Сколько вольт останется у экскаватора на конце длинного кабеля? Меняй длину и сечение кабеля, нагрузку и запускай насос водоотлива, следя за напряжением у соседей.
Чем выше напряжение, тем меньше ток при той же мощности, и тем меньше теряется в проводах. Поэтому далеко энергию везут на 110 кВ, по карьеру на 6 кВ, и только у потребителя понижают до 0,4 кВ для освещения, буровых станков и мастерских. Однолинейная схема показывает весь путь одной линией вместо трех фаз: так легче увидеть, откуда питается каждый потребитель и что отключится, если сработает защита.
Длинный провод это сопротивление: на нем теряется и напряжение, и мощность. Две формулы ниже показывают сколько, а третья карточка говорит, как выбрать кабель. Числа берутся из опыта. Нагрев проводов током разобран в теме «Закон Джоуля–Ленца», реактивная мощность в теме «Активная, реактивная мощность и cos φ».
Сколько вольт потеряется в кабеле?
Ток создает падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях кабеля. Чем длиннее кабель и тоньше жила, тем больше r0 · l. Множитель √3 переводит фазное падение в линейное.
Сколько мощности уходит в тепло?
Каждая из трех жил греется по закону Джоуля–Ленца. Потери растут как квадрат тока. Если поднять напряжение в 15 раз (с 0,4 до 6 кВ), ток при той же мощности упадет в 15 раз, а потери в 225 раз.
Подходит ли кабель?
Сечение выбирают по двум условиям. По нагреву: длительный ток не больше допустимого для этого сечения, иначе изоляция перегреется. По потере напряжения: у двигателя должно остаться не меньше 95 % номинала, иначе он теряет момент и перегревается.
Мощность трехфазной линии P = √3 · U · I · cos φ. Если нужно передать 1000 кВт, при 0,4 кВ потребуется ток около 1800 А, а при 6 кВ всего 120 А. Потери в проводах пропорциональны квадрату тока, поэтому при 6 кВ они в (6 / 0,4)² = 225 раз меньше при том же кабеле.
Менять напряжение позволяет трансформатор: две обмотки на общем сердечнике, отношение напряжений равно отношению чисел витков. Как он работает, разобрано в разделе физики «Электромагнетизм», в теме «Трансформатор».
Пуск большого двигателя опасен для соседей: в первые секунды его ток в 5–7 раз больше номинального и почти чисто реактивный. На индуктивном сопротивлении трансформатора и линии этот ток создает провал напряжения, свет мигает, а у других двигателей падает момент. Как смягчить пуск, разобрано в теме «Пуск и управление электродвигателем».
Забой уходит, кабель удлиняется, и напряжение у экскаватора падает. Энергетик планирует перенос ПП и наращивание воздушной линии вслед за горными работами.
Гибкий кабель КГЭ выбирают по току, по потере напряжения и по механической прочности: его таскают гусеницы и бульдозер. Слишком тонкий греется, слишком толстый тяжелый и дорогой.
Насосы водоотлива работают круглые сутки и пускаются при подъеме воды. Их питают по отдельной линии или со своей подстанции, чтобы пуск не сбивал экскаваторы.
ГПП питают по двум ЛЭП и ставят два трансформатора. Если один выйдет из строя, второй берет нагрузку, а неответственных потребителей отключают.
На высоте 3–4 км воздух разреженный, электрическая прочность воздуха и охлаждение хуже. Изоляторы и оборудование выбирают с запасом, а мощность трансформаторов снижают.
Потери в линиях это деньги, которые рудник платит за нагрев проводов. Компенсация реактивной мощности и правильное сечение окупаются за год–два.
Сеть симметричная, считается одна фаза комплексными числами. ЛЭП 110 кВ бесконечной мощности, трансформатор ГПП 16 МВ·А с напряжением короткого замыкания 10,5 %, на холостом ходу на шинах 6,3 кВ. Воздушная линия АС-95: 0,31 Ом/км и 0,4 Ом/км. Кабель КГЭ медный, r0 = 18,5 / s Ом/км, x0 = 0,09 Ом/км; допустимые токи примерные. Экскаватор, ПКТП 250 кВт и насос 630 кВт заданы постоянной мощностью; при пуске насос взят током, кратность которого падает от 6 до 1 за 3 секунды, а cos φ растет от 0,32 до 0,86. Напряжение 0,4 кВ показано приближенно, с учетом падения в ПКТП. Емкость кабелей, сопротивление земли и переходные процессы не учтены.