Электроснабжение промышленных предприятий


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




Н.А. СТРЕЛЬНИКОВ





                ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ




Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия









НОВОСИБИРСК

2013

УДК 658.26(075.8)
     С 844
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. А.В. Лыкин канд. техн. наук, доц. Д.А. Павлюченко

Работа подготовлена на кафедре СЭСП для студентов IV курса факультета мехатроники и автоматизации (направление 140400.62 Электроэнергетика и электротехника) дневного отделения

       Стрельников Н.А.
С 844      Электроснабжение промышленных предприятий : учеб. пособие /
       Н.А. Стрельников. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. - 100 с.
           ISBN 978-5-7782-2193-2
           Излагается содержание основной части курса «Электроснабжение предприятий» в соответствии с рабочей программой дневного отделения факультета мехатроники и автоматизации.



Стрельников Николай Александрович
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Учебное пособие
Редактор Л.Н. Ветчакова
Выпускающий редактор И.П. Броваиова
Дизайн обложки А.В. Ладожская Компьютерная верстка ЛЛ. Веселовская
Подписано в печать 15.03.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 150 экз.
Уч.-изд. л.5,8. Печ. л. 6,25. Изд. № 355/12. Заказ № Цена договорная

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20



ISBN 978-5-7782-2193-2

УДК 658.26(075.8)

                      © Стрельников Н.А., 2013
                      © Новосибирский государственный технический университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...................................................5
Список принятых сокращений.................................6
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ..................................7
  1.1. Технические характеристики электроприемников и потребителей электроэнергии.............................7
  1.2. Графики электрических нагрузок и их параметры.......8

  1.3. Расчетная электрическая нагрузка.......................12
2. СИЛОВОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПОДСТАНЦИЙ И ЦЕХОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ................................19
  2.1. Силовые трансформаторы и выбор их номинальной мощности.19
  2.2. Коммутационные и коммутационно-защитные силовые электрические аппараты.....................................24
  2.3. Выбор и проверка коммутационных и коммутационно-защитных электрических аппаратов....................................27
  2.4. Трансформаторы тока и напряжения.....................28
   2.4.1. Трансформаторы тока (ТА)..........................28
   2.4.2. Трансформаторы напряжения (TV)....................29
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И ПОДСТАНЦИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ................................31
  3.1. Электрические сети...................................31
  3.2. Электрические подстанции.............................35
   3.2.1. Распределительные подстанции......................35
   3.2.2. Трансформаторные подстанции.......................36
   3.2.3. Преобразовательные подстанции.....................38

3

4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ..................39
  4.1. Понятие о режимах работы...........................39
  4.2. Короткие замыкания в цеховых электрических сетях напряжением до 1000 В.............................................40
5. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ................................47
6. ЗАЩИТА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ.....................................63
  6.1. Общая информация о защите..........................63
  6.2. Защита высоковольтных электроустановок и сетей.....64
  6.3. Защита низковольтных электроустановок и сетей напряжением до 1000 В.............................................67
   6.3.1. Защита автоматическими воздушными выключателями.67
   6.3.2. Защита плавкими предохранителями................68
7. НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.....................69
8. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ...........................74
9. ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ...........................78
 9.1. Варианты задания....................................78
 9.2. Справочная информация...............................90

Список литературы

100

    ВВЕДЕНИЕ

   Содержание пособия соответствует рабочей программе курса «Электроснабжение предприятий» для студентов дневного отделения факультета мехатроники и автоматизации (ФМА, направление 140600 - Электротехника, электромеханика и электротехнологии). Основная цель курса дать студентам теоретические и практические знания в области электроснабжения. В настоящем пособии рассмотрены системы электроснабжения на уровне цеховых электрических сетей напряжением 0,38 кВ и межцеховых сетей напряжением 10 кВ. Кроме того, даны методические указания по выполнению контрольной работы и представлен необходимый минимум справочной информации.

эсп-ЭП -ПЭ -сэ -сэп-ГЭН -кэ -ПКЭ-ээс -гпп-тп -РП -ткз -ПУЭ-ЛЭП-мтз -то 

    Список принятых сокращений

электроснабжение предприятия.
электроприемник.
потребитель электрической энергии.
система электроснабжения.
система электроснабжения предприятия.
график электрической нагрузки.
качество электроэнергии.
показатели качества электроэнергии.
электроэнергетическая система.
главная понижающая подстанция.
трансформаторная подстанция.
распределительная подстанция.
ток короткого замыкания.
правила устройства электроустановок.
линия электропередачи.
максимальная токовая защита.
токовая отсечка.

    1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

    1.1.  Технические характеристики электроприемников и потребителей электроэнергии

   Электрической нагрузкой называется мощность или ток, потребляемые электроприемником или потребителем электроэнергии.
   Электроприемник - техническое устройство, получающее электрическую энергию и преобразующее ее в другие виды энергии (механическую, энергию электромагнитного поля, энергию светового потока, тепловую энергию и т. д.).
   Потребителем энергии считается совокупность различных электроприемников, имеющих технологическую, административную, территориальную или другую общность. Снабжение ЭП и ПЭ электрической энергией обеспечивается с помощью системы электроснабжения, которая представляет собой сочетание технических средств, устройств и сооружений, предназначенных для приема, преобразования и распределения электроэнергии между электроприемниками и потребителями. Для ЭП и ПЭ с высокой степенью требований к бесперебойности электроснабжения предусматривается локальное генерирование электроэнергии с помощью генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания.
   ЭП и ПЭ характеризуются следующими техническими характеристиками:
   •  U - номинальное напряжение (кВ);
   •  род тока (постоянный и переменный);
   •  количество фаз переменного тока;
   •  /н - номинальная частота переменного тока (Гц);
   •     Ри - номинальная активная мощность (кВт). Этот параметр характеризует ЭП;
   •  Р-ст - установленная мощность ПЭ (кВт):
п
Р =У Р
¹ уст ¹ ni ,
i=1

7

где п - количество ЭП в составе ПЭ; P,ᵢ - номинальная активная мощность i-го ЭП;
   •     cos (рп - номинальный коэффициент мощности (о.е.). Под коэффициентом мощности понимается отношение потребляемой реактивной и активной мощности, поэтому его значение часто задается величиной tg(pᵢᵣ:

ш.=

где S - номинальная реактивная мощность (квар);
   •     режим работы (продолжительный, кратковременный, повторнократковременный, ударный);
   • категория ПЭ по требуемой надежности электроснабжения. Существуют три категории потребителей.
   Первая - в состав нагрузки этого ПЭ входят ЭП, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой значительный ущерб производству, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак и недоотпуск продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Из состава нагрузки этой категории выделяется особая (нулевая) группа ЭП, бесперебойная работа которых необходима для плавного безаварийного останова производства при отказе системы электроснабжения с целью предотвращения угрозы для жизни людей, взрывов, пожаров и прочих экстремальных ситуаций.
   Вторая - ПЭ, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям персонала предприятия, простоям технологических установок и промышленного транспорта.
   Третья - все остальные ПЭ, не подпадающие под определения первой и второй категорий.


    1.2. Графики электрических нагрузок и их параметры

   Изменение электрической нагрузки во времени характеризуется графиком нагрузки. В инженерной практике наиболее востребованным является суточный график нагрузки. Анализ потребления энергии на годовых интервалах времени производится с помощью годовых ГЭН. Для регистрации графиков нагрузки применяются счетчики электро

8

энергии. В связи с этим ГЭН имеют форму «ступенек». Каждая «ступенька» представляет собой среднее значение нагрузки на соответствующем интервале времени. Интервалы времени для фиксирования графика нагрузки выбираются в зависимости от динамики ее изменения. Чаще используются графики с получасовым или часовым интервалом осреднения.
   При выполнении расчетов удобно пользоваться следующими параметрами и характеристиками ГЭН.
   •     Коэффициент использования номинальной мощности нагрузки. Существует два вида коэффициентов использования: индивидуальный ки (для ЭП) и групповой Ки (для ПЭ):


, Р
К = -f < 1,0,
■*11


где Рсм - средняя мощность ЭП за наиболее загруженную смену; Г -номинальная мощность ЭП;


                  п


                  t г.


              ъ=-р—
                  t Р*
                   1


t РЛ
  Р < ¹,⁰>
   уст

где п - количество ЭП в расчетной группе; PHᵢ, k,[ᵢ - номинальная мощность и коэффициент использования i-го ЭП; PVCT - установленная мощность расчетной группы ЭП.
   •     Коэффициент загрузки ЭП

Р К - —< 1,0, Рн


где Рсв - средняя мощность за время включения (Тв);


Г

%.
Т


где WB - электроэнергия, потребленная за период времени Т.


9

   •     Коэффициент формы ГЭН:
Р
К, = pL * i’⁰’
'Qb
где р - среднеквадратическая (эффективная) мощность:

Р = . i (Р²(t)dt =
     V 0

п

        X Р² Д <

—1-------   п ’

(1.1)

где Р(t) - ГЭН, записанный с помощью регистрирующего ваттметра; п
Т = X Дtₜ - интервал времени, для которого определяется Рск; п - ко-1
личество интервалов («ступенек») ГЭН; Дtₜ - продолжительность i-го интервала ГЭН; Р. - средняя мощность нагрузки для i-го интервала времени ГЭН (см. рисунок).

К определению Рск
    •    Число часов использования максимума нагрузки. Это интервал времени, в течение которого ПЭ, работая в режиме максимума нагрузки, потребил бы за год такое же количество электроэнергии, как и при работе по действительному графику:

10

w т -_л« м р


где Wᵣ₍^ - электроэнергия, потребленная ЭП за один год; Рм - максимальная мощность нагрузки.
    •    Коэффициент максимума нагрузки.
Р
К. - f- * 1,о,
<гм

где р - максимальная получасовая мощность нагрузки, полученная с помощью суточного ГЭН.
   •     Коэффициент спроса номинальной мощности
Р
К - —- К • К < 1,0.
Ст-)     ИМ’
¹ н
   Любой проводник обладает сопротивлением, на активной части R которого при протекании полного тока возникают потери мощности и энергии. Эти потери электрической энергии превращаются в тепловую энергию:
т
W„- 3R -10’³ JI²(t)dt,             (1.2)
о
где Т - интервал времени, в пределах которого определяются потери энергии; I(t) - ток нагрузки, изменяющийся по заданному графику.
   Выделившаяся тепловая энергия расходуется на нагревание проводника вместе с его изоляцией, а остальная часть рассеивается в окружающей среде. Увеличение температуры изоляции приводит к повышенному ее износу, а в случае значительного превышения допустимой температуры - к тепловому пробою (разрушению). Процесс нагрева проводника может быть описан дифференциальным уравнением теплового баланса

31² (t) • R₀(1 + ат)dt — Cdv + Avdt,

(1.3)

где R₀ - активное сопротивление проводника при нормированной температуре; а - температурный коэффициент сопротивления мате

11

риала проводника; т - перегрев проводника по отношению к нормированной температуре tоно , для которой задано R; С - теплоемкость проводника; А - коэффициент теплопередачи проводника в окружающую среду, учитывающий все виды теплопередачи: контактный, конвекционный, излучение; v - перегрев изоляции проводника по отношению к температуре окружающей среды t'<,с.
    Величина перегревов v определяется как
v = tоюол-1оос,                    (1.4)
где tоюол - температура изоляции проводника.
    Величина перегревов т определяется разностью


т = t о     ,
        пров.факт

t о    .
норм ,

(1.5)

	

где tо ов.факт - фактическая температура проводника.


    1.3. Расчетная электрическая нагрузка

   Уравнение (1.3) может быть использовано для описания процессов нагрева любых проводников: кабель, провод, проводники обмоток трансформаторов и электродвигателей. Главной целью при этом является оценка максимального перегрева изоляции проводника. В связи с этим существует понятие расчетной электрической нагрузки.
   Расчетной электрической нагрузкой называется неизменная во времени мощность (или ток), которая вызывает такой же максимальный перегрев изоляции проводника, как и фактическая, мощность нагрузки, изменяющаяся по заданному графику. Следовательно, расчетная нагрузка представляет собой мощность, эквивалентную фактической мощности по наиболее тяжелому тепловому воздействию на изоляцию проводника. Для определения расчетной мощности нагрузки существует несколько методов, в том числе метод упорядоченных диаграмм (метод коэффициента максимума нагрузки). Этот метод является основным для цеховых электрических сетей напряжением 0,38 кВ и межцеховых сетей среднего напряжения 10 кВ. Расчет нагрузки методом упорядоченных диаграмм производится в следующем порядке.
   •    Составляется список ЭП, входящих в состав расчетной группы (табл. 1.1).


12