Электрооборудование и электроснабжение электротехнологических установок

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ 
И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

УСТАНОВОК

А.Н. МИРОНОВА
Ю.М. МИРОНОВ

2-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» 

(квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 13 от 16.09.2019)

Москва
ИНФРА-М

2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.26я73
 
М64

Р е ц е н з е н т ы:

А.И. Алиферов, доктор технических наук, профессор, заведующий 

кафедрой автоматизированных электротехнологических установок 
Новосибирского государственного технического университета;

А.Б. Кувалдин, доктор технических наук, профессор, профессор На
ционального исследовательского университета «МЭИ», заслуженный 
деятель науки РФ

ISBN 978-5-16-013686-8 (print)
ISBN 978-5-16-106345-3 (online)

©  Миронова А.Н., Миронов Ю.М., 

2020

Миронова А.Н.

М64  
Электрооборудование и электроснабжение электротехнологиче
ских установок : учебное пособие / А.Н. Миронова, Ю.М. Миронов. — 
2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 470 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/949144.

ISBN 978-5-16-013686-8 (print)
ISBN 978-5-16-106345-3 (online)
В учебном пособии рассмотрены основы электроснабжения промыш
ленных предприятий; приведены данные по электротехнологическим 
установкам как приемникам электроэнергии; описаны характеристики основных видов электрооборудования и схемы электроснабжения электротехнологических установок.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подго
товки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», специальности 
«Электротехнологические процессы и установки, приборы электронагрева». Также может быть полезно магистрантам, аспирантам и специалистам 
промышленности.

УДК 621.3(075.8)

ББК 31.26я73

Светлой памяти Учителя —
профессора Александра Даниловича Свенчанского — 
посвящается

Предисловие к 1-му изданию

В настоящее время большое внимание уделяется разработке техники и технологий, которые обеспечивают значи тельную экономию 
сырьевых, энергетических и трудовых ресур сов. В связи с этим 
большое значение приобретает развитие электротермических технологий и установок.
Каковы преимущества электронагрева?
Во-первых, электронагрев по сравнению с пламенным нагре вом 
обеспечивает экономию первичных энергетических ресурсов, 
т.е. является энергосберегающей технологией. Это связано с тем, что 
суммарный КПД использования топлива для нагрева конечного 
продукта в электротермических установках (ЭТУ) в последние 
годы в связи с совершенствованием электрических печей начинает 
превышать КПД в установках пламенного на грева. Особенно это 
характерно для металлургических установок, использующих отходы металлов. Так, сквозная (по всему тех нологическому циклу) 
энергоемкость электростали, получаемой из скрапа, составляет 
10,18 ГДж/т по сравнению с 21,08 ГДж/т для кислородно-конвертерного производства.
Применение индукционных печей для выплавки чугуна позволяет по сравнению с плавкой в вагранках, для которых тре буется 
доменный чугун, экономить на 1 т отливок 600–650 кт условного 
топлива.
Во-вторых, электротермические процессы позволяют значительно снизить потери мате риалов при их тепловой обработке 
(на угар, улет, окалину и т.д.). Так, потери шихты (чугуна, металлолома) в электропе чах составляют примерно 0,2% против 11% в мартеновских печах. На 15–50% уменьшается расход ферросплавов 
при плазменной плавке, в 2 раза — расход легирующих. Но особо 
большое значение имеет улучшение ка чества конструкционных материалов, которое позволяет снизить материалоемкость конечных 
изделий и повысить их ресурс. Так, для изготовления деталей 
машин за счет более высоких проч ностных характеристик электростали требуется в 1,3–1,4 раза меньше, чем мартеновской стали. 

Стойкость прокатных валков увеличивается в 1,3–3,5 раза, особо 
тонких нержавеющих труб — в 1,5–3 раза, крепежных деталей 
для химических аппаратов — в 4 раза, зубчатых колес для станков — 
в 8 раз, шарикоподшип ников — в 1,5–5 раз.
Высокие результаты получаются при использовании современных методов упрочнения изделий, особенно при применении 
лазерного, электронно-лучевого, ионно-плазменного методов (срок 
службы возрастает в 2–3 раз и более). Это позволяет экономить 
материальные и энергетические ресурсы за счет снижения объе мов 
выпуска деталей.
Электротермические процессы за счет высокой степени управляемости позволяют существенно экономить трудовые ресурсы. 
Современные ЭТУ имеют высокий уровень механизации и автоматизации, позволяют создавать единые технологические поточные 
линии, при этом за счет применения скоростного нагре ва и высоких температур появляется возможность значительного повышения производительности технологических процессов.
Электротермические установки также позволяют осуществлять 
ряд технологических про цессов, которые невозможны в пламенных 
печах. Сложнолегиро ванные стали и сплавы, тугоплавкие и высокореакционные цвет ные металлы, ферросплавы, некоторые химические продукты (желтый фосфор, штейны, карбид кальция и т.д.), 
оптические и полупро водниковые монокристаллы, специальные 
виды стекла и другие материалы, применение которых определяет 
научно-технический прогресс в различных областях техники, могут 
быть получены только в электрических печах. Локальный нагрев, 
являющийся основой специальных видов термообработки и технологических процессов в электронной промышленности, размерная 
обработка, напыление и другие технологические процессы стали 
возможны лишь при применении электронагрева.
Благодаря вышеперечисленным факторам электротермиче ские 
процессы и установки все шире применяются в различных отраслях 
народного хозяйства.
Единичная мощность современных ЭТУ непрерывно растет 
и достигает в настоящее время 100 МВт. Мощность электротермических производств доходит до 1 млн кВт. Для питания ЭТУ используется переменный ток как промышленной частоты, так и широкого спектра частот (от единиц герц до единиц мегагерц) и постоянный ток.
В ряде случаев ЭТУ являются специфическими приемниками 
электроэнергии. Зачастую они предъявляют повышенные требования к надежности и стабильности электроснабжения. Поэтому 

их проектирование и эксплуатация требуют особого подхода. 
Многие ЭТУ характеризуются высоким уровнем генерируемых 
гармоник, резко колебательным режимом, повышенным уровнем 
потребления реактивной мощности. Это заставляет принимать 
специальные меры по предотвращению их влияния на качество 
электроэнергии в системах электроснабжения промышленных 
предприятий.
Для комплектации электротермических, плазменных и луче вых 
установок применяется специальное электрооборудование — силовые трансформаторы и другие преобразова тели, коммутационная 
аппаратура, отличающаяся от общепро мышленного электрооборудования.
Изучению этих вопросов при подготовке инженеров по специальности 1805 «Автоматизированные электротехнологические 
установки и системы» посвящен курс «Электрооборудование 
и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых 
установок».
Настоящее пособие является первым опытом систе матизации 
учебного материала в этом направлении. Основой для его написания послужил лекционный курс, читаемый в течение ряда лет 
на кафедре автоматизированных электротехнологических установок и систем Чувашского государственного универ ситета имени 
И.Н. Ульянова. Авторы стремились осветить следую щие вопросы: 
основы электроснабжения промышленных пред приятий, использующих ЭТУ и плазменно-лучевые установки (ПЛУ); особенности 
ЭТУ и ПЛУ как приемников электроэнер гии; описание специального электрооборудования, применяемого в таких установках; проектирование систем электроснабжения установок.

Предисловие ко 2-му изданию

Электротехнологические установки (ЭТУ), использующие преобразование электрической энергии в тепловую с ее последующим 
применением в разного рода технологических процессах (плавка, 
нагрев перед деформацией, термообработка, сварка и др.), широко 
применяются в различных отраслях промышленности — черной 
и цветной металлургии, литейном и термическом производствах 
предприятий машиностроения, строительстве и т.д. За прошедшие 
с момента первого издания данного учебного пособия годы развитие 
ЭТУ и расширение областей их применения шло быстрыми темпами. Разработаны новые виды электропечей и электротехнологий, 
выросли единичные мощности ЭТУ (до 300 МВ.А), существенно 
возрос технический уровень электрооборудования. Повысились 
требования к обеспечению электромагнитной совместимости ЭТУ 
с энергосистемами, возросла роль мероприятий по рацио нальному 
использовании электроэнергии.
Значительно расширилась и подготовка кадров. В настоящее 
время обучение студентов по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электротехнологические 
установки и процессы, установки и приборы электронагрева» ведется в разных регионах России — в технических университетах 
Москвы, Санкт-Петербурга, Твери, Самары, Саратова, Чебоксар, 
Екатеринбурга, Новосибирска, Красноярска. Увеличенные энерговооруженность ЭТУ и техническая сложность оборудования ставят 
актуальную задачу повышения уровня подготовки специалистов, 
призванных заниматься проектированием и эксплуатацией ЭТУ, 
в том числе и в области их электроснабжения.
Естественно, что одной из главных задач является обеспечение 
учебного процесса современным уровнем знаний о техническом 
состоянии и направлениях развития ЭТУ. За прошедшие годы 
опубликовано большое количество статей и монографий [1–4, 10, 
20, 23], отражающих современное состояние и развитие ЭТУ.
По-другому дело обстоит с учебной литературой. Отказ от централизованного издания учебников привел к тому, что базой учебного процесса по электротехнологическим установкам остаются 
книги, изданные еще в конце прошлого века [14, 15, 19]. Они дополняются пособиями, выпускаемыми отдельными вузами [6, 16, 
22, 24, 33, 34]. К сожалению, эти пособия не доступны студентам 
других вузов, что не способствует требуемому высокому уровню 
учебного процесса.

Аналогично обстоит дело и с учебным материалом по электрооборудованию и электроснабжению ЭТУ. Необходимо отметить, 
что в широком доступе находится ряд современных учебников 
по электроснабжению промышленных предприятий [5, 7, 29 и др.], 
однако в них недостаточно полно раскрыты особенности ЭТУ как 
приемников электроэнергии и специальные вопросы их электроснабжения. В связи с этим первое издание данного учебного пособия продолжает оставаться базовым для большинства вузов 
страны. В то же время ряд материалов пособия устарел, да и физическое состояние наличных экземпляров оставляет желать лучшего. 
Это и определяет актуальность переиздания данной книги.
При подготовке рукописи второго издания пособия авторы 
постарались дополнить материал сведениями о современном состоянии ЭТУ и их электроснабжении и электрооборудовании. Авторы понимают, что в пособии присутствуют недостатки, и будут 
благодарны за присланные в их адрес замечания.
Студент, обучающийся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электротехнологические 
установки и процессы, установки и приборы электронагрева», 
должен иметь представление о производстве электроэнергии, особенностях электроснабжения промышленных предприятий и передающих сетях. В процессе освоения данной дисциплины обучающиеся будут:
знать 
 
• основные технические характеристики и функциональные возможности электротехнологического оборудования; 
 
• номенклатуру технических средств для измерения и контроля 
основных параметров технологических процессов; 
 
• основные понятия, категории и требования по нормативно-технической документации на обслуживание и ремонт оборудования; 
 
• требования техники безопасности; 
 
• устройство вводимого в эксплуатацию оборудования; 
 
• характер износа составных частей оборудования и способы его 
оценки; 
 
• основные понятия, категории и требования проектирования;
уметь 
 
• свободно ориентироваться в конструкциях и принципах действия оборудования; 
 
• пользоваться специальной и справочной литературой;
 
• определять порядок обследования ремонтопригодности оборудования;

 
• составлять техническую документацию на обслуживание и ремонт;
 
• составлять графики ППР;
 
• применять методы и технические средства эксплуатационных 
испытаний и диагностики электроэнергетического и электротехнологического оборудования;
 
• читать электрические схемы соединений;
 
• решать основные принципиальные вопросы проектирования;
 
• использовать полученные знания при решении практических 
задач;
владеть 
 
• способами и средствами получения и переработки информации 
для составления алгоритма поиска оптимального решения;
 
• методиками выполнения расчетов и профессиональными навыками применительно к электротехнологическому оборудованию;
 
• знаниями технологического процесса вводимого оборудования;
 
• умением измерять контрольные параметры; 
 
• методиками построения модели процесса проектирования, 
включая все необходимые алгоритмы, вплоть до выдачи комплекса текстовых и графических документов; 
 
• методикой анализа технического состояния и методикой определения остаточного ресурса оборудования;
 
• методиками планирования и организации ремонтов. 

Глава 1. 
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 
С ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМИ, ПЛАЗМЕННЫМИ 
И ЛУЧЕВЫМИ УСТАНОВКАМИ

1.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

1.1.1. Энергосистемы и их структура
Основными поставщиками электрической и тепловой энергии 
для народного хозяйства являются энергосистемы. Энергосистема — это совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, связанных общностью режимов производства, распределения и потребления электрической энергии и тепла. Часть 
энергосистемы, включающая в себя электростанции, электрические 
сети (линии электропередачи и подстанции) и установки потребителей электроэнергии, составляют электрическую часть энергосистемы, которая должна обеспечить:
 
– удовлетворение спроса потребителей в электроэнергии 
и мощности (включая потери в сетях и расход на собственные 
нужды), изменяющегося непрерывно в течение суток и года;
 
– надежность электроснабжения, соответствующую экономически оправданным требованиям потребителей;
 
– качество электроэнергии в соответствии с установленными 
нормами;
 
– возможно наиболее низкую себестоимость электроэнергии.
В настоящее время работает Единая энергетическая система 
(ЕЭС), охватывающая бóльшую часть России.
Объединение электростанций и отдельных энергосистем на параллельную работу позволило значительно повысить их показатели. Это стало возможным за счет повышения использования агрегатов электростанций благодаря выравниванию графика нагрузки 
системы и снижения ее максимума, внедрения в эксплуатацию 
мощных и экономичных агрегатов и снижения требуемого резерва 
мощности. В результате повысились надежность электроснабжения 
потребителей и качество электроэнергии. В то же время объединение энергосистем вызвало необходимость транспорта элект

роэнергии с большими мощностями на большие (до нескольких 
тысяч километров) расстояния.
На рис. 1.1 приведена схема энергосистемы. Электростанции 
вырабатывают электроэнергию на так называемом генераторном 
напряжении, значение которого в зависимости от типа генераторов составляет 6–20 кВ. Это напряжение преобразуется в более 
высокое с помощью силовых трансформаторов. В районных сетях 
с передачей на небольшие расстояния сравнительно небольших 
мощностей применяются напряжения 10, 35, 110 кВ, значительных 
мощностях — 110, 150, 220 кВ. Для межсистемных связей при передаче на значительные расстояния используются напряжения 220, 
330, 500, 750, 1150 кВ переменного и 1500 кВ постоянного тока. 
Повышение напряжения при передаче больших мощностей связано с необходимостью снижения потерь мощности и напряжения. 
Сверхдальние передачи электроэнергии осуществляются и на постоянном токе. Удорожание оборудования для выпрямления и инвертирования тока окупается значительным снижением потерь.

ГЭС

220 кВ
Сеть 110 кВ

АЭС
ТЭЦ
СН
СН
ГН

Н
6–10 кВ

6–10 кВ
∼
∼

∼

Рис. 1.1. Условная схема энергосистемы:
СН — собственные нужды; ГН — нагрузка на генераторном напряжении; 
Н — нагрузка потребителей

После передачи по воздушной (ВЛ) или кабельной (КЛ) линии 
электропередачи электроэнергия поступает на районные подстанции (ПС), где после трансформации с одного напряжения 
на другое распределяется потребителям. На входных ПС предприятий происходит снижение напряжения до уровней, используемых в промышленности.

1.1.2. Электростанции
В настоящее время в выработке электроэнергии участвуют следующие электростанции:
 
– тепловые (ТЭС), которые делятся на паротурбинные (теплофикационные — ТЭЦ и конденсационные — КЭС) и газотурбинные (ГТЭ);