Электроснабжение промышленных предприятий и установок

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ 

ПРОМЫШЛЕННЫХ 

ПРЕДПРИЯТИЙ
И УСТАНОВОК

Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин, В.А. Яшков

3-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано 

Экспертным советом по профессиональному образованию 
Министерства образования и науки Российской Федерации

в качестве учебного пособия

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2022

ИНФРА-М

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.29-5я723
 
С34

Сибикин Ю.Д.

С34 
 
Электроснабжение промышленных предприятий и установок : учеб
ное пособие / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин, В.А. Яшков. — 3-е изд., 
перераб. и доп. — Москва. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2022. — 367 с. — 
(Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-612-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014258-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-109138-8 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии рассмотрено электроснабжение промышленных 

предприятий и установок. Даны методические рекомендации по выбору 
параметров систем электроснабжения. Приведены сведения о системах 
электроснабжения, электрических станциях и структурных схемах электропередачи. Описаны основное электрооборудование, подстанции, распределительные устройства, элементы техники высоких напряжений, заземляющие устройства и релейная защита.

Пособие предназначено для учащихся учебных заведений среднего 

профессионального образования, мастеров производственного обучения, 
а также для подготовки рабочих на производстве.

УДК 621.3(075.32)

ББК 31.29-5я723

Р е ц е н з е н т ы:

О.В. Имамеев — кандидат экономических наук; 
В.А. Яшков — кандидат экономических наук

ISBN 978-5-00091-612-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014258-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-109138-8 (ИНФРА-М, online)

© Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю., 

Яшков В.А., 2014

© ФОРУМ, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................................................. 7

Введение................................................................................................... 9

Глава 1. Общие вопросы электроснабжения..............................................12

§ 1.1. Общие сведения об электроснабжении ..........................................12
§ 1.2. Типы электрических станций и электроэнергетика мира.............14
§ 1.3. Современное состояние электроэнергетики России .....................17
§ 1.4. Схемы электрических соединений ..................................................19

Глава 2. Потребители и приемники электроэнергии...................................27

§ 2.1. Основные характеристики установок электропривода..................27
§ 2.2. Основные характеристики установок электротехнологий.............30
§ 2.3. Источники света как приемники электроэнергии.........................33
§ 2.4. Характеристики установок электроосвещения...............................36

Глава 3. Показатели качества электроэнергии, надежности 
и эффективности электроснабжения .........................................................39

§ 3.1. Классификация приемников электроэнергии по роду тока, 
напряжению и частоте................................................................................39
§ 3.2. Выбор напряжения электрической сети, питающей 
промышленное предприятие......................................................................41
§ 3.3. Выбор напряжения внутризаводского распределения 
электроэнергии............................................................................................42
§ 3.4. Выбор напряжения электрических осветительных сетей..............43
§ 3.5. Показатели качества электроэнергии..............................................45
§ 3.6. Показатели надежности электроснабжения ...................................51
§ 3.7. Вероятностные методы в расчетах надежности 
электроснабжения.......................................................................................60
§ З.8. Технико-экономические расчеты в электроснабжении ................68

Глава 4. Основное электрооборудование электрических станций 
и подстанций............................................................................................73

§ 4.1. Синхронные генераторы...................................................................73
§ 4.2. Шинные конструкции и изоляторы................................................76
§ 4.3. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы........................78
§ 4.4. Выключатели высокого напряжения...............................................89
§ 4.5. Разъединители, отделители, короткозамыкатели и заземлители.......96

Оглавление

§ 4.6. Выключатели нагрузки, предохранители, разрядники, реакторы... 101
§ 4.7. Измерительные трансформаторы .................................................. 106

Глава 5. Электрические нагрузки............................................................112

§ 5,1 Исходные  данные и этапы учебного проектирования ................112
§ 5.2. Характеристики электрических нагрузок...................................... 114
§ 5.3. Показатели графиков нагрузки...................................................... 119
§ 5.4. Определение расчетной нагрузки.................................................. 124
§ 5.5. Определение расхода электроэнергии........................................... 127
§ 5.6. Характерные места расположения pacчетных нагрузок в сетях 
и рекомендации по последовательности их расчетов............................ 129

Глава 6. Электрические сети напряжением выше 1000 В.........................134

§ 6.1. Основные понятия и определения ................................................ 134
§ 6.2. Конструктивное выполнение электрических сетей ..................... 135
§ 6.3. Расчет электрических сетей ........................................................... 141
§ 6.4. Определение потерь электрической мощности и электроэнергии.... 146
§ 6.5. Выбор площади сечений проводов и жил кабелей...................... 149

Глава 7. Подстанции и распределительные устройства ............................155

§ 7.1. Назначение и классификация подстанций................................... 155
§ 7.2. Схемы и основное электрооборудование главных 
понизительных подстанций ..................................................................... 156
§ 7.3. Подстанции на 6...10/0,4...0,66 кВ................................................. 165
§ 7.4. Распределительные устройства ...................................................... 168
§ 7.5. Электрические измерения, контроль, управление 
и сигнализация на подстанциях .............................................................. 175
§ 7.6. Выбор числа и мощности трансформаторов ................................ 181

Глава 8. Схемы электроснабжения ........................................................185

§ 8.1. Принципы построения схем электроснабжения 
и картограммы электрических нагрузок ................................................. 185
§ 8.2. Виды схем электроснабжения........................................................ 187
§ 8.3. Особенности схем электроснабжения объектов нефтяной 
и металлургической промышленности.................................................... 192
§ 8.4. Технико-экономическая оценка вариантов схем 
электроснабжения..................................................................................... 205

Глава 9. Токи короткого замыкания. Выбор и проверка токоведущих 
частей, изоляторов и аппаратов ..............................................................208

§ 9.1. Изменение силы тока в трехфазной цепи при коротком 
замыкании.................................................................................................. 208
§ 9.2. Расчет силы токов короткого замыкания ..................................... 210
§ 9.3. Действие токов короткого замыкания и ограничение их силы....... 221
§ 9.4. Выбор и проверка токоведущих частей, изоляторов и аппаратов... 225

Оглавление

Глава 10. Релейная защита и автоматика в системах 
электроснабжения промышленных предприятий.......................................230

§ 10.1. Общие вопросы релейной защиты .............................................. 230
§ 10.2. Классификация реле..................................................................... 231
§ 10.3. Конструкция вторичных реле ...................................................... 233
§ 10.4. Токовая защита.............................................................................. 235
§ 10.5. Защита силовых трансформаторов и сетей напряжением 
до 1000 В.................................................................................................... 241
§ 10.6. Автоматика в системах электроснабжения ................................. 247
§ 10.7. Самозапуск электродвигателм...................................................... 252
§ 10.8. Диспетчеризация и телемеханизация в системах 
электроснабжения..................................................................................... 255

Глава 11. Распределение электроэнергии при напряжении до 1000 В .......257

§ 11.1. Конструктивное выполнение сетей напряжением до 1000 В.... 257
§ 11.2. Схемы электрических сетей напряжением до 1000 В................ 261
§ 11.3. Защита электрических сетей и установок напряжением до 1000 В....264
§ 11.4. Выбор площади сечения проводов и жил кабелей .................... 271
§ 11.5. Расчет сетей электрического освещения..................................... 275
§ 11.6. Расчет стальных проводов, шинопроводов, токопроводов 
(троллейных линий).................................................................................. 277
§ 11.7. Оформление чертежей внутрицехового электроснабжения ...... 280

Глава 12. Компенсация реактивной мощности .........................................282

§ 12.1. Основные положения ................................................................... 282
§ 12.2. Компенсирующие устройства ...................................................... 287
§ 12.3. Технико-экономическое обоснование выбора средств 
компенсации реактивной мощности....................................................... 292
§ 12.4. Размещение компенсирующих устройств................................... 298
§ 12.5. Регулирование работы компенсирующих устройств.................. 299

Глава 13. Элементы техники высоких напряжений в системах 
электроснабжения ..................................................................................302

§ 13.1. Испытание изоляции .................................................................... 302
§ 13.2. Защита электрооборудования от перенапряжений .................... 304

Глава 14. Защитные меры электробезопасности ......................................308

§ 14.1. Основные сведения и определения ............................................. 308
§ 14.2. Средства защиты, обеспечивающие безопасность 
обслуживания электроустановок ............................................................. 318
§ 14.3. Защитное заземление, способы его выполнения ....................... 319
§ 14.4. Защитное отключение................................................................... 323
§ 14.5. Конструктивное выполнение и расчет
заземляющих устройств............................................................................ 326

Оглавление

Глава 15. Охрана труда и окружающей среды .........................................334

§ 15.1. Общие сведения об охране труда и производственной 
санитарии................................................................................................... 334
§ 15.2. Первая помощь при поражении электрическим током............. 337
§ 15.3. Общие сведения об окружающей среде...................................... 342
§ 15.4. Влияние энергетики на биосферу................................................ 343
§ 15.5. Охрана окружающей среды в россии .......................................... 345
§ 15.6. Охрана электрических сетей напряжением до 1000 В............... 347

Приложения...........................................................................................353

Приложение 1. Примеры изображения принципиальных схем 
электроустановок напряжением до 1000 В (при курсовом 
и дипломном проектировании электроснабжения) ............................... 353
Приложение 2. Примеры изображения принципиальных 
однолинейных схем распределительных устройств напряжением 
выше 1000 В............................................................................................... 356
Приложение 3. Примеры изображения принципиальных 
однолинейных схем блочных распределительных подстанций ............ 359
Приложение 4. Примеры изображения планов  и компоновок 
оборудования КТПБ и БРТП .................................................................. 362

Список литературы.................................................................................366

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство электроэнергии всеми электростанциями России в 

2013 г. достигло 1040 млрд кВт•ч, на 1,4% больше, чем в 2010 г.

Основными потребителями электрической энергии являются про
мышленные предприятия. Они расходуют более половины всей энергии, вырабатываемой в нашей стране.

Ввод в действие новых предприятий, расширение существующих, 

рост энерговооруженности, широкое внедрение различных видов 
электротехнологий во всех отраслях производств выдвигают проблему 
их рационального электроснабжения.

Система распределения столь большого количества электроэнер
гии на промышленных предприятиях должна обладать высокими 
техническими и экономическими показателями и базироваться на 
новейших достижениях современной техники. Поэтому электроснабжение промышленных предприятий должно основываться на использовании современного конкурентоспособного электротехнического 
оборудования, надежных экономичных аппаратах, прогрессивных 
конструкциях схем питания, широком применении автоматизации.

Книга содержит основные сведения, позволяющие учащимся 

разобраться в сложном комплексе вопросов производства, распределения и потребления электрической энергии, начиная с источников 
электроснабжения до потребления электрической энергии в цехах и 
установках промышленных предприятий.

В результате изучения предмета учащиеся смогут самостоятель
но выполнять расчеты цеховых электрических сетей напряжением до 
1000 В распределительных воздушных и кабельных сетей высокого 
напряжения; производить расчеты токов короткого замыкания и проверять выбираемое электрооборудование и аппараты на устойчивость 
действию токов короткого замыкания, составлять схемы распределения электрической энергии высокого напряжения; подсчитывать 
электрические нагрузки и выбирать силовые трансформаторы; производить расчет и выбор аппаратуры релейной защиты и автоматики 
подстанций и других электроустановок промышленных предприятий.

Особое внимание уделено вопросам расчета электрических нагру
зок, работе электроприемников, резервированию электроснабжения, 
повышению коэффициента мощности, рациональной и эффективной 

Предисловие

системе питания электроустановок, экономике, требованиям охраны 
труда и технике безопасности.

При изложении материала авторы учитывали специфику важней
ших отраслей промышленности, для которых готовятся специалисты. 
Это касается режимов работы и конструктивных особенностей электрических сетей и подстанций, резервирования электроснабжения, 
оптимизации коэффициента мощности и др.

В книге, предлагаемой читателю, изложен обобщенный опыт по
следних лет проектирования электроснабжения промышленных предприятий; приведены новые технические решения в этой области.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Важную роль в развитии отечественной электротехнической про
мышленности и электроснабжения предприятий сыграли труды выдающихся русских ученых и изобретателей Б.С. Якоби, А.Н. Лодыгина, 
П.Н. Яблочкова, Ф.А. Пироцкого, Д.А. Лачинова, М.О. Доливо-Добровольского и др.

В 1834 г. член Петербургской Академии наук Б.С. Якоби первым 

в мире изобрел электродвигатель постоянного тока. Большое влияние 
на развитие электрических станций оказала изобретенная в 1873 г. 
А.Н. Лодыгиным электрическая лампа накаливания, которая в скором времени стала основным потребителем электроэнергии. Американский ученый и изобретатель Эдисон произвел свои первые опыты 
по электрическому освещению только в 1879 г., т. е. на шесть лет 
позднее русского изобретателя А.Н. Лодыгина. Талантливый русский 
инженер-изобретатель П.Н. Яблочков в 1876 г. получил патент на 
электрическую свечу, которая также способствовала быстрому развитию электрического освещения. Яблочков изобрел трансформатор 
и решил задачу питания группы дуговых ламп от одного генератора.

В 1874 г. Ф.А. Пироцкий произвел опыт по передаче электроэнер
гии на расстояние до 1 км. В 1880 г. он осуществил передачу электроэнергии по рельсам конной железной дороги в Петербурге.

Большое значение для развития электротехники имела научная 

работа Д.А. Лачинова «Электромеханическая работа» (1880 г.), опубликованная в журнале «Электричество», где он изложил положения 
(тезисы), являющиеся основой современной теории передачи электроэнергии.

Гениальный русский ученый и инженер М.О. Доливо-Доброволь
ский заложил научные и инженерные основы современных электрических систем, осуществив установку трехфазного переменного тока 
и показав все его преимущества по сравнению с постоянным током. 
Первый генератор и приводимый им в движение электродвигатель переменного тока был построен М.О. Доливо-Добровольским в 1888 г. 
В 1891 г. он, используя водяную турбину мощностью в 300 л. с. и 
приводимый ею в движение генератор трехфазного тока мощностью в 
200 кВт, передал по воздушной линии электроэнергию на расстояние 
175 км. С помощью трехфазного трансформатора напряжение, создаваемое генератором в начале ЛЭП, повышалось до 8500 В, а на конце 

Введение

линии понижалось до 100 В и использовалось для освещения и приведения в движение электродвигателей на выставке во Франкфуртена-Майне.

Огромной заслугой Доливо-Добровольского является создание не 

только генераторов трехфазного тока и трансформаторов, но и асинхронных трехфазных двигателей, являющихся и в настоящее время 
основными электродвигателями, применяемыми в промышленности. 
Они надежны в работе, просты по конструкции, дешевы в эксплуатации.

Электрификация играет важнейшую роль в развитии всех отрас
лей промышленности, является стержнем строительства экономики 
страны. Отсюда следует необходимость опережающих темпов роста 
производства электроэнергии.

В условиях разрухи, голода, гражданской войны в 1920 г. Всерос
сийский съезд Советов утвердил Государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), который предусматривал в течение 10–15 лет 
строительство тридцати новых районных электростанций общей 
мощностью 1750 МВт, с доведением выработки электроэнергии до 
8,8 млрд кВт•ч в год. Этот план был выполнен за 10 лет. С 1930 г. 
крупные городские районные тепловые электростанции (ГРЭС) стали 
постепенно объединять в энергетические системы и энергообъединения, которые и в настоящее время остаются главными производителями электроэнергии для подавляющего большинства промышленных предприятий страны.

Принципом развития энергосистемы России является производ
ство электроэнергии на крупных электростанциях, объединяемых в 
Единую энергосистему общей высоковольтной сетью 500...1150 кВ.

До 1960 г. самые крупные генераторы тепловых электростанций 

(ТЭС) имели мощность 100 МВт. На одной электростанции устанавливали 6...8 генераторов. Поэтому мощность крупных ТЭС составляла 
600...800 МВт. После освоения блоков 150...200 МВт мощность крупнейших электростанций повысилась до 1200 МВт. Переход на блоки 
300 МВт позволил увеличить мощность некоторых ТЭС до 2400 МВт.

В настоящее время вводят в эксплуатацию тепловые и атомные 

электростанции мощностью до 6000 МВт с блоками по 500...800 МВт. 
Эффективность объединения энергосистем обусловлена экономией 
суммарной установленной мощности генераторов за счет:

• совмещения максимумов нагрузки энергосистем, сдвинутых во 

времени в разных географических поясах;

• уменьшения необходимой мощности аварийного и ремонтного 

резерва в энергообъединении по сравнению с разрозненными системами;

Введение

• укрупнения электростанций и улучшения режимов их работы 

благодаря взаимопомощи объединенных общей сетью энергосистем 
при отклонениях от плановых балансов выработки и потребления 
электроэнергии.

Получаемый от объединения энергосистем эффект превышает 

все затраты на строительство и эксплуатацию межсистемных линий 
электропередачи.

В настоящее время электроэнергетика России является важней
шей жизнеобеспечивающей отраслью страны. В ее состав входит более 700 электростанций общей мощностью 223 млн. кВт.

В современных условиях главными задачами специалистов, осу
ществляющих проектирование и эксплуатацию современных систем 
электроснабжения промышленных предприятий, являются правильное определение электрических нагрузок, рациональная передача и 
распределение электроэнергии, обеспечение необходимой степени 
надежности электроснабжения, качества электроэнергии на зажимах 
электроприемников, электромагнитной совместимости приемников 
электрической энергии с питающей сетью, экономия электроэнергии 
и других материальных ресурсов.