Трансформатор является прибором, который призван преобразовывать электроэнергию сети. Эта установка имеет две или больше обмоток. В процессе своей работы трансформаторы могут преобразовать частоту и напряжение тока, а также количество фаз сети.
В ходе выполнения заданных функций наблюдаются потери мощности в трансформаторе. Они влияют на исходную величину электричества, которую выдает на выходе прибор. Что собой представляют потери и КПД трансформатора, будет рассмотрено далее.
Устройство
Трансформатор представляет собой статический прибор. Он работает от электричества. В конструкции при этом отсутствуют подвижные детали. Поэтому рост затрат электроэнергии вследствие механических причин исключены.
При функционировании силовой аппаратуры затраты электроэнергии увеличиваются в нерабочее время. Это связано с ростом активных потерь холостого хода в стали. При этом наблюдается снижение нагрузки номинальной при увеличении энергии реактивного типа. Потери энергии, которые определяются в трансформаторе, относятся к активной мощности. Они появляются в магнитоприводе, на обмотках и прочих составляющих агрегата.
Понятие потерь
При работе установки часть мощности поступает на первичный контур. Она рассеивается в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на меньшем уровне. Разница составляет суммарное снижение мощности в трансформаторе.
Существует два вида причин, из-за которых происходит рост потребление энергии оборудованием. На них влияют различные факторы. Их делят на такие виды:
- Магнитные.
- Электрические.
Их следует понимать, дабы иметь возможность снизить электрические потери в силовом трансформаторе.
Магнитные потери
В первом случае потери в стали магнитопривода состоят из вихревых токов и гистериза. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. Само железо, из которого выполнен магнитопривод, влияет на эту характеристику. Поэтому сердечник изготавливают из электротехнической стали. Пластины делают тонкими. Между ними пролегает слой изоляции.
Также на снижение мощности трансформаторного устройства влияет частота тока. С ее повышением растут и магнитные потери. На этот показатель не влияет изменение нагрузки устройства.
Электрические потери
Снижение мощности может определяться в обмотках при их нагреве током. В сетях на такие затраты приходится 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. К ним относятся:
Потери мощности в трансформаторах являются величиной переменной. На нее влияет показатель квадрата тока в контурах.
Методика расчета
Потери в трансформаторах можно рассчитать по определенной методике. Для этого потребуется получить ряд исходных характеристик работы трансформатора. Представленная далее методика применяется для двухобмоточных разновидностей. Для измерений потребуется получить следующие данные:
- Номинальный показатель мощности системы (НМ).
- Потери, определяемые при холостом ходе (ХХ) и номинальной нагрузке.
- Потери короткого замыкания (ПКЗ).
- Количество потребленной энергии за определенное количество времени (ПЭ).
- Полное количество отработанных часов за месяц (квартал) (ОЧ).
- Число отработанных часов при номинальном уровне нагрузки (НЧ).
Получив эти данные, измеряют коэффициент мощности (угол cos φ). Если же в системе отсутствует счетчик реактивной мощности, в расчет берется ее компенсация tg φ. Для этого происходит измерение тангенса угла диэлектрических потерь. Это значение переводят в коэффициент мощности.
Формула расчета
Коэффициент нагрузки в представленной методике будет определяться по следующей формуле:
К = Эа/НМ*ОЧ*cos φ, где Эа – количество активной электроэнергии.
Какие потери происходят в трансформаторе в период загрузки, можно просчитать по установленной методике. Для этого применяется формула:
П = ХХ * ОЧ * ПКЗ * К² * НЧ.
Расчет для трехобмоточных трансформаторов
Представленная выше методика применяется для оценки работы двухобмоточных трансформаторов. Для аппаратуры с тремя контурами необходимо учесть еще ряд данных. Они указываются производителем в паспорте.
В расчет включают номинальную мощность каждого контура, а также их потери короткого замыкания. При этом расчет будет производиться по следующей формуле:
Э = ЭСН + ЭНН, где Э – фактическое количество электричества, которое прошло через все контуры; ЭСН – электроэнергия контура среднего напряжения; ЭНН – электроэнергия низкого напряжения.
Пример расчета
Чтобы было проще понять представленную методику, следует рассмотреть расчет на конкретном примере. Например, необходимо определить увеличение потребления энергии в силовом трансформаторе 630 кВА. Исходные данные проще представить в виде таблицы.
| Обозначение | Расшифровка | Значение |
|---|---|---|
| НН | Номинальное напряжение, кВ | 6 |
| Эа | Активная электроэнергия, потребляемая за месяц, кВи*ч | 37106 |
| НМ | Номинальная мощность, кВА | 630 |
| ПКЗ | Потери короткого замыкания трансформатора, кВт | 7,6 |
| ХХ | Потери холостого хода, кВт | 1,31 |
| ОЧ | Число отработанных часов под нагрузкой, ч | 720 |
| cos φ | Коэффициент мощности | 0,9 |
На основе полученных данных можно произвести расчет. Результат измерения будет следующий:
П = 0,38 кВТ*ч
% потерь составляет 0,001. Их общее число равняется 0,492%.
Измерение полезного действия
При расчете потерь определяется также показатель полезного действия. Он показывает соотношение мощности активного типа на входе и выходе. Этот показатель рассчитывают для замкнутой системы по следующей формуле:
КПД = М1/М2, где М1 и М2 – активная мощность трансформатора, определяемая измерением на входном и исходящем контуре.
Выходной показатель рассчитывается путем умножения номинальной мощности установки на коэффициент мощности (косинус угла j в квадрате). Его учитывают в приведенной выше формуле.
В трансформаторах 630 кВА, 1000 кВА и прочих мощных устройствах показатель может составлять 0,98 или даже 0,99. Он показывает, насколько эффективно работает агрегат. Чем выше КПД, тем экономичнее расходуется электроэнергия. В этом случае затраты электроэнергии при работе оборудования будут минимальными.
Рассмотрев методику расчета потерь мощности трансформатора, короткого замыкания и холостого хода, можно определить экономичность работы аппаратуры, а также ее КПД. Методика расчета предполагает применять особый калькулятор или производить расчет в специальной компьютерной программе.
Мало кто сегодня спорит с тем, что у каждого человека существует своя энергетика. Не зря говорят, что вот у кого - то энергетика хорошая, а вот у кого - то плохая. Но и это еще не все - наше счастье, качество жизни, успехи, отношения с людьми прямо пропорциональны количеству и качеству нашей энергии. Как не тратить энергию попусту? И как научиться ее пополнять?
Однажды случилась со мной удивительная эпидерсия. После полутора лет перерыва в занятиях фитнесом по причине резкого падения энергии в результате перегрузок, вызванных профессиональной деятельностью, я вернулась в любимый тренажерный зал. Накопила энергии, поправила здоровье с помощью точечно-канального массажа и постоянной поддержки мастера Цзи и "взялась за старое", то есть, за гантели и тренажеры.
Через пару дней после возвращения пришла к учителю, вся сияющая от мышечного удовольствия и приятного тонуса. Сяоган пристально посмотрел на меня и вдруг спросил с тревогой в голосе: "Что с тобой случилось?" А со мной случилась прекрасная телесная радость и, как следствие, возбуждение мозга. "Ничего, - говорю, - плохого не случилось. У меня все прекрасно!" Однако мастер не унимался: "Что произошло? У тебя энергия изменилась. Даже непонятно, что за странная трансформация!"
Еще бы! Трансформация ого-го! Я же полтора года не могла гантель поднять, потому что огромные силы уходили на создание семинаров, написание книг и статей, ежедневные ответы на десятки писем… И вот случилось чудо - энергия вновь наполнила значительную часть моего личного объема, и это дало мне силы не только работать без усталости и энергетически без потерь для себя прокачивать немалую аудиторию слушателей семинаров, но и сохранять себе "кусочек" для хорошей физической нагрузки.
Вот эту "заначку" я и решила использовать, держа "железо" в умелых и опытных руках. Все-таки 20 лет регулярных тренировок - это не шутка! И вдруг - такая реакция учителя! Мне казалось, мастер покусился на святое! Хотя, если быть честной, конечно, я переборщила с нагрузкой для первого раза и выплеснула из полного стакана изрядную долю драгоценного энергетического содержимого.
Но все, что происходит в жизни писателя Лизы Питеркиной - это не проблемы, а тематика! Потому я и решила поговорить с мастером о том, какие обстоятельства влияют на энергетический статус, и каковы основные причины энергетических потерь. Поскольку меня как автора в тот момент волновала проблема влияния хары или нижнего энергетического центра, находящегося в области за пупком, на общее состояние энергии, то и разговор был именно об этом важном фундаменте нашего энергетического строения.
Кстати, с точки зрения японцев, нижний энергетический центр, хара - это не только определенная анатомическая локализация витальной энергии, но и определенное качество жизни.
Развитая хара обеспечивает личности успех во всех сферах ее реализации. Можно сказать, что именно от хары зависит уровень состоятельности как в духовном, так и в материальном смысле. Соответственно, чем слабее хара, тем меньше шансов добиться успеха и состояться как личность.
Однажды мне довелось пообщаться на тему хары с учеником Цзи Сяогана, вице-президентом Федерации ушу и цигун Нижегородской области Евгением Ворониным. Тренер с многолетним стажем наблюдал за разными группами людей, реализованных в разных профессиональных нишах, и обратил внимание, что в любой сфере есть так называемые "природники", то есть, люди с высоким уровнем энергии, заложенным в них природой с самого рождения.
Такие специалисты становятся лучшими в профессии, им обычно удается добиться таких результатов, которые для коллег с таким же опытом и образованием, кажутся недостижимыми и невозможными. То же самое происходит с людьми, получившими в подарок от Создателя мощную хару. Их с уверенностью можно назвать счастливчиками.
У тех же индивидуумов, которым с мощью хары повезло значительно меньше, есть право выбора: увеличить свою природную силу или растранжирить ту малость, которая им досталась. Поскольку подавляющее большинство "пользователей" собственного нижнего энергетического центра понятия не имеет ни о его существовании, ни о "правилах эксплуатации", гарантирующих долгосрочное эффективное действие этого аккумулятора жизненных сил, расход преобладает над доходом, и витальная энергия с годами угасает.
А вместе с угасающей энергией угасает и успех, как социальный, так и личный. Особенно драматичной эта потеря становится для женщин, которые в силу потери энергии становятся менее интересными для мужчин, и даже прочные супружеские отношения начинают подвергаться серьезным испытаниям. Еще сложнее тем зрелым феминам, которые, по разным причинам, оказались оставлены своими возлюбленными и встали на путь поиска нового счастья, будучи уже далеко не молодыми барышнями.
Если вы хотите выглядеть и чувствовать себя энергичными, оставаться бодрыми, любимыми и востребованными даже в самом зрелом возрасте, предлагаю вам воспользоваться рекомендациями мастера Дао Цзи Сяогана. Мы обозначим пять причин существенного падения уровня энергии и ее утечки через нижнюю часть тела, а также наметим несколько путей сохранения и увеличения собственного энергетического баланса.
Прежде всего уточним, что за здоровую и полноценную физическую активность отвечает не только нижний энергетический центр, но и внутренние органы, попавшие в "нижний отсек" нашего тела.
Из пятерки У-Син, системы, состоящей из пяти плотных органов, ответственность за наше хорошее самочувствие берут на себя, прежде всего, почки как основной аккумулятор жизненных сил, а кроме того, печень и селезенка. Эти три органа знаменитого китайского пятиугольника так или иначе зависят от питания.
Первая причина потери энергии - отсутствие культуры еды и разрушение традиций, которые исторически сложились в той или иной стране.
Это относится не только к России, но и ситуации в мире в целом с его тяготением к различным формам быстрого питания и большим количеством жареного, жирного, соленого и сладкого. На смену ритуалу трапезы приходят новые традиции насыщения желудка пищей сомнительного качества и низкой энергетической ценности. Говоря об энергетической ценности, мы имеем ввиду не калорийность пищи, а именно количество витальной, жизненно важной энергии, содержащейся в ней. Например, пшенная каша, сваренная на воде, содержит больше полезной энергии, чем кусок мяса, хотя калорийность мяса выше.
Дисбаланс продуктов питания существенно влияет не только на процессы пищеварения и наполнение организма энергией. Как ни парадоксально, еда сказывается на нашем характере. Например, избыток соленого влияет на работу почек, а слабые почки порождают страхи, беспокойства и патологическую тревожность.
Слишком много сахара в рационе - ничуть не менее опасный фактор, сахар губит селезенку, а нарушение деятельности этого органа приводит к раздирающим душу сомнениям, которые отравляют существование и тормозят личностный рост, влияют на динамику успеха. Злоупотребление алкоголем рушит печень, а проблемы в печени порождают злобу и агрессию.
В современной психотерапии существует убеждение, что отсутствие навыка сдерживать агрессию, неспособность справляться со своими страхами и тревогами, неумение четко выражать свои чувства и эмоции зачастую бывает связано с определенным дисфункциональным поведением, которое возникло вследствие незавершенности решения различных задач развития в раннем детстве.
Не умаляя важности качественного проживания всех стадий формирования личности, хотим заметить, что психотерапия не рассматривает возможность взаимосвязи индивидуальных свойств личности и системы питания.
Разумеется, представителям западной науки такая связь может показаться абсурдной, однако многовековой практический опыт Древнего Востока имеет не меньшее право на существование и использование в современных методах терапии, чем самые перспективные современные теории, некоторые из которых основаны, к слову сказать, именно на древней восточной культуре.
Удивительно, что сама теория гештальттерапии, одного из самых молодых, но самых эффективных направлений психотерапии, имеет немало общего с дзен-буддизмом или чань-буддизмом, если следовать китайской транскрипции. Так что в принципе все перспективные учения, как ни крути, имеют восточные корни или тесно соприкасаются с философией Древнего Востока.
Вторая причина потери энергии - нарушение режима дня и режима жизни в целом
В даосской философии существует теория двенадцати каналов. Теория основана на том, что каждый орган обладает определенной системой, энергетическим каналом, который проходит по всему организму. Воздействие на эти каналы помогает нормализовать работу того или иного органа, справиться с возникшей болезнью или существенно улучшить самочувствие.
Интенсивность работы каналов не одинакова и зависит от времени суток, месяца и времени года. В течение суток каждый канал активен 2 часа. Нарушение режима дня, который считается универсальным и в западной, и в восточной медицине, ведет к нарушениям в работе органов и ослаблением их энергии.
Например, с 23 часов до 01.00 - время работы желчного пузыря. Если вы не заснули до 23 часов, ваши попытки быстро отойти к Морфею могут увенчаться полным фиаско, потому что это время естественного подъема активности. Но после 01.00 нужно постараться заснуть, так как с 01.00 до 03.00 наступает время работы печени. Печень отвечает за состояние крови, поэтому самочувствие человека тесно связано с возможностью дать печени полный покой и отдых в это время. В противном случае постепенно ухудшается качество крови, и возникают регулярные сбои во всей системе, ведущие к преждевременному старению и частым болезням. Особенно важен полноценный сон для женщин, которые ежемесячно теряют некоторый объем крови и нуждаются в эффективной работе кроветворной системы.
Не менее важен и режим жизни в целом, пропорциональное чередование отдыха и работы, полноценное расслабление после продолжительных нагрузок и обязательный отпуск раз году. Не менее важно переключение с одного вида деятельности на другой. Лично я для себя заметила, что даже чередование периодов подготовки семинаров и работы над книгами благоприятно сказывается на самочувствии.
А если переключиться на создание совершенно иных творческих продуктов, например, художественных произведений, рассказов или стихов, то усталость вообще не наступает, потому что разные процессы сменяют друг друга еще до того, как накапливается утомление от однообразной работы. Но даже при таком экологичном подходе нельзя забывать про полное отключение от профессиональной деятельности хотя бы один день в неделю и хотя бы пару недель в год.
Третья причина потери энергии - это гиподинамия, отсутствие необходимой двигательной активности
Не будем перегружать ваше сознание информацией об этой проблеме двадцать первого века, наверняка вы уже достаточно осведомлены о том, что сидячая работа серьезно подрывает ваше здоровье. Коварство гиподинамии состоит в том, что она наносит медленный ущерб, не доставляя, практически, никаких неприятностей. Ваше здоровье просто угасает, даже если вы соблюдаете режим дня и режим работы и отдыха и при этом правильно питаетесь.
Как посетительница фитнес-центров и поклонница разных видов аэробной нарузки, часто наблюдаю за движениями женщин во время занятий танцевальными видами аэробики. Такое впечатление, что у них под яркой спортивной формой - железные доспехи, которые жестко фиксируют нижнюю часть корпуса, не позволяя ей двигаться свободно.
По свободе движений в области таза можно легко судить о сексуальной раскрепощенности молодых женщин. Не о распущенности и вульгарности, а именно об отсутствии зажатости. Скованность в движениях - симптом того, что энергия в этой области заблокирована, поэтому и чувственность тоже снижена, как правило.
Простой способ борьбы и гиподинамией - танцевальные перерывы с акцентом на "виляние попой" в разные стороны, влево - вправо и вперед - назад. На вечеринке такие дикие танцы не всегда могут быть восприняты адекватно, они, скорее всего, покажутся призывными и провокационными танцами сексуально озабоченных человеческих самок, но вдали от мужских глаз вполне можно позволить себе двигаться так, как подсказывает природа.
Чем непристойнее выглядят эти движения, тем больше в них естественности и сексуальности. А если посещать классы аэробики в стиле "стрип-данс" или "латина", то кажущаяся вульгарность перерастет в грацию и обольстительность, а сексуальной энергии у вас прибавится. В общем, не зажимайте себя снизу, позвольте энергии наполнить ваши самые эротичные части тела! Однако не доводите себя до той стадии возбуждения, которая ведет к потере энергии вместо наполнения.
Одни и те же эмоции в ограниченном количестве могут быть целебны, а в переизбытке - опустошать. Энергия должна оставаться под контролем и не вытекать через естественные отверстия, а для этого и тонус интимных мышц должен быть всегда на высоте.
В этой части беседы с мастером Цзи мне открылась тайна похода в тренажерный зал. Оказывается, работа на тренажерах или с гантелями - это большей частью все-таки потеря энергии ради тонуса мышц. Цель благородная, путь к ней - неразумный с точки зрения древней китайской медицины, ратующей за долгую счастливую жизнь и максимальное сохранение энергии, данной природой. Молодости свойственно бездумно разбрасываться энергией, не осознавая последствий, к которым может привести такая щедрость в зрелости. Но рано или поздно здоровая оболочка может оказаться "пустой", как новенькая модель компьютера с аккумулятором, в котором не осталось заряда.
Я получила от мастера несколько рекомендаций, которые помогут мне сохранить тонус мышц, но не оказаться несвоевременно обесточенной. Во-первых, лучше проводить тренировки на свежем воздухе. Оптимальный вид аэробной нагрузки - бег трусцой. Если нет возможности бегать, достаточно просто интенсивно ходить.
Из динамических форм особенно полезны приседания, но не любые, а исключительно в медленном темпе и с сохранением баланса в центре тела. Эта техника требует особого описания, поэтому не рекомендуем вам экспериментировать, не зная всех секретов. Это как раз тот случай, когда самый главный смысл кроется в деталях.
Четвертая причина потери энергии - это выполнение женщинами функций, не предусмотренных природой
Вынужденное присвоение женщинами мужских ролей пагубно отражается на балансе энергий. Чтобы органично существовать в мужском мире, неизбежно приходится использовать янские, активные, горячие энергии гораздо больше, чем это предписано в "инструкции по безопасной эксплуатации женщин", написанной Создателем.
Невозможно сдерживать прогресс, и если женская социальная роль становится все более значимой, следует просто не забывать о том, что попрание законов природы влечет определенные не всегда позитивные последствия. Но пугаться этого не стоит, важно лишь помнить о том, что баланс инь-ян никто не отменял, и энергию ян важно уравновешивать энергией инь.
Пропорции этой "смеси" устанавливайте сами, на свой вкус, в зависимости от того, насколько вам важно оставаться женщиной, любимой, желанной и востребованной мужчинами, в зависимости от того, насколько вам важны консервативные ценности - счастливое замужество и не менее счастливое материнство.
Венчает список причин нашего энергетического опустошения "через низ" драматическая новость: секс вреден! Да, да, это не шутка.
Пятая причина потери энергии - безудержный секс без понимания законов работы с энергией
После акта безумной любви, того самого, который происходит "без ума", то есть, без малейшей осознанности смысла процесса, приводит чаще всего к усталости. Усталость - это симптом энергетических трат без пополнения баланса.
В принципе сексуальные отношения - прекрасный способ собрать энергию и наполниться силами, но для этого совершенно необязательно соединять какие-то выпуклости с какими-то более-менее подходящими или совершенно не подходящими полостями. "Секс" - слово английское и обозначает поведение личности в соответствии с принадлежностью к одному из двух полов. "Sex" - это "пол".
А вот интимные отношения между мужчиной и женщиной - это особое поведение в определенной ситуации, имеющей некий сакральный характер. В общем, то, во что превратились сексуальные отношения к началу 20 века, далеко от таинства. Секс перестал быть наукой, достойной изучения и тщательной подготовки к практике. А потому никаких приобретений от этого взаимодействия ожидать не приходится, только пустые траты.
На этой печальной ноте мы закончим исследование путей, по которым исчезает самая большая драгоценность, подаренная нам природой. Но, как водится в философии Дао, в каждом явлении есть инь и ян, внутренняя и внешняя сторона. Иньская сторона вопроса - грустный перечень причин нашего стремительного старения и потери жизненных соков, которые превращают некое существо в полную жизни, обаятельную женщину, которая, как магнит, притягивает мужчин.
Точно так же, благодаря сохраненной энергии, существо превращается в мужчину женской мечты. А если существо не в курсе выше описанных законов, оно трансформируется в серую тень, которую не замечает даже самая обделенная любовью фемина, находящаяся на грани полового отчаяния.
Янская сторона проблемы - это наша с вами возможность радикально изменить все в лучшую сторону. Достаточно просто прекратить утечку драгоценной энергии. Прекрасная новость - теперь вы точно знаете, как это сделать. Итак, вперед, к энергичной и счастливой новой жизни!
Потери удельной энергии в потоке жидкости, безусловно, связаны с вязкостью жидкости, но сама вязкость - не единственный фактор, определяющий потери напора. Но можно утверждать, что величина потерь напора почти всегда пропорциональны квадрату средней скорости движения жидкости. Эту гипотезу подтверждают результаты большинства опытных работ и специально поставленных экспериментов. По этой причине потери напора принято исчислять в долях от скоростного напора (удельной кинетической энергии потока). Тогда:
Потери напора принято подразделять на две категории:
потери
напора, распределённые вдоль всего
канала, по которому перемещается
жидкость (трубопровод, канал, русло реки
и др.), эти потери пропорциональны
длине канала и называются потерями
напора по длинесосредоточенные
потери напора: потери напора на локальной
длине потока (достаточно малой по
сравнению с протяжённостью всего
потока). Этот вид потерь во многом зависит
от особенностей преобразования параметров
потока (скоростей, формы линий тока
и др.). Как правило, видов таких потерь
довольно много и их расположение по
длине потока зачастую далеко не
закономерно. Такие потери напора
называют местными потерями или потерями
напора на местных гидравлических
сопротивлениях. Это вид потерь напора
также принято исчислять в долях от
скоростного напораТогда полные потери напора можно
представить собой как сумму всех видов
потерь напора:
Оценка величины местных потерь напора практически всегда базируются на результатах экспериментов, по результатам таких экспериментов определяются величины коэффициентов потерь. Для вычисления потерь напора по длине имеются более или менее надёжные теоретические предпосылки, позволяющие вычислять потери с помощью привычных формул.
47.Зависимость для определения потерь напора по длине и на местные сопротивления. Практическое применение.
48. Гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые трубы.
Потери напора по длине потока могут весьма существенно зависеть от характеристик шероховатости стенок трубы, в которых происходит движение. Поверхность стенок, ограничивающих поток, всегда отличается от идеально гладкой поверхности наличием выступов и неровностей. Величина и форма этих выступов зависят от материала стенки, от его обработки, условий эксплуатации, в процессе которой возможна коррозия, могут выпасть и осесть на стенках твердые частицы наносов и т.п. В дальнейшем мы не будем детально изучать различные виды шероховатости, а будем представлять стенки труб покрытыми однородными бугорками со средней абсолютной высотой выступа шероховатости, обозначаемой Δ.
В зависимости от того, как относятся размеры выступов шероховатости и толщина ламинарной пленки, все трубы могут быть при турбулентном режиме движения подразделены на три вида.
Если высота выступов шероховатости Δ меньше, чем толщина ламинарной пленки (Δ <δ), то в этом случае шероховатость стенок не влияет на характер движения и соответственно потери напора не зависят от шероховатости, а стенки называются гидравлически гладкими.
Когда высота выступов шероховатости превышает толщину ламинарной пленки (Δ <δ), то потери напора зависят от шероховатости, и такие трубы называются гидравлически шероховатыми. В третьем случае, являющемся промежуточным между двумя вышеуказанными, абсолютная высота выступов шероховатости примерно равна толщине ламинарной пленки. В этом случае трубы относятся к переходной области сопротивления. Толщина ламинарной пленки определяется по формуле:
(1.87)
Итак, различают стенки (трубы, русла) гидравлически гладкие и шероховатые. Такое разделение является условным, поскольку, как следует из формулы (1.87), толщина ламинарной пленки обратно пропорциональна числу Рейнольдса (или средней скорости). Таким образом, при движении вдоль одной и той же поверхности с неизменной высотой выступа шероховатости в зависимости от средней скорости (числа Рейнольдса) толщина ламинарной пленки может изменяться. При увеличении числа Рейнольдса толщина ламинарной пленки δ уменьшается и стенка, бывшая гидравлически гладкой, может стать шероховатой, так как высота выступов шероховатости окажется больше толщины ламинарной пленки и шероховатость станет влиять на характер движения и, следовательно, на потери напора.
Для последующих практических расчетов можно принимать ориентировочные значения высоты выступа шероховатости для труб: трубы новые стальные и чугунные - Δ ≈ 0,45 - 0,50 мм, трубы, бывшие в эксплуатации (так называемые «нормальные»), Δ ≈ 1,35 мм.
Таким образом, зная высоту выступа шероховатости и определив толщину ламинарной пленки, можно, сравнив их размеры, определить, гидравлически гладкой или гидравлически шероховатой будет стенка, ограничивающая поток в трубе.
Процесс передачи электрической энергии уже давно не вызывает у нас удивления. Электричество настолько прочно вошло в нашу жизнь, что представить себе ситуацию, когда его нет, для большинства из нас почти не возможно. За последние десятилетия были проложены миллионы километров проводов. Стоимость работ по вводу их в работу и эксплуатации составляет триллионы рублей. Но зачем строить протяженные ЛЭП, когда можно у каждого потребителя поставить генератор? Есть ли зависимость между длиной ЛЭП и качеством передаваемой электроэнергии? На эти и другие вопросы я и попытаюсь ответить.
Провода и генераторы
Сторонники распределенной генерации полагают, что будущее энергетики состоит в использовании небольших генерирующих устройств каждым потребителем. Можно подумать, что столь привычные нам опоры ЛЭП доживают свои последние деньки. Попробую встать на защиту «старушек» ЛЭП и рассмотреть те плюсы, которые получает энергосистема при строительстве протяженных линий электропередачи.
Во-первых, транспорт электрической энергии напрямую конкурирует с транспортом топлива по железной дороге, нефте- и газопроводам. При их удаленности или отсутствии строительство линий электропередачи является единственным оптимальным решением для энергоснабжения.
Во-вторых, в электротехнике уделяется пристальное внимание резервированию мощности. Согласно правилам проектирования энергосистем, резерв должен обеспечивать работу энергосистемы при потере любого ее элемента. Сейчас этот принцип называется «N-1». Для двух изолированных систем суммарный резерв будет больше, чем для связанных, а меньший резерв — это меньшее количество денег, потраченных на дорогостоящее электрооборудование.
В-третьих, экономия достигается за счет более грамотного управления энергоресурсами. Атомные электростанции, гидроэлектростанции (за исключением малой генерации) по понятным причинам зачастую расположены в отдалении от крупных городов и поселений. Без линий электропередачи «мирный атом» и гидроэлектроэнергия не были бы использованы по их прямому назначению. Разветвленная энергосистема также позволяет оптимизировать загрузку и прочих видов электростанций. Ключ к оптимизации — управление очередью загрузки. Вначале загружаются электростанции с более дешевым производством каждого кВт*ч, затем уже электростанции с более дорогим. Не стоит забывать и о часовых поясах! Когда в Москве пик энергопотребления, в Якутске этот показатель невелик. Отдавая дешевую электроэнергию в разные часовые пояса, мы стабилизируем загрузку генераторов и сводим к минимуму издержки производства электричества.
Не стоит забывать и о конечном потребителе — чем больше у нас возможностей доставить до него электрическую энергию от разных источников, тем меньше вероятность, что когда-нибудь его энергоснабжение прервется.
К минусам построения разветвленной электросети можно отнести: сложное диспетчерское управление, трудную задачу автоматического управления и работы релейной защиты, появление необходимости дополнительного контроля и регулирования частоты передаваемой мощности.
Однако отмеченные недостатки не могут нивелировать положительный эффект от построения разветвленной энергосистемы. Развитие современных систем противоаварийного управления и компьютерных технологий постепенно упрощают процесс диспетчерского управления и увеличивают надежность электросетей.
Постоянный или переменный?
Существует два принципиальных подхода к передаче электроэнергии — использование переменного или постоянного тока. Не вдаваясь в подробности, отметим, что для небольших расстояний гораздо эффективнее использовать переменный ток. Но при передаче электроэнергии на расстояния свыше 300 км практичность использования переменного тока уже не так очевидна.
Связано это в первую очередь с волновыми характеристиками передаваемой электромагнитной волны. Для частоты 50 Гц длина волны составляет примерно 6000 км. Оказывается, что в зависимости от протяженности ЛЭП существуют физические ограничения на передаваемую мощность. Максимум мощности можно передать при длинах ЛЭП порядка 3000 км, что составляет половину длины передаваемой волны. К слову, этот же объем мощности передают по ЛЭП протяженностью в 10 раз меньше. При прочих размерах линий объем мощности может достигать всего лишь половины от данного значения.
В 1968 году в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на расстояние 2858 км. Была собрана искусственно схема передачи, включающая в себя участки Волгоград-Москва-Куйбышев (ныне Самара)-Челябинск-Свердловск (ныне Екатеринбург) на напряжении 500 кВ. Опытным путем были подтверждены теоретические исследования длинных линий.
Из рекордсменов по протяженности можно выделить проложенную в Китае ЛЭП в 2200 км от восточной провинции Хами до города Чженчжоу (столица провинции Хэнань). Стоит отметить, что полный ее ввод в эксплуатацию намечен на 2014 год.
Также не стоит забывать о напряжении линий. Со школы нам знаком закон Джоуля-Ленца P = I? R , который постулирует, что потери электрической энергии зависят от значения электрического тока в проводе и от материала, из которого он изготовлен. Мощность, передаваемая по линиям электропередачи, есть произведение тока на напряжение. Чем выше напряжение, тем меньше ток в проводе и тем самым меньше уровень потерь электроэнергии при передаче. Отсюда следствие: если мы хотим передавать электроэнергию на большие расстояния, необходимо выбирать как можно большее напряжение.
При использовании переменного тока в протяженных ЛЭП возникает ряд технологических проблем. Главная проблема связана с реактивными параметрами линий электропередачи. Емкостное и индуктивное сопротивление проводов оказывают существенное влияние на потери напряжения и мощности при передаче, возникает необходимость поддержания уровня напряжения на должном уровне и компенсации реактивной составляющей, что достаточно ощутимо увеличивает стоимость прокладки километра провода. Высокое напряжение заставляет использовать большее количество гирлянд изоляции, а также накладывает ограничение на сечение провода. Все вместе увеличивает суммарный вес всей конструкции и влечет за собой необходимость использовать более устойчивые и сложные по своей конструкции опоры ЛЭП.
Этих проблем можно избежать, используя линии постоянного тока. Провода, используемые в линиях постоянного тока, дешевле и дольше служат при эксплуатации в связи с отсутствием частичных разрядов в изоляции. Реактивные параметры электропередачи не оказывают существенного влияния на потери. По линиям постоянного тока наиболее эффективно передавать мощность от генераторов, так как возможен выбор оптимальной скорости вращения ротора генератора, что повышает КПД его использования. Минусами использования линий постоянного тока является высокая стоимость выпрямителей, инверторов и различных фильтров для компенсации неизбежно появляющихся высших гармоник при преобразовании переменного тока в постоянный.
Но чем выше длина линии электропередачи, тем эффективнее использовать линии постоянного тока. Существует некоторая критическая длина ЛЭП, которая позволяет оценить целесообразность использования постоянного тока при прочих равных условиях. По данным американских исследователей для кабельных линий эффект ощутим при длинах более 80 км, но величина эта все время уменьшается при развитии технологий и удешевлении необходимых комплектующих.
Самая длинная линия постоянного тока в мире опять же расположена в Китае. Соединяет она ГЭС Сянцзяба (Xiangjiaba Dam) с Шанхаем. Ее длина составляет почти 2000 км при напряжении 800 кВ. Достаточно много линий постоянного тока находится в Европе. В России можно выделить отдельно вставку постоянного тока Выборг, соединяющую Россию и Финляндию, и высоковольтную линию постоянного тока Волгоград-Донбасс протяженностью почти 500 км и напряжением 400 кВ.
Холодные провода
Принципиально новый подход к передаче электрической энергии открывает явление сверхпроводимости. Вспомним, что потери электрической энергии в проводе зависят помимо напряжения еще и от материала провода. Сверхпроводящие материалы обладают почти нулевым сопротивлением, что теоретически позволяет передавать электрическую энергию без потерь на большие расстояния. Минусом использования данной технологии является необходимость постоянного охлаждения линии, что иногда приводит к тому, что стоимость системы охлаждения значительно превышает потери электрической энергии при использовании обычного не сверхпроводимого материала. Типовая конструкция подобной ЛЭП состоит из нескольких контуров: провод, который заключен в кожух с жидким гелием, опоясывающий их кожух из жидкого азота и менее экзотичная тепловая изоляция снаружи. Проектирование таких линий ведется ежедневно, но до практической реализации доходит не всегда. Самым успешным проектом можно считать линию, построенную American Superconductor в Нью-Йорке, а самым амбициозным проектом — ЛЭП в Корее, протяженностью около 3000 км.
Прощайте, провода!
Идеи не использовать провода вообще для передачи электрической энергии возникли уже достаточно давно. Разве не могут вдохновлять опыты, которые проводил Никола Тесла в конце XIX — начале XX века? По свидетельствам его современников, в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла смог заставить загореться две сотни лампочек без использования каких-либо проводов. К сожалению, записей о его работах почти не осталось, и повторить подобные успехи смогли лишь спустя сотню лет. Технология WiTricity, разработанная профессором MIT Марином Солячичем, позволяет передавать электрическую энергию без использования проводов. Идея заключается в синхронной работе генератора и приемника. При достижении резонанса возбуждаемое переменное магнитное поле излучателем в приемнике преобразуется в электрический ток. В 2007 году был успешно проведен эксперимент подобной передачи электроэнергии на расстояние в несколько метров.
К сожалению, современный уровень развития технологий не позволяет эффективно использовать сверхпроводящие материалы и технологию беспроводной передачи электрической энергии. Линии электропередачи в привычном для нас виде будут еще долго украшать поля и окраины городов, но даже их правильное использование позволяет принести существенную выгоду для развития всей мировой энергетики.
