Общие сведения об электроустановках

Электроустановками (ЭУ) называют совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования (изменения рода тока, напряжения, частоты или числа фаз), передачи, накопления, распределения электрической энергии и (или) преобразования ее в другой вид энергии.

Электроустановки разделяют по назначению, роду тока и по напряжению. Как правило, на промышленных предприятиях применяются ЭУ напряжением не выше 220 кВ.

По назначению различают ЭУ: производящие электрическую энергию – электростанции; потребляющие ее – электроприемники; преобразующие (переменный ток в постоянный, промышленную частоту в частоту, отличную от 50 Гц) и распределяющие – трансформаторные и преобразовательные подстанции; электрические сети (линии электропередачи), распределительные подстанции.

Действующими считают электроустановки, которые имеют источники электроэнергии и находятся под напряжением полностью либо частично, либо такие, на которые в любой момент времени может быть подано напряжение.

В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) различают сети до 1 кВ и выше 1 кВ. Первые принято называть сетями низкого напряжения (сети НН), вторые – сетями высокого напряжения (сети ВН). В области низких напряжений отдельно выделяется диапазон малых напряжений, к которым относят малое рабочее напряжение (например, для питания некоторых электронных устройств) и малое напряжение безопасности (по ПУЭ до 42 В переменного или до 110 В постоянного тока).

Номинальное напряжение трехфазной сети определяется как номинальное междуфазное (линейное) напряжение присоединенных к этой сети электроприемников. По номинальному напряжению электроприемников выбирают напряжение питающей сети и выходное напряжение индивидуальных преобразователей или других источников питания.

По роду тока различают электроприемники переменного, постоянного и импульсного тока. В настоящее время практически все электроприемники постоянного тока (например, электропривод постоянного тока) снабжаются индивидуальными преобразователями переменного тока в постоянный. В качестве преобразователей наиболее часто применяются управляемые и неуправляемые полупроводниковые (тиристорные, транзисторные) выпрямители.

Сети постоянного тока встречаются редко, так как преобразование электроэнергии переменного тока в постоянный требует капитальных затрат на установку преобразовательных агрегатов и аппаратуры управления, на строительство помещений для них, а также эксплуатационных расходов на обслуживание и на потери электроэнергии. Стоимость системы электроснабжения и удельная стоимость электроэнергии на постоянном токе выше стоимости на переменном токе. Двигатели постоянного тока стоят дороже, чем асинхронные и синхронные двигатели.

Для питания электроприемников импульсного тока (например, машины контактной сварки) также используют индивидуальные преобразователи, снабженные энергонакопительными устройствами (конденсаторами, большими вращающимися массами и т.п.). Эти приемники вместе со своими преобразователями и накопителями рассматриваются как электроприемники переменного тока.

Приемником электроэнергии называют устройство (аппарат, агрегат, установку, механизм), в котором электрическая энергия преобразовывается в другой вид энергии (или в электрическую, но с другими параметрами) для ее использования.

По технологическому назначению приемники электроэнергии классифицируют в зависимости от вида энергии, в который данный приемник преобразует электрическую энергию, например: осветительные установки; электротермические и электросиловые установки; электрохимические установки; механизмы приводов машин и механизмов; установки искровой обработки; электронные и вычислительные машины; установки электростатического и электромагнитного поля и др.

Потребитель - электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории (предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира и др.).

Электрооборудованием называют совокупность электротехнических установок и (или) изделий. Электрооборудование может иметь соответствующее название, например, электрооборудование станка, электрооборудование крана и т.п.

Электрооборудование разделяют на силовое и осветительное. Силовое охватывает все виды электроприемников, исключая электрооборудование, предназначенные для освещения.

По частоте переменного тока различают электроприемники промышленной, повышенной и пониженной частоты.

Промышленной называют частоту, на которой работают электростанции, энергосистемы и системы электроснабжения потребителей. В странах СНГ, во всех европейских странах и во многих странах других континентов используется промышленная частота 50 Гц, а в Северной Америке и в большинстве стран Южной Америки, Азии и Африки – 60 Гц. Долгий опыт применения этих двух частот показывает, что частота 60 Гц экономически более целесообразна. Магнитный поток всех электромагнитных устройств (трансформаторов, машин переменного тока, дросселей и др.) одинаковой мощности при частоте 60 Гц на 17% ниже, чем при частоте 50 Гц, соответственно меньше сечение и масса магнитопровода, средняя длина витков обмотки и общая материалоемкость этих устройств. Также увеличивается на 20% индуктивное сопротивление (X_L=ωL) всех элементов сетей, что приводит к увеличению потерь напряжения и реактивной мощности. Технико-экономические расчеты показывают, что оптимальной является частота около 100 Гц. Однако переход на новую частоту развитых современных энергосистем связан с очень большими расходами, что в настоящее время неосуществимо.

Повышенной называется частота выше промышленной. Электроприемники повышенной частоты питаются через индивидуальные преобразователи частоты и в комплекте с ними рассматриваются как приемники промышленной частоты.

На промышленных предприятиях частота от 200 до 400 Гц встречается в переносных электроинструментах (для снижения их массы), до 20 кГц – в устройствах расплавления и нагрева металлов, 20÷40 кГц – для питания люминесцентных ламп, до 100 кГц – в установках поверхностной закалки, до 20 МГц - для нагрева полупроводниковых и диэлектрических материалов (сушка древесины, термообработка пищевых продуктов, быстрая полимеризация клея и т.п.).

Пониженной называется частота ниже промышленной. Достигается низкая частота применением индивидуальных преобразователей. В некоторых электротермических устройствах понижение частоты необходимо для увеличения глубины проникновения электромагнитного поля в нагреваемое крупногабаритное изделие.

Число фаз электроприемников переменного тока составляет 3 или 1 (трехфазные или однофазные). Эти электроприемники питаются, как правило, от трехфазных сетей. Редко встречающиеся 2-, 5-, 6-, 12-ти фазные электроприемники питаются от индивидуальных преобразователей числа фаз и в итоге превращаются в трехфазные электроприемники.

Номинальная мощность приемника электроэнергии – это мощность, обозначенная на заводской табличке или в паспорте двигателя, силового или специального трансформатора либо на колбе или цоколе источников света.

У электродвигателей номинальная мощность равна мощности на валу при номинальной продолжительности включения, а у других электротехнических установок равна полной мощности, потребляемой в номинальном режиме из сети. Номинальная мощность светильников с лампами накаливания совпадает с потребляемой мощностью, а светильников с разрядными лампами – с мощностью только ламп, без учета потерь мощности в пускорегулирующих устройствах.

Установленная мощность - один из важных показателей электроприемников, определяется как сумма номинальных мощностей однородных электроприемников. При определении этой величины следует учитывать, что у различных электроприемников номинальная мощность понимается по-разному. Поэтому установленные мощности разнохарактерных групп электроприемников суммируются, если это нужно, только после приведения их к одинаковым условиям определения.

Пусковые токи электроприемников и длительность этих токов необходимо знать для правильного выбора пропускной способности элементов системы электроснабжения и для расчета колебаний напряжения в сети при пуске электроприемников. Например, при пуске асинхронных короткозамкнутых двигателей пусковые токи превышают номинальный ток в 4÷7 раз и длятся от долей секунды до нескольких секунд. Пусковые токи и их длительность считают существенными, когда их необходимо учитывать для корректировки параметров какого-либо элемента системы электроснабжения, например, сечения проводника, тока срабатывания аппарата защиты, выбранных по токам нормального режима. Несущественными считаются пусковые токи ламп накаливания (кратность до 6) и конденсаторных установок (кратность до 20) благодаря их очень малой длительности (несколько миллисекунд).

Линейность – постоянство сопротивлений цепей электроприемников за один период – является главным условием сохранения синусоидальности напряжений и токов в сети. Многие электроприемники нелинейны, что приводит к появлению высших гармоник и искажению кривой напряжения и тока. В настоящее время число электроприемников с нелинейной характеристикой растет. Типичными примерами нелинейных электроприемников являются полупроводниковые преобразователи, разрядные лампы, электродуговые печи, сварочные машины, ферромагнитные регуляторы. Нелинейность этих электроприемников вызвана их электронными, насыщенными ферромагнитными или электроразрядными элементами.

По подвижности различают стационарные и нестационарные (подвижные, переносные и др.) электроприемники. Первые питаются от стационарных элементов электрических сетей, вторые требуют применения гибких элементов (например, гибких кабелей), устройств временного присоединения в разных точках сети, контактных проводников (например, троллей), подвижных или встроенных индивидуальных источников питания, что приводит к определенному усложнению систем электроснабжения.

Степень симметрии электроприемников (степень равномерности распределения мощности по фазам) определяет равномерность нагрузки фаз питающей сети и симметричность фазных напряжений, влияет на потери напряжения и мощности в этой сети. Большинство промышленных силовых электроприемников симметричны. В определенной степени несимметричными могут оказаться осветительные установки, так как не всегда удается распределить однофазные светильники равномерно по всем трем фазам. Наиболее часто вышеназванные проблемы вызывают крупные однофазные электротермические устройства, например, однофазные электропечи и сварочные агрегаты. Мощность однофазных дуговых печей может достигать до нескольких мегавольт-ампер (МВА).

Требования к качеству электроэнергии приведены в ГОСТ 13109-97, ПУЭ и в других нормативных документах. Сохранение качества электроэнергии при частых коммутациях в силовых цепях электроприемников, при больших колебаниях и толчках нагрузки, при вносимых электроприемниками нелинейностях – одна из сложных задач в электроснабжении современных промышленных предприятий.

Требования к надежности электроснабжения приведены в ПУЭ.

В отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на следующие три категории:

а) электроприемники I категории – электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству; повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийной остановки производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования (системы автоматизированного управления производством, установки связи, оперативные цепи системы электроснабжения, ЭВМ и т.п.).

Электроприемниками I категории являются больницы, сооружения с массовым скоплением людей (театры, универмаги, стадионы), предприятия связи, электрифицированный транспорт (метрополитен, железные дороги), высотные здания, группы городских потребителей с суммарной нагрузкой выше 10 000 кВА, энергетическое оборудование металлургического производства, шахтные вентиляторы и насосы, многие установки химической промышленности, аварийное освещение, ЭВМ, сталеплавильные печи и т.п.

б) Электроприемники II категории – электроприемники, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемниками II категории являются некоторые электроустановки промышленных предприятий, жилые дома высотой от 5 до 10 этажей с газовыми плитами, жилые дома с электроплитами, учебные заведения, лечебные и детские учреждения, группы городских потребителей с общей нагрузкой от 400 до 10 000 кВА.

в) электроприемники III категории – все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категории.

Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения, при нарушении электроснабжения от одного из источников питания, может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания, но не более чем на 1 мин (рисунок 3.2, а).

Независимым источником питания называется источник питания (ИП), на котором сохраняется напряжение в пределах, регламентированных для послеаварийного режима, при исчезновении его на других источниках питания.

В связи с появлением новых химических производств, высокопроизводительных металлургических агрегатов и ряда других электроприемников возникла необходимость распространения требований I категории при проектировании на все большее число потребителей. При этом, чтобы избежать излишних затрат, целесообразно подразделить электроприемники, отнесенные к I категории, т.е. выделить среди них такие, которые должны быть отнесены к наивысшей категории (так называемая «особая группа I категории»).

Для электроснабжения «особой» группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания. В качестве третьего независимого источника питания для «особой» группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников I категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем, специальные агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.

Схема электроснабжения электроприемников «особой» группы I категории должна обеспечивать:

- постоянную готовность третьего независимого источника и автоматическое его включение при исчезновении напряжения на обоих основных источниках питания;

- перевод независимого источника в режим горячего резерва при выходе из работы одного из двух основных источников питания.

Мощность третьего независимого источника должна быть минимальной, обеспечивающей питание только электроприемников «особой» группы, необходимых для безаварийной остановки производства. К этим источникам не должны подключаться другие электроприемники.

Большинство промышленных предприятий имеет потребителей I и II категорий, поэтому их электроснабжение осуществляется не менее чем по двум линиям электропередачи.

УАВР – устройство автоматического включения резерва; УАРТ – устройство автоматической разгрузки по току; ШНН – шина низкого напряжения; РП – распределительный пункт; ЩО – щит рабочего освещения; Q – силовой выключатель; Т – трехфазный цеховой трансформатор; QF автоматический выключатель (автомат)

Рисунок 3.2 – Схемы цеховых схем электроснабжения первой (а), второй (б) и третьей категорий (в)

Наиболее целесообразны следующие две схемы:

· линии электропередачи закреплены на отдельных опорах и идут по разным трассам;

· каждая подстанция питается от двух цепей линий, расположенных на разных опорах.

Допускается, как исключение, питание потребителей I категории по одной двухцепной линии только при отсутствии потребителей, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова предприятия. Пропускную способность линий выбирают так, чтобы при выходе из строя одной из них, оставшиеся обеспечивали бы питание потребителей I и II категорий, необходимых для работы основных цехов предприятия. При отсутствии точных данных о мощности потребителей I и II категорий пропускную способность линий, оставшихся в работе при аварийном режиме, рекомендуется выбирать с обеспечением 60÷80% всей расчетной нагрузки.

Для электроприемников II категории рекомендуется питание от двух независимых взаимно резервирующих источников (рисунок 3.2, б). При нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для ремонта линии и замены трансформаторов (не более 1 суток).

Для электроприемников III категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания (рисунок 3.2, в) при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.

Дата добавления: 2014-01-07