ГЛАВА I
ПРОИЗВОДСТВО И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В зависимости от вида первичного источника энергии и типа первичных двигателей, вращающих генераторы электрической энергии, электростанции бывают тепловые (в том числе и атомные) и гидравлические.
В тепловых паротурбинных электростанциях уголь, торф, нефть, сланцы и газ сжигают в котельных, вырабатывающих пар. Из паровых котлов пар поступает в турбоагрегаты. В газотурбинных электростанциях энергоносителями являются природный газ или газ, вырабатываемый в газогенераторах при сжигании твердого топлива или нефтепродуктов. Тепловые электростанции с двигателями внутреннего сгорания используют жидкое топливо (нефтепродукты).
Среди тепловых электростанций отдельную группу составляют теплофикационные (теплоэлектроцентрали — ТЭЦ): одновременно с электрической энергией ТЭЦ вырабатывают тепловую энергию в виде пара и горячей воды.
На атомных электростанциях (АЭС) используется энергия расщепления ядер атомов тяжелых элементов (урана, тория). При этом процессе в ядерных реакторах выделяется тепло, преобразуемое в системе парогенераторов в пар, направляемый для вращения турбоагрегатов (как и в обычных тепловых электростанциях).
В народном хозяйстве СССР преобладают тепловые электростанции, большое значение имеют также гидроэлектростанции, развивается строительство атомных электростанций.
Крупные электростанции связываются линиями электропередачи и вместе с подстанциями, электрическими и тепловыми сетями составляют энергетические системы. Крупнейшими энергосистемами СССР являются Мосэнерго, Ленэнерго, Уралэнерго и др. Энергосистемы работают в едином режиме и имеют непрерывный процесс производства и распределения электрической и тепловой энергии.
Электрическая часть энергосистемы, в которую входят генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, повысительные и понизительные подстанции, электрические сети и электроприемники, образует электросистему. Снабжение промышленных предприятий электрической энергией осуществляется обычно от подстанций электросистемы. В качестве примера рассмотрим упрощенную схему передачи электрической энергии от районной электростанции к электроприемникам потребителей (рис. 1).
От генераторов районной электростанции напряжением 10 кВ электроэнергия подается на повысительные трансформаторы 10/110 кВ, а затем по линии электропередачи 110 кВ на районную понизительную подстанцию энергосистемы.
Рис. 1. Схема передачи электрической энергии от районной электростанции к потребителям
Здесь напряжение снижается со 110 до 10 кВ и по линиям 6—10 кВ (кабельным или воздушным) подается к понизительной подстанции промышленного предприятия, где происходит дальнейшее понижение напряжения до 380 В. При этом напряжении электроэнергия по кабельным или воздушным сетям и внутренним проводкам подводится непосредственно к электроприемникам (электродвигателям, лампам освещения, электропечам, сварочным агрегатам и др.). В ряде случаев электродвигатели питаются непосредственно от шин 6—10 кВ понизительной подстанции предприятия.
На рис. 1 показаны двухобмоточные понизительные трансформаторы. Широко применяют также трехобмоточные трансформаторы, понижающие, например, напряжение со 110 до 35 и 10 кВ.
Рис. 2. Схемы электроснабжения: а — радиальная, б — магистральная
По линиям 10 кВ электроэнергия поступает на ближние предприятия, а по линиям 35 кВ — в более отдаленные районы, находящиеся на расстоянии 15—30 км.
В последнее время все большее распространение получает система электроснабжения, называемая глубоким вводом. Сущность ее заключается в том, чтобы приблизить высшее напряжение к электроустановкам потребителей и таким образом максимально исключить среднее звено передаточных устройств. В подстанции глубокого ввода, находящиеся в центре электрических нагрузок — площадок крупных предприятий, заходят воздушные линии (ВЛ) или кабели на напряжение 35, 110 и 220 кВ. На подстанции глубокого ввода установлены понизительные трансформаторы. 35—110—220/6—10 кВ.
От подстанции глубокого ввода электроэнергия передается по кабелям напряжением 6—10 кВ на цеховые подстанции, максимально приближенные к электроприемникам цехов. На цеховых подстанциях имеются понизительные трансформаторы 6—10 кВ/380— 220 В. Цеховые подстанции располагают как можно ближе к электроприемникам.
Для электроснабжения предприятий применяют два основных типа схем: радиальную (рис. 2, а), по которой отдельные потребители или группы потребителей питаются по самостоятельным линиям от электростанции, подстанции или распределительного пункта (такие питающие линии называются фидерами), и магистральную (рис. 2, б), по которой потребители присоединяются к общей распределительной линии.
Электроснабжение по магистральным схемам является более дешевым, так как в этом случае расходуется меньше цветного металла и, кроме того, обеспечивается более высокая надежность и бесперебойность питания потребителей электроэнергией. При радиальной схеме в случае повреждения питающей линии прекращается электроснабжение всех присоединенных к ней потребителей.
На предприятиях с ответственными нагрузками для повышения надежности электроснабжения часто применяют магистральные схемы с питанием магистралей с двух сторон от различных подстанций.
ПРАВИЛА УСТРОЙСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Чтобы обеспечить надежность электроснабжения и оградить людей от поражения электрическим током, в СССР действуют единые и обязательные для всех ведомств технические требования к электроустановкам: «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), которые распространяются на вновь сооружаемые и реконструируемые электроустановки напряжением до 500 кВ включительно, и «Правила технической эксплуатации потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭ и ТБ), которые распространяются на действующие установки промышленных предприятий.
В Правилах устройства электроустановок все электроустановки разделены на две основные группы: установки напряжением до 1000 В и установки напряжением выше 1000 В. Кроме того, все потребители электрической энергии по требуемой надежности электроснабжения разделяются в ПУЭ на три категории:
к первой категории принадлежат установки, для которых перерывы в электроснабжении могут повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, нарушение особо важных элементов городского хозяйства, расстройство сложного технологического процесса;
ко второй категории относятся установки, перерыв в электроснабжении которых может вызвать сокращение выпуска важной продукции, простой рабочих, механизмов и промышленного транспорта. Для установок второй категории допускаются перерывы электроснабжения на короткое время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой;
к третьей категории относятся все остальные установки (например, цехов несерийного производства, вспомогательных цехов и т. п.). Для установок третьей категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для ремонта, но не более суток.
Стандартные величины номинальных напряжений, В (ГОСТ 721—62)
Выработка, передача п потребление электроэнергии производятся при определенных напряжениях, называемых номинальными. Принятые в СССР для частоты 50 Гц номинальные напряжения генераторов и вторичных обмоток трансформаторов, как видно из табл. 1, установлены на 5—10% выше номинальных напряжений электроприемников. Эта разница необходима для покрытия потерь напряжения в сетях при передаче и распределении электроэнергии.
Электрические сети низкого напряжения промышленных предприятий, как правило, выполняют четырехпроводными (три фазы и нулевой провод) напряжением 220/127 и 380/220 В. Лампы освещения соответственно включают на 127 и 220 В между фазовым и нулевым проводами, а электродвигатели и другие электроприемники трехфазного тока на 220 и 380 В.
Мощные электродвигатели изготовляют на напряжение 3; 6 и 10 кВ; напряжение 35 кВ и выше обычно применяют для передачи электроэнергии на дальние расстояния или при больших электрических нагрузках потребителей (глубокие вводы).
Правилами устройства электроустановок установлены допустимые отклонения от стандартного уровня номинального напряжения в электрических сетях. Так, например, для электродвигателей допускается отклонение напряжения от номинального на его зажимах не более чем на +5%. У наиболее удаленных от источника питания ламп внутреннего рабочего освещения предприятий, а также v прожекторов наружного освещения снижение напряжения не должно превышать 2,5% от номинального напряжения ламп. У наиболее удаленных ламп освещения в жилых домах, а также в системах аварийного и наружного освещения снижение напряжения не должно превышать 5% от номинального. Во всех случаях наибольшее напряжение на лампах не должно быть выше 105% от номинального. В аварийном режиме снижение напряжения на лампах не должно превышать 12% от номинального.
В Правилах устройства электроустановок производственные помещения разделены по характеру среды в зависимости от содержания влаги и пыли, температуры, наличия химически активных воздействий, опасности возникновения взрыва или пожара.
Относительной влажностью характеризуется содержание влаги в воздухе. При данной температуре воздух может быть насыщен только определенным количеством водяных паров. Чем выше температура воздуха, тем большим количеством паров он может быть насыщен, и наоборот. Если воздух был в состоянии насыщения и температура его снизилась, избыточные пары превращаются в воду (конденсируются), действуя на находящиеся в этой среде предметы. Относительная влажность определяет содержание в воздухе влаги по отношению к насыщению. Если относительная влажность воздуха 50%, в нем содержится только половина того количества влаги, которое при данной температуре соответствует его насыщению.
Сухими считают помещения при относительной влажности не более 60%. Если относительная влажность воздуха не более 75% и выделение паров или конденсация влаги происходят в нем лишь изредка и в небольших количествах, такие помещения считают влажными. Если относительная влажность воздуха длительное время бывает более 75%, помещения относят к сырым. Наконец, при относительной влажности, близкой к 100%, когда потолки, стены и полы постоянно влажны, помещения считают особо сырыми.
Пыльными являются помещения, где по условиям производства пыль откладывается на проводах, проникает внутрь машин и аппаратов. При этом различают пыль проводящую и непроводящую электрический ток.
Жаркими считают помещения, в которых температура длительно превышает +30° С.
Взрывоопасными считают помещения, в которых по условиям производства могут образоваться опасные в отношении взрыва смеси горючих газов с воздухом или горючей пыли с воздухом. В зависимости от степени опасности эти помещения разделяют на классы. Следует отметить, что взрывоопасными могут быть и некоторые наружные установки.
Пожароопасными называются помещения, в которых хранятся или перерабатываются горючие вещества. Эти помещения также подразделяют на классы (П—I, П—II и др.).
В специальном разделе ПУЭ приводятся требования к устройству проводок и выбору электрооборудования для помещений каждого из классов взрывоопасности и пожароопасности.
§ 3. ГРАФИКИ НАГРУЗОК. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рис. 3. Суточный график электрической нагрузки предприятия
Потребление предприятием электрической энергии изменяется в зависимости от характера производства и режима работы в течение суток, недели и т. д. Эти изменения отражаются графиками нагрузки. На рис. 3 в качестве примера показан суточный график электрической нагрузки, характерной для механического завода с несерийным производством. Потребляемая предприятием мощность показана на этом графике в процентах, причем за 100% принята максимальная потребляемая МОЩНОСТЬ Рмакс.
В процессе эксплуатации электрохозяйства ведется ручная или автоматическая запись показаний измерительных приборов, по которым за определенные периоды времени составляются графики нагрузки. Руководители электрохозяйства, изучая эти графики, имеют возможность выявить режимы работы цехов и отдельных агрегатов и правильно распределить нагрузки между агрегатами, определить время, когда следует их включать и отключать и определить наиболее экономичные режимы эксплуатации.
Основными показателями, характеризующими режим потребления предприятием электроэнергии, являются:
- Установленная мощность Ру — суммарная мощность всех присоединенных электроприемников.
- Максимальная потребляемая мощность Рмакс — наибольшая мощность, потребляемая всеми одновременно работающими электроприемниками. Максимальная потребляемая мощность всегда меньше установленной, так как обычно не все электроприемники работают одновременно и с полной загрузкой, что характеризуется коэффициентом спроса
Мощности трансформаторов, сечения проводов и кабелей магистральных линий выбирают не по установленной, а по максимальной потребляемой мощности.
Величина коэффициента спроса зависит от вида производства. Предприятия металлообрабатывающей промышленности имеют коэффициент спроса 0,18—0,27, цеха с электрическими печами — 0,8—0,9. Для освещения цехов коэффициент спроса принимают равным 0,8.
3. Среднесуточная и среднегодовая нагрузка 
где Эа — количество израсходованной предприятием электроэнергии за Т часов работы.
4. Количество часов использования максимума нагрузки
5. Коэффициент использования установленной мощности
Если принять Рм а к с==4000 кВт, то
Если принять установленную мощность всех присоединенных к сети электроприемников 8000 кВт, то
