Электроснабжение и электрооборудование горных предприятий

Рассмотрены конструкция, технические характеристики и принцип работы оборудования на 
горных работах; релейная защита и автоматика в электрических сетях; методики проведения испытаний оборудования; приведен пример 
электроснабжения карьеров при открытых горных работах.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ 
И  ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ГОРНЫХ  ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебное пособие

ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА,  
ГЕОЛОГИИ И ГЕОТЕХНОЛОГИЙ

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ  
И  ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ 
ГОРНЫХ  ПРЕДПРИЯТИЙ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2021 

Оглавление 

2 

УДК 622:621.31(07) 
ББК 33-42я723 
       Э455 
 
 
 
 
 
 
А в т о р ы : В. С. Куликовский, О. А. Кручек, А. И. Герасимов,  
О. А. Ковалева, С. В. Кузьмин 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
С. И. Мурашкин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехнические комплексы и системы» Политехнического института Сибирского федерального университета; 
К. Ю. Кудряшов, заместитель генерального директора по энергообеспечению ООО «Артель старателей Хакасии» 
 
 
 
 
 
 
 
 
Э455           Электроснабжение и электрооборудование горных предприятий : учеб. пособие / В. С. Куликовский, О. А. Кручек, А. И. Герасимов [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер.ун-т, 2021. – 140 с. 
ISBN 978-5-7638-4300-2 
 
Рассмотрены конструкция, технические характеристики и принцип работы оборудования на горных работах; релейная защита и автоматика в электрических сетях; методики проведения испытаний оборудования; приведен пример 
электроснабжения карьеров при открытых горных работах. 
Предназначено студентам направления 210504 «Горное дело». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622.621.31(07) 
ББК 33-42я723 
 
ISBN 978-5-7638-4300-2                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2021 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ОСНОВНЫЕ  СОКРАЩЕНИЯ .......................................................................... 4 
УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ ......................................................................... 5 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 6 
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  АППАРАТЫ   
И  РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ  УСТРОЙСТВА ............................................ 7 
1.1. Магнитные пускатели ............................................................................. 7 
1.2. Автоматические выключатели ............................................................. 14 
1.3. Горное электрооборудование ............................................................... 16 
1.4. Высоковольтные распределительные устройства .............................. 36 
2. РЕЖИМЫ  РАБОТЫ  ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ............................... 47 
2.1. Нагрузочные режимы электрооборудования  
и коэффициент мощности .................................................................... 47 
2.2. Режимы работы трансформаторов на подстанции ............................. 58 
3. ЗАЩИТА  ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК   
И  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  СЕТЕЙ .................................................................. 67 
4. ПРОТИВОАВАРИЙНАЯ АВТОМАТИКА ................................................ 84 
4.1. Автоматическое включение резервного питания .............................. 84 
4.2. Автоматическое повторное включение .............................................. 90 
5. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ  ОТКРЫТЫХ  ГОРНЫХ  РАБОТ .................... 96 
5.1. Исходные данные и требования ........................................................... 96 
5.2. Построение системы электроснабжения ............................................. 97 
5.3. Общие сведения об электроснабжении участка карьера .................. 99 
5.4. Электрическое освещение .................................................................. 100 
5.5. Электрические нагрузки  
и выбор трасформаторных подстанций ............................................ 103 
5.6. Расчет воздушных и кабельных линий ............................................. 105 
5.7. Расчет годовой стоимости электроэнергии ...................................... 108 
5.8. Расчет электроснабжения участка карьера ....................................... 109 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 119 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 120  
ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................... 121 
Приложение 1. Условные графические обозначения .................................. 121 
Приложение 2. Справочно-информационные материалы .......................... 123
 
 

Оглавление 

4 

 
ОСНОВНЫЕ  СОКРАЩЕНИЯ 
 
 
АВР     
АПВ    
ВН       
НН       
КЗ        
ПВ       
ГПП     
ПКТП 
СКТП     
ПСКТП  
 
МТП  
ДРЛ  
ДКсТ  
РП  
ППП  
РУ  
КРУ  
ВЛ  
КЛ  
ЭП  
ТА  
КСС  
ЛН  
ЛЛ  

– автоматическое включение резерва 
– автоматическое повторное включение 
– высшее напряжение 
– низшее напряжение 
– короткое замыкание 
– относительная продолжительность включения 
– главная понизительная подстанция 
– передвижная комплектная трансформаторная подстанция 
– сборно-разборная комплектная трансформаторная подстанция 
– передвижная трансформаторная подстанция с сухим трансформатором 
– мачтовая трансформаторная подстанция 
– дуговые ртутные лампы 
– дуговые ксеноновые ртутные лампы 
– распределительный пункт 
– передвижной приключательный пункт 
– распределительное устройство 
– комплектное распределительное устройство 
– воздушная линия электропередачи 
– кабельная линия электропередачи 
– электроприемник 
– трансформатор тока 
– кривая сила света 
– лампа накаливания 
– люминесцентная лампа 

Оглавление 
 

5 

 
УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
 
Iном  
Iрасч  
Iа  
Iр  
Iп  
кп.н  
Iкр  
Iпр  
F 
Е  
Pн  
Sн.т  
Pр  
Qр 
Sр  
Ркз  
uкз%  
кз  
сosφоп  

– номинальный ток 
– полный расчетный ток 
– активная составляющая расчетного тока 
– реактивная составляющая расчетного тока 
– пусковой ток одиночного ЭП 
– коэффициент пускового тока двигателя номинальный 
– кратковременный пиковый ток группы ЭП 
– расчетный ток проводника 
– световой поток 
– освещенность 
– номинальная активная мощность электроприемника 
– номинальная мощность трансформатора 
– расчетная активная мощность электроприемников 
– расчетная реактивная мощность электроприемников 
– расчетная полная мощность электроприемников 
– потери мощности короткого замыкания трансформатора 
– напряжение короткого замыкания трансформатора 
– коэффициент загрузки 
– опережающий коэффициент мощности 

Оглавление 

6 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Технический прогресс в любых отраслях промышленности невозможен 
без эффективного применения электрической энергии и использования 
различного электрооборудования, поэтому существенное значение в подготовке квалифицированных специалистов технического профиля имеет 
изучение вопросов, связанных с электроснабжением промышленных предприятий. 
Электрооборудование и электроснабжение являются важнейшей составной частью электрификации промышленных предприятий, которая 
создает энергетическую базу комплексной механизации и автоматизации 
производства. 
В свете требований, предъявляемых к инженерно-техническому персоналу, постоянно возрастает значение вопросов электроснабжения потребителей электроэнергии, знание которых позволяет инженеру успешно 
решать сложные технические задачи. 
Задачи, стоящие перед высшей школой на современном этапе, требуют качественного повышения подготовки специалистов, усиления их 
практического обучения. Большая роль в совершенствовании учебного 
процесса в вузах принадлежит увеличению доли лабораторно-практических 
занятий в общем объеме изучаемых дисциплин. Эта форма больше, чем 
другая, позволяет обеспечить единство теории и практики. 
Данное учебное пособие предназначено для самостоятельной работы 
студентов, обучающихся по специальностям «Открытые горные работы», 
«Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», «Горные 
машины и оборудование», «Электрификация и автоматизация горных            
работ».

1.1. Магнитные пускатели 
 

7 

 
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  АППАРАТЫ 
И  РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ  УСТРОЙСТВА 
 
 
Передача электрической энергии от источников питания к потребителям осуществляется по электросетям через различные электрические 
устройства, которые коммутируют (включают, выключают и переключают) участки электрических сетей и обеспечивают защиту их от повреждений и ненормальных режимов работы.В электроустановках низкого напряжения (до 1000 В) наибольшее применение нашли магнитные пускатели, контакторы и автоматические выключатели, а в электроустановках высокого напряжения (выше 1000 В) – распределительные устройства, состоящие из комплектных высоковольтных ячеек. 
 
 
1.1. Магнитные пускатели 
 
Основные требования и условия работы. Магнитным пускателем 
называется электрический аппарат, предназначенный для пуска и отключения короткозамкнутых асинхронных двигателей. Как правило, в пускатель помимо контактора встроены тепловые реле для защиты двигателя  
оттоковых перегрузок и «обрыва фазы». Работа асинхронных двигателей 
в значительной степени зависит от таких свойств пускателей, как износостойкость, коммутационная способность, надежность защиты двигателя от 
перегрузок. В процессе эксплуатации довольно часто обрывается одна из 
фаз трехфазного питающего напряжения, например из-за перегорания предохранителя. К двигателю при этом подводятся только две фазы, и ток 
в статоре резко возрастает, что приводит к выходу его из строя из-за нагрева 
обмотки до высокой температуры. Тепловые реле пускателя от этих токов 
должны срабатывать и отключать двигатель. 
При включении асинхронного двигателя пусковой ток в 6 раз превышает номинальный. При таком токе даже незначительная вибрация контактов быстро выводит их из строя. Это накладывает высокие требования 
в отношении вибрации и износа контактов. С целью уменьшения времени 
вибрации контакты и подвижные части контакторов магнитного пускателя 
делаются возможно легче, уменьшается их скорость, увеличивается контактное нажатие. При снижении напряжения в сети до 60–75 % от номи

1. Электрические аппараты и распределительные устройства 

8 

нального значения сила тяги катушки КМ становится маленькой, её сердечник выпадет и разомкнет силовые и блокировочные контакты. Такая 
защита называется минимальной по напряжению. Из-за инерционности тепловых реле они не защищают силовые цепи от токов короткого замыкания, поэтому перед пускателем устанавливаются предохранители или автоматические выключатели.  
Сила тяги электромагнита контактора изменяется во времени по закону, описываемому выражением 

2
sin
cos2
2
2

n
n
n
F
F
F
F
t
t

 

 ,                            (1.1) 

где Fn – амплитуда силы; ω = 314 1/c–1 – угловая частота сети. 
Мгновенное значение силы пульсирует с двойной частотой по отношению к частоте тока  i  в катушке КМ (рис. 1.1, а). В отдельные моменты 
времени сила тяги электромагнита F больше силы Fn противодействующей 
пружины, в других случаях наоборот: F меньше Fn. В результате якорь 
контактора то притягивается, то отбрасывается, т. е. возникает вибрация 
якоря, которая приводит к износу механической системы, подгоранию 
контактов и сильному гудению. Для устранения вибрации в контакторах 
пускателей используют короткозамкнутый виток (рис. 1.1, б), выполненный из меди или алюминия, надетый на расщепленную часть полюса. 
Из-за короткозамкнутого витка поток Ф2 отстает от потока Ф1 на 
угол φ (рис. 1.1, г). Каждый из потоков создает свою силу F1 и F2, сдвинутые между собой на угол φ. Результирующая сила F = F1 + F2 (рис. 1.1, в) 
в любой момент времени больше силы противодействующей пружины Fn, 
поэтому при наличии короткозамкнутого витка  вибрация якоря контактора КМ отсутствует. 
При номинальных токах до 100 А целесообразны серебряные накладки на медных контактах. При токе выше 100 А эффективна композиция серебра и оксида кадмия. После разгона двигателя ток падает до номинального значения, поэтому отключение работающего двигателя происходит при меньшей токовой нагрузке контактов. При отключении двигателя 
восстанавливающееся напряжение на контактах равно разности напряжения сети и ЭДС двигателя. В результате на контактах контактора появляется 
напряжение, составляющее 15–20 % Uном, т. е. отключение происходит 
в облегченных условиях. 
Нередко бывает необходимо отключить двигатель от сети сразу после 
пуска. В этом случае контактор пускателя отключает ток, равный шестикратному номинальному при низком коэффициенте мощности (cos φ ≤ 0,3) 
и восстанавливающемся напряжении, равном номинальному напряжению 
сети. По действующим нормам после 50-кратного включения и отключения 

1.1. Магнитные пускатели 
 

9 

заторможенного двигателя пускатель должен быть пригоден для дальнейшей работы. В технических данных магнитных пускателей указываются их 
номинальный ток и номинальная мощность двигателя при  различных напряжениях. Поскольку ток, отключаемый пускателем, относительно мало 
падает с ростом напряжения, мощность двигателя, с которым может работать данный пускатель, возрастает с увеличением номинального напряжения. Наибольшее рабочее напряжение пускателей равно 660 В. 
 

а 
б 

 

в 
г 

Рис. 1.1. Принцип действия короткозамкнутого витка: а – сила тяги и сила противодействия пружины; б – короткозамкнутый виток на полюсе электромагнита; в – векторы 
магнитных потоков полюса; г – результирующая сила электромагнита 
 
Электрическая износостойкость контакторов пускателя обратно пропорциональна мощности управляемого электродвигателя в степени (1,5–2). 
Для повышения срока службы пускателя его необходимо выбирать на ток, 
превышающий номинальный ток двигателя. Двигатели меньшей мощности 
быстрее достигают номинальной частоты вращения, поэтому при их отключении разрывается установившийся номинальный ток, что облегчает 
работу пускателя и повышает допустимое число включений в 1 ч. 
С учетом широкого распространения магнитных пускателей большое 
значение приобретает снижение потребляемой ими мощности, которая 
расходуется в электромагните контактора и других элементах схемы (тепловых реле и т. д.). Потери мощности в электромагните составляют примерно 60 %, в тепловых реле 40 % общих потерь пускателя. 

i

F, n

F, i 

t
0 

0 

F 

π 
2π 

F2

π 
2π 

F1

Fn

t

F =  F1 +F2

Ф2

Ф1

1. Электрические аппараты и распределительные устройства 

10 

Конструкция и схема включения. Наибольшее распространение 
получили пускатели серий ПМЕ (рис. 1.2) и ПА.  
Учитывая облегченные условия работы пускателя при отключении, 
возможно, используя двукратный разрыв цепи, отказаться от применения 
громоздких дугогасительных устройств в виде решетки или камеры магнитного дутья. Широко применяются торцевые контакты с металлокерамикой. 
Подвижный контакт 1 выполняется мостикового типа с самоустанавливанием. Токоведущие шинки 3 от зажимов к неподвижным контактам 4 выполняются таким образом, чтобы электродинамические силы сдували дугу 
с контактов. 
 

 
Рис. 1.2.  Магнитный пускатель серии ПМЕ 
 
Прямоходовой электромагнит имеет Ш-образный сердечник 12 
и якорь 7. Возврат пускателя в исходное положение происходит за счет 
пружины 11. Короткозамкнутый виток 10 расположен на двух крайних 
стержнях сердечника. Якорь электромагнита 7 связан с изоляционной траверсой 6, несущей подвижные контакты 2 с контактными пружинами 1. 
Траверса 6 движется в направляющих 5, являющихся частью литого корпуса 8. Пускатель может иметь пять главных и два вспомогательных контакта 9. Основной особенностью электромагнитного механизма является 
равенство ходов контакта и якоря электромагнита. Такая система имеет 
ряд недостатков, которые ведут к большому времени вибрации контактов 
(более 1 мс) и их быстрому износу. В современных пускателях такая система применяется только при малых мощностях двигателей (номинальный 
ток 25 А). 
При токах, больших 25А, хорошо себя зарекомендовала система пускателей серии ПА, в которой ход контакта примерно в 2,5 раза меньше, 

3

2

1

5

12

4

9
8
7

6

10

12
11