Reaktancja w elektrotechnice

Znany w elektrotechnice Prawo Ohma wyjaśnia, że ​​jeśli do końców odcinka obwodu zostanie przyłożona różnica potencjałów, to pod jej działaniem popłynie prąd elektryczny, którego siła zależy od oporu ośrodka.

Źródła napięcia przemiennego wytwarzają prąd w podłączonym do nich obwodzie, który może podążać za kształtem fali sinusoidalnej źródła lub być przesunięty do przodu lub do tyłu o kąt od niej.

Jeśli obwód elektryczny nie zmienia kierunku przepływu prądu, a jego wektor fazowy całkowicie pokrywa się z przyłożonym napięciem, wówczas taki odcinek ma czysto czynną rezystancję. Kiedy występuje różnica w rotacji wektorów, mówią one o reaktywnej naturze oporu.

Różne elementy elektryczne mają różną zdolność odchylania przepływającego przez nie prądu i zmiany jego wielkości.

Reaktancja cewki

Weź stabilizowane źródło napięcia prądu przemiennego i kawałek długiego izolowanego drutu. Najpierw podłączamy generator do całego prostego drutu, a następnie do niego, ale nawinięty wokół pierścieni obwód magnetyczny, który służy do poprawy przepływu strumieni magnetycznych.

Mierząc dokładnie prąd w obu przypadkach, można zauważyć, że w drugim eksperymencie nastąpi znaczny spadek jego wartości i przesunięcie fazowe pod pewnym kątem.

Wynika to z pojawienia się przeciwstawnych sił indukcji przejawiających się pod działaniem prawa Lenza.

Na rysunku przepływ prądu pierwotnego jest pokazany czerwonymi strzałkami, a generowane przez niego pole magnetyczne jest pokazane na niebiesko. Kierunek jego ruchu określa reguła prawej ręki. Przecina również wszystkie sąsiednie zwoje wewnątrz cewki i indukuje w nich prąd, pokazany zielonymi strzałkami, który osłabia wartość przyłożonego prądu pierwotnego, jednocześnie przesuwając jego kierunek względem przyłożonego pola elektromagnetycznego.

Im więcej zwojów jest nawiniętych na cewkę, tym bardziej reaktancja indukcyjna X.Lzmniejsza prąd pierwotny.

Jego wartość zależy od częstotliwości f, indukcyjności L, obliczonej ze wzoru:

xL= 2πfL = ωL

Pokonując siły indukcyjności, prąd cewki opóźnia się z napięciem o 90 stopni.

Rezystancja transformatora

To urządzenie ma dwie lub więcej cewek na wspólnym obwodzie magnetycznym. Jeden z nich pobiera energię elektryczną z zewnętrznego źródła i jest przesyłany do pozostałych zgodnie z zasadą transformacji.

Prąd pierwotny przepływający przez cewkę zasilającą indukuje strumień magnetyczny w obwodzie magnetycznym i wokół niego, który przecina zwoje cewki wtórnej i tworzy w niej prąd wtórny.

Ponieważ jest idealny do tworzenia projekt transformatora jest niemożliwe, wówczas część strumienia magnetycznego rozproszy się do otoczenia i spowoduje straty.Są one nazywane strumieniem wycieku i wpływają na wielkość reaktancji wycieku.

Do tego dodawany jest aktywny składnik rezystancji każdej cewki. Całkowita uzyskana wartość nazywana jest impedancją elektryczną transformatora lub jego złożony opór Z, powodując spadek napięcia na wszystkich uzwojeniach.

Dla matematycznego wyrażenia połączeń wewnątrz transformatora rezystancja czynna uzwojeń (zwykle wykonanych z miedzi) jest wskazywana indeksami „R1” i „R2”, a indukcyjność „X1” i „X2”.

Impedancja każdej cewki wynosi:

• Z1 = R1 + jX1;

• Z2 = R1 + jX2.

W tym wyrażeniu indeks dolny „j” oznacza jednostkę urojoną znajdującą się na pionowej osi płaszczyzny zespolonej.

Najbardziej krytyczny reżim pod względem rezystancji indukcyjnej i występowania składowej mocy biernej powstaje, gdy transformatory są połączone równolegle.

Rezystancja kondensatora

Strukturalnie obejmuje dwie lub więcej płytek przewodzących oddzielonych warstwą materiału o właściwościach dielektrycznych. Z powodu tej separacji prąd stały nie może przepływać przez kondensator, ale prąd przemienny może, ale z odchyleniem od jego pierwotnej wartości.

Jego zmianę tłumaczy zasada działania reaktywnej - pojemnościowej rezystancji.

Pod działaniem przyłożonego napięcia przemiennego, zmieniającego się w formie sinusoidalnej, na płytach następuje skok, nagromadzenie ładunków energii elektrycznej o przeciwnych znakach. Ich łączna liczba jest ograniczona wielkością urządzenia i charakteryzuje się pojemnością. Im większy, tym dłużej trwa ładowanie.

Podczas następnego półcyklu oscylacji biegunowość napięcia na okładkach kondensatora jest odwrócona.Pod jego wpływem następuje zmiana potencjałów, ponowne naładowanie utworzonych ładunków na płytach. W ten sposób tworzony jest przepływ prądu pierwotnego i przeciwstawienie się jego przepływowi, gdy zmniejsza się on pod względem wielkości i porusza się wzdłuż kąta.

Elektrycy mają z tego żart. Prąd stały na wykresie jest reprezentowany przez linię prostą, a gdy przepływa wzdłuż drutu, ładunek elektryczny, docierając do płytki kondensatora, spoczywa na dielektryku, wpadając w ślepy zaułek. Ta przeszkoda uniemożliwia mu przejście.

Harmoniczna sinusoidalna przechodzi przez przeszkody, a ładunek, tocząc się swobodnie po pomalowanych płytach, traci niewielką część energii, która jest przechwytywana na płytach.

Ten żart ma ukryte znaczenie: kiedy do płytek między płytkami przykładane jest stałe lub wyprostowane napięcie pulsujące, w wyniku gromadzenia się z nich ładunków elektrycznych powstaje ściśle stała różnica potencjałów, która wygładza wszystkie skoki w zasilaniu okrążenie. Ta właściwość kondensatora o zwiększonej pojemności jest wykorzystywana w stabilizatorach stałego napięcia.

Ogólnie rzecz biorąc, rezystancja pojemnościowa Xc, czyli opór przepływu przez nią prądu przemiennego, zależy od konstrukcji kondensatora, który określa pojemność „C” i wyraża się wzorem:

Xc = 1/2πfC = 1 / ω° C

Z powodu ładowania okładek prąd płynący przez kondensator podnosi napięcie o 90 stopni.

Reaktywność linii energetycznej

Każda linia energetyczna jest zaprojektowana do przesyłania energii elektrycznej. Zwyczajowo przedstawia się to jako równoważne odcinki obwodu z rozłożonymi parametrami aktywnego r, reaktywnego (indukcyjnego) x rezystancji i przewodnictwa g, na jednostkę długości, zwykle jeden kilometr.

Jeśli pominiemy wpływ pojemności i przewodnictwa, możemy zastosować uproszczony obwód zastępczy dla linii o parametrach równoległych.

Napowietrzna linia energetyczna

Przesyłanie energii elektrycznej przez odsłonięte gołe przewody wymaga znacznej odległości między nimi oraz od ziemi.

W tym przypadku rezystancję indukcyjną jednego kilometra przewodu trójfazowego można przedstawić za pomocą wyrażenia X0. Zależy:

• średnia odległość osi drutów między sobą asr;

• średnica zewnętrzna przewodów fazowych d;

• względna przenikalność magnetyczna materiału µ;

• zewnętrzna rezystancja indukcyjna linii X0';

• rezystancja wewnętrzna indukcyjna linii X0 «.

Dla porównania: rezystancja indukcyjna 1 km linii napowietrznej wykonanej z metali nieżelaznych wynosi około 0,33 ÷ 0,42 Ohm / km.

Linia przesyłu kablowego

Linia energetyczna wykorzystująca kabel wysokiego napięcia różni się konstrukcyjnie od linii napowietrznej. Jego odległość między fazami drutów jest znacznie zmniejszona i zależy od grubości wewnętrznej warstwy izolacyjnej.

Taki trójżyłowy kabel można przedstawić jako kondensator z trzema osłonami drutów rozciągniętymi na dużą odległość. Wraz ze wzrostem długości wzrasta pojemność, maleje rezystancja pojemnościowa, a prąd pojemnościowy, który zamyka się wzdłuż kabla, wzrasta.

Jednofazowe zwarcia doziemne najczęściej występują w liniach kablowych pod wpływem prądów pojemnościowych. Do ich kompensacji w sieciach 6 ÷ 35 kV stosuje się dławiki gaszące łuk (DGR), które są połączone przez uziemiony punkt zerowy sieci. Ich parametry dobierane są wyrafinowanymi metodami obliczeń teoretycznych.

Stare GDR-y nie zawsze działały skutecznie z powodu słabej jakości strojenia i niedoskonałości konstrukcyjnych. Są one zaprojektowane dla średnich znamionowych prądów zwarciowych, które często odbiegają od rzeczywistych wartości.

Obecnie wprowadzane są nowe rozwiązania GDR, które są w stanie automatycznie monitorować sytuacje awaryjne, szybko mierzyć ich główne parametry i dostosowywać się do niezawodnego gaszenia prądów ziemnozwarciowych z dokładnością do 2%. Dzięki temu efektywność działania NRD od razu wzrasta o 50%.

Zasada kompensacji składowej biernej mocy z kondensatorów

Sieci elektroenergetyczne przesyłają energię elektryczną wysokiego napięcia na duże odległości. Większość jego użytkowników to silniki elektryczne z rezystancją indukcyjną i elementami rezystancyjnymi. Całkowita moc wysyłana do odbiorców składa się ze składowej czynnej P, wykorzystywanej do wykonywania pracy użytecznej, oraz składowej reaktywnej Q, która powoduje nagrzewanie się uzwojeń transformatorów i silników elektrycznych.

Składowa reaktywna Q wynikająca z reaktancji indukcyjnych obniża jakość energii. Aby wyeliminować jego szkodliwe skutki, w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku zastosowano schemat kompensacji w systemie elektroenergetycznym ZSRR poprzez połączenie baterii kondensatorów o rezystancji pojemnościowej, co zmniejszyło cosinus kąta φ.

Zostały one zainstalowane w podstacjach, które bezpośrednio zasilają problematycznych odbiorców. Zapewnia to lokalną regulację jakości energii.

W ten sposób możliwe jest znaczne zmniejszenie obciążenia urządzeń poprzez zmniejszenie składowej biernej przy jednoczesnym przesyłaniu tej samej mocy czynnej.Ta metoda jest uważana za najskuteczniejszą metodę oszczędzania energii nie tylko w przedsiębiorstwach przemysłowych, ale także w usługach mieszkaniowych i komunalnych. Jego umiejętne wykorzystanie może znacznie poprawić niezawodność systemów elektroenergetycznych.