činného výkonu, určený statickou stabilitou, která je v nejjednodušším případě, na základě rovnice úhlové charakteristiky přenosu, určena následujícím výrazem:
[math]style zobrazení P_ = frak,[/math]kde [math]U_1, U_2[/math] jsou napětí na koncích přenosu, kV; [math]X[/math] je jalový odpor přenosu, Ohm; [math]P_[/math] je limit přenášeného výkonu přenosu, MW. Je snadné vidět, že se zvyšujícím se napětím se limit přenášeného výkonu kvadraticky zvyšuje.
Nejracionálnější napěťová třída z hlediska minimálních ztrát a kapitálových investic se určuje ve fázi dlouhodobého plánování provozních režimů elektrické sítě.
- Třída ultravysokého napětí – od 1000 kV.
- Třída ultravysokého napětí – od 330 kV do 750 kV.
- Třída vysokého napětí – od 110 kV do 220 kV.
- Třída středního napětí – od 1 kV do 35 kV.
- Nejnižší napěťová třída – do 1 kV.
Maximální přípustná pracovní napětí překračují jmenovité hodnoty o 15 % [math](U_>le 220text< kV>)[/math], o 10 % [math](220 lt U_>le 500text< kV>)[/math] a o 5 % [math](500 l U_>text< kV>)[/math]. Jmenovitá napětí generátorů a sekundárních vinutí transformátorů jsou volena o 5–10 % vyšší než jmenovitá napětí spotřebičů, vedení pro přenos energie a primárních vinutí transformátorů, aby se usnadnilo udržení jmenovitého napětí u spotřebičů.
| Napěťové třídy | ||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Třída napětí, kV | 0,22 | 0,38 | 0,66 | 3 | 6 | 10 | 13,8 | 15,75 | 18 | 20 | 35 | 110 | 150 | 220 | 330 | 500 | 750 | 1150 |
| Maximální přípustné pracovní napětí, kV | 0,253 | 0,437 | 0,759 | 3,6 | 6,9 | 11,5 | 15,87 | 18,11 | 20,7 | 23 | 40,5 | 126 | 172 | 252 | 363 | 525 | 787 | 1207,5 |
| Elektrické sítě, kV | 0,22 | 0,38 | 0,66 | 3 | 6 | 10 | – | – | – | 20 | 35 | 110 | 150 | 220 | 330 | 500 | 750 | 1150 |
| Generátor, kV | 0,23 | 0,4 | 0,69 | 3,15 | 6,3 | 10,5 | 13,8 | 15,75 | 18 | 20 | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Primární vinutí transformátoru, kV | 0,22 | 0,38 | 0,66 | 3; 3,15 | 6; 6,3 | 10; 10,5 | 13,8 | 15,75 | 18 | 20 | 35 | 110; 115 | 150; 158 | 230 | 330 | 500 | 750 | 1150 |
| Sekundární vinutí transformátoru, kV | 0,23 | 0,4 | 0,69 | 3,15; 3,3 | 6,3; 6,6 | 10,5; 11 | – | – | – | 22 | 36,75; 38,5 | 115; 121 | 158; 165 | 242 | 347 | 525 | 787 | – |
Zohlednění neutrálního provozního režimu
Při výpočtu zkratů je třeba věnovat zvláštní pozornost napěťové třídě, protože provozní režim neutrálu v síti se může v závislosti na třídě lišit. Zejména u tříd nízkého a středního napětí je neutrál ve velké většině případů izolován – to umožňuje s odpovídajícími náklady na zvýšenou úroveň izolace usnadnit provozní režim sítě, a to prakticky eliminovat faktor jednofázových zkratů, které jsou nejpravděpodobnější v sítích všech úrovní, ale s izolovaným neutrálem nepředstavují významnou hrozbu a co je nejdůležitější, nevedou k narušení napájení spotřebitelů [2]. Pro kalkulačku by tedy napěťová třída v této situaci měla alespoň naznačovat potřebu objasnit stav neutrálu a zohlednit tento faktor v dalších výpočtech.
Zvýšené napětí základního uzlu
V mnoha praktických výpočtech se lze setkat s tím, že napětí základního uzlu je nastaveno vyšší a zřídka se shoduje s nominální hodnotou. Zejména pro sítě 110 kV je hodnota 115 (121) kV, pro sítě 220 kV – 230 (242) kV. Pro tuto skutečnost může existovat několik vysvětlení.
V první řadě to může být způsobeno tím, že v souladu s pokyny pro výpočet zkratů je při zohlednění napájecího proudu z externí sítě nutné nastavit napětí této sítě o 5 % vyšší než jmenovité. Toto opatření má za cíl záměrně nadhodnotit vypočítaný zkratový proud, aby se eliminovala nejistota spojená se složením zařízení a režimem externí sítě.
Druhé vysvětlení je méně přesvědčivé než první, ale má zcela logický základ. Základní uzel je zpravidla nastaven na sběrnice výkonné elektrárny v oblasti, nebo na sběrnice rozvodny vysokého nebo velmi vysokého napětí, která spojuje oblast s externí soustavou. Výpočtové zkušenosti naznačují, že ve většině případů proudí energie ze základního uzlu, a nikoli naopak. Na začátku přenosu je opět zpravidla napětí vyšší než na přijímacím konci a v elektrárně je napětí v normálním režimu vyšší než u spotřebičů. Záměrné nadhodnocení napětí základního uzlu má tedy odrážet uvedenou fyzikální zákonitost.
Barevné kódování napěťových tříd
V domácí praxi výpočtů a řízení energetických systémů je při grafickém zobrazování elektrických obvodů sítí a systémů obvyklé používat jednotné barevné označení napěťových tříd. Současně existuje několik norem a několik variant barevných schémat napěťových tříd, zejména si zaslouží pozornost Norma Jednotného energetického systému a Norma Federální energetické společnosti Jednotného energetického systému. Níže uvedené tabulky uvádějí obecně přijímaná barevná označení různých napěťových tříd podle těchto norem [3] [4].
| Barevné schéma dle standardu SO EES | ||
|---|---|---|
| Třída napětí | Vzorek barvy | Barva v systému RGB |
| 1150 kV | 205:138:255 | |
| 750 kV (800 kV PPT) | 065:065:240 | |
| 500 kV | 184:000:000 | |
| 400 kV (elektrické vedení, obvody PPT) | 135:253:194 | |
| 330 kV | 000:204:000 | |
| 220 kV | 204:204:000 | |
| 128:128:000 | ||
| 150 kV | 170:150:000 | |
| 110 kV | 070:153:204 | |
| 27 – 60 kV | 194:090:090 | |
| 6 – 24 kV | 164:100:164 | |
| Napětí generátoru | 204:100:204 | |
| Žádné napětí | 204:204:204 | |
| 150:150:150 | ||
| Uzemněn | 255:153:000 | |
| Přetížení | 255:000:000 | |
| Neznámý | 140:140:140 | |
| Barevné schéma dle standardu FGC UES | ||
|---|---|---|
| Třída napětí | Vzorek barvy | Barva v systému RGB |
| 1150 kV | 205:138:255 | |
| 750 kV (800 kV PPT) | 000:000:200 | |
| 500 kV | 165:015:010 | |
| 400 kV | 240:150:30 | |
| 330 kV | 000:140:000 | |
| 220 kV | 200:200:000 | |
| 150 kV | 170:150:000 | |
| 110 kV | 000:180:200 | |
| 35 kV; 20 kV | 130:100:050 | |
| 10 kV | 100:000:100 | |
| 6 kV | 200:150:100 | |
| až 1 kV | 190:190:190 | |
| Napětí generátoru | 230:070:230 | |
| Výpadek napájení | 255:255:255 | |
| Uzemnění, oprava | 205:255:155 | |
Rozdíl v paletách, jak je snadno vidět, není dramatický a nebrání použití žádné z nich, ale možnost navržená normou FSK předpokládá práci v softwarovém balíčku s černým pozadím, díky čemuž se navrhuje zobrazovat oblasti bez napájení bílou barvou. Orientace na barevné schéma normy SO UES je tedy pro rutinní výpočty pohodlnější. Požadavky na třídy napětí je nutné striktně dodržovat pouze při přímé spolupráci s příslušnými organizacemi.
- ↑ Carr N. „Velká transformace: Co nám cloudová revoluce přinese.“ — M., 2014. — S. 137.
- ↑ Rozhkova L. D., Kozulin V. S. Elektrická zařízení stanic a rozvoden: učebnice pro odborné školy – 2. vydání, přepracované. – M.: Energia, 1980. – S. 600.
- ↑Norma SO UES. STO 59012820.27.010.003-2015. Pravidla pro zobrazování technologických informací.
- ↑Norma FGC UES. STO 56947007-25.040.70.101-2011. Pravidla pro grafické zobrazení informací pomocí PTC a APCS.
Kolik voltů je vlastně v zásuvce? Zvláštní otázka – řekne si čtenář. Každý ví, kolik: 120 V (220 V). A abych byl naprosto přesný, 127 V (240V).
Je to pravda? Sestavili jsme usměrňovač pomocí nejjednoduššího schématu; je to znázorněno na Obr. 1. V obvodu není transformátor, nedochází k nárůstu napětí. Proto máme právo očekávat, že napětí na výstupu usměrňovače pracujícího bez zátěže se bude rovnat síťovému napětí, tedy 127 V.
Usměrňovač je připojen k síti. Vezmeme vysokoimpedanční stejnosměrný voltmetr a připojíme jej na výstupní svorky usměrňovače. Voltmetr ukazuje. 179 c.
Odkud se vzalo těchto 179 in? Možná došlo k náhodnému přepětí v síti. Občas se totiž stává, že žárovky hoří nadměrně jasně, se zjevným přehříváním. Pro kontrolu zkusme opatrně zapojit elektrický sporák na 127 voltů (obr. 2). Jak se bude zahřívat?
Zapnul jsem to. Žádné náznaky přehřívání. Dlaždice normálně svítí oranžově-červeným světlem. Soudě podle svitu dlaždice je normální napětí v síti 127 V.
Rýže. 1, 2, 3. Dioda, desítka, můstkový obvod prvků usměrňovače.
Kde se vzalo tak vysoké napětí na výstupu usměrňovače?
Zkusme to pro kontrolu změřit jiným způsobem. Sestavíme můstkový obvod z prvků usměrňovače a připojíme k němu náš vysokoodporový voltmetr, jak je znázorněno na Obr. 3. Po pečlivé kontrole obvodu jej opět zapneme do sítě. Dostáváme nové číslo. 114 palců!
Začíná to být zajímavé. Bez ohledu na to, co měříte, je tu nové číslo. Zkusme ještě jedno schéma. Právě jsme provedli měření pomocí celovlnného obvodu (obr. 3); Nyní sestavme půlvlnný usměrňovací obvod (obr. 4).
Rýže. 4, 5. Stejnosměrný voltmetr v síti střídavého napětí.
Sestaveno, zkontrolováno, zapnuto. 57 V! Ručička voltmetru se nechce posunout dále, ale naše kontrolní destička dál normálně svítí; Kontrolka zapnutá pro testování se také rozsvítí při normálním jasu.
co můžeme dělat? Možná zkuste zapojit náš voltmetr přímo do sítě. Jeho stupnice je určena pro napětí do 500 V, takže se nezalekne ani 127 V, ani těch podezřelých 179 V, které jsme dostali při prvním měření.
Ale voltmetr připojený k síti nic neukazuje. Jeho ručička nadále stojí na nule, respektive se kolem nuly „třese“ (obr. 5).
Udělali jsme tedy pět pokusů různými způsoby určit síťové napětí a obdrželi jsme pět různých výsledků: 179 V, 127 V, 114 V, 57 V a nula – nula chvění.
A právem si můžeme znovu položit stejnou otázku, kterou jsme začali, která se zdála být tak jednoduchá a která se tak nečekaně a podivně zkomplikovala.
Kolik voltů je nakonec v síti?!
Střídavý proud
Víme, že v naší světelné síti protéká střídavý proud. Co je to střídavý proud a proč se tak nazývá?
Ve stejnosměrné síti funguje stále stejné konstantní napětí. V AC síti, jak název napovídá, není napětí konstantní. Neustále se mění.
V určitém okamžiku není v síti žádné napětí, napětí je nulové. V příštím okamžiku se napětí objeví, vzroste, dosáhne nějaké maximální hodnoty, pak se sníží, klesne na nulu, znovu vznikne, ale s opačným znaménkem opět dosáhne maxima atd.
V souladu s tím se mění i velikost proudu v síti. V určitých okamžicích není v síti žádný proud, pak vzniká, dosahuje maxima, klesá a dosahuje nuly. Poté se proud znovu objeví, ale v důsledku změny polarity * síťového napětí teče v opačném směru.
Rýže. 6. Charakter změn proudu a napětí.
Tyto změny hodnot napětí a proudu nejsou chaotické. Vyskytují se podle přesně definovaného zákona. Charakter změn proudu a napětí lze graficky znázornit křivkou zvanou sinusovka (obr. 6). To je přesně křivka, která se objeví na obrazovce osciloskopu s katodovou trubicí při studiu střídavého proudu.
Tato křivka je konstruována takto. Na svislé ose je vynesena velikost napětí nebo proudu i a na vodorovné ose čas t (obr. 6). Každý bod na křivce bude odpovídat určité hodnotě napětí nebo proudu v daném čase, například t1 nebo t2.
Tyto jednotlivé hodnoty střídavého napětí nebo proudu se nazývají okamžité a jsou označeny u1, u2 (nebo i1 i2). Největší (maximální) hodnoty napětí a proudu, kterých dosáhnou dvakrát za celou dobu T jejich změny, se nazývají amplituda nebo maximální hodnoty. Jsou označeny Um a jám.
Vidíme, že napětí a proud v síti neustále mění svou hodnotu. Proč stále vyjadřujeme střídavé napětí určitým číslem, když říkáme, že síťové napětí je 127 nebo 220 V?
Stejnosměrný i střídavý proud vyrábí práci, např. může rozžhavit vlákno osvětlovací lampy, spirálu elektrického sporáku atd. Snadno určíme práci, kterou vyrobí stejnosměrný proud o napětí řekněme 127 V .
Je zřejmé, že bude vhodné porovnat provoz střídavého proudu s provozem stejnosměrného proudu. Hodnoty stejnosměrného napětí a proudu, které produkují stejnou práci, účinek, akci jako určitá střídavá napětí a proudy, se nazývají efektivní nebo efektivní hodnoty daného střídavého proudu.
Hodnota efektivní hodnoty střídavého napětí U je samozřejmě menší než hodnota amplitudy; je určeno následujícím vztahem:
V souladu s tím efektivní hodnota střídavého proudu
Z těchto vztahů můžeme zjistit, čemu se rovnají hodnoty amplitud napětí nebo proudu, pokud známe jejich efektivní hodnoty. Například hodnota amplitudového napětí
Pokud je efektivní hodnota střídavého napětí 127 V, bude jeho hodnota amplitudy rovna:
Jde o stejnou hodnotu, kterou jsme získali měřením napětí na výstupu usměrňovače v prvním případě. Nyní je nám to jasné. Vyhlazovací kondenzátor usměrňovače v okamžicích hodnoty amplitudy síťového napětí se samozřejmě nabíjí na toto napětí, ale nemůže se vybít, protože usměrňovač je bez zátěže a kondenzátor nelze vybít do sítě – kenotron Usměrňovač 1 má jednosměrnou vodivost.
Právě tuto hodnotu amplitudy ukazuje vysokoodporový voltmetr, který při spotřebě extrémně malého proudu nestihne vybít kondenzátor dříve, než dojde k dalšímu maximálnímu napětí.
Obvykle máme představu pouze o efektivní hodnotě síťového napětí, protože většina měřicích přístrojů je kalibrována a ukazuje přesně tuto hodnotu. A pokud bychom zapnuli střídavý voltmetr paralelně s dlaždicí, ukázal by 127 V.
V mnoha případech ale nesmíme zapomínat na jeho hodnotu amplitudy. Například kondenzátor připojený k síti střídavého proudu periodicky vykazuje napětí rovnající se hodnotám amplitudy.
Do sítě s napětím 127 V tedy nemůžeme připojit kondenzátor určený pro maximální napětí 150 V. Hodnoty amplitudového napětí v této síti dosáhnou 179 V a kondenzátor se samozřejmě rozbije.
Proč se ukázalo, že naše třetí zásuvka (obr. 3) nemá 179 nebo 127, ale pouze 114 V? Jaká je tato třetí hodnota napětí? Tato hodnota se nazývá průměr.
Průměrná hodnota střídavého proudu je hodnota nějakého stejnosměrného proudu, který je ekvivalentní danému střídavému proudu, ale ne z hlediska vykonané práce, ale z hlediska množství elektřiny procházející průřezem drátu.
Abychom našli průměrnou hodnotu proudu, můžeme sestrojit obdélník, který se o velikosti rovná ploše vyznačené sinusoidou. Jeho základna je rovna půlcyklu a jeho výška představuje průměrnou hodnotu proudu. To je znázorněno na Obr. 7.
Průměrnou hodnotu proudu nebo napětí lze vypočítat na základě velikosti amplitudy nebo efektivní hodnoty. Průměrná hodnota napětí, kterou označujeme Ucp, pro jeden půlcyklus sinusového střídavého proudu se rovná:
Z toho vyplývá, že
V tom, který je znázorněn na Obr. 3 obvod usměrňuje oba půlcykly střídavého proudu. Výchylka jehly magnetoelektrického zařízení je úměrná průměrné hodnotě proudu nebo napětí. Pomocí právě uvedených vzorců lze snadno vypočítat, že průměrná hodnota napětí bude 114 V.
Někdo se může ptát: proč v našem prvním případě voltmetr ukázal 179 V? To lze vysvětlit pouze tím, že usměrňovač znázorněný na Obr. 1 je na výstupu kondenzátor, který je nabitý na hodnotu amplitudy, ale v zapojení na obr. 3 žádný kondenzátor není.
Schéma na Obr. 4 se liší od schématu na Obr. 3 v tom, že je v něm rektifikována jedna půlperioda (obr. 8), a ne dvě. Ve výsledku tedy zařízením prochází poloviční proud než při celovlnném usměrnění a jeho odečet je poloviční, rovných 57 V.
Pokud se konečně náš přístroj, stavěný na měření stejnosměrného proudu, připojí na střídavou síť (obr. 5), pak nic neukáže. V tomto případě by se jeho šipka měla v čase se změnami směru střídavého proudu nejprve odchýlit jedním nebo druhým směrem, ale nemá na to čas, protože ke změnám dochází 100krát za sekundu (50 period). a ve skutečnosti se šíp jen chvěje, kmitá kolem nuly.
Jak odpovědět na otázku, která je v názvu článku: kolik voltů je v síti?
V AC síti není žádné specifické napětí, neustále se mění. V určitých okamžicích není v této síti vůbec žádné napětí. Pokud se dotknete vodičů sítě, „zasáhne“ napětí 179 V (amplituda), pokud páječku zapnete, zahřeje se stejně, jako se zahřívá ve stejnosměrné síti s napětím 127 V (efektivní hodnota) atd. Na naši otázku tedy nelze odpovědět pouze jedním číslem, bez definice.
Abychom byli přesní, musíme říci: efektivní síťové napětí je 127 V. Můžeme to říci jinak: hodnota amplitudy jeho napětí je 179 V. Bude to totéž, ale protože práce proudu je určena jeho efektivní hodnotou, musí být zařízení navržena na 127 V a transformátor přijímače napájeného z této sítě musí být také zapnutý na 127 V.
Všechny uvedené vztahy mezi různými hodnotami napětí budou také platné pro střídavou síť s jakýmkoli jiným napětím. Například hodnota amplitudového napětí v síti 220 V bude 310 V.
Zdroj: Burlyand V.A., Zherebtsov I.P. Čtečka pro radioamatéry. 1963