Пособие к курсовому и дипломному проектированию электроснабжения промышленных, сельскохозяйственных и городских объектов

ПОСОБИЕ К КУРСОВОМУ 

И ДИПЛОМНОМУ 

ПРОЕКТИРОВАНИЮ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 

ПРОМЫШЛЕННЫХ, 

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ 
И ГОРОДСКИХ ОБЪЕКТОВ

Ю.Д. Сибикин

Рекомендовано 

в качестве учебного пособия для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся 

по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика 

и теплотехника», 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2021

ИНФРА-М

УДК [621.311.1+001.89](075.8) 
ББК 31.29-5:72я73 
 
С34

Сибикин Ю.Д.

С34 
 
Пособие к курсовому и дипломному проектированию электроснаб
жения промышленных, сельскохозяйственных и городских объектов : 
учебное пособие / Ю.Д. Сибикин. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 
2021. — 383 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-00091-740-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-016374-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102351-8 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии содержатся основные положения, необходимые 

для выполнения курсового и дипломного проектов по электроснабжению промышленных, сельскохозяйственных и городских объектов. 
Рассмотрены методы расчета силовых и осветительных нагрузок, выбора и определения центра нагрузок, построения схем внутриплощадочных и внеплощадочных сетей электроснабжения объекта, числа 
и мощности питающих трансформаторных подстанций и ГПП, сечения воздушных и кабельных электросетей, расчета токов короткого 
замыкания, релейной защиты, зануления и заземления электроприемников. Приведены примеры решения задач.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обуча
ющихся по специальности «Электроснабжение» и направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также для 
специалистов, работающих в области электроснабжения промышленных, сельскохозяйственных и городских объектов и занятых проектированием электроустановок.

УДК [621.311.1+001.89](075.8) 

ББК 31.29-5:72я73

Р е ц е н з е н т ы:

Ю.Н. Колокольцев — доктор технических наук, профессор; 
Н.Г. Джумамухамедов — доктор технических наук, профессор; 
В.А. Яшков — кандидат технических наук, профессор

ISBN 978-5-00091-740-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-016374-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102351-8 (ИНФРА-М, online)

© Сибикин Ю.Д., 2014, 2020
© Издательство «ФОРУМ», 2014

оГЛАВЛеНие

Предисловие.......................................................................................................6

Введение .............................................................................................................8

Глава I. Основные требования к курсовым и дипломным проектам .............10
1.1. Задачи учебного проектирования .......................................................10
1.2. Задания и исходные данные для проектирования ............................12
1.3. Содержание проекта ............................................................................19
1.4. Выполнение расчетно-пояснительной записки ................................23
1.5. Оформление графического материала ................................................28
1.6. Защитa дипломного и курсового проекта ..........................................40

Глава II. Методы расчетов электрических нагрузок и рекомендации  
по их использованию .......................................................................................42
2.1. Графики электрических нагрузок .......................................................42
2.2. Характеристики электрических нагрузок ...........................................44
2.3. Показатели графиков нагрузки ...........................................................49
2.4. Определение расчетной нагрузки промышленных объектов ...........55
2.5. Оределение расхода электроэнергии ..................................................58
2.6. Расчетные электрические нагрузки сельских районов .....................60
2.7. Расчетные электрические нагрузки городских сетей ........................62
2.8. Освещение помещений и светотеxнические расчеты .......................69
2.9. Источники света и схемы их включений ...........................................74
2.10. Места расчетных нагрузок в электрических сетях ..........................76
2.11. Рекомендации по последовательности расчетов  
электрических нагрузок ..............................................................................79
2.12. Определение расчетных электрических нагрузок цехов  
при отсутствии данных об ЭП до 1000 В ..................................................83

Глава III. Выбор напряжения, определение центра электрических  
нагрузок и принципы построения СэС ...........................................................85
3.1. Выбор напряжения электрической сети, внешнего  
электросрабжения объекта .........................................................................85
3.2. Выбор напряжения для распределения электроэнергии  
внутри объекта .............................................................................................87
3.3. Построение картограммы нагрузок предприятия .............................88
З.4. Определение центра электрических нагрузок ...................................90
3.5. Принципы построения систем электроснабжения  
промышленных объектов ...........................................................................92
3.6. Принципы построения СЭС сельскохозяйственного района ..........93
3.7. Принципы построения СЭС городских районов ..............................98

Оглавление

Глава Iv. Схемы электрических сетей, расчет сечений проводов  
и кабелей, надежность электроснабжения и качество электроэнергии ....... 104
4.1. Схемы электрических сетей напряжением выше 1 кВ ................... 104
4.2. Схемы групповых электрических сетей напряжением до 1 кВ ......114
4.3. Определение потерь электроэнергии в сетяx .................................. 118
4.4. Выбор оптимальных сечений проводов и жил кабелей линий 
электропередачи ........................................................................................ 121
4.5. Надежность систем электроснабжения ............................................ 134
4.6. Категории надежности электроснабжения электроприемников....140
4.7. Качество электроэнергии .................................................................. 145
4.8. Показатели качества электроэнергии ............................................... 147
4.9. Отклонение напряжения ................................................................... 148
4.10. Колебания напряжения ................................................................... 150
4.11. Отклонения частоты......................................................................... 151

Глава v. Подстанции и распределительные устройства .............................. 153
5.1. Назначение и классификация подстанций ...................................... 153
5.2. Схемы и основное электрооборудование главных  
понизительных подстанций ..................................................................... 154
5.3. Конструкции подстанций на 6...10/0,4...0,66 кВ ............................. 168
5.4. Распределительные устройства ......................................................... 183
5.5. Электрические измерения, контроль, управление  
и сигнализация на подстанциях .............................................................. 208
5.6. Выбор числа и мощности трансформаторов для пункта приема 
электроэнергии объекта ............................................................................ 213
5.7. Выбор числа и мощности цеховых трансформаторных  
подстанций ................................................................................................ 218
5.8. Выбор измерительных трансформаторов ......................................... 220

Глава vI. Потребление и компенсация реактивной мощности  
в системах электроснабжения объектов ....................................................... 227
6.1. Анализ баланса реактивной мощности  ........................................... 227
6.2. Потребление реактивной мощности асинхронными  
двигателями ............................................................................................... 229
6.3. Потребление реактивной мощности трансформаторами ............... 232
6.4. Потребление реактивной мощности электропечными  
и электросварочными установками ......................................................... 233
6.5. Потребление реактивной мощности выпрямительными  
установками ............................................................................................... 236
6.6 Выбор компенсирующих устройств и мест их установки ............... 238
6.7. Поперечная емкостная компенсация реактивной нагрузки .......... 247
6.8. Продольная емкостная компенсация индуктивного  
сопротивления ........................................................................................... 250

Оглавление

Глава vII. Токи короткого замыкания. Выбор и проверка  
токоведущих частей, изоляторов и аппаратов .............................................. 253
7.1. Изменение силы тока в трехфазной цепи при коротком  
замыкании .................................................................................................. 253
7.2. Расчет силы токов короткого замыкания ........................................ 255
7.3. Действие токов короткого замыкания и способы  
ограничения их силы ................................................................................ 269
7.4. Выбор и проверка токоведущих частей, изоляторов  
и аппаратов ................................................................................................ 274

Глава vIII. Релейная защита и автоматика ................................................. 281
8.1. Общие вопросы релейной защиты ................................................... 281
8.2. Классификация реле .......................................................................... 282
8.3. Конструкция вторичных реле ........................................................... 284
8.4. Токовая защита................................................................................... 292
8.5. Схемы защиты силовых трансформаторов и сетей, отходящих  
от подстанций ............................................................................................ 298
8.6. Автоматика в системах трансформаторных подстанций ................ 305
8.7. Сведения об источниках оперативного тока электрических  
подстанций ................................................................................................ 313

Глава Ix. Заземляющие и защитные устройства .......................................... 316
9.1. Защитное заземление ......................................................................... 316
9.2. Зануление ............................................................................................ 320
9.3. Конструктивное выполнение и расчет заземляющих устройств ...321
9.4. Методические рекомендации по технико-экономическому  
обоснованию проекта электроснабжения ............................................... 330

Приложения ................................................................................................... 334
Приложение 1. Трансформаторы и автотрансформаторы ...................... 334
Приложение 2. Классификация трансформаторных  
и распределительных подстанций ........................................................... 345
Приложение 3. Блочные соединительные и распределительные  
пункты ........................................................................................................ 352
Приложение 4. Принципиальные схемы цепей шкафов КРУ ............... 356
Приложение 5. Основные технические показатели КРУ ....................... 360
Приложение 6. Однолинейные схемы главных цепей щО-70 .............. 362

Литература ..................................................................................................... 381

ПРеДисЛоВие

Развитие и усложнение систем электроснабжения, возрастающие 
требования к их надежности и экономичности, широкое внедрение 
автоматизированных систем учета, контроля и управления распределением и потреблением электроэнергии требуют привлечения к их 
созданию и эксплуатации высококвалифицированных инженеровэлектриков.
Стратегия развития Единой национальной (общероссийской) 
электрической сети (ЕНЭС) на десятилетний период, разработанная 
Федеральной сетевой компанией (ФСК) ЕЭС, предусматривает масштабную замену морально и физически устаревшего электрооборудования (износ сетей ФСК в целом составляет 41 %, в том числе 
подстанционного оборудования – 65 %, ЛЭП – 36 %, зданий и сооружений – 23,2 %). При этом сетевое хозяйство Российской Федерации 
характеризуется следующими данными:
• общая протяженность воздушных линий электропередачи напряжением 0,38...1150 кВ составляет 3 млн. км, в том числе напряжением 220...150 кВ – 156,9 тыс. км;
• протяженность воздушных и кабельных линий напряжением 
0,38...110 кВ в стране составляет более 3 млн. км, в том числе входящих в ЕНЭС (в основном напряжением 220 кВ и выше), превышает 
154 тыс. км;
• количество подстанций напряжением 35...1150 кВ составляет 
порядка 18 тыс. шт., установленная мощность трансформаторов –  
610 тыс. MB•A, в том числе напряжением 220...750 кВ – 326 тыс. MB•A;
• в распределительных электрических сетях действует около  
17 000 подстанций напряжением 35...110/6...10 кВ, а также около  
800 000 ТП 6-10/0,4 кВ (мощностью до 630 кВ•А) с установленной 
мощностью силовых трансформаторов около 180 тыс. МВ•А; 
• в эксплуатации находится более 1,5 млн. комплектов устройств 
релейной защиты и электроавтоматики.
При выборе видов новой техники и технологий в процессе проектирования электроснабжения необходим учет имеющегося опыта 
передовых зарубежных стран, возможностей оте чественной промышленности и строительных организаций. Стратегией развития ЕНЭС на 
период до 2020 г. намечены к внедрению следующие прогрессивные 
электросетевые технологии: гибкие (управляемые системы передачи 

Предисловие

электроэнергии (FACTS) с использованием статических тиристорных 
компенсаторов (СТАТКОМ); управляемые шунтирующие реакторы и 
системы их управления на базе микропроцессорной техники; использование явления «высокотемпературной» и «низкотемпературной» 
сверхпроводимости; накопители электрической энергии; полностью 
автоматизированные подстанции с дистанционным управлением коммутационными аппаратами; силовые трансформаторы, обладающие 
повышенной стойкостью к токам короткого замыкания; элегазовые 
выключатели; элегазовые комплектные распределительные устройства (КРУЭ) и др.
В этих условиях от будущих ИТР, специализирующихся в области 
электроснабжения, требуются знания широкого комплекса вопросов в сферах производства, передачи, преобразования и потребления 
электроэнергии.
При проектировании электроснабжения проявляется взаимное 
влияние многих факторов: выбор силовых трансформаторов, компенсация реактивной мощности и т. д. влияют на качество электроэнергии, надежность и экономичность работы электроподстанции; из 
многообразия возможных технических решений должны быть получены оптимальные или близкие к ним, что можно сделать только в 
процессе творческой работы. Правильному решению многих из указанных задач будет способствовать материал, сконцентрированный в 
книге.
В данном пособии приведены основные требования к курсовым 
и дипломным проектам, изложены методы расчета электрических нагрузок, рассмотрены действия токов короткого замыкания на оборудование; даны методики расчета токов короткого замыкания в 
электроустановках напряжением до и выше 1000 В; приведены способы ограничения токов короткого замыкания, основные сведения о 
выборе трансформаторов, изоляторов и токоведущих частей распределительных устройств; коммутационном и защитном оборудовании 
распределительных устройств; приведены сведения о типовых схемах 
подстанций со вторичным напряжением до и выше 1000 В.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по электротехническим специальностям, 
также может быть полезно ИТР, повышающим свой технический 
уровень на производстве.
Автор надеется, что данное пособие поможет развить творческие 
способности будущих инженеров-электриков. 

ВВеДеНие

Цель пособия к курсовому и дипломному проектированию по 
электроснабжению промышленных, сельскохозяйственных и городских объектов – систематизация и расширение теоретических знаний 
студентов, ознакомление их с основными приемами проектирования.
Прежде чем приступить к проектированию, надо представить себе 
проект в целом, т. е. составить свой план выполнения задания с учетом предъявляемых к проекту требований, и только после этого приступить к выполнению отдельных этапов. 
Курсовое проектирование можно назвать репетицией перед дипломным, а дипломное – генеральной репетицией перед практической деятельностью. Если в курсовом проекте студент творчески 
решает какие-то конкретные вопросы, то в дипломном – комплекс 
тех же или аналогичных им вопросов. Поэтому предложенные темы 
курсовых проектов можно использовать при дипломном проектировании. С успехом можно применять комплексное проектирование 
двумя или большим числом студентов. Однако задания на него должны составляться так, чтобы работа одного студента не тормозила работу другого, а итоги объединялись только к концу проектирования. 
Например, один студент решает какие-то вопросы для одного напряжения, другой – те же вопросы для другого напряжения с учетом 
дополнительных требований, а в конце работы производится общий 
анализ и делаются выводы для всего задания в целом.
В проектах с научно-исследовательским уклоном рекомендуется ознакомление со структурой системы автоматизированного 
проектирования (САПР) и возможное использование каких-либо ее 
частей. 
В настоящем учебном пособии приведены краткие теоретические 
сведения по основным разделам проекта.
В первой главе пособия описаны порядок выдачи заданий на проектирование, краткое содержание разделов курсового и дипломного 
проектов, порядок защиты проектов.
Вторая глава посвящена обзору существующих методов расчета 
электрических нагрузок и рекомендациям по их использованию.
В третьей главе рассмотрен один из методов расчета центра электрических нагрузок, а также определение параметров картограммы 
электрических нагрузок.

ВВЕДЕНИЕ

В четвертой главе изложены вопросы проектирования схем внутреннего и внешнего электроснабжения объекта, выбора схемы электроснабжения, числа и мощности трансформаторов, сечения воздушных и кабельных линий, шинопроводов.
В пятой главе описано конструктивное исполнение главной понизительной подстанции и распределительных устройств. Приведены таблицы с характеристиками современного электрооборудования 
комплектных распределительных устройств и подстанций.
Шестая глава посвящена вопросам компенсации реактивной 
мощности. 
Расчетам токов короткого замыкания, выбору релейной защиты и 
конструкциям заземлений посвящены главы VII...IX.
В пособии приведено большое количество примеров расчета, что 
облегчает усвоение теоретического материала, а в приложниях – примеры графического исполнения чертежей. 
Целью настоящего пособия является уменьшение затрат времени 
студентов на поиск технической информации и оформление проектных решений. 

ГЛАВА I  
осНоВНЫе ТРебоВАНиЯ  
к кУРсоВЫм и ДиПЛомНЫм ПРоекТАм

1.1. ЗаДачИ учЕбНОгО ПрОЕктИрОВаНИя

В данном пособии рассмотрен возможный круг задач проектирования электроснабжения по основным областям промышленности, 
сельскому хозяйству и городским объектам. Конкретную тематику курсовых и дипломных проектов разрабатывают кафедры с учетом дифференцированного обучения студентов. При индивидуальных планах 
обучения и подготовке специалистов по прямым договорам с предприятиями и учреждениями рекомендуются прикладные темы проектирования с учетом возможного использования результатов курсовых 
проектов при разработке дипломных.
При разработке проектов электроснабжения различных объектов 
необходимо: 
• определить расчетные нагрузки; 
• выбрать схему электроснабжения; 
• найти сечения линий; 
• рассмотреть вопросы обеспечения качества электроэнергии и 
компенсации реактивной мощности; 
• рассчитать затраты на сооружение и эксплуатацию системы 
электроснабжения ряда вариантов и найти оптимальный; 
• уточнить проблемы развития рассматриваемой сети. 
Тема дипломного проекта и основное направление работы над 
проектом определяются перед последней производственной практикой на выпускном курсе. Тогда же назначается руководитель дипломного проекта.
После окончания теоретического курса (т. е. сдачи всех экзаменов, курсовых проектов и работ) и получения зачета по последней 
практике студенту выдается задание на дипломный проект с указанием окончательной темы, исходных материалов, разделов пояснительной записки, перечня графических материалов и сроков представления проекта на кафедру. Тогда же утверждаются консультанты: 
по охране труда; по экономике энергетики, организации и планированию предприятия; по другим вопросам, если в этом имеется 
необходимость. Консультантом по основной части проекта является