Электроснабжение промышленных и гражданских объектов

 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ 
И ГРАЖДАНСКИХ ОБЪЕКТОВ  
 
 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 621.316 
ББК 31.2 
Б64 
 
  
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения  
промышленных предприятий Казанского государственного  
энергетического университета Е. И. Грачева; 
доктор технических наук, заведующий кафедрой электротехники 
Курской государственной сельскохозяйственной академии  
им. профессора И. И. Иванова, профессор В. И. Серебровский 
 
 
Бирюлин, В. И. 
Б64  
Электроснабжение промышленных и гражданских объектов : учебное пособие / В. И. Бирюлин, Д. В. Куделина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 204 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1089-2 
 
Даны основные сведения о системах электроснабжения, расчетах электрических нагрузок, выполнении электрических сетей и подстанций, осуществляющих электроснабжение потребителей, а также сведения о построении схем 
электроснабжения, компенсации реактивной мощности и качестве электрической энергии. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника», а также специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией систем электроснабжения.   
Публикация выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов 
наук MK-5109.2022.4 «Разработка автоматизированной системы выявления 
объектов, оказывающих негативное влияние на качество электроэнергии». 
 
УДК 621.316 
ББК 31.2 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1089-2 
© Бирюлин В. И., Куделина Д. В., 2022 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

 
 
Оглавление 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 6 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ...................... 9 
1.1. Основные термины и определения систем электроснабжения ....................... 9 
1.2. Основные характеристики приемников электроэнергии ............................... 10 
1.3. Режимы работы электроприемников 
................................................................ 13 
1.4. Графики электрических нагрузок 
..................................................................... 22 
1.5. Показатели графиков электрических нагрузок ............................................... 27 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 30 
2. РАСЧЕТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ ................................................ 31 
2.1. Нагрузочная способность электрооборудования 
............................................ 31 
2.2. Понятие расчетной электрической нагрузки 
................................................... 35 
2.3. Методы определения расчетной электрической нагрузки 
в промышленных электрических сетях 
................................................................... 36 
2.3.1. Вспомогательные методы определения расчетной нагрузки ..................... 36 
2.3.2. Определение расчетной нагрузки методом коэффициента расчетной 
активной мощности Ȁрасч .......................................................................................... 37 
2.4. Методы определения расчетной электрической нагрузки  в городских 
электрических сетях 
.................................................................................................. 40 
2.5. Определение пиковых нагрузок 
........................................................................ 44 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 45 
3. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ............. 46 
3.1. Провода и кабели 
................................................................................................ 46 
3.2. Воздушные линии .............................................................................................. 48 
3.3. Кабельные линии 
................................................................................................ 51 
3.4. Электропроводки 
................................................................................................ 56 
3.5. Системы заземления в электрических сетях напряжением до 1 кВ ............. 58 
3.5.1. Cистема TN ...................................................................................................... 59 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 68 
4. СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НАПРЯЖЕНИЕМ 
ДО 1 КВ ...................................................................................................................... 69 
4.1. Схемы цеховых электрических сетей .............................................................. 69 
4.2. Схемы городских электрических сетей ........................................................... 73 
4.3. Выбор сечений проводов и кабелей ................................................................. 77 
4.4. Устройства распределения электроэнергии в электрических сетях 
до 1 кВ и их выбор .................................................................................................... 80 
4.4.1. Вводно-распределительные устройства ....................................................... 80 
4.4.2. Силовые распределительные пункты и шкафы ........................................... 83 
4.4.3. Шинопроводы .................................................................................................. 84 
4.5. Предохранители и их выбор 
.............................................................................. 86 
4.6. Автоматические выключатели и их выбор 
...................................................... 90 
4.7. Автоматические выключатели дифференциального тока ............................. 95 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 97 
3 
 

 
 
5. ПОДСТАНЦИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ................ 98 
5.1. Комплектные трансформаторные подстанции 6-10/0,4 кВ 
........................... 98 
5.1.1. Общие сведения 
............................................................................................... 98 
5.1.2. Силовые трансформаторы .............................................................................. 99 
5.2. Схемы КТП ....................................................................................................... 102 
5.3. Расположение и применение КТП 
.................................................................. 107 
5.4. Комплектные трансформаторные подстанции 35-110/6-10 кВ 
.................. 110 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 114 
6. СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НАПРЯЖЕНИЕМ 
CВЫШЕ 1 КВ .......................................................................................................... 115 
6.1. Выбор числа и мощности трансформаторов на КТП ................................... 115 
6.2. Схемы электрических сетей на напряжении 6-10 кВ .................................. 120 
6.3. Способы прокладки кабельных линий напряжением 6-10 кВ .................... 126 
6.4. Выбор сечений жил кабелей напряжением выше 1 кВ ................................ 134 
6.5. Выбор схем, числа и мощности трансформаторов пунктов приема 
электроэнергии на напряжении выше 1 кВ .......................................................... 136 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 141 
7. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ ............................................... 142 
7.1. Общие указания 
................................................................................................ 142 
7.2. Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением 
свыше 1 кВ ............................................................................................................... 143 
7.3. Расчет токов коротких замыканий в электрических сетях напряжением 
до 1 кВ ...................................................................................................................... 151 
7.3.1. Общие сведения 
............................................................................................. 151 
7.3.2. Расчет токов трехфазного КЗ ....................................................................... 152 
7.3.3. Расчет токов однофазного КЗ ...................................................................... 153 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 154 
8. КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ  В СИСТЕМЕ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
........................................................................................ 155 
8.1. Реактивная мощность в системах электроснабжения .................................. 155 
8.2. Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения 
.......... 156 
8.3. Источники реактивной мощности (компенсирующие устройства) 
............ 160 
8.4. Размещение компенсирующих устройств в системах электроснабжения 
промышленных предприятий 
................................................................................. 165 
8.5. Регулирование мощности компенсирующих устройств .............................. 170 
8.6. Батареи конденсаторов в сетях с резкопеременной и нелинейной 
нагрузкой 
.................................................................................................................. 172 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 173 
9. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ................................................... 174 
9.1. Основные положения 
....................................................................................... 174 
9.2. Показатели качества электроэнергии 
............................................................. 175 
9.2.1. Отклонение частоты 
...................................................................................... 175 
9.2.2. Медленные изменения напряжения ............................................................ 177 
9.2.3. Колебания напряжения и фликер ................................................................ 179 
4 
 

 
 
9.2.4. Несинусоидальность напряжения................................................................ 180 
9.2.5. Несимметрия трехфазной системы напряжений ....................................... 185 
9.3. Влияние качества электроэнергии на работу электроприемников 
и электрических сетей 
............................................................................................. 187 
9.4. Мероприятия по обеспечению качества электроэнергии в системах 
электроснабжения ................................................................................................... 193 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 195 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 196 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 197 
 
5 
 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данное пособие предназначено для изучения студентами всех форм обучения специальности «Электроснабжение» направления 13.03.02 «Электроснабжение» дисциплин «Электроснабжение» и «Системы электроснабжения городов и промышленных предприятий», в том числе и для самостоятельной работы, а также может быть использовано различными специалистами, занимающимися эксплуатацией систем электроснабжения. 
Издание представляет собой учебное пособие. В нем подробно изложены  
материалы для изучения характеристик и режимов работы электроприёмников, 
принципов определения расчетных нагрузок в промышленных и городских 
электрических сетях, электрооборудования систем электроснабжения, построения схем электроснабжения, расчета токов короткого замыкания, компенсации 
реактивной мощности и вопросов качества электроэнергии. Таким образом, пособие по существу охватывает весь круг задач, связанных как с эксплуатацией, 
так и с расчетом систем электроснабжения, с необходимой глубиной для студентов-электриков, а также при рассмотрении качества электроэнергии приводятся результаты, полученные авторами пособия, что отличает его от ранее издававшейся литературы. 
Материал пособия имеет, прежде всего, учебную направленность, но наличие большого числа рисунков, схем позволяет использовать его также и как достаточно полный справочник. Представленный материал можно использовать 
как во взаимосвязи, так и по отдельным частям, например, изучение качества 
электроэнергии может быть осуществлено без полного освоения материалов 
предыдущих глав. 
Все замечания и предложения по данной работе будут с благодарностью 
приняты по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, кафедра электроснабжения. 
6 
 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время электроэнергия применяется самым широким образом 
во всех станах мира. Развитие систем электроснабжения оказывает сильное 
воздействие на развитие, на территориальное размещение промышленности и 
всех производительных сил общества. Так, выработка электроэнергии в России 
в 2019 году составила 1 трлн 096,4 млрд кВтǜч. Поэтому изучение систем электроснабжения является весьма важной частью в деле подготовки квалифицированных специалистов-электриков. 
Дисциплины «Электроснабжение» и «Системы электроснабжения городов 
и промышленных предприятий» направлены на изучение систем электроснабжения, основными частями которых являются электрические аппараты, провода и кабели, силовые и измерительные трансформаторы, образующие электрические сети электроснабжения. Таким образом, данные дисциплины рассматривают вопросы проектирования, построения и эксплуатации систем электроснабжения. 
Развитие систем электроснабжения начинается в XIX веке, когда выдающийся ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский осуществил практическую передачу электрической мощности по линии электропередач около 
220 кВ на расстояние 175 км, используя разработанную им трехфазную систему 
напряжения.  
На базе открытий и изобретений М. О. Доливо-Добровольского в России в 
г. Новороссийске в 1893 г. была построена первая электростанция трехфазного 
тока общей мощностью 1200 кВǜА, на которой работали четыре генератора 
мощностью по 300 кВт. Таким образом, первым предприятием в России с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. 
Особенностью первых лет развития электроэнергетики России являлась 
раздельная работа электростанций и электрических сетей, присоединенных к 
ним, зачастую выполненных по различным системам тока и при различных частотах и напряжениях. 
Значительное развитие системы электроснабжения получили после принятия в 1920 году плана ГОЭЛРО. Согласно этому плану, темпы роста мощности 
электростанций должны были значительно опережать темпы роста промышленного производства. 
Так, намечено было довести суммарную годовую выработку электроэнергии до 8,8 млрд кВтāч против 1,9 млрд кВтāч, которые вырабатывались в России 
в 1913 г. Планом предусматривались коренная реконструкция на базе электрификации всех отраслей народного хозяйства страны. В послевоенные годы 
электрификация страны и использование электроэнергии в промышленности и 
других областях развивалась достаточно быстрыми темпами. В настоящее время нормальная жизнедеятельность общества невозможна без электроэнергии. 
Для качественного изучения материала пособия необходимо использовать 
знания, полученные на предшествующих дисциплинах, таких как физика, теоретические основы электротехники, электрические сети, электрические аппара7 
 

 
 
ты. В свою очередь, рассмотренные в пособии материалы будут использоваться 
далее в учебном процессе, в особенности при выполнении курсовых проектов и 
выпускных квалификационных работ.  
С точки зрения автора к наиболее важным материалам для подготовки 
специалистов-электриков следует отнести расчеты электрических нагрузок, 
принципы построения систем электроснабжения и выбор электрооборудования. 
Читателям, впервые приступающим к изучению дисциплин «Электроснабжение» и «Системы электроснабжения городов и промышленных предприятий», рекомендуется изучать пособие последовательно, начиная от основных 
сведений до качества электроэнергии. Такой подход позволяет изучать предмет, опираясь на материалы предшествующих глав. Более подготовленные читатели могут изучать пособие в произвольном порядке.  
8 
 

 
 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
 
1.1. Основные термины и определения систем электроснабжения 
 
Электроустановкой является комплекс электрических машин, аппаратов, 
линий и вспомогательного оборудования (включая сооружения и помещения, 
где они установлены), предназначенных для осуществления процессов производства, преобразования, трансформации, передачи и распределения электрической энергии, а также преобразования ее в другие виды энергии [1]. 
Электроснабжение - это обеспечение потребителей электрической энергией [1]. Электроэнергия должна поступать потребителям в необходимом для их 
нормального функционирования количестве и с качеством, соответствующим 
нормативным требованиям.  
Для снабжения потребителей электроэнергией служит система электроснабжения, представляющая собой совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией. 
Электроснабжение может осуществляться от различных источников, поэтому оно разделяется на следующие три вида: 
í централизованное электроснабжение, при котором потребители электрической энергии получают питание от энергосистемы; 
í местное электроснабжение, при котором потребители электрической 
энергии обеспечиваются питанием от местных источников, например, заводских ТЭЦ; 
í смешанное электроснабжение, когда часть потребителей питаются от 
энергосистемы, а другая часть - от местных источников.  
Приемник электрической энергии или же электроприемник (ЭП) представляет собой аппарат, агрегат, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии [1]. Он получает электрическую энергию из 
системы электроснабжения и преобразует ее в механическую (электродвигатели), тепловую (электрические печи), химическую (электрохимические установки), световую энергию (электрические источники света), в энергию электростатического и электромагнитного поля (электрофильтры, электромагниты и т. д.). 
Потребитель электрической энергии является более широким понятием. 
Он определяется как ЭП или группа ЭП, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории - цех, предприятие, 
здание и т. п. 
Потребители электрической энергии могут работать в различных режимах, 
определяемых системой электроснабжения. 
Нормальный режим потребителя электрической энергии - режим, при котором обеспечиваются заданные значения параметров его работы и схема системы электроснабжения соответствует нормальному режиму, предусмотренному проектной документацией. 
 
9 
 

 
 
Послеаварийный режим - режим, в котором находится потребитель электрической энергии в результате нарушения в системе его электроснабжения 
(например, переход на питание от резервирующего источника) до восстановления нормального режима после локализации возникшего отказа. 
Независимым источником питания является такой источник, на котором 
сохраняется напряжение в послеаварийном режиме в регламентированных пределах при исчезновении его на другом или других источниках питания. К независимым источникам питания относятся две секции или системы шин одной 
или двух электростанций и подстанций при одновременном выполнении следующих двух условий: 
1)каждая из этих секций или систем шин в свою очередь имеет питание от 
независимого источника питания; 
2)секции или системы шин не связаны между собой или же имеют электрическую связь, автоматически отключающуюся при нарушении нормальной 
работы одной из секций (систем) шин. 
 
1.2. Основные характеристики приемников электроэнергии 
 
Основной характеристикой ЭП является его номинальная (установленная) 
мощность. В соответствии с [1] номинальное значение параметра представляет 
собой указанное изготовителем в паспорте или другой технической документации значение данного параметра. 
Номинальная активная мощность Pном характеризует способность ЭП преобразовывать электроэнергию в другие виды энергии. Для электродвигателей 
Pном определяется как числовое значение выходной, механической мощности 
(на валу), включенное в номинальные данные [2]. 
Применительно к технологической установке с многодвигательным приводом под номинальной мощностью подразумевают наибольшую сумму номинальных мощностей одновременно работающих двигателей [3].  
Групповая номинальная (установленная) активная мощность представляет 
собой сумму номинальных активных мощностей группы ЭП и определяется как 
[3]: 
 
n
н
i
i
P
P
=
=¦
, 
(1) 
 
1
 
где n - число ЭП; 
Pi - номинальная мощность i-го ЭП, входящего в рассматриваемую группу. 
Реактивная мощность ЭП характеризует процессы обмена энергией между 
электрическими и магнитными полями. Эти поля необходимы для преобразования электроэнергии в другие виды энергии у таких ЭП, например, магнитное 
поле в электродвигателе.  
 
 
10