Электроснабжение

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 996 г.








    Ю.Д. СИБИКИН
    М.Ю. СИБИКИН


ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ




    УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, стереотипное




Рекомендовано
                                    Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по энергетическим направлениям подготовки (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 4 от 13.04.2022)


znanium.com

Москва
ИНФРА-М


2023

    УДК 621.3(075.8)
    ББК 31.2я73

     С34












      Сибикин Ю.Д.
С34 Электроснабжение : учебное пособие / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сиби-кин. — 2-е изд., стер. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 328 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1863101.

         ISBN 978-5-16-017612-3 (print)
         ISBN 978-5-16-110165-0 (online)

         В учебном пособии рассматриваются методы расчета электрических нагрузок, вопросы качества электрической энергии и компенсации реактивной мощности, схемы электроснабжения объектов; излагается методика определения потерь в элементах систем электроснабжения, приведен материал, касающийся работы и расчета электрических сетей, связанный с процессом протекания электрического тока в проводах внешнего и внутреннего электроснабжения объектов.
         Предназначено для студентов направлений подготовки и специальностей «Электроэнергетика и электротехника», «Электрические станции, сети и системы», «Электроснабжение», «Автоматическое управление электроэнергетическими системами», «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» и других электроэнергетических направлений подготовки и специальностей вузов и учреждений среднего профессионального образования.

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73

ISBN 978-5-16-017612-3 (print)
ISBN 978-5-16-110165-0 (online)

© Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю., 2010, 2022

        ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие............................................... 7
Введение ................................................. 9
Глава 1
Общие вопросы производства, преобразования, передачи и потребления электроэнергии ................... 11
    1.1. Основные термины, определения и понятия,
        используемые в электроэнергетике................ 11
    1.2. Производство электроэнергии..................... 16
    1.3. Синхронные генераторы........................... 21
    1.4. Преобразование электроэнергии................... 24
    1.5. Новые преобразовательные аппараты
        с обмотками кабельного типа...................... 30
    1.6. Краткая характеристика
        распределительных устройств...................... 32
    1.7. Использование электроэнергии.................... 36
Глава 2
Общие сведения об электроэнергетических системах ........ 42
    2.1. Понятия о системах электроснабжения............. 42
    2.2. Энергетическая система России .................. 47
    2.3. Режимы работы энергосистем...................... 51
    2.4. Режимы работы нейтрали в установках напряжением выше 1 кВ................................ 55
    2.5. Режимы работы нейтрали в установках
        напряжением до 1 кВ.............................. 58
    2.6. Заземляющие устройства.......................... 59
    2.7. Сопротивление заземляющих устройств............. 62
Глава 3
Классификация схем и выбор напряжения электрических сетей ..................................... 65
    3.1. Классификация схем электрических сетей напряжением выше 1 кВ ............................... 65
    3.2. Схемы групповых электрических сетей напряжением до 1000 В................................ 76
    3.3. Выбор рационального напряжения внешнего электроснабжения объекта............................. 83
    3.4. Выбор напряжения внутриобъектного распределения электроэнергии....................................... 84

3

Глава 4
Расчетные электрические нагрузки промышленных электрических сетей .......................................... 87
    4.1. Общие сведения о графиках электрических нагрузок .... 87
    4.2. Характеристики электрических нагрузок................ 92
    4.3. Показатели графиков нагрузки......................... 97
    4.4. Определение расчетной нагрузки...................... 104
    4.5. Определение расхода электроэнергии.................. 109
    4.6. Рекомендации по последовательности расчетов электрических нагрузок.............................. 110
Глава 5
Расчетные электрические нагрузки сельских и городских электрических сетей ............................. 114
    5.1. Расчетные электрические нагрузки сельских районов .... 114
    5.2. Расчетные электрические нагрузки городской сети. 118
Глава б
Термодинамические процессы, происходящие в проводах и кабелях электрических сетей при протекании по ним тока .................................. 129
    6.1. Нагревание и охлаждение проводов.................... 129
    6.2. Расчет нагрева голых проводов....................... 134
    6.3. Выбор плавких предохранителей по условиям нагревания.............................. 140
Глава 7
Конструктивные выполнения электрических сетей ............... 145
    7.1. Конструкции электрических воздушных линий .......... 145
    7.2. Конструктивное выполнение проводов и изоляторов воздушных линий .................................... 149
    7.3. Кабельные линии электропередачи..................... 152
    7.4. Токопроводы напряжением 6...35 кВ................... 158
    7.5. Конструктивное выполнение сетей
         напряжением до 1 кВ................................. 161
Глава 8 Электрический расчет электрических сетей .................... 168
    8.1. Омическое и активное сопротивления медных
         и алюминиевых проводов и кабелей.................... 168
    8.2. Реактивное (индуктивное) сопротивление.............. 170
    8.3. Реактивная (емкостная) и активная
         проводимости линий ................................. 172
    8.4. Схемы замещения элементов электрических сетей... 174
    8.5. Определение потерь, отклонений, колебаний
         напряжения ......................................... 182

4

    8.6. Определение потерь электроэнергии............. 186
    8.7. Выбор оптимальных сечений проводов и жил кабелей линий электропередач............................... 190
Глава 9
Виды и системы электрического освещения ............... 204
    9.1. Основы светотехники........................... 204
    9.2. Источники света............................... 208
    9.3. Осветительные электроустановки................ 210
    9.4. Электрические сети осветительных установок.... 212
    9.5. Расчет электрических сетей
         осветительных установок....................... 216
Глава 10
Компенсация реактивной мощности ....................... 221
    10.1. Основные положения........................... 221
    10.2. Компенсирующие устройства.................... 227
    10.3. Технико-экономическое обоснование выбора средств компенсации реактивной мощности.................... 232
    10.4. Размещение компенсирующих устройств.......... 238
    10.5. Регулирование работы компенсирующих устройств. 240
Глава 11
Надежность электроснабжения ........................... 243
    11.1. Термины надежности........................... 243
    11.2. Законы распределения случайных величин....... 244
    11.3. Показатели надежности элементов систем электроснабжения................................... 245
    11.4. Категории надежности электроснабжения электроприемников.................................. 252
Глава 12
Качество электроэнергии в системах электроснабжения ...................................... 259
    12.1. Общие сведения............................... 259
    12.2. Показатели качества электроэнергии........... 261
    12.3. Отклонение напряжения........................ 263
    12.4. Колебания напряжения......................... 264
    12.5. Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока............................................. 267
    12.6. Несимметрия напряжения....................... 269
    12.7. Провал напряжения............................ 270
    12.8. Импульсные напряжения и временные перенапряжения..................................... 272
    12.9. Причины отклонения частоты в электрической системе............................ 276

5

Глава 13
Анализ влияния качества электроэнергии на работу электроприемников............................. 279
    13.1. Анализ влияния отклонения частоты в электросистеме на работу электроприемников......................... 279
    13.2. Анализ влияния уменьшения и увеличения напряжения на работу электроприемников......................... 281
    13.3. Анализ влияния колебаний напряжения на работу электроприемников......................... 286
    13.4. Анализ влияния несимметрии напряжения на работу электроприемников......................... 287
    13.5. Анализ влияния несинусоидальности напряжения на работу электроприемников......................... 289
    13.6. Контроль КЭ и основные требования к цифровым средствам измерений................................. 290
Глава 14
Регулирование напряжения в электрических сетях ......... 293
    14.1. Задачи и способы регулирования напряжения в системах электроснабжения ........................ 293
    14.2. Способ регулирования напряжения изменением напряжения генераторов на электростанциях........... 294
    14.3. Способы регулирования напряжения коэффициентом трансформации трансформаторов, автотрансформаторов и специальными регуляторами.... 295
    14.4. Способы регулирования напряжения изменением параметров сети или компенсацией падения напряжения в сети................................... 298
    14.5. Способ регулирования напряжения изменением реактивной мощности, проходящей в сети.............. 300
    14.6. Способы регулирования напряжения синхронными компенсаторами и статическими конденсаторами........ 301
Глава 15
Технико-экономические расчеты и организация эксплуатации систем электроснабжения ................... 305
    15.1. Технико-экономическое сравнение вариантов
         при строительстве и неизменных годовых издержках .... 305
    15.2. Правила пользования электрической энергией.... 310
    15.3. Порядок расчета стоимости поставленной абоненту электрической энергии............................... 315
    15.4. Организация эксплуатации систем электроснабжения и электросберегающие технологии..................... 320
Список использованной литературы........................ 326

6

        ПРЕДИСЛОВИЕ




    Для реализации стратегических планов Правительства России необходима перестройка экономики страны, направленная прежде всего на то, чтобы придать общественному развитию мощный импульс ускорения с помощью научно-технического прогресса, определяемого в наибольшей степени энергетикой и автоматикой всех отраслей хозяйства.
    Для решения важных энергетических задач инженер должен обладать теоретическими знаниями и уметь творчески применять их в практической деятельности, то есть уметь творчески мыслить.
    Курсы по направлениям подготовки и специальностям «Электроэнергетика и электротехника», «Электрические станции, сети и системы», «Электроснабжение», «Автоматическое управление электроэнергетическими системами», «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» и другим электроэнергетическим направлениям подготовки и специальностям, читаемые на электроэнергетических и электротехнических факультетах, содержат много общего и могут быть представлены в двух книгах.
    В книге рассматриваются методы расчета электрических нагрузок, вопросы качества электрической энергии и компенсации реактивной мощности, схемы электроснабжения объектов; излагается методика определения потерь в элементах систем электроснабжения, приведен материал, касающийся работы и расчета электрических сетей, связанный с процессом протекания электрического тока в проводах внешнего и внутреннего электроснабжения объектов. Эта часть курса названа «Электроснабжением».
    Во второй части курса «Электрические подстанции» рассмотрены вопросы схем соединения и проектирования трансформаторных подстанций, выбора оборудования распределительных устройств, расчетов токов короткого замыкания и релейной защиты.
    Данная книга является учебным пособием по первой части курса. В книге помещен лишь материал, требуемый программой, причем по каждому разделу даны, главным образом, основные сведения.

7

   В целях наглядности и лучшего усвоения курса в книге приведено значительное число примеров и расчетов, а также вопросов для самопроверки.
   Учебное пособие предназначено для студентов специальностей: «Электроэнергетические системы и сети», «Электроснабжение», «Автоматическое управление электроэнергетическими системами» и других электроэнергетических специальностей вузов для дневной, вечерней и заочной форм обучения.
   Авторы будут благодарны за все замечания и предложения по данной книге, которые просим направлять в адрес издательства.

        ВВЕДЕНИЕ


    Системы электроснабжения предприятий предназначены для обеспечения питания электроэнергией приемников электрической энергии, к которым относятся электродвигатели различных механизмов и машин, электрические печи, аппараты и машины для электрической сварки, осветительные установки и другие приемники электроэнергии.
    Первые электрические станции сооружались в городах для освещения и питания электрического транспорта, а также при фабриках и заводах. Несколько позднее появилась возможность сооружения электрических станций в местах залежей топлива или местах использования энергии воды. Передача электрической энергии к центрами потребления стала осуществляться линиями электропередачи высокого напряжения на большие расстояния.
    По мере развития электропотребления усложняются и системы электроснабжения предприятий. В них включаются сети высокого напряжения, распределительные сети, а в ряде случаев и сети промышленных ТЭЦ.
    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 энергоблоков (турбина — генератор) мощностью 150...200 МВт мощность крупнейших электростанций повысилась до 1200 МВт. Переход на энергоблоки мощностью 800 МВт позволил увеличить мощность некоторых ТЭС (например, Пермской ГРЭС) до 4800 МВт.
    В настоящее время в энергосистемах Российской Федерации эксплуатируются более 600 тыс. км воздушных и кабельных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше и 2 млн км напряжением 0,4...20 кВ, свыше 17 тыс. подстанций напряжением 35 кВ и выше с общей трансформаторной мощностью почти 575 млн кВ-А и более полумиллиона трансформаторных пунктов 6...35/0,4 кВ. Электроэнергетика России является важнейшей жизнеобеспечивающей отраслью страны. В ее состав входят более 700 электростанций общей мощностью 216,2 млн кВт; в отрасли работают более 1 млн человек.
    В современных условиях и на перспективу до 2020 г. главными задачами специалистов, осуществляющих проектирование,

9

монтаж и эксплуатацию современных систем электроснабжения промышленных сельскохозяйственных и гражданских объектов 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.