Электрические сети

Классификация электрических сетей

Электрические сети служат для передачи электрической энергии от места ее производства к месту потребления. Различают сети высокого напряжения свыше 1000 В и сети низкого напряжения до 1000 В, аналогичным образом различают и все электроустройства в этих сетях.

Для передачи электроэнергии применяют воздушные и кабельные линии. Воздушные линии выполняются голыми проводами (без изоляции), открыто проложенными на опорах по изоляторам. Согласно стандарту напряжение этих линий составляет 750, 500, 330, 220, 150, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ.

Кабельные линии, прокладываемые в земле и под водой, применяют в основном при напряжении 6 и 10 кВ.

Кабелем называют один или несколько изолированных проводников, заключенных в герметическую оболочку из свинца, алюминия, полиэтилена. Для защиты оболочек кабеля от механических повреждений на них накладывают защитные покровы из стальных лент или проволок, называемых броней.

По назначению отдельные участки электрических сетей можно разделить на линии внешнего и внутреннего электроснабжения.

Линии внешнего электроснабжения передают энергию высокого напряжения на далекие расстояния от электростанции или подстанции энергосистемы к трансформаторной подстанции предприятия. Для передачи энергии на большие расстояния целесообразно использовать воздушные линии, так как они требуют значительно меньших капитальных затрат на их оборудование, позволяют легко обнаруживать места повреждений и проводить ремонтные работы. Основным недостатком воздушных линий является подверженность опор, проводов и изоляторов, различным повреждениям вследствие атмосферных явлений (гололеда, бурь, ударов молний) и других причин.

Кабельные линии для передачи энергии высокого напряжения используют в тех случаях, когда линия проходит по густо заселенной, застроенной местности или когда требуется особая надежность в эксплуатации. Необходимо учитывать, что кабельные линии дороже воздушных, при напряжении 6-35 кВ — в 2-3 раза, при напряжении 110 кВ — в 5-8 раз. Кабели напряжением 35 кВ бывают также газонаполненными с избыточным давлением инертного газа (обычно малоактивного азота). Кабели на напряжение 110 кВ выполняют маслонаполненными или газонаполненными.

Практически выбор того или иного способа распределения электрической энергии обусловливается главным образом величиной передаваемой мощности, величиной напряжения, протяженностью линии, характером местности, по которой проходит линия, необходимостью особой надежности и безопасности при ее эксплуатации.

Линии внутреннего электроснабжения служат для передачи электроэнергии от станции или подстанции предприятия к электроприемникам и для соединения подстанций предприятия. Связь между отдельными подстанциями предприятия и цеховыми трансформаторными подстанциями осуществляется кабельными линиями обычно при напряжении 6 кВ, проложенными в земле.

К линиям внутреннего электроснабжения относятся также все низковольтные линии напряжением до 500 В:

• линии, передающие энергию от распределительных щитов или подстанций к цеховым распределительным пунктам (РП);

• распределительные линии от РП к электроприемникам цехов;

• наружные проводки для питания различных временных и осветительных установок, расположенных на территории предприятия.

Распределительная сеть (внутренняя проводка) проходит внутри зданий и выполняется изолированным проводом. В особых случаях внутри зданий применяют кабели или провода, заключенные в газовые трубы. Так прокладываются провода в пожаро- и взрывоопасных цехах, например, в производственных помещениях элеваторов, мельниц, крупяных и комбикормовых заводов, во многих цехах химических, целлюлозно-бумажных заводов и текстильных фабрик. Силовая распределительная сеть, идущая от РП к отдельным двигателям трехфазного переменного тока, в основном к асинхронным, является трехпроводной трехфазной линией с линейным напряжением 380 В.

Групповая осветительная распределительная сеть может быть выполнена двухпроводной (фаза и нулевой провод), трехпроводной (две фазы и нулевой провод) и четырехпроводной (три фазы и нулевой провод). При напряжении распределительной сети 220 В и протяженности ее до 100 м (не считая ответвлений к лампам) экономически более целесообразно применение двухпроводных линий с нагрузкой на каждую группу не свыше 10-15 А при обслуживании ею до 20 светильников. При более длинных распределительных сетях применяют трех- и четырехпроводную линию с нагрузкой до 10-15 А на фазу.

Определив по светотехническому расчету количество ламп и зная допускаемую нагрузку на одну фазу 10-15 А, определяют число групп и количество необходимых распределительных щитков. При распределении ламп по группам должна обеспечиваться равномерная нагрузка всех фаз трехфазной системы.

Требования, предъявляемые к электрическим сетям и выбор сечения проводов

Любая электрическая сеть должна быть рассчитана так, чтобы обеспечивались следующие условия:

• нагрев током проводов и кабелей не должен достигать значений, опасных для целости их изоляции;

• потери напряжения и мощности в сети не должны превышать пределов, при которых нарушается нормальная работа потребителей и эксплуатация становится экономически невыгодной;

- провода сети должны обладать механической прочностью (для воздушных линий электропередач);

• должна обеспечиваться безопасность для обслуживающего персонала.

В практических расчетах при выборе проводов, исходя из условий нагрева, пользуются

готовыми таблицами допустимых токовых нагрузок, составленными на основании теоретических расчетов и результатов испытаний проводов на нагревание.

Величина напряжения на зажимах электроприемника определяет качество его работы. Для наилучшей работы электроприемника напряжение на его зажимах должно быть номинальным. Однако наличие электрической сети, связывающей источник электрической энергии с электроприемником, приводит к уменьшению напряжения на потребителях. Эти отклонения от номинального напряжения не должны превышать определенных величин, установленных правилами устройства электрических установок. Так, например, отклонение (уменьшение) напряжения в осветительной сети у наиболее отдаленной лампы не должно превышать 2,5 % U_nom. Для силовой сети, питающей электроэнергией двигатели, эта величина составляет 5 % U_nom.

Для того чтобы представить, какое значение имеет колебание напряжения на зажимах электроприемника, следует помнить, что снижение светового потока у лампы накаливания пропорционально квадрату снижения напряжения, для двигателя постоянного тока момент на валу пропорционален напряжению, для трехфазного асинхронного двигателя M

Из вышеизложенного следует, что расчет сети на потерю напряжения сводится к определению потери напряжения в линии, сечение проводов которой выбирается по условиям нагрева, и сравнению полученной величины с величиной напряжения, допускаемой нормами.

Под потерей напряжения в электрической линии постоянного тока понимают разность между напряжением U в начале и напряжением U_нагр в конце линии (рис. 1). Длина линии — l, нагрузка на конце линии — Р.

Потеря напряжения в линии определяется выражением:

∆U = U − U_нагр.

Рис. 1. Схема электрической линии постоянного тока

Ток в линии

Сопротивление каждого провода линии

где – удельная проводимость материала линии;

S – сечение проводника линии.

Потеря напряжения в линии

Полученная формула позволяет определить потерю напряжения в линии, выраженную в вольтах, что неудобно при практических расчетах, поскольку потеря напряжения нормируется в процентах. Учитывая это, можно получить следующую расчетную формулу:

где – номинальное напряжение потребителя электрической энергии.

Если нагрузка на конце линии задана в виде мощности, удобно пользоваться следующей формулой:

Для облегчения усвоения материала рассмотрим пример расчета электрической линии постоянного тока по условиям нагрева и по потере напряжения.

Пример. Рассчитать электрическую линию постоянного тока, питающую осветительную нагрузку, сосредоточенную на ее конце, мощностью Р = 35 кВт и номинальным напряжением U_ном = 110 В. Протяженность линии 50 м. Проводка прокладывается в стальных трубах двумя одножильными алюминиевыми проводами в полихлорвиниловой изоляции.

Решение.

Расчет по условию нагрева.

Определим расчетный ток линии:

По прил. 3 выбираем сечение проводов таким образом, чтобы допустимый ток на выбранное сечение был больше или равен расчетному. Такому условию удовлетворяет сечение алюминиевых проводов S = 6 мм², для которых допустимый ток I_доп = 36 А, т.е. условие 1_доп > I соблюдено.

Расчет по потере напряжения.

Поскольку нагрузка линии осветительная, то допустимая потеря напряжения составляет 2,5%. Проверим действительную потерю напряжения в линии при выбранном сечении проводов:

где для алюминия

Как видно, полученная величина намного превышает допустимую, следовательно, сечение проводов необходимо увеличить. Для определения необходимого сечения преобразуем расчетную формулу для относительно S и, подставив числовые значения, найдем нужное сечение:

Ближайшее стандартное сечение провода 35 мм², его принимаем к прокладке в данном случае.

Расчет сетей переменного тока, как по условию нагрева, так и по условиям потери напряжения принципиально не отличается от расчета сетей постоянного тока, однако расчетная формула потерь напряжения в сети переменного тока должна учитывать не только активное сопротивление линии, но также и реактивное сопротивление.

На рис. 2 изображена однофазная линия переменного тока, где R и X— активное и индуктивное сопротивление линии, Z_нагр — сопротивление нагрузки, cosφ_нагр— коэффициент мощности нагрузки, l— длина линии, км.

Предположим, что величина U_нагр, и cosφ_нагр известны. Построим векторную диаграмму для этой цепи. Строить векторную диаграмму начнем с вектора напряжения в конце линии U_нагр (рис. 3). Выбрав масштаб напряжений, откладываем величину напряжения U_нагр (отрезок оа) вертикально вверх. Под заданным углом φ_нагр в сторону отставания от вектора напряжения U_нагр строим вектор тока нагрузки (активно-индуктивная нагрузка).

Рис. 2. Схема однофазной линии переменного тока

Рис.3. Векторная диаграмма однофазной линии переменного тока

Вектор напряжения в начале линии U должен отличаться от вектора напряжения U_нагр на величину падения напряжения на активном R и индуктивном X сопротивлениях линии.

Вектор RI совпадает по фазе с вектором тока I. Вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении линии XI опережает вектор I на 90°. Соединив точки a и d, получим вектор падения напряжения , а вектор od—вектор напряжения в начале линии U.

Под падением напряжения в линии переменного тока понимают геометрическую разность векторов напряжений в начале и конце линии.

Под потерей напряжения понимают алгебраическую разность векторов напряжения в начале и в конце линии. Алгебраическая разность векторов U и U_нагр может быть представлена отрезком ае. Точка е получается на пересечении прямой, продолжающей вектор U_нагр, и дуги окружности с центром в точке о радиусом U . Для простоты расчетных формул за потерю напряжения в линии переменного тока окончательно принимают проекцию вектора падения напряжения на продолжение вектора U_нагр , т.е. отрезок of.

Производя дополнительные построения на векторной диаграмме и вводя точки с и q, видим, что величина потери напряжения может быть представлена в виде

Учитывая, что получим .

Если угол сдвига по фазе между напряжением и током нагрузки обозначить через φ и ввести понятия удельных сопротивлений линий r₀ и х₀, т.е. R = l r₀ и X = l х₀, то расчетная формула для потери напряжения примет вид

,

или в процентах

а для трёхфазной цепи

Пример. Рассчитать кабельную линию трехфазного переменного тока напряжением 380/220 В, предназначенную для питания силового распределительного щита. Расчетная нагрузка щита 78 кВт при cosφ = 0,75, протяженность линии 110 м.

Решение.

1. Определяем расчетный ток нагрузки:

2. По таблице допустимых токовых нагрузок на кабели с медными жилами, прокладываемые в земле (прил. 3) в столбце «четырехжильные кабели до 1 кВ» выбираем медный кабель сечением 35 мм². Длительно допустимый ток для выбираемого кабеля I_доп = 175 А. Так как I_доп > I, то, по условию нагрева, кабель проходит.

2. Проверяем выбранный кабель на потерю напряжения:

где r₀ = 0,514 Ом/км — активное сопротивление медных проводов при температуре 20°С (прил. 4);

х₀ = 0,35 Ом/км — для всех сечений кабельных линий напряжением до 1 кВ.

Допустимая потеря напряжения в силовых низковольтных сетях ∆U_доп ≤ 5%. В нашем случае ˂ ∆U_доп, следовательно, по потере напряжения выбранное сечение кабеля проходит.

Защита проводов электрических линий от токов короткого замыкания и перегрузок

Согласно правилам устройства электроустановок, электрические сети напряжением до 1000 В, сооружаемые как внутри, так и вне зданий, должны иметь защиту от токов короткого замыкания с минимальным временем отключения. Для защиты сетей напряжением до 1000 В могут применяться предохранители с плавкими вставками и различного типа автоматические выключатели. Ток плавкой вставки предохранителя, служащего для защиты сети от токов короткого замыкания, следует выбирать таким образом, чтобы соблюдалось соотношение

где — ток плавкой вставки;

— допустимый ток для данного сечения провода.

Для тока установки автоматического выключателя, имеющего регулируемую или нерегулируемую обратнозависимую от тока характеристику, соотношение принимает вид:

где — ток установки автомата.

Для тока установки автоматического выключателя, имеющего только мгновенный максимальный расцепитель, соотношение принимает вид:

Предохранителями и автоматами можно защищать также электрические сети от токов перегрузки. В соответствии с правилами устройства электроустановок осветительные сети и сети бытовых и передвижных электроприемников в жилых и общественных зданиях, служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, а также в пожароопасных и взрывоопасных помещениях должны быть защищены от перегрузок.

Защиту от перегрузок должны иметь электрические сети промышленных предприятий, сети силовых электроприемников жилых, административных и т. п. зданий только в случаях, когда по условиям технологического процесса или режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводов и кабелей.

В сетях, которые защищаются от перегрузок, плавкие вставки предохранителей или установки расцепителей автоматов выбираются по расчетному току, а сечение провода или кабеля выбирается таким образом, чтобы допускаемая длительная перегрузка на этот провод или кабель составляла не менее 125% максимального тока защитного аппарата.

Различают плавкие вставки двух типов: с малой теплоемкостью (быстродействующие), например, медные, и с большей теплоемкостью (инертные), изготовляемые из металла с большим удельным сопротивлением, например, из свинца и его сплавов. Инертные предохранители могут применяться в тех случаях, когда сети питают электроприемники, имеющие пусковые токи или кратковременные перегрузки. В этом случае недлительные по времени пусковые токи не могут перегреть провода сети, однако, если плавкая вставка не имеет инерции, то под действием пускового тока она сгорит и тем самым прервет цепь.

Выбор предохранителей с плавкими вставками производится следующим образом: для проводов с нагрузкой, при включении которой возникают значительные пусковые токи (включение асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и т.д.), ток плавкой вставки выбирается в соответствии с соотношением

где − наибольшая величина тока в цепи. Под подразумевается:

а) для ответвления к одиночным электроприемникам − пусковой ток или наибольший ток нагрузки;

б) для цепей, питающих n приемников

где m – коэффициент одновременности;

– сумма рабочих токов электроприемников за исключением электроприемника, обладающего максимальным пусковым током;

− максимальный пусковой ток электроприемника.

Коэффициент α для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором обычно принимают равным α = 2,5. Для асинхронных электродвигателей с тяжелыми условиями пуска α = 1,6−2,0.

Порядок выбора плавких вставок для защиты проводов от действия токов короткого замыкания и перегрузок следующий:

1. Для сетей, имеющих электроприемники без пусковых токов.

Определяют расчетный ток I. По расчетному току подбирают ближайшую стандартную плавкую вставку с обязательным условием

Номинальные токи стандартных плавких вставок: 6, 10, 15, 20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 325 и т.д.

В случае необходимости защиты провода от перегрузок по расчетному току выбирают ток плавкой вставки, а сечение провода выбирают по допустимому току, определенному из соотношения

2. Для сетей, питающих электроприемники с пусковыми токами.

Определяют расчетный ток I. По расчетному току подбирают ближайшую стандартную плавкую вставку с обязательным условием

I_п.вст. ≥ I ,

где I = I_max / α.

Проверяют, защищает ли выбранная плавкая вставка сечение проводов от действия токов короткого замыкания. Проверку производят по неравенству

где — допустимый ток для данного сечения проводов, определяемый по прил.3.

В случае, если неравенство не соблюдено, нужно увеличить сечение для необходимых результатов, при этом ток плавкой вставки сохраняется прежним.

Защита от перегрузок осуществляется так же, как и для электроприемников без пусковых токов.

Пример.

От трансформаторной подстанции с номинальным напряжением на низкой стороне 380/220 В проложена электрическая сеть на строительную площадку (рис. 4). Электродвигатели, указанные на схеме — короткозамкнутые, асинхронные, осветительная нагрузка — симметричная.

Рис. 4. Расчетная схема электрической сети

Сеть предполагается выполнить:

1. от шин ТП до щитка РЩ-1 четырехжильным кабелем с медными жилами, проложенными по стене;

2. от щитка РЩ-1 до щитка РЩ-2 проводом в газовых трубах;

3. все остальные сети — изолированным проводом.

Характеристики асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и их работы

Характеристики Электродвигатели

7,0	14,0	10,0
5,5	5,0	5,5
0,82	0,85	0,87
0,9	0,88	0,92
1,0	0,8	0,9

Мощность, кВт

Кратность пускового тока

Коэффициент полезного действия

Коэффициент мощности

Коэффициент загрузки

Нагрузка осветительной линии 1 составляет 20 кВт, линии 2 — 30 кВт. Требуется подобрать плавкие вставки предохранителей и выбрать необходимые сечения проводов и кабелей. При расчете необходимо учесть, что электродвигатель 1 может быть перегружен.

Решение.

Электродвигатель 1.

Номинальный ток двигателя

Определяем ток плавкой вставки

Принимаем стандартную плавкую вставку на ток 35 А. Ввиду того, что электродвигатель 1 подвержен нагрузкам, проводка к нему должна быть защищена от токов перегрузки. Тогда I_доп ˃ 1,25·I_п.вст = 44 А. По прил. 3 выбираем сечение медного провода 6 мм².

Электродвигатель 2.

С учётом коэффициента загрузки

Ближайшая стандартная плавкая вставка

По потребляемому току определяем сечение медных изолированных проводов S = 2,5 мм². Для S = 2,5 мм², = 27 А.

Проверяем выбранное сечение на защиту от токов короткого замыкания:

Электродвигатель 3.

тогда = 60 А.

Выбираем сечение S = 1,5 мм², = 20 А.

Проверяем на защиту от токов короткого замыкания

Осветительная линия 1.

= 35 А, S = 4 мм², = 36 А.

Проверка на защиту от токов короткого замыкания

Берем к прокладке сечения фазных проводов 4 мм², а нейтрального – 2,5 мм².

Осветительная линия 2.

= 60 А, S = 6 мм², = 46 А.

Проверка на защиту от токов короткого замыкания

Берем к прокладке сечения фазных проводов 6 мм², а нейтрального – 4 мм².

Прокладка в газовых трубах между РЩ-1 и РЩ-2:

I = 22,6 + 17 + 45 = 84,6 A, S = 25 мм², = 90 А.

Проверим на действие токов короткого замыкания

Принимаем к прокладке фазные провода с сечением 25 мм², а нулевой провод сечением 16 мм².

Четырёхжильный кабель от ТП до РЩ-1

I =0,9·(22,6 + 17 + 45 + 14,4 + 30) = 116 A,

S = 50 мм², = 130 А,

Выберем из условия селективности.

Проверим на действие токов короткого замыкания

Выбираем кабель марки СБ сечением (3х50−1х25) мм².

Электрические источники света

Для электрического освещения применяют лампы накаливания, люминесцентные лампы и ртутные лампы (ДРЛ).

Источники света характеризуются: номинальным напряжением (В), на которое рассчитывается лампа; номинальной мощностью (Вт); величиной светового потока (лм); световой отдачей (лм/Вт), т.е. отношением излучаемого лампой светового потока к потребляемой ею электрической мощности; средним сроком службы лампы (ч); цветопередачей.

Лампы накаливания являются основным источником света при устройстве электрического освещения. В лампах накаливания световая энергия получается за счет нагревания тонкой вольфрамовой нити до температуры порядка 3300 °С проходящим через нее электрическим током.

В осветительных установках используются нормальные наполненные лампы мощностью от 15 до 1500 Вт, нормальные вакуумные лампы мощностью от 15 до 1500 Вт при напряжении 220 В и нормальные биспиральные лампы мощностью от 40 до 100 Вт при напряжении 220 В.

Небольшие размеры светящегося тела в лампах накаливания позволяют рационально перераспределить их световой поток в соответствии с профилем и размерами освещаемых помещений или открытых пространств при помощи отражающих или преломляющих оптических систем. Такие лампы обеспечивают непрерывный спектр, отличающийся от спектра дневного света преобладанием желтых и красных лучей, просты и надежны в эксплуатации. Световой к.п.д. лампы не превышает 3-3,5%. Нормами установлена средняя продолжительность горения нормальной лампы накаливания в 1000 ч. Средний световой поток ламп в конце срока службы должен быть не менее 75% номинального.

Лампы накаливания выпускаются также на напряжения 12, 24 и 36 В мощностью от 5 до 100 Вт. Эти лампы применяются для местного освещения в соответствии с требованиями электробезопасности.

Лампы накаливания малоэкономичны, так как значительная часть энергии идет на нагрев окружающей среды, а также на излучение, приходящееся на участки спектра, лежащие за пределами видимости. Световая отдача ламп накаливания зависит от их мощности, напряжения и превышает 20 лм/Вт.

Люминесцентная лампа состоит из стеклянной трубки длиной до 1500 мм и диаметром до 40 мм, на концах которой в цоколях смонтированы вольфрамовые электроды. Внутренняя поверхность трубки покрыта слоем особого состава — люминофором, способным светиться под действием лучистой энергии. На концах трубки расположены цоколи со штыревыми контактами. После откачки воздуха в трубку вводятся под небольшим давлением (порядка 4 мм рт.ст.) аргон и капля ртути для образования ртутных паров.

Для нормальной работы ламп необходимы стартер, дроссель и конденсатор. Стартер служит для автоматического зажигания лампы при ее включении. Он представляет собой тепловое реле, состоящее из двух электродов, размещенных в баллоне, наполненном неоном, один из которых выполнен в виде биметаллической пластинки. При включении люминисцентной лампы в сеть первоначально приходит в действие стартер, между электродами которого возникает тлеющий разряд. Под влиянием тлеющего разряда электроды нагреваются, и биметаллический электрод замыкает цепь накоротко, после этого накал электродов лампы достигает порядка 800°С. При замыкании контактов стартера тлеющий разряд исчезает, электроды стартера охлаждаются и размыкают свою цепь. Дроссель включается в цепь лампы последовательно и служит для зажигания лампы и ограничения тока. После того как с помощью стартера цепь разомкнулась, за счет электромагнитной энергии дросселя между электродами лампы возникает импульс напряжения, превышающий напряжение сети, в результате происходит дуговой разряд между накаленными электродами, и лампа начинает работать при номинальном напряжении сети. При отсутствии дросселя разряд, возникающий в лампе, постепенно увеличивал бы проводимость в трубке, что могло бы привести к возрастанию тока до недопустимых величин. Весь процесс зажигания лампы занимает несколько секунд. После того как лампа зажглась, напряжение на зажимах стартера становится равным напряжению на лампе и недостаточным для повторного срабатывания стартера. Наличие в цепи лампы дросселя приводит к понижению установки до 0,5-0,6. Для повышения до 0,87-0,9 в цепь включается конденсатор.

С целью уменьшения радиопомех, вызываемых разрывом цепи тока при срабатывании электродов стартера, паралелльно ему включается конденсатор небольшой емкости.

Вследствие малой инерции свечения люминофора в люминесцентных лампах имеют место заметные колебания светового потока, глубина которых достигает 50%. Их наличие вызывает искаженное восприятие движущихся предметов, так называемый «стробоскопический эффект». Для уменьшения стробоскопического эффекта применяются двухламповая схема включения. Лампы включаются в однофазную сеть параллельно. В цепи одной лампы протекает отстающий ток, а в цепи другой лампы, где включен конденсатор, опережающий ток. При этом прохождение синусоиды напряжения через нуль для обеих ламп будет разновременным. Световые потоки ламп складываются, что приводит к уменьшению стробоскопического эффекта. Схема двухлампового параллельного включения имеет высокое значение . Световая отдача и срок службы люминесцентных ламп в несколько раз выше, чем у ламп накаливания, и достигает соответственно 62 лм/Вт и 6000 ч. ,

Расчеты показывают, что применение высокоэкономичных люминесцентных ламп, световой к.п.д. которых в 3-4 раза выше к.п.д. ламп накаливания, позволяет сократить расход электроэнергии в 2-3 раза.

Наилучшей температурой для работы люминесцентной лампы является 18-25°С, с понижением или повышением температуры световой поток и световая отдача ламп уменьшаются. При температурах ниже +5°С зажигание их неустойчиво, что вызывает необходимость применения специальных изолирующих и пусковых устройств. Отечественной промышленностью выпускаются люминесцентные лампы мощностью от 15 до 80 Вт на напряжение 220 В. В зависимости от выбора для люминофора того или иного вещества или смеси веществ изменяется спектральный состав света лампы. Наибольшее применение имеют лампы дневного света (ЛД) — бело-голубые, они применяются в тех случаях, когда требуется правильное различие цветовых оттенков. Для освещения производственных помещений, в которых нет необходимости в точном различии цвета, рекомендуется использовать лампы ЛХБ и ЛБ, как обладающие более приятным оттенком излучения. Лампы типа ЛТБ с розовато-пурпурным оттенком используются преимущественно для освещения помещений общественного назначения, а типа ЛДЦ имеют правильную цветопередачу.

Ртутные лампы высокого давления с исправленной цветопередачей (ДРЛ) состоят из кварцевой колбы, содержащей ртутные пары при давлении от 2 до 4 атмосфер, и внешней стеклянной колбы, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофора для пополнения спектра ртутных паров недостающими в нем лучами красной части.

Действие лампы основано на излучении света при электрическом разряде в парах ртути. Схема включения лампы содержит выпрямитель и разрядник для получения импульса высокого напряжения, необходимого при зажигании. Эти лампы применяются для освещения улиц, строительных площадок, в цехах металлургической промышленности и т.д., так как зажигание ламп не зависит от температуры окружающего воздуха. Промышленностью выпускается серия ламп типа ДРЛ, мощностью 250, 500, 750 и 1000 Вт при напряжении 220 В. Коэффициент мощности составляет 0,57, а срок службы — 3000 ч.

В последние годы для освещения применяются галогеновые и ксеноновые лампы, которые отличаются повышенным значением к.п.д. и более высокой стоимостью. Галогеновые лампы включаются напрямую в сеть или через трансформатор, а ксеноновые, через специальные пускорегулирующие устройства.

Осветительные приборы

Осветительный прибор состоит из источника света и осветительной аппаратуры.

Осветительные приборы, предназначенные для создания освещенности на поверхностях, расположенных на сравнительно близких расстояниях от источника света (не более 20-30 м), называются светильниками. Освещение более отдаленных предметов производится прожекторами.

Источники света излучают световой поток во всех направлениях в окружающем пространстве. Но для создания требуемой освещенности на рабочих поверхностях необходимо перераспределить световой поток лампы в определенном направлении. Для этой цели применяется осветительная арматура. Помимо перераспределения светового потока осветительная арматура предохраняет глаза от слепящего воздействия открытого источника света, защищает лампы от загрязнения, механических повреждений, воздействий окружающей среды, а также служит для крепления ламп, подвода к ним напряжения и украшения помещений.

Перераспределение светового потока источника света осуществляется при помощи рассеивателей, отражателей, различных преломляющих оптических систем. Рассеиватели изготовляются или из обычного стекла, подвергнутого химической ими механической матировке, или из стекла, в состав которого вводят примеси, изменяющие коэффициент преломления света. Отражатели обычно делают из металла. Они могут дать рассеянное, направленное или направленно-рассеянное отражение света.

По способу защиты ламп от воздействия окружающей среды светильники подразделяются на следующие типы:

• открытые, в которых лампа не отделена от внешней среды;

• защищенные, в которых лампа и патрон отделены от внешней среды оболочкой, укрепленной таким образом, чтобы не препятствовать обмену воздуха между окружающей средой и внутренней полостью светильника;

• влагозащищенные, корпус и патрон которых противостоят воздействию влаги и обеспечивают сохранность изоляции в проводах, введенных в светильник;

• пылеводонепроницаемые, имеющие оболочку, уплотненную таким образом, что она не допускает проникновения в полость расположения лампы и патрона пыли и паров влаги;

- взрывозащищенные, исключающие возможность взрыва при установке в помещениях с взрывоопасной средой.

Выбор типа светильника определяется условиями окружающей среды, экономичностью и эксплуатационными соображениями. Заключение лампы в арматуру приводит к тому, что часть светового потока, излучаемого лампой, поглощается в материале арматуры, т.е. к снижению общего к.п.д. осветительного прибора.

Величина к.п.д. осветительного прибора определяется отношением светового потока осветительного прибора F_cв к световому потоку источника света F_л:

Коэффициент полезного действия осветительного прибора зависит от световых свойств материала арматуры, ее формы. Современные конструкции светильников имеют к.п.д. = 0,8 - 0,85.

В зависимости от величины светового потока, излучаемого в нижнюю полусферу, различают светильники прямого света, излучающие не менее 90% светового потока; преимущественно прямого света (45-55%); преимущественно отраженного света (10-45%); отраженного света, излучающие до 10% светового потока.

Светильники прямого света экономичны, так как большая часть излучаемого ими светового потока концентрируется на рабочих поверхностях. В помещениях со светлыми стенами и потолками, обладающими высоким коэффициентом отражения (служебные помещения, читальные залы и т.п.), целесообразно применять светильники рассеянного света, обеспечивающие более равномерное распределение света. При необходимости максимального смягчения теней, например, в чертежно-конструкторских бюро, используются светильники отраженного света; хотя они и менее экономичны, но обеспечивают наиболее высококачественное распределение света.

Светильники, помимо к.п.д., характеризуются кривой светораспределения и защитным углом. Кривые светораспределения обычно строятся для условий лампы со световым потоком 1000 лм. Фактическая сила света светильника с заданной лампой определяется путем умножения значения силы света, найденного по кривой светораспределения, на поток заданной лампы в тысячах люменов. Светораспределение светильников может быть симметричным и несимметричным. Светильники с симметричным распределением силы света характеризуются одной кривой светораспределения в меридиональной плоскости, проходящей через ось светильника. Светораспределение источника света изображается графически в полярных координатах кривой, отражающей зависимость

I_α = f(α),

где I_α − сила света в данном направлении;

α – угол между осью симметрии и данным направлением.

Очевидно, что применение арматуры позволяет рационально и экономично использовать световой поток источника света.

Защитный угол светильника является показателем, определяющим защиту глаз от прямых лучей источника света. Этот угол образуется между горизонталью, проходящей через нить накала лампы, и линией, соединяющей крайнюю точку нити накала с противоположным краем отражателя. Чем больше защитный угол, тем ограниченнее слепящее действие. Защитный угол в светильниках создают непрозрачные колпаки или затенители из молочного стекла.

Системы и виды освещения промышленных объектов

По «Правилам устройства электроустановок» различают три системы освещения: общее, местное и комбинированное, и два вида освещения: рабочее и аварийное.

При общем освещении освещенность рабочих поверхностей и всего помещения обеспечивается светильниками, размещенными равномерно по всей площади помещения (равномерное освещение), или локализованно путем группировки их в местах, требующих повышенной освещенности (локализованное освещение). При прожекторном освещении равномерность достигается соответствующим расположением прожекторов или групп прожекторов. Система общего освещения применяется в производственных помещениях, в которых отсутствуют фиксированные рабочие места, не производятся работы, требующие различения мелких деталей, и где необходимо лишь общее наблюдение за работой машин. Общее равномерное освещение устраивается везде, где находятся люди, а также в местах движения транспорта.

Общее локализованное освещение применяется на площадках, где производятся работы и требуется повышенная освещенность рабочих мест. Общее локализованное освещение котлованов, гидротехнических сооружений, карьеров, баз и других площадок осуществляется с прожекторных мачт. Освещение прожекторами рекомендуется также применять для временных или передвижных установок; территорий, на которых не могут быть целесообразно размещены светильники (строительные площадки крупных строительств, механизированные склады, железнодорожные разъезды, стадионы); охранного освещения, служащего для обеспечения условий видимости вдали границ охраняемой территории. Для указанных объектов используются прожекторы заливающего света с лампами 1000 Вт; для небольших площадей могут применяться прожекторы с лампами 500 Вт. Установка ламп иных мощностей не рекомендуется. В специальных случаях применяются фасадные прожекторы.

При местном освещении требуемая освещенность создается только на рабочих поверхностях. Светильники местного освещения обычно устанавливаются в непосредственной близости к рабочей поверхности. Местное освещение рассчитывается, как правило, на напряжение 12 и 36 В.

При комбинированном освещении необходимая освещенность рабочих поверхностей обеспечивается светильниками как общего, так и местного освещения. Оно применяется для работ особо точных, высокой точности и точных.

Самостоятельно можно применять общее и комбинированное освещение. Применение только одного местного освещения «Правилами» запрещено. Общее и комбинированное освещение относятся к рабочему освещению, которое служит для того, чтобы обеспечить надлежащие условия для работы в темное время суток, разновидностью рабочего освещения является охранное освещение.

«Правила» различают аварийное освещение для продолжения работы и аварийное освещение для эвакуации людей. Аварийное освещение для продолжения работы требуется в помещениях и на открытых площадках, где отсутствие света может быть причиной взрыва, пожара и т. п., привести к длительному нарушению технологического процесса или нарушить снабжение потребителей электроэнергией и водой, вызвать опасность травматизма в местах большого скопления людей.

Это освещение должно создавать на поверхностях, требующих обслуживания при аварийном режиме, не менее 10% освещенности, нормированной для общего рабочего освещения лампами накаливания. Аварийное освещение необходимо в производственных помещениях с постоянно работающими в них людьми на случай, если рабочее освещение погаснет и возникнет опасность травматизма. Оно необходимо в помещениях с числом работающих более 50 человек, независимо от возможности травматизма, а также в проходах, помещениях и на лестницах, служащих для эвакуации людей из производственных и общественных зданий, где работают или пребывают более 50 человек. Оно устраивается в местах работ на открытых пространствах, если эвакуация рабочих связана с повышенной опасностью травматизма. Это освещение должно создавать в закрытых помещениях по линии основных проходов и на ступенях лестниц освещенность не менее 0,3 лк, на открытых пространствах в местах основных проходов и спусков не менее 0,2 лк.

Светильники аварийного и рабочего освещения обычно включаются и находятся в работе одновременно в течение всего времени работы и совместно создают нормированную освещенность. Аварийное освещение можно использовать при уборке и в целях охраны помещения в ночное время. В этом случае оно служит в качестве дежурного или охранного освещения.

Расчет электрического освещения

Расчет электрического освещения заключается в определении мощности и числа ламп, необходимых для обеспечения установленного нормами уровня освещенности Е на рабочих местах внутри помещений или на открытых пространствах. Расчету предшествует выбор источников света, освещенности, коэффициентов запаса, системы освещения, типов светильников, их расположения и высоты подвеса. Для выбора этих параметров и последующего расчета требуются следующие исходные данные:

• планы и разрезы помещений и открытых пространств с размещением в них технологического оборудования;

• характеристика производственного оборудования и помещений или открытых пространств (отражательные свойства стен и потолков, размеры зданий, контраст между деталями и фоном);

• данные об источнике питания.

Выборы расположения и высоты подвеса светильников. Рациональное размещение светильников общего освещения зависит от высоты их подвеса и расстояния между ними: снижение высоты подвеса увеличивает среднюю освещенность помещения, но может увеличить неравномерность освещения и слепящее действие источников света. Размещение светильников производится с учетом величин, приведенных на рис. 5. Расстояние светового центра светильника от потолка h_c принимается в пределах 0,3-0,15 м, низший предел — для низких помещений. Для светильников рассеянного и прямого света при выборе этой величины учитывается равномерность освещения потолка; при малых значениях h_c потолок освещается неравномерно, в этом случае принимают отношение

Расчётной высотой h называется высота светильника над рабочей поверхностью, определенная по формуле

h = H – (h_p + h_c),

где Н – высота помещения, м;

h_p – высота рабочей поверхности над уровнем пола, м;

h_c – расстояние от потолка до светового центра светильника, м.

Рис. 5. Расположение светильников по высоте: Н — высота помещения; Н₀—расстояние от рабочей поверхности до потолка; h_c —расстояние от потолка до светового центра

светильника; h_p — высота рабочей поверхности над уровнем пола;

h_n — высота подвеса светильника; h —расчетная высота

Наиболее выгодное отношение расстояния между светильниками L к расчетной высоте h определяется из условия минимального расхода электроэнергии и минимальных капитальных затрат. Расстояние от стен до крайних светильников l принимают равным: при наличии у стен проходов l = 0,25-0,5 L; при наличии у стен рабочих мест l = 0,25-0,3 L.

Расчет освещения методом коэффициента использования светового потока. Общее освещение закрытых помещений при симметричном расположении светильников, как правило, рассчитывается методом коэффициента использования светового потока. Этот метод дает возможность определить световой поток ламп, которые необходимо установить в светильниках того или иного типа, чтобы получить на горизонтальной рабочей поверхности требуемую нормированную освещенность. Метод учитывает отражение света от стен и потолка. Этот метод непригоден для расчета локализованного, местного и наружного освещения, в других подобных случаях.

Расчетный световой поток лампы F_л определяется из соотношения

где Е_н — нормированное значение освещенности, лк;

п — количество установленных светильников;

S — площадь освещаемого помещения, м²;

К — коэффициент запаса;

Z — поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность распределения освещенности;

U_oу — коэффициент использования светового потока осветительной установки.

Значения расчетных величин К, Z, Е_н, U_oу, входящих в расчетную формулу, а также мощность ламп определяются из таблиц, приводимых в специальной справочной литературе.

Коэффициент запаса К учитывает старение ламп и загрязнение светильников в процессе эксплуатации, что приводит со временем к уменьшению светового потока ламп, а следовательно, и снижению освещенности. Согласно ПУЭ, К принимается равным 1,3 для помещений с незначительным выделением пыли и до 1,7 — для помещений со значительными производственными выделениями пыли, дыма, копоти.

Поправочный коэффициент:

зависит от расположения светильников и светораспределения соответствующего типа светильника. При увеличении отношения L : h сверх наивыгоднейших значений Z резко возрастает.

Под коэффициентом использования светового потока осветительной установки понимается

где — поток, попадающий на рабочую поверхность.

В справочниках коэффициент для различных светильников дается в функции

коэффициентов отражения стен, потолков и индекса помещения i. Индекс помещения вычисляется по формуле:

где h — расчетная высота, м;

S — площадь помещения, м²;

А и В — стороны помещения, м.

Определив величины К, Z, , вычисляют F_л. По вычисленному световому потоку находят мощность одной лампы, пользуясь таблицей характеристик ламп накаливания.

При расчете люминесцентного освещения обычно задаются потоком одной лампы и находят по его значению необходимое количество ламп. При этом расчетная зависимость принимает вид

где п — число люминесцентных ламп;

— поток одной лампы.

Определив п, легко подобрать число светильников, исходя из архитектурных, монтажных и других соображений. Значение коэффициента Z для установок люминесцентного освещения ориентировочно принимают 1,1-1,2. Коэффициент К принимается в зависимости от выделения пыли равным 1,5-2. Значения коэффициента использования для различных типов светильников, применяемых при люминесцентном освещении, приводятся в справочниках.

Точечный метод расчета освещения. Точечный метод применяется в тех случаях, когда требуется определить значение освещенности в заданной точке горизонтальной, вертикальной или наклонной плоскости. При этом методе считается, что отраженный свет не влияет существенно на величину освещенности.

Освещенность горизонтальной плоскости в данной точке при данном размещении, высоте подвеса и мощности лампы определяется из уравнения

где — сила света в направлении рассматриваемой точки;

h — расчетная высота;

α — угол падения света (т.е. угол между лучом и нормалью к освещаемой поверхности).

Точечный метод рекомендуется в качестве проверочного, а также для расчета равномерности распределения освещенности ответственных помещений.

Основываясь на пропорциональности между освещенностью и световым потоком, определяют, что для создания в данной точке освещенности Е при коэффициенте запаса К в каждом светильнике должна быть установлена лампа с потоком

где ₋ коэффициент, учитывающий влияние удаленных светильников и отраженного света;

— суммарная освещенность в заданной наиболее удаленной точке рабочей поверхности от ближайших светильников с условной лампой.

Выбор стандартной лампы производится так же, как при расчете по методу коэффициента использования осветительной установки.

Последнее выражение может быть решено и относительно Е, если известен световой поток F.

Расчет общего освещения методом удельных мощностей. Поскольку для определенных помещений или рабочих объектов значения удельной мощности довольно устойчивы, ими можно пользоваться для приблизительной оценки правильности законченного светотехнического расчета или для определения с приблизительной точностью необходимой мощности освещения для решения вопросов электроснабжения.

На основании учета факторов, влияющих на величину удельной мощности, для помещений различного назначения или открытых площадок составлены справочные таблицы удельной мощности, принятые в практике для определения мощности ламп при общем освещении. При пользовании этими таблицами в соответствии с исходными данными (тип светильника, Е, h, S) находится значение удельной мощности, умножением которого на площадь помещения определяется общая мощность ламп Р_общ; мощность отдельной лампы определяется делением на п.

При прожекторном освещении вертикальная освещенность на поверхностях, обращенных к прожекторам, обычно бывает выше горизонтальной. Поэтому ограничиваются расчетом горизонтальной освещенности. Расчет прожекторного освещения открытых пространств может быть произведен методом удельной мощности.

Количество прожекторов, необходимое для освещения данного участка, может быть определено по формуле

где Е_н — нормированное значение освещения;

S — освещаемая площадь;

т — коэффициент рассеяния, зависящий от конфигурации участка: для узких участков он равен 1,5, для широких — 1,15;

К— коэффициент запаса, равный 1,5;

Z — коэффициент неравномерности освещения, равный 1,3-1,5;

— к.п.д. прожектора, равный 0,52-0,6.

Для ограничения слепящего действия отношение осевой силы света прожектора к квадрату высоты его установки над уровнем земли должно быть не более 300, откуда