Электроснабжение

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Ю.Д. СИБИКИН
М.Ю. СИБИКИН

2-е издание, стереотипное

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим 
советом профессионального образования 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по энергетическим направлениям подготовки
(квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 4 от 13.04.2022)

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73
 
С34

Сибикин Ю.Д.
С34  
Электроснабжение : учебное пособие / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сиби-
кин. — 2-е изд., стер. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 328 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1863101.

ISBN 978-5-16-017612-3 (print)
ISBN 978-5-16-110165-0 (online)
В учебном пособии рассматриваются методы расчета электрических 
нагрузок, вопросы качества электрической энергии и компенсации реактивной 
мощности, схемы электроснабжения объектов; излагается методика 
определения потерь в элементах систем электроснабжения, приведен 
материал, касающийся работы и расчета электрических сетей, связанный 
с процессом протекания электрического тока в проводах внешнего и внутреннего 
электроснабжения объектов.
Предназначено для студентов направлений подготовки и специальностей «
Электроэнергетика и электротехника», «Электрические станции, 
сети и системы», «Электроснабжение», «Автоматическое управление 
электро энергетическими системами», «Релейная защита и автоматизация 
электроэнергетических систем» и других электроэнергетических направлений 
подготовки и специальностей вузов и учреждений среднего профессионального 
образования.

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73

ISBN 978-5-16-017612-3 (print)
ISBN 978-5-16-110165-0 (online)
© Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю., 
2010, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................................................................. 
1

Введение ...................................................................................................  
9

Г ла в а  1
Общие вопросы производства, преобразования,
передачи и потребления электроэнергии ..................................... 
11

1.1. 
Основные термины, определения и понятия,
используемые в электроэнергетике.................................... 
11

1.2. 
Производство электроэнергии............................................. 
16

1.3. 
Синхронные генераторы....................................................... 
21

1.4. 
Преобразование электроэнергии.......................................  
24

1.5. 
Новые преобразовательные аппараты
с обмотками кабельного типа..............................................  
30

1.6. 
Краткая характеристика
распределительных устройств............................................. 
32

1.7. 
Использование электроэнергии........................................... 
36

Г ла в а  2
Общие сведения об электроэнергетических системах ............  
42

2.1. 
Понятия о системах электроснабжения.............................  
42

2.2. 
Энергетическая система России .......................................... 
47

2.3. 
Режимы работы энергосистем............................................. 
51

2.4. 
Режимы работы нейтрали в установках
напряжением выше 1 кВ ........................................................  
55

2.5. 
Режимы работы нейтрали в установках
напряжением до 1 к В ............................................................  
58

2.6. 
Заземляющие устройства..................................................... 
59

2.7. 
Сопротивление заземляющих устройств........................... 
62

Гла ва 3

Классификация схем и выбор напряжения
электрических сетей ............................................................................  
65

3.1. 
Классификация схем электрических сетей
напряжением выше 1 кВ ....................................................... 
65

3.2. 
Схемы групповых электрических сетей
напряжением до 1000 В ........................................................ 
76

3.3. 
Выбор рационального напряжения внешнего
электроснабжения объекта................................................... 
83

3.4. 
Выбор напряжения внутриобъектного распределения
электроэнергии....................................................................... 
84

3

Г лава 4
Расчетные электрические нагрузки промышленных 
электрических сетей ...............................................................................  
87

4.1. 
Общие сведения о графиках электрических нагрузок .... 
87

4.2. 
Характеристики электрических нагрузок..........................  
92

4.3. 
Показатели графиков нагрузки............................................ 
97

4.4. 
Определение расчетной нагрузки.......................................  
104

4.5. 
Определение расхода электроэнергии............................... 109

4.6. 
Рекомендации по последовательности расчетов
электрических нагрузок........................................................  110

Г ла в а  5
Расчетные электрические нагрузки сельских
и городских электрических сетей ...................................................... 114

5.1. 
Расчетные электрические нагрузки сельских районов .... 
114

5.2. 
Расчетные электрические нагрузки городской сети........ 118

Г ла в а  6
Термодинамические процессы, происходящие 
в проводах и кабелях электрических сетей
при протекании по ним тока .............................................................  129

6.1. 
Нагревание и охлаждение проводов................................... 
129

6.2. 
Расчет нагрева голых проводов........................................... 
134

6.3. 
Выбор плавких предохранителей
по условиям нагревания........................................................  
140

Г ла в а  7
Конструктивные выполнения электрических сетей .................... 
145

7.1. 
Конструкции электрических воздушных линий ................ 
145

7.2. 
Конструктивное выполнение проводов и изоляторов
воздушных линий ...................................................................  149

7.3. 
Кабельные линии электропередачи....................................  152

7.4. 
Токопроводы напряжением 6...35 кВ .................................. 158

7.5. 
Конструктивное выполнение сетей
напряжением до 1 к В ............................................................. 161

Гла ва 8
Электрический расчет электрических сетей ................................... 
168

8.1. 
Омическое и активное сопротивления медных
и алюминиевых проводов и кабелей................................... 
168

8.2. 
Реактивное (индуктивное) сопротивление......................... 170

8.3. 
Реактивная (емкостная) и активная
проводимости линий .............................................................. 172

8.4. 
Схемы замещения элементов электрических сетей.........  174

8.5. 
Определение потерь, отклонений, колебаний
напряжения .............................................................................  182

4

8.6. 
Определение потерь электроэнергии................................  
186

8.7. 
Выбор оптимальных сечений проводов и жил кабелей
линий электропередач...........................................................  190

Г л а в а  9
Виды и системы электрического освещения ...............................  204

9.1. 
Основы светотехники............................................................  204

9.2. 
Источники света......................................................................  208

9.3. 
Осветительные электроустановки.......................................  210

9.4. 
Электрические сети осветительных установок................. 212

9.5. 
Расчет электрических сетей
осветительных установок...................................................... 216

Г л а в а 10
Компенсация реактивной мощности .............................................. 221

10.1. Основные положения............................................................  221
10.2. Компенсирующие устройства...............................................  227
10.3. Технико-экономическое обоснование выбора средств

компенсации реактивной мощности................................... 232

10.4. Размещение компенсирующих устройств.......................... 238
10.5. Регулирование работы компенсирующих устройств....... 240

Г л а в а  11
Надежность электроснабжения ....................................................... 243

11.1. Термины надежности............................................................  243
11.2. Законы распределения случайных величин....................... 244
11.3. Показатели надежности элементов систем

электроснабжения.................................................................. 245

11.4. Категории надежности электроснабжения

электроприемников................................................................ 252

Г л а в а  12
Качество электроэнергии в системах
электроснабжения ...............................................................................  259

12.1. Общие сведения.....................................................................  259
12.2. Показатели качества электроэнергии................................. 261
12.3. Отклонение напряжения....................................................... 263
12.4. Колебания напряжения.........................................................  264
12.5. Несинусоидальность формы кривой напряжения

и тока........................................................................................  267

12.6. Несимметрия напряжения..................................................... 269
12.7. Провал напряжения................................................................ 270
12.8. Импульсные напряжения и временные

перенапряжения.....................................................................  272

12.9. Причины отклонения частоты

в электрической системе....................................................... 276

5

Г л а в а  13
Анализ влияния качества электроэнергии
на работу электроприемников..........................................................  279

13.1. Анализ влияния отклонения частоты в электросистеме

на работу электроприемников............................................. 279

13.2. Анализ влияния уменьшения и увеличения напряжения

на работу электроприемников............................................. 281

13.3. Анализ влияния колебаний напряжения

на работу электроприемников............................................. 286

13.4. Анализ влияния несимметрии напряжения

на работу электроприемников............................................. 287

13.5. Анализ влияния несинусоидальности напряжения

на работу электроприемников............................................. 289

13.6. Контроль КЭ и основные требования к цифровым

средствам измерений............................................................  290

Г л а в а  14
Регулирование напряжения в электрических сетях .................. 293

14.1. Задачи и способы регулирования напряжения

в системах электроснабжения ............................................. 293

14.2. Способ регулирования напряжения изменением

напряжения генераторов на электростанциях..................  294

14.3. Способы регулирования напряжения 
коэффициентом трансформации трансформаторов, 
автотрансформаторов и специальными регуляторами.... 295

14.4. Способы регулирования напряжения изменением 
параметров сети или компенсацией падения
напряжения в сети.................................................................. 298

14.5. Способ регулирования напряжения изменением

реактивной мощности, проходящей в сети........................ 300

14.6. Способы регулирования напряжения синхронными

компенсаторами и статическими конденсаторами..........  301

Г л а в а  15
Технико-экономические расчеты и организация
эксплуатации систем электроснабжения ......................................  305

15.1. Технико-экономическое сравнение вариантов

при строительстве и неизменных годовых издержках .... 305

15.2. Правила пользования электрической энергией................ 310
15.3. Порядок расчета стоимости поставленной абоненту

электрической энергии..........................................................  315

15.4. Организация эксплуатации систем электроснабжения

и электросберегающие технологии....................................  320

Список использованной литературы..................................................... 326

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Для реализации стратегических планов Правительства России 
необходима перестройка экономики страны, направленная прежде 
всего на то, чтобы придать общественному развитию мощный импульс ускорения с помощью научно-технического прогресса, определяемого в наибольшей степени энергетикой и автоматикой всех 
отраслей хозяйства.

Для решения важных энергетических задач инженер должен обладать теоретическими знаниями и уметь творчески применять их в практической деятельности, то есть уметь творчески мыслить.

Курсы по направлениям подготовки и специальностям «Электроэнергетика и электротехника», «Электрические станции, сети 
и системы», «Электроснабжение», «Автоматическое управление 
электроэнергетическими системами», «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» и другим электроэнергетическим направлениям подготовки и специальностям, читаемые 
на электроэнергетических и электротехнических факультетах, содержат много общего и могут быть представлены в двух книгах.

В книге рассматриваются методы расчета электрических 
нагрузок, вопросы качества электрической энергии и компенсации реактивной мощности, схемы электроснабжения объектов; 
излагается методика определения потерь в элементах систем 
электроснабжения, приведен материал, касающийся работы 
и расчета электрических сетей, связанный с процессом протекания электрического тока в проводах внешнего и внутреннего 
электроснабжения объектов. Эта часть курса названа «Электроснабжением».

Во второй части курса «Электрические подстанции» рассмотрены вопросы схем соединения и проектирования трансформаторных подстанций, выбора оборудования распределительных 
устройств, расчетов токов короткого замыкания и релейной защиты.

Данная книга является учебным пособием по первой части 
курса. В книге помещен лишь материал, требуемый программой, причем по каждому разделу даны, главным образом, основные сведения.

7

В целях наглядности и лучшего усвоения курса в книге 
приведено значительное число примеров и расчетов, а также 
вопросов для самопроверки.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей: «Электроэнергетические системы и сети», «Электроснабжение», «Автоматическое управление электроэнергетическими 
системами» и других электроэнергетических специальностей 
вузов для дневной, вечерней и заочной форм обучения.

Авторы будут благодарны за все замечания и предложения по данной книге, которые просим направлять в адрес издательства.

ВВЕДЕНИЕ

Системы электроснабжения предприятий предназначены для 
обеспечения питания электроэнергией приемников электрической энергии, к которым относятся электродвигатели различных механизмов и машин, электрические печи, аппараты и машины для электрической сварки, осветительные установки и другие 
приемники электроэнергии.

Первые электрические станции сооружались в городах для 
освещения и питания электрического транспорта, а также при 
фабриках и заводах. Несколько позднее появилась возможность 
сооружения электрических станций в местах залежей топлива 
или местах использования энергии воды. Передача электрической энергии к центрами потребления стала осуществляться линиями электропередачи высокого напряжения на большие расстояния.

По мере развития электропотребления усложняются и системы электроснабжения предприятий. В них включаются сети 
высокого напряжения, распределительные сети, а в ряде случаев и сети промышленных ТЭЦ.

До 1960 г. самые крупные генераторы тепловых электростанций (ТЭС) имели мощность 100 МВт. На одной электростанции 
устанавливали 6...8 генераторов. Поэтому мощность крупных 
ТЭС составляла 600...800 МВт. После освоения энергоблоков 
(турбина — генератор) мощностью 150...200 МВт мощность 
крупнейших электростанций повысилась до 1200 МВт. Переход 
на энергоблоки мощностью 800 МВт позволил увеличить мощность некоторых ТЭС (например, Пермской ГРЭС) до 4800 МВт.

В настоящее время в энергосистемах Российской Федерации эксплуатируются более 600 тыс. км воздушных и кабельных 
линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше и 2 млн км 
напряжением 0,4...20 кВ, свыше 17 тыс. подстанций напряжением 35 кВ и выше с общей трансформаторной мощностью почти 
575 млн кВ -А  и более полумиллиона трансформаторных пунктов 6...35/0,4 кВ. Электроэнергетика России является важнейшей жизнеобеспечивающей отраслью страны. В ее состав входят более 700 электростанций общей мощностью 216,2 млн кВт; 
в отрасли работают более 1 млн человек.

В современных условиях и на перспективу до 2020 г. главными задачами специалистов, осуществляющих проектирование,

9

монтаж и эксплуатацию современных систем электроснабжения 
промышленных сельскохозяйственных и гражданских объектов 
являются: правильное определение электрических нагрузок, 
рациональная передача и распределение электроэнергии, обеспечение необходимой степени надежности электроснабжения, 
качества электроэнергии на зажимах электроприемников, электромагнитной совместимости приемников электрической энергии 
с питающей сетью, экономия электроэнергии и других материальных ресурсов.

Глава 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОИЗВОДСТВА, 
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, ПЕРЕДАЧИ 
И ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. 
Основные термины, определения 
и понятия, используемые в электроэнергетике

Т а б л и ц а  1.1

Энергетика и электрификация народного хозяйства 
и электрическая часть электрической сети. Основные термины 
и определения (ГОСТы 19431—84 и 24291—80)

Термин
Определение

Электроснабжение
Обеспечение потребителей электрической энергией

Электроустановка
Установка, в которой производится, преобразуется, передается, распределяется, потребляется 
электрическая энергия

Источник питания 
электроэнергией

Электроустановка, от которой осуществляется 
питание электроэнергией потребителя или группы потребителей

Резервный источник 
питания
электроэнергией

Источник питания электроэнергией, включаемый 
при отключении основного источника

Линия
электропередачи

Электроустановка, предназначенная для передачи электрической энергии

Электрическая
подстанция

Электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии

Электрическая
сеть

Совокупность воздушных и кабельных линий 
электропередачи и подстанций, работающих на 
одной территории

Приемник электрической энергии

Электроустановка, предназначенная для приема 
и использования электрической энергии

11

Окончание табл. 1.1

Термин
Определение

Потребитель электрической энергии

Одна или группа приемников электрической 
энергии предприятия или организации

Электрическое
распределительное
устройство
(распределительное
устройство)

Электроустановка, предназначенная для приема 
и распределения электрической энергии на одном напряжении и содержащая коммутационные аппараты, вспомогательные устройства и соединяющие их элементы

Присоединение
электрического
распределительного
устройства
(присоединение)

Часть электрического распределительного устройства, относящаяся к одному из основных 
элементов электрооборудования или линии 
электропередачи

Система сборных 
шин

Комплект токоведущих элементов, связывающих между собой присоединения

Заземляющее
устройство
электроустановки

Совокупность заземляющих проводов и (или) 
шин и заземлителей или их эквивалентов в электроустановке

Мачтовая трансформаторная 
подстанция

Трансформаторная подстанция, оборудование которой установлено на конструкциях или на опоре воздушной линии электропередачи, не требующая наземных ограждений

Распределительный
пункт

Электрическое распределительное устройство 
с аппаратурой управления его работой, не входящей в состав подстанции

Одпоцепная
электрическая
линия

Электрическая линия, имеющая один комплект 
фазных или разнополярных электрических проводов

Двухцепная 
электрическая линия

Электрическая линия, имеющая два комплекта 
фазных или разнополярных проводов

Радиальная
электрическая
линия

Электрическая линия, соединяющая пункт питания с пунктом потребления или распределения 
электрической энергии

Магистральная
электрическая
линия

Электрическая линия, соединяющая пункт питания с несколькими пунктами потребления или 
распределения электрической энергии

Распределительная 
электрическая сеть

Электрическая сеть, обеспечивающая распределение электрической энергии между пунктами 
потребления

12

Надежность в технике. Некоторые термины 
и определения (ГОСТ 27002—86)

Таблица 1.2

Термин
Определение

Надежность
Свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, 
характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах в условиях применения, технического обслуживания, 
ремонтов, хранения и транспортирования

Безотказность
Свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого 
времени или некоторой наработки

Долговечность
Свойство объекта сохранять работоспособное 
состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического 
обслуживании и ремонта

Ремонтопригодность

Свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению 
причин возникновения отказов, повреждений 
и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов

Исправное
состояние.
Исправность

Состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической 
и (или) конструкторской документации

Работоспособное
состояние.
Работоспособность

Состояние объекта, при котором значения всех 
параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструктивной документации

Неработоспособное
состояние.
Неработоспособность

Состояние объекта, при котором значение хотя 
бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации

Предельное
состояние

Состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо 
или нецелесообразно либо восстановление его 
исправного или работоспособного состояния 
невозможно или нецелесообразно

13

Окончание табл. 1.2

Термин
Определение

Повреждение
Событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния

Отказ
Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта

Наработка
Продолжительность или объем работы объекта

Наработка 
до отказа

Наработка объекта от начала его эксплуатации 
до возникновения первого отказа

Наработка между 
отказами

Наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа

Технический
ресурс.
Ресурс

Наработка объекта от начала его эксплуатации 
или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние

Срок службы
Календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после 
ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние

Понятия, используемые в тексте

Абонент — потребитель электрической энергии (мощности), владеющий на законных основаниях энергопринимающим 
оборудованием и приобретающий электрическую энергию (мощность) для собственных и (или) производственных нужд.

Объект — энергопринимающее устройство, либо совокупность энергопринимающих устройств Абонента, находящееся по 
единому адресу поставки, относящееся к единой тарифной группе и имеющее единое организационно-хозяйственное назначение.

Субабонент — лицо, имеющее в собственности энергопринимающее оборудование и не имеющее прямого договора энергоснабжения (купли-продажи электрической энергии) с ЭС, получающее электрическую энергию (мощность) с согласия ЭС 
и сетевой организации от Абонента, принятую последним от ЭС 
через присоединенную сеть.

Сетевая организация — организация, оказывающая услуги по передаче электрической энергии (мощности) с использо14