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

Перегрев проводов током быстро приводит к выходу их из строя и перерыву в электроснабжении. Повышенная потеря напряжения и связанное с ней понижение напряжения у электроприемников ухудшает их работу: вращающий момент электродвигателей и световой поток электрических ламп резко уменьшается. Например, понижение напряжения против номинального на 10% уменьшает вращающий момент асинхронных двигателей на 19%, а световой поток ламп накаливания на 30%.

Установлены допустимые отклонения напряжения от номинального у различных электроприемников. Так, на зажимах электродвигателей эти отклонения от номинального напряжения, как правило, должны быть не более ±5%, снижение напряжения у наиболее удаленных ламп освещения промышленных предприятий и общественных зданий, а также прожекторных установок должно быть не более 2,5% номинального напряжения, а у наиболее удаленных ламп светильников наружного освещения и освещения жилых зданий − не более 5%.

Выбор сечения проводов производят по следующим двум факторам: по допустимому нагреву проводов током (иными словами по их пропускной способности); по допустимой потере напряжения.

Из двух величин сечения, определенных по двум указанным факторам, выбирают большее, округляя его до ближайшего стандартного сечения. При этом для воздушных линий решающим фактором оказывается, как правило, допустимая потеря напряжения, а для переносных шланговых кабельных линий, электропроводок и подземных кабельных линий небольшой протяженности определяющим признаком является их пропускная способность (по допустимому нагреву).

Выбор сечения рекомендуется вести в таком порядке: для проводов воздушных линий определять сечение по допустимой потере напряжения и потом проверять по допустимому нагреву; для установочных, изолированных проводов, шланговых и других кабелей − сначала определять сечение по допустимому нагреву и затем проверять на допустимую потерю напряжения.

Выбор сечения по допустимому нагреву (допустимому току). Длительно протекающая по проводнику сила тока, при которой устанавливается длительная допустимая температура нагрева, называется допустимой силой тока по нагреву Iд. Его величина зависит как от марки провода или кабеля, так и от условий прокладки и температуры окружающей среды. Некоторые данные применительно к сетям напряжением 380/220 В в условиях строительных площадок приведены в таблице 2.1.

Выбор сечения проводника по нагреву сводится к сравнению расчетного тока (lp) с допустимым табличным значением для принятых марок провода или кабеля.

21

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

Таблица 2.1.

Допустимые длительные токовые нагрузки на провода, кабели (А)

При выборе должно соблюдаться условие

Значение расчетной силы тока для (Ip) линии, питающей отдельный трехфазный электродвигатель, определяется по формуле:

где Рн − номинальная мощность электродвигателя, кВт; kз − коэффициент загрузки двигателя, принимаемый равным 0,85...0,90; Uн − номинальное напряжение двигателя (380 В); д − КПД двигателя (принимаемый равным 0,85...0,92; для крановых двигателей - 0,80...0,85); cos − коэффициент мощности двигателя (принимается равным 0,80...0,90; для крановых двигателей −

0,70...0,75).

Большие значения КПД и коэффициента мощности принимают для более крупных электродвигателей − порядка 30 кВт.

Расчетная сила тока для линии, питающей электропривод строительной машины с многодвигательным электроприводом на переменном токе (например, башенные краны), приближенно определяется по аналогичной формуле:

22

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

где РƩ − суммарная номинальная мощность всех электродвигателей машины,

кВт; kc − коэффициент, учитывающий разновременность работы электродвигателей машины (коэффициент спроса для одной машины), принимаемый равным 0,7...0,8.

Выбор сечения по допустимой потере напряжения. Потерей напряжения в трехфазовой линии называют арифметическую разницу между линейными напряжениями в начале и конце линии. Допустимую потерю напряжения от источника питания до потребителя электроприемника в сетях 380/220 В обычно принимают в размере 5,5...6,5%. При этом, если питание к строительному механизму подается шланговым кабелем, присоединенным к воздушной линии, то допустимую потерю напряжения обычно принимают для воздушной линии в размере 5...5,5%, а для шлангового кабеля − 0,5...1,5% (в зависимости от его длины). Суммарная потеря напряжения не должна превышать указанных выше пределов.

Потеря напряжения в трехфазовой линии определяется формулой

где − потеря напряжения, В; I - сила тока в линии, А; l − длина линии, км; r0 и x0 − активное и индуктивное сопротивление одного провода, Ом/км (табл.2.2); cos ϕ − коэффициент мощности электрической нагрузки; sin ϕ − тригонометрическая функция, по величине соответствующая значению коэффициента мощности (cos ϕ).

Таким образом, потеря напряжения зависит как от активного, так и от индуктивного сопротивления проводов линии. Индуктивное сопротивление ВЛ сопоставимо с активным, и поэтому его необходимо учитывать. Расчет потери напряжения такой линии производят по формуле (2.4). В кабельных же линиях и в электропроводках индуктивное сопротивление мало, поэтому в расчете кабельных линий (шланговых и других) небольшой длины и электропроводок величиной x пренебрегают и расчет производится по формуле

23

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

Если задаться допустимой потерей напряжения (5,5...6,5%), необходимое сечение определяют по формуле

где S − сечение провода, мм2; ρ − удельное активное сопротивление, (для

Ом×мм2 алюминия = 31,5); ∆U − допустимая потеря напряжения, %.

км

Таблица 2.2

Электрические характеристики проводов и кабелей линий напряжения

380/220 В

Пример. Определить сечение кабеля для питания башенного крана с суммарной мощностью электродвигателей PΣ = 100 кВт.

По формуле (2.3) определяем расчетную силу тока линии, принимая

Из условия (2.1) по табл. 2.1 выбираем шланговый кабель с медными

жилами марки ГРШ сечением 70 мм2 Iд= 200 А. Проверку по допустимой потере напряжения для шланговых кабелей не производим.

24

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

3. ЭЛЕКТРОПРИВОД В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Виды, классификация и режимы работы

Электроприводом называют электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машины или исполнительного механизма. Электрическая часть электропривода состоит из электродвигателя, преобразующего электрическую энергию в механическую, и электроаппаратуры, служащей для управления электродвигателем. Вращающий момент, создаваемый на валу электродвигателя, передается через него и рабочие органы машины на вал рабочей машины с помощью передаточных устройств: муфт сцепления, шестерен, редукторов, цепей, ремней, называемых передачей и представляющих собой механическую часть электропривода.

По структуре схемы передачи энергии от электросети к рабочим органам машин различают три основных типа электропривода: групповой, одиночный, многодвиrательный.

Групповым называют электропривод, у которого от одного электродвигателя с помощью трансмиссии приводится в действие несколько (группа) рабочих машин. Этот тип привода в настоящее время почти не применяется ввиду присущих ему недостатков: тяжелые и громоздкие механические трансмиссии с большим числом узлов трения, подвергающихся износу и вызывающих потери энергии; одновременное прекращение работы всей группы рабочих машин при повреждениях в электрической части привода и др.

Одиночный привод, наиболее распространенный, применяется для приведения в действие одним электродвигателем какой-либо одной рабочей машины: конвейера (транспортера) насоса, компрессора и т.п. При применении одиночного привода можно выбрать для рабочей машины электродвигатель, соответствующий требованиям различных производственных процессов. В известных случаях необходимы электродвигатели со строго постоянной скоростью вращения, в других − требуется автоматическое снижение скорости вращения электродвигателя при увеличении нагрузки на валу рабочей машины (тяговые устройства, буровые установки). Некоторые установки не требуют регулирования скорости или изменения направления вращения (центробежные насосы, компрессоры), другие, наоборот, нуждаются в этом (крановые установки).

Примером многодвигательного привода может служить экскаватор ЭКГ-4, имеющий четыре электродвигателя: первый – для подъема груза, второй − для напора на грунт, третий − для поворота и четвертый − для передвижения. Многодвигательный привод позволяет выбрать электродвигатель для каждого рабочего органа машины с необходимыми механическими характеристиками. При этом создаются наиболее благоприятные условия для автоматизации производственных процессов. По степени автоматизации привод можно разделить: на автоматизированный, полуавтоматизированный, ручной.

25

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

Электродвигатели характеризуются номинальными данными, к числу которых относятся следующие величины: мощность; напряжение; скорость вращения; коэффициент полезного действия; коэффициент мощности.

Номинальным режимом работы электрической машины называют такой режим ее работы, который рассчитан для данной машины заводомизготовителем. При номинальном режиме обеспечивается нормальная работа электродвигателя и допустимая температура его нагрева.

Номинальной мощностью электродвигателя называют полезную механическую мощность на валу, которая выражается в ваттах или киловаттах. Фактическая мощность, развиваемая электродвигателем в какой-либо момент времени, называется нагрузкой электродвигателя.

Шкала номинальных мощностей электродвигателей различного исполнения и назначения установлена Государственными стандартами (ГОСТ). Например, для трехфазных асинхронных электродвигателей общего применения, защищенного и закрытого обдуваемого исполнения серий А2 и АО2, имеющих широкое распространение, предусмотрена следующая шкала номиналь-

ных мощностей: 0,6; 0,8; 1,1; 1,5; 2,5; 3; 4; 5,5; 7,5; 10; 13; 17; 22; 30; 40; 55; 75

и 100 кВт.

Номинальные напряжения, на которые выпускают электродвигатели общего применения переменного трехфазного тока − 220, 380, 500, 3000 и 6 000 В, постоянного тока − 110, 220 и 440 В.

Номинальный момент вращения (Мн) электродвигателя развивается на его валу при номинальной мощности и номинальной скорости вращения.

Номинальным коэффициентом полезного действия электродвигателя называют отношение номинальной мощности на его валу к мощности, потребляемой из электрической сети при номинальном режиме. Мощность на валу электродвигателя всегда меньше мощности , потребляемой из сети, на величину потерь энергии. Эти потери складываются: из потерь энергии на нагревание проводников обмоток статора и ротора (потерь в меди), протекающим через них электрическим током; из потерь в стали, возникающих за счет перемагничивания и вихревых токов, а также из механических потерь на трение. Коэффициент полезного действия электродвигателя изменяется в зависимости от его нагрузки: от нуля при холостом ходе до максимального значения, обычно соответствующего ее номинальному значению. Все потери энергии в электродвигателе превращаются в тепло, нагревающее его.

По условиям нагрева электродвигателей различают три основных режима их работы: длительный; кратковременный; повторно-кратковременный.

Длительным режимом работы называют режим, при котором все части электродвигателя за время работы достигают установившейся температуры. В начале нагрева электродвигателя (после включения его в работу) лишь часть тепла, выделяющегося в нем за счет потерь электроэнергии, отдается в окружающую среду. Остальная часть аккумулируется (запасается) внутри электродвигателя и вызывает повышение его температуры, с ростом которой увеличивается отдача тепла в окружающую среду. Увеличение температуры пре-

26

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

кращается, когда все выделяющееся в двигателе тепло отдается окружающей среде. Примером длительного режима работы может служить режим работы электродвигателей центробежных насосов, вентиляторов, компрессоров и транспортеров.

Кратковременным режимом работы называют режим, при котором длительность рабочего периода недостаточна для того, чтобы температура электродвигателя достигла установившегося значения. Последующая затем остановка (пауза) электродвигателя настолько продолжительна, что он успевает охладиться до температуры окружающей среды. Для кратковременного режима работы установлены следующие стандартные длительности рабочего периода:15, 30, 60 и 90 мин. На щитках электродвигателя, предназначенного для работы в таком режиме, указывается, на какую стандартную длительность рабочего периода данная машина рассчитана. В кратковременном режиме работает, например, электродвигатель механизма подъема стрелы одноковшового экскаватора.

Повторно-кратковременным режимом работы называют режим, при кото-

ром за время рабочего периода электродвигатель не успевает достигнуть установившейся температуры, а за время последующей паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Повторно-кратковременный режим характеризуется величиной относительной продолжительности включения (ПВ), под которой понимается отношение времени работы к общей продолжительности всего цикла, включающего кроме времени работы также и паузу:

где tP − продолжительность рабочего периода; t0 – продолжительность паузы. Установлены следующие стандартные значения относительной ПВ: 15, 25, 40 и 60%, причем ПВ, равная 25%, принимается за номинальную. Продол-

жительность одного цикла не должна превышать 10 мин. Если продолжительность цикла превышает 10 мин, то режим работы электродвигателя считается длительным. Повторно − кратковременный режим работы весьма распространен для электропривода строительных машин, в таком режиме работают одноковшовые экскаваторы, различные краны, подъемники и другие машины.

Режимы работы электродвигателей:

а− продолжительный; б − кратковременный;

в− повторно-кратковременный

27

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

4. КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 4.1. Основные понятия, термины и определения

Понятие качества относится, в первую очередь, к продукции (товару) и представляет собой совокупность свойств продукции и меру ее полезности, обусловливающие ее способность удовлетворять определенные потребности в обществе.

В системах электроснабжения участвуют многие электротехнические устройства: генераторы и электродвигатели, трансформаторы, распределительные устройства высокого и низкого напряжения, коммутационные и защитные аппараты, приборы контроля и учета, представляющие собой в совокупности электротехническое оборудование. Все эти устройства являются промышленными изделиями, выпускаемыми в соответствии с государственными стандартами или техническими условиями, определяющими их качество.

Как всякая любая промышленная продукция, электротехнические устройства (изделия) характеризуются совокупностью показателей, описывающих их отличительные качества и свойства, и должны отвечать требованиям потребителей и установленным нормативам.

Нормируются допустимые отклонения показателей качества от номинальных (стандартных) значений.

Показатель качества – это количественная характеристика свойств продукции, определяющих качество (например, отклонение напряжения), а их численное выражение называется значением показателя качества (например, +5%). Все показатели качества промышленной продукции можно классифицировать по нижеприведенным признакам.

Основными показателями являются показатели назначения, надежности, безопасности, технологичности, потребительские, эргономические, эстетические, стандартизации, патентно-правовые, экономические.

Показатели назначения характеризуют функционально-конструктивные возможности устройства, полезный эффект от его использования по назначению в соответствии с областью применения и условиями эксплуатации.

Под условиями эксплуатации понимается совокупность климатических и механических факторов внешней среды, существенно влияющих на работоспособность устройства (температура окружающей среды, влажность, давление, атмосферные явления, вибрация, удары).

Показатели надежности и долговечности характеризуют надежность и долговечность устройств в конкретных условиях их использования. Для промышленной продукции показатели надежности включают в себя безотказность (вероятность безотказной работы в течение заданного времени при определенных условиях и режимах работы, длительность наработки на отказ, интенсивность отказов и пр.), ремонтопригодность (вероятность восстановления, среднее время восстановления, средняя трудоемкость технического обслуживания и пр.), сохраняемость (срок сохраняемости, средний срок сохра-

28

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

няемости и пр.) и зависят от долговечности составных частей устройства (ресурс, срок службы до первого капитального ремонта) и т.д.

Показатели технологичности определяют эффективность конструктив- но-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении и ремонте устройств. Основными показателями технологичности являются удельные показатели трудоемкости изготовления и ремонта, материалоемкости, в том числе дефицитных материалов, коэффициент использования рациональных материалов, коэффициент сборности устройства.

Эргономические показатели характеризуют удобства использования изделия по назначению.

Эстетические показатели характеризуют рациональность формы, выразительность оформления изделия.

Экологические показатели характеризуют уровень вредного воздействия устройства на окружающую среду.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют степень ис-

пользования в продукции стандартизованных изделий и уровень унификации составных частей изделия.

Экономические показатели характеризуют затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию устройства

Качество устройства может определяться единичными и комплексными показателями.

Особым видом продукции является электрическая энергия, которую производят электростанции и используют для производственных и бытовых нужд ее потребители.

Качество электроснабжения обеспечивается качеством электротехнических устройств и показателями качества электроэнергии.

Каждый элемент СЭС должен обеспечивать бесперебойное (надежное) электроснабжение приемников электроэнергией. Надежность электроснабжения – сложное, комплексное свойство, обладающее единичными свойствами или их сочетанием.

В надежности технических систем можно выделить основные понятия, относящиеся к объектам, свойствам, состоянию, событиям и процессам.

Объект – предмет определенного назначения, который рассматривается с точки зрения анализа надежности. Объектами анализа могут быть элементы технических устройств (изделий), устройства, в том числе электротехнические устройства, технические системы, система электроснабжения, электроустановки, технологические установки, независимые источники питания, электроприемники, потребители электроэнергии, схемы электрических соединений.

Элемент – объект, надежность которого изучается независимо от надежности составляющих его частей.

29

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

Изделие – элемент, надежность которого рассматривается независимо от его места и функции в системе.

Электротехнические устройства – промышленные изделия, предназна-

ченные для производства, передачи и распределения электроэнергии, ее преобразования и использования, а также для контроля параметров и учета электроэнергии. К электротехническим устройствам относятся электрические машины (генераторы и электродвигатели), аппараты (коммутационные, защитные, управления), приборы (контрольно-измерительные, учета).

Надежность – способность объекта (устройства) или системы выполнять заданные функции в определенном объеме при нормальных условиях эксплуатации в течение требуемого времени.

Безотказность – способность системы непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки.

Долговечность – способность системы сохранять работоспособность до наступления предельного состояния (до выхода в ремонт составных элементов системы).

Ремонтопригодность – приспособленность системы к обнаружению и устранению отказов, возникающих в отдельных элементах системы.

Надежность системы характеризуется также и такими свойствами, как устойчивость, режимная управляемость и безопасность.

Устойчивость – способность противодействовать различным воздействиям внешней среды и явлениям, протекающим в системе (устойчивость к механическим воздействиям, к токам короткого замыкания и т.д.).

Режимная управляемость – приспособленность системы к управлению, обеспечивающему нормальный режим работы.

Безопасность – способность не вызывать опасных ситуаций для людей и окружающей среды.

Рабочее состояние – состояние объекта, при котором он выполняет заданные функции.

Нерабочее состояние – такое состояние, при котором объект не выполняет заданные функции.

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Неисправное состояние – состояние, при котором объект не соответствует установленным требованиям.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции.

Неработоспособное состояние – состояние, при котором объект не способен выполнять заданные функции.

Отказом называется событие, при котором проявляется невозможность элементами системы выполнять заданные функции.

Повреждение – событие, при котором появляется неисправность объекта или его составных частей в результате влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные нормативно-технической документацией.

30

Вологодский государственный университет. Научная библиотека