13. Передача и распределение электрической энергии

1. Схемы электроснабжения ..................................................................................... 171

2. Элементы устройства электрических сетей ....................................................... 175

3. Выбор проводов и кабелей .................................................................................. 177

13.4 Некоторые вопросы эксплуатации электрических установок ...................... 180

Основные формулы ..................................................................................... 184

Обозначения ................................................................................................ 184

Примеры решения задач ........................................................................... 185

Контрольные вопросы ............................................................................... 188

Задачи для самостоятельного решения ................................................. 189

Работа электроприемников непосредственно зависит от качества электрической энергии, показателями которого являются: отклонение частоты и напряжения от их номинальных величин, коэффициенты несинусоидальности напряжения и несимметрии напряжений (в трехфазной системе).

Эти показатели определяются качеством построения и уровнем эксплуатации всей системы электроснабжения, в которую входит комплекс устройств для производства, передачи и распределения электрической энергии. Однако на качественные показатели (кроме отклонения частоты) влияют и некоторые электроприемники: вентильные преобразователи, мощные электротермические установки (особенно дуговые сталеплавильные печи), электросварочные установки, электродвигатели в период пуска.

При устройстве и эксплуатации систем электроснабжения решают широкий круг задач, связанных с рациональным выбором: величин напряжений, числа трансформаций, размещения подстанций, числа и мощности трансформаторов, сечений проводов и кабелей, коммутационной, контрольно-измерительной и защитной аппаратуры, средств и методов компенсации реактивной мощности; рассматривают вопросы надежности электроснабжения, безопасности обслуживания электрооборудования, экономии электрической энергии и др.

1. Схемы электроснабжения

Общая схема электроснабжения показана на рис. 13.1. Крупные электростанции, расположенные в одном, относительно большом районе, обычно соединены высоковольтными линиями электропередачи и вместе с подстанциями, распределительными линиями и приемниками электроэнергии составляют энергетическую систему. Электрическую часть энергосистемы называют электрической системой.

Рис. 13.1

Объединение электростанций в энергосистемы дает существенные технико-экономические преимущества: значительно повышается надежность электроснабжения потребителей; более рационально распределяется нагрузка, снижаются необходимые резервы мощности на электростанциях; открывается возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанций, что позволяет снизить себестоимость электроэнергии и сократить расходы топлива за счет более полного использования гидроэлектростанций и более экономичной работы тепловых электростанций.

Схемы электроснабжения предприятий. Совокупность воздушных и кабельных линий электропередачи, подстанций, размещенных на определенной территории, называют электрической сетью.

Электрические сети связывают потребителей с электростанциями. Их можно классифицировать по ряду признаков: по конструктивному выполнению — воздушные и кабельные линии, внутренние проводники; по роду тока — сети переменного и постоянного токов; по характеру потребителей — городские сети, сети промышленных предприятий, сельские сети, сети электрических систем или районные сети.

Электрические сети, к которым непосредственно присоединены электроприемники, называют распределительными. Это наименование применяют также к районным сетям с большим количеством присоединенных к ним приемных подстанций.

Электроснабжение промышленных предприятий и других потребителей в большинстве случаев осуществляется от энергосистем при напряжении в соединительных линиях 110, 35, 10, 6 кВ в зависимости от протяженности линий и установленной мощности электроприемников на предприятии.

В конце распределительной линии высокого напряжения (110—35 кВ) устанавливают понижающую трансформаторную подстанцию с вторичным напряжением 6—10 кВ (рис. 13.2). Такая подстанция имеется на каждом крупном предприятии или она обеспечивает несколько относительно маломощных потребителей. От подстанции начинаются внутренние распределительные линии (как правило, кабельные). Они передают электроэнергию на цеховые подстанции, где напряжение понижается до рабочего напряжения электроприемников (220—380 В) или подается непосредственно высоковольтным электроприемникам (6—10 кВ).

Схемы цеховых электрических сетей. Внутренние распределительные линии передают электроэнергию на цеховые подстанции (рис.13.2, 13.3). Часть электроприемников питается непосредственно от шин первичного напряжения цеховых подстанций (5—10 кВ), если такие приемники имеются (например, высоковольтные электродвигатели большой мощности). Но большинство электроприемников имеют номинальное напряжение 380 или 220 В, поэтому на цеховой подстанции установлены понижающие трансформаторы, которые на вторичной стороне дают такие напряжения для подключения силовой (электродвигатели), осветительной (электролампы) и другой электронагрузки.

Рис. 13.2 Рис. 13.3

Внутренние цеховые сети выполняют по радиальной, магистральной или смешанной схеме. Та или другая из этих схем начинается от шин вторичной стороны цеховой подстанции.

По радиальной схеме (рис. 13.2) электроприемники 3 присоединены или непосредственно к шинам 1 подстанции, или имеются промежуточные распределительные пункты 2. Наиболее ощутимыми преимуществами радиальных схем являются их высокая надежность (выход из строя одной линии не влияет на работу других), удобство автоматизации.

Из недостатков радиальных схем по сравнению с другими схемами надо отметить более высокую стоимость электросети (большее количество защитной и коммутационной аппаратуры, более высокий расход проводов и труб, дополнительные площади для размещения распределительных пунктов); необходимость больших дополнительных монтажных работ в случае перемещения электроприемников, связанного, например, с изменением технологического процесса.

Магистральная схема (рис. 13.3) состоит из нескольких магистралей 5, к которым в любой точке можно присоединить электроприемник. Обычно магистральные схемы применяют при равномерном распределении электроприемников в цехе. Их выполняют кабелями, проводами, шинопроводами.

Цеховая электросеть по магистральной схеме дешевле радиальной, позволяет перемещать технологическое оборудование без переделки сети, но менее надежна, так как выход из строя магистрали лишает электропитания все электроприемники, присоединенные к ней.

В смешанной схеме некоторые электроприемники получают питание по радиальным линиям, а другие от магистральных шинопроводов.

Схемы осветительных электросетей. В производственных помещениях создают рабочую и аварийную системы освещения. В рабочую систему входят светильники общего и местного освещения.

Осветительная электрическая сеть (рис. 13.4) присоединена одной частью к распределительному щиту 1 трансформаторной подстанции, где начинаются силовые линии 2 и питающие линии освещения 5, ведущие к групповым щиткам рабочего освещения 6 и аварийного освещения 7. Другая часть получает питание от трансформатора через распределительный щит 4. Участки сети от групповых щитков до светильников называют групповыми. Питающие линии 3 выполняют трех- и четырехпроводными, групповые линии 8 (рабочее освещение) и 9 (аварийное освещение) имеют два, три или четыре провода, что зависит от их протяженности и величины нагрузки.

Н ередко на цеховых подстанциях установлен один трансформатор, от которого получают энергию силовая и осветительная нагрузки (рабочая и аварийная).

Если в цехе установлено несколько трансформаторов, то Рис. 13.4

рабочая и аварийная осветительная нагрузки присоединяются к разным трансформаторам. Для осветительных сетей применяют магистральные или магистрально-радиальные схемы и, конструктивно, открытые электропроводки на изоляторах, скрытые проводки в трубах и без труб.

Графики электрических нагрузок. Электрическая нагрузка предприятия, его цехов, производственных участков непрерывно изменяется. Это связано прежде всего с тем, что режимы отдельных электроприемников весьма различны. Первые из них работают длительно, вторые — кратковременно, третьи — в повторно-кратковременном режиме. Изменение потребной мощности связано также со сменностью работы предприятия в течение суток, режимом рабочей недели, со сменой времен года.

Зависимость мощности от времени P = f (t), выраженную графически, называют графиком электрической нагрузки (рис. 13.5).

а) б)

Рис. 13.5

Различают графики нагрузки индивидуальные (отдельных электроприемников) и групповые.

Путем сложения ординат индивидуальных графиков строят групповые графики, а на основе групповых получают графики электрических нагрузок цехов, предприятий. По длительности периода действия строят графики суточные и годовые, причем годовой график составляют, используя характерные графики за зимние и летние сутки.

На рис. 13.5, а, б в качестве примера показаны суточные графики нагрузки промышленного предприятия и жилого дома.

Для расчетов в схемах электроснабжения применяют ряд величин и коэффициентов, определяемых по графикам нагрузки. Из них отметим следующие.

Средняя нагрузка P_сp — средняя мощность за наиболее загруженную смену.

Максимальная (расчетная) нагрузка Р_max — наибольшая из средних нагрузок длительностью не менее 30 мин в течение смены.

Максимальная кратковременная (пиковая) нагрузка возникает при пусках электродвигателей, при работе электросварочного оборудования, дуговых электропечей. Пиковую нагрузку обычно выражают значением тока.

Установленная мощность — сумма номинальных мощностей группы электроприемников Р_у = .

Коэффициент использования установленной мощности — отношение средней активной мощности одного электроприемника или группы приемников к установленной активной мощности k_и = .

Коэффициент спроса — отношение мощностей максимальной расчетной к установленной k_и = P_max / P_y.

Коэффициент загрузки электроприемника — отношение мощностей средней фактической к номинальной k_з = P_ср / P_ном.