2014_hrustalev_elektrosn

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электротехники

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ: ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Факультет экологии Направления подготовки: 08.03.01 Строительство

Профиль: Водоснабжение и водоотведение

Вологда

2014

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия нашла широкое применение во всех сферах человеческой деятельности из-за способности преобразования ее в другие виды. Потребителями электрической энергии в строительстве являются строительные площадки, вспомогательные предприятия по производству бетона, раствора, лакокрасочных покрытий, ремонтные цеха, осветительные и бытовые установки. Потребители электрической энергии получают ее по распределительным сетям от энергетических систем, от систем электроснабжения промышленных предприятий и городов, к которым примыкают строительные площадки, и собственных электростанций.

Электроприемниками являются электродвигатели приводов строительных машин и механизмов, технологические установки электропрогрева бетона, нагреватели,сварочные агрегаты, выпрямительные устройства, высокочастотные установки, электрические лампы осветительных установок, радиоэлектронная аппаратура. Все приемники могут быть включены в распределительную сеть одного напряжения или в электрические сети разных напряжений.

Электрические сети строительных площадок и предприятий по производству строительных материалов могут быть постоянного и временного использования.

Строительство новых и реконструкция действующих предприятий осуществляется на базе применения прогрессивной технологии, современного электрифицированного оборудования, машин и механизмов.

При проектировании и реконструкции систем электроснабжения объектов необходимо знать электрические нагрузки в электрических сетях. На основании расчета электрических нагрузок выполняется расчет и выбор электрических сетей, коммутационных и защитных аппаратов, источников питания, преобразовательных установок и других электротехнических устройств. Проверка правильности выбора электрических сетей и электрических устройств по нагреву и потере напряжения, расчет показателей качества электроэнергии, показателей надежности систем электроснабжения проводятся также на основе расчета электрических нагрузок.

В системах электроснабжения и электропотребления большое внимание уделяется компенсации реактивной мощности. Поэтому в пособии отражены вопросы компенсации реактивной мощности в электрических сетях.

Рассматриваются аварийные режимы в системах электроснабжения, защита сетей и электрооборудования в системах электроснабжения. Уделено внимание вопросам качества электроэнергии и надежности электроснабжения предприятий. Рассматриваются режимы электропотребления на предприятиях.

3

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

1.ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1.Основные понятия и определения

Потребители электрической энергии получают ее от источников электроснабжения по линиям электропередачи. Потребителем электроэнергии называется совокупность электроприемников, объединенных технологическим процессом, или рас-положенных на одной территории. Потребителями энергии являются подъемный кран, станок, цех, строительное предприятие.

Электрическая энергия преобразуется в технологических установках в другие виды. Электротехническое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в другие виды, называется электроприемни- ком (приемником электрической энергии). Приемниками являются электродвигатель, лампа освещения, сварочный трансформатор и т.п.

Электрическая энергия, поступающая потребителю от источника, должна обладать соответствующим качеством. Основными показателями качества электроэнергии являются стабильность напряжения и частоты, синусоидальность напряжения и тока, симметрия напряжения и тока.

В производстве и передаче электроэнергии участвуют электроустановки различного назначения. Электроустановкой называется совокупность машин, аппаратов, приборов, вспомогательного оборудования вместе со зданиями и сооружениями, предназначенных для производства, трансформации, передачи и распределения электрической энергии. К электроустановкам относятся электростанции, трансформаторные подстанции, преобразовательные установки.

Источником питания называется распределительное устройство генераторного напряжения на электростанции или распределительное устройство вторичного напряжения понижающей подстанции.

Электрической станцией называется электроустановка, предназначенная для производства электрической энергии.

Электроустановка для преобразования и распределения электроэнергии называется подстанцией (трансформаторной или преобразовательной).

Совокупность электроустановок и устройств для передачи и распределения электроэнергии, состоящая из подстанций, линий электропередачи и распределительных устройств, называется электрической сетью. В электрическую сеть входят воздушные и кабельные линии электропередачи, трансформаторные и преобразовательные подстанции, распределительные пункты.

Распределительным устройством называется электроустановка, служащая для приема и распределения электроэнергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, устройства защиты, автоматики и измерения. Если основное оборудование размещено на открытом воздухе, то оно называется открытым, и если размещено в здании − закрытым. Распределительное устройство может состоять из комплектных блоков для наружной и внутренней установки.

4

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

Распределительным пунктом называется электроустановка, предназначенная для приема и распределения электроэнергии на одном напряжении без трансформации и преобразования. Обычно используются в сетях 6 –10 кВ.

В сетях до 1 кВ аналогичные устройства называют пунктом распреде-

лительным.

Линией электропередачи называется устройство для передачи электроэнергии по проводам или кабелям.

Системой электроснабжения объекта называется совокупность электроустановок и устройств, предназначенных для производства, передачи и распределения электроэнергии, ее учета и контроля показателей качества. Система должна быть надежной, обеспечивать бесперебойное снабжение электроэнергией своих потребителей и электроприемников.

Системой электропотребления объекта называется совокупность технологических установок и устройств, имеющих в своем составе электроприемники, и предназначенных для передачи и распределения электроэнергии с целью ее преобразования в другие виды.

Станция управления – комплектное устройство, предназначенное для дистанционного управления электрооборудованием с автоматизированным выполнением функций управления, регулирования, защиты и сигнализации. Станция управления может быть выполнена в виде блока, панели, щита, шкафа управления.

Задачей электроснабжения является беспрерывное обеспечение электроэнергией электрических приемников, оптимизация параметров путем правильного выбора номинальных напряжений, условий присоединения к энергосистеме, выбор электрооборудования на основе расчета электрических нагрузок, компенсация реактивных нагрузок, рациональное распределение электроэнергии, обеспечение защиты электроустановок.

Задачей электропотребления является организация безопасных и экономичных режимов работы при минимальных финансовых затратах и сокращении потерь электроэнергии.

1.2. Источники электрической энергии.

Передача и распределение электроэнергии

Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в другие виды энергии.

Эти задачи решает энергетическая система, в которой осуществляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, распределение и передача электрической энергии потребителям.

Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имеющие общий режим производства энергии. Линии электропередачи, трансформаторные и распредели-

5

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

тельные устройства обеспечивают совместную работу электростанций и распределение энергии между потребителями.

Передача и распределение электроэнергии строится по ступенчатому принципу. Для уменьшения потерь в линиях электропередач (ЛЭП) напряжение повышают при помощи повышающих и понижающих трансформаторов, устанавливаемых на электрических подстанциях. От крупных подстанций электроэнергия подается непосредственно к объектам, на которых на трансформаторных подстанциях (ТП) производится окончательное понижение напряжения. Распределение электроэнергии в электрических сетях производится, как правило, трехфазным переменным током частотой 50 Гц.

В начальный период строительства в удаленных районах применяют в качестве временных источников электроснабжения собственные электростанции, как правило, передвижные.

1.3. Потребители электроэнергии

1.3.1. Приемником электроэнергии (электроприемником) является электрическая часть технологической установки или механизма, получающая энергию из сети и расходующая ее на выполнение технологических процессов. Потребляя электроэнергию из сети, электроприемник, по существу, преобразует ее в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую или в электроэнергию с иными параметрами (по роду тока, напряжению, частоте). Некоторые технологические установки имеют несколько электроприемников: станки, краны, и т. п.

Электроприемники классифицируются по следующим признакам: напряжению, роду силы тока, его частоте, единичной мощности, степени надежности электроснабжения, режиму работы, технологическому назначению.

По напряжению электроприемники подразделяются на две группы: до

1000 В и свыше 1000 В.

По роду силы тока электроприемники подразделяются: на приемники переменного тока промышленной частоты (50 Гц) , постоянного тока и переменного тока частотой, отличной от 50 Гц (повышенной или пониженной).

Единичные мощности отдельных электроприемников и электропотребителей различны − от десятых долей киловатта до нескольких десятков мегаватт.

По степени надежности электроснабжения правила устройства элек-

троустановок (ПУЭ) предусматривают три категории:

1.Электроприемники I категории − электроприемники, перерыв снабжения которых электроэнергией связан с опасностью для людей или влечет за собой большой материальный ущерб (доменные цехи, котельные производственного пара, подъемные и вентиляционные установки шахт, аварийное освещение и др.). Они должны работать непрерывно.

2.Электроприемники II категории − электроприемники , перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, про-

6

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

стою технологических механизмов, рабочих, промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

3. Электроприемники III категории − все остальные электроприемники, не подходящие под определение I и 11 категорий. Электроприемники данной категории допускают перерыв электроснабжения не более одних суток.

1.3.2. Характеристики электроприемников

К общепромышленным установкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки и т. п. В них применяются асинхронные и синхронные двигатели трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, на напряжениях от 127 В до 10 кВ, а там, где требуется регулирование производительности, − двигатели постоянного тока. Характер нагрузки ровный, толчки ее наблюдаются только при пуске. Основные агрегаты (насосы, вентиляторы и т. п.) имеют продолжительный режим работы. Данная группа электроприемников относится, как правило, к первой категории надежности. Некоторые вентиляционные и компрессорные станции относятся ко второй категории надежности.

Регулируемый электропривод технологических механизмов и двигатели станков с повышенной скоростью вращения получают питание от преобразо- вательных установок. Режимы их работы различны и определяются режимом механизма. Преобразовательные установки на промышленных предприятиях служат для питания электроприемников, механизмов и установок, которые изза особенностей технологических режимов должны работать либо на постоянном, либо на переменном токе с частотой, отличной от 50 Гц.

Преобразователями тока служат двигатели-генераторы, ртутные и полупроводниковые выпрямители, питающиеся от трехфазных сетей переменного тока промышленной частоты на напряжениях до 110 кВ.

К электротехнологическим установкам относятся электронагревательные и электролизные установки, установки электрохимической, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электромагнитные установки (сепараторы, муфты), электросварочное оборудование.

Электронагревательные установки объединяют электрические печи и электротермические установки, которые по способу превращения электроэнергии в тепловую разделяются на печи сопротивления, индукционные печи и установки, дуговые электрические печи, печи конденсаторного нагрева. Печи сопротивления получают питание от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гц, в основном на напряжении 380/220 В.

Индукционные плавильные печи выпускаются со стальным сердечником и без него, мощностью до 4500 кВ· А. Питание индукционных печей и установок закалки и нагрева осуществляется от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гц, на напряжении 380/220 В и выше в зависимости от мощности. Перечисленные печи и установки индукционного нагрева относятся к приемникам второй категории надежности.

7

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты. Мощности электросварочного оборудования в зависимости от его типа могут быть от 100 В · А до 1О МВ· А. Дуговая электросварка на переменном токе выполняется с помощью одноили трехфазных сварочных трансформаторов или машинных преобразователей. На постоянном токе применяются сварочные двигатель-генераторы. Для контактной сварки - одноили трехфазные сварочные установки.

Электросварочное оборудование работает в повторно-кратковременном режиме. Однофазные сварочные приемники (трансформаторы и установки) дают неравномерную нагрузку по фазам трехфазной питающей сети . Коэффициент их мощности колеблется в пределах 0,3 ... 0,7. Сварочные установки по степени надежности относятся ко второй категории.

Мощность электроприводов подъемно-транспортных устройств опре-

деляется условиями производства, ее значение колеблется от нескольких до сотен киловатт. Для их питания используется переменный ток напряжением 380 и 660 В и постоянный ток напряжением 220 и 440 В. Режим работы − по- вторно-кратковременный. Нагрузка на стороне переменного трехфазного тока − симметричная. Коэффициент мощности меняется соответственно загрузке в пределах от 0,3 до 0,8. По надежности электроснабжения подъемнотранспортное оборудование относится к первой или второй категории (в зависимости от назначения и места работы).

Электрические осветительные установки являются в основном однофазными приемниками. Лампы светильников имеют мощности от десятков ватт до нескольких киловатт и питаются напряжением до 380 В. Светильники общего освещения (с лампами накаливания или газоразрядными) питаются преимущественно от сетей 220 или 380 В. Светильники местного освещения с лампами накаливания на 12 и 36 В питаются через понижающие однофазные трансформаторы. Равномерная загрузка фаз трехфазной сети достигается путем группировки светильников по фазам. Характер нагрузки продолжительный.

Электроосветительные установки относятся ко второй категории надежности. В тех случаях, когда отключение освещения угрожает безопасности людей или недопустимо по условиям технологического процесса, предусматриваются системы аварийного освещения. Лампы ДРЛ, для которых характерно длительное зажигание в таких системах не применяются.

1.4. Схемы электрических сетей

1.4.1.Схемы электрических сетей до 1000 В

Схема силовой сети определяется технологическим процессом производства, категорией надежности электроснабжения, взаимным расположением ТП или ввода питания и электроприемников, их единичной установленной мощностью и размещением. Схема должна быть проста, безопасна и удобна в эксплуатации, экономична, должна удовлетворять характеристике окружающей среды, обеспечивать применение индустриальных методов монтажа.

8

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

Схемы сетей могут быть радиальными, магистральными и смешанными

– с односторонним или двусторонним питанием.

При радиальной схеме (рис. 1.1.) энергия от отдельного узла питания (ТП) поступает к одному достаточно мощному потребителю или к группе электроприемников. Радиальные схемы выполняют одноступенчатыми, когда приемники питаются непосредственно от ТП, и двухступенчатыми, когда они подключаются к промежуточному распределительному пункту (РП).

Рис. 1.1. Радиальная схема питания:

1- распределительный щит; 2 - силовой распределительный nункт (РП); 3 - электроприемник; 4 - щит освещения; 5 - кабельная линия

Радиальные схемы применяют для питания сосредоточенных нагрузок большой мощности, при неравномерном размещении приемников, а также для питания приемников во взрывоопасных, пожароопасных и пыльных помещениях. Выполняются радиальные схемы кабелями или проводами в трубах или коробах (лотках).

Достоинства радиальных схем заключаются в высокой надежности (авария на одной линии не влияет на работу приемников, получающих питание по другой линии) и удобстве автоматизации.

Недостатками радиальных схем являются: малая экономичность из-за значительного расхода проводникового материала; необходимость в дополнительных площадях для размещения силовых РП; ограниченная гибкость сети при перемещениях технологических механизмов, связанных с изменением технологического процесса.

При магистральных схемах Приемники подключаются к любой точке линии (магистрали). Магистрали могут присоединяться к распределительным щитам подстанции или к силовым РП. Магистральные схемы с распределительными шинопроводами (рис. 1.2) применяются при питании приемников одной технологической линии или при равномерно распределенных по площади цеха приемниках.

9

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Инженерные системы зданий и сооружений. Электроснабжение с основами электротехники: электроснабжение: учебно-метод. пособие для самостоят. работы студ.: ФЭ: напр. подгот. 08.03.01 - Строительство: профиль "Водоснабж. и водоотведение" / сост.: Ю.В. Хрусталев, В.Н. Оссовской

Рис. 1.2. Магистральная схема с распределительным шинопроводом: 1 - комплектная трансформаторная подстанция (КТП);

2- распределительный шинопровод; 3 - нагрузка

Схемы выполняются с применением шинопроводов, кабелей и проводов. Достоинствами магистральных схем являются: упрощение щитов под-

станции; высокая гибкость сети, дающая возможность перемешать технологическое оборудование без переделки сети; использование унифицированных элементов, позволяющих вести монтаж индустриальными методами.

Магистральная схема менее надежна, чем радиальная, так как при исчезновении напряжения на магистрали все подключенные к ней потребители теряют питание.

Для повышения надежности питания электропитания приемников по магистральным линиям применяют двухстороннее питание.

1.4.2. Схемы сетей электрического освещения

Система рабочего освещения создает нормальное освещение всего помещения и рабочих поверхностей. В такую систему входят светильники общего и местного освещения.

Аварийное освещение обеспечивает освещенность для продолжения работы или остановки технологического процесса и для эвакуации людей при отключении рабочего освещения.

Участки сети от источника питания до групповых щитков освещения называются питающими, а от групповых щитков до светильников − групповыми. Питающие сети выполняются трех- и четырехпроводными по магистральной или радиально-магистральной схеме. Групповые линии в зависимости от протяженности и нагрузки могут быть двух-, трех- и четырехпроводными. Питание сетей рабочего и аварийного освещения может осуществляться вместе с силовой сетью от одного трансформатора. При наличии в цехе нескольких однотрансформаторных подстанций или одной двухтрансформаторной подстанции сети рабочего и аварийного освещения должны питаться от разных трансформаторов.

Групповые линии одного помещения должны получать питание так, чтобы при погасании части ламп одних групп оставшиеся в работе группы обеспечивали минимальную освещенность до ликвидации аварии.

10

Вологодский государственный университет. Научная библиотека