ГЛАВА III
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 в
§ 3.1. Выбор напряжения и схемы питания силовых и осветительных нагрузок электрической установки
Для питания силовых нагрузок может применяться напряжение до 1000 в и свыше 1000 в. Применение высокого напряжения (обычно 6 или 10 кВ) оправдывается лишь для питания специальных электроприемников (например, высокочастотных печей) и трехфазных электродвигателей большой мощности, выше 400—500 кВт, которые на напряжение до 1000 в не изготовляются.
Для подавляющего большинства электроприемников промышленных предприятий и предприятий городского хозяйства наиболее целесообразно напряжение 380/220 в при глухо-заземленных нейтралях трансформаторов. Для некоторых отраслей народного хозяйства, например угольной и нефтяной промышленности, где используются относительно мощные электродвигатели, установленные на значительных расстояниях от подстанций, по мере освоения необходимого электрооборудования должно найти применение напряжение 660 в, введенное в настоящее время ГОСТом.
Питание электроприемников силовых и осветительных нагрузок электрической установки может осуществляться от раздельных трансформаторов или от общих трансформаторов.
Питание от общих трансформаторов имеет следующие преимущества:
- при равных электрических нагрузках уменьшается количество необходимых трансформаторов, вследствие чего снижаются затраты на строительство подстанций;
- упрощается электрическая схема подстанции, уменьшаются ее габариты и удешевляются строительные и электромонтажные работы.
Вместе с тем питание силовых и осветительных нагрузок от общих трансформаторов не лишено некоторых недостатков:
- При коэффициенте мощности меньше единицы, что всегда имеет место при совместном питании осветительных и силовых нагрузок, располагаемая потеря напряжения в сети ниже примерно на 1,5—3%, чем при раздельном питании, так как чем ниже коэффициент мощности нагрузки, тем больше потеря напряжения в реактивном сопротивлении обмоток трансформатора. Поэтому сечения проводов питающих и групповых осветительных сетей приходится увеличивать.
- При питании от общих трансформаторов со вторичным напряжением 380/220 в применяются лампы накаливания 220 в, которые имеют светоотдачу на 10—12% ниже, чем лампы для напряжения 127 в. Следовательно, и расход электроэнергии для освещения повышается на 10—12%.
- При пуске мощных электродвигателей вследствие больших пусковых токов повышаются потери напряжения в питательной сети и в самом трансформаторе. Это приводит к снижению напряжения у электроприемников. Резкие колебания напряжения в сети вызывают соответственно изменения светового потока электрических ламп и мигание, вредно действующее на зрение человека. Чтобы этого избежать, ПУЭ требуют ограничения величины и частоты резких изменений напряжения у ламп рабочего освещения.
Согласно ГОСТ 13109—67 допустимые колебания напряжения на зажимах осветительных ламп п радиоприборов (Vt в %) определяются в зависимости от частоты их повторений по формуле:
(3.1) где п — число колебаний в час;
Δt— средний за час интервал между последующими колебаниями, мин.
- При совместном питании силового электрооборудования и электроосвещения трудно поддерживать уровень напряжения в заданных пределах как в часы малых нагрузок (например, в выходные дни, ночью и т. д.), так и в часы максимальной нагрузки.
Однако недостатки совместного питания могут быть в значительной мере устранены при помощи технических средств.
Колебания напряжения могут быть снижены, если электроприемники, мощность которых соизмерима с мощностью питающих трансформаторов (порядка 40—50%), присоединить к трансформатору, от которого не питаются установки электрического освещения. При однотрансформаторной подстанции и частых запусках электродвигателей приходится определять расчетом допустимость возникающих изменений напряжения и в случае необходимости принимать соответствующие меры для их снижения. Существенно снижаются колебания напряжения в сети при включении электродвигателей через реакторы или автотрансформаторы или при замене короткозамкнутых электродвигателей электродвигателями с контактными кольцами. Иногда оказывается достаточным увеличить мощность питающего трансформатора или сечение проводов питающей линии.
Вместе с тем и при смешанном питании от общих трансформаторов применяют раздельные силовые и осветительные сети, чаще всего начиная от шин низшего напряжения подстанции, что в известной мере способствует поддержанию нормального напряжения на зажимах осветительных приборов.
Необходимый уровень напряжения может поддерживаться специальными мерами (подробно о регулировании напряжения см. в гл. VI, § 6.6).
Что касается применения напряжения 220/127 в, то ПУЭ разрешают его лишь при реконструкции действующих сетей с большим числом электроприемников на это напряжение и при наличии соответствующего технико-экономического обоснования. Вместе с тем мощное развитие газоразрядных источников света еще более снижает возможности применения напряжения 220/127 в, так как, начиная с мощности 20 Вт и выше, люминесцентные лампы выпускаются на напряжение 220 в.
Длительное изучение и многочисленные технико-экономические расчеты показали, что питание силовых и осветительных нагрузок от общих трансформаторов (совмещенное питание) более целесообразно и в настоящее время получило повсеместное распространение как в промышленности, так и в электроустановках городского хозяйства.
§ 3.2. Схемы построения силовых сетей электрических установок и их выполнение
Распределение электрической энергии от трансформаторной подстанции или ввода до потребителей осуществляется по сетям, имеющим различные схемы построения. Применение той или иной схемы зависит от ряда условий, которые оказывают существенное влияние на выбор схемы и конфигурацию сети. К таким условиям относятся: территориальное расположение потребителей относительно питающей подстанции или ввода, а также относительно друг друга, величины установленной мощности отдельных электроприемников и надежность электроснабжения. Выбранная схема сети должна обеспечить простоту и удобство эксплуатации, минимум потерь электроэнергии, экономию цветного металла и возможно меньшие капитальные затраты на ее сооружение.
Любая выбранная схема распределения электроэнергии от подстанции до потребителя состоит из сочетания отдельных элементов. Далее даются их определения.
Питающей силовой сетью называются линии, идущие от трансформаторной подстанции или вводного устройства в здание до силовых распределительных пунктов. Линии, идущие от распределительных пунктов до силовых электроприемников, называются силовой распределительной сетью.
Питающей линией или магистралью, называется линия, предназначенная для передачи электрической энергии к нескольким распределительным устройствам или электроприемникам, присоединенным к этой линии в разных точках.
Ответвлением называется линия, отходящая от магистрали к одному распределительному пункту (или электроприемнику), или линия, отходящая от распределительного пункта к одному электроприемнику.
Линия, отходящая от магистрали или распределительного пункта к нескольким электродвигателям, включенным в «цепочку», также относится к числу ответвлений.
Вводом называется воздушная или кабельная линия, предназначенная для питания электрической установки и соединяющая внутреннюю электросеть с наружной.
Питающие силовые сети, т. е. сети, проложенные от подстанции до силовых распределительных пунктов или шинных сборок, могут иметь следующие схемы построения: а) радиальную; б) магистральную; в) смешанную.
Каждая из перечисленных схем различается по степени обеспечения -бесперебойности электроснабжения, по расходу цветного металла, потребного на сооружение сети, и количеству устанавливаемой аппаратуры.
Радиальная схема
Радиальная схема питания (рис. 3.1) применяется в тех случаях, когда в цехе предприятия установлены относительно мощные электроприемники, как, например, электроприводы воздуходувок, насосов, дымососов и пр., или когда мелкие по мощности электроприемники распределяются по цеху неравномерно и сосредоточены группами на отдельных участках.
Как видно из схемы рисунка, от распределительного щита, установленного либо в помещении трансформаторной подстанции, либо непосредственно в цехе предприятия, отходят линии, которые питают отдельные электроприемники большой мощности, а также отдельные распределительные пункты, от которых в свою очередь питаются электроприемники. Каждая линия подключается к главному распределительному щиту через отключающий аппарат и аппарат защиты, выполненный плавкими предохранителями или автоматами.
Для линий небольшой мощности в целях удешевления главного распределительного щита иногда устанавливаются общие отключающие аппараты на несколько линий.
Достоинство радиальной схемы питания заключается в высокой надежности электроснабжения и удобстве эксплуатации. При обрыве провода или коротком замыкании прекращают работу всего один или несколько электроприемников, подключенных к поврежденной линии, в то время как остальные продолжают нормальную работу.
Отключающие аппараты для каждой линии на распределительном щите создают удобство их осмотра или ремонта, так как можно включать и отключать отдельные линии или даже отдельные электроприемники. Удобно также управлять всей электрической установкой из одного пункта.
Рис. 3.1. Радиальная схема силовой сети: 1 — распределительный щит; 2 — отключающий аппарат; 3 — защитный аппарат; 4 — линия; 5 — распределительный пункт; 6 — электроприемник; 7 — пусковой аппарат
Однако радиальная схема по лишена определенных недостатков, а именно:
а) большое число питающих лилий;
б) увеличенная протяженность сети, а следовательно, перерасход цветного металла и дополнительные капитальные затраты;
в) увеличенное число коммутационных и защитных аппаратов (рубильников, плавких предохранителей, автоматов), установленных на распределительном щите, что ведет к увеличению количества панелей щита и его габаритов.
На рис. 3.2 представлена принципиальная однолинейная схема электроснабжения районной отопительной котельной с тремя котлами, работающими на газовом топливе.
Из рисунка видно, что все электроприемники котельной питаются от двух трансформаторов (1, 2), установленных на встроенной подстанции. От сборки низкого напряжения каждого трансформатора проложены магистрали, которые питают главный распределительный щит, состоящий из трех секций, из которых секции 3, 4 предназначены для питания силовых нагрузок. Щит должен быть установлен в отдельном запираемом помещении.
Рис. 3.2. Принципиальная однолинейная схема электроснабжения отопительной котельной, работающей на газовом топливе
Благодаря наличию на главном распределительном щите переключателей 5, 6, 7 имеется возможность в случае аварии с одним трансформатором или линией 8, 9, 10 переключить электрическую нагрузку на другой трансформатор. Этим самым обеспечивается надежное питание электроприемников. Силовая сеть от главного распределительного щита построена по радиальной схеме. Каждая линия 11, 12, 13, 14, отходящая от главного распределительного щита, питает только один силовой пункт. Силовые пункты 15, 16, 17, 18 расположены на участках, где сосредоточены группами электродвигатели технологического оборудования котельной. Каждый электроприемник от силового пункта также питается по отдельной линии.
Магистральная схема
Силовые сети выполняются по магистральной схеме, когда электроприемники небольшой мощности сравнительно равномерно расположены по всей площади производственного помещения. В этом случае все электроприемники в зависимости от их территориального расположения разбиваются на отдельные группы, которые присоединяются к силовым распределительным пунктам. В свою очередь силовые распределительные пункты, расположенные в одном направлении от распределительного щита, присоединяются к питающей линии. Это позволяет уменьшить протяженность силовой распределительной сети.
На рис. 3.3 представлена магистральная схема сети.
Как видно из приведенной схемы, магистрали 4 отходят от распределительного щита 1 и питают последовательно установленные распределительные пункты, которые в свою очередь распределяют электрическую энергию между отдельными электроприемниками.
Рис. 3.3. Магистральная схема силовой сети: 1 — распределительный щит; 2 — отключающий аппарат; 3 — аппарат защиты; 4 — питающая линия; 5 — силовой распределительный пункт; 6 — электроприемник; 7, 8, 9 электроприемники, включенные в
«цепочку»
Электроприемники присоединяются к силовым распределительным пунктам через защитные аппараты; при этом электроприемники могут присоединяться либо каждый в отдельности, либо группой в виде «цепочки» (электродвигатели 7, 8, 5). Для улучшения условий безопасной эксплуатации силовые распределительные пункты часто снабжаются рубильниками на вводах.
На предприятиях торговли и общественного питания (магазины, столовые, рестораны и т. д.) электроприемники технологического и сантехнического оборудования небольшой мощности (до 3 кВт) в большинстве случаев соединяются в «цепочки». Тепловое технологическое оборудование (электроплиты, мармиты, электросковородки и т. п.) присоединяется только радиально, т. е. независимо друг от друга. Не рекомендуется соединение в одну «цепочку» однофазных и трехфазных электроприемников, а также объединение в «цепочку» более трех-четырех электроприемников и электроприемников механизмов различного технологического назначения (например, электродвигателей станков и вентиляторов или холодильных аппаратов с оборудованием пищеприготовления и т. д.).
Питающие линии в зависимости от характера производства, расположения технологического оборудования и т. д. выполняются кабелями или проводами, проложенными в трубах, и токопроводами. В небольших ремонтно-механических мастерских, на коммунальных предприятиях, в таксомоторных парках, на автобазах, в которых технологический процесс производства изменяется редко и оборудование, как правило, перемещается редко, питающие линии выполняются кабелями или проводами в трубах, проложенных в полу и по стенам.
Рис. 3.4. Магистральная схема силовой сети, выполненной токопроводами: 1 — распределительный щит; 2 — отключающий аппарат; 3 — аппарат защиты; 4 — магистральный токопровод; 5 — силовой распределительный пункт; 6 — распределительный токопровод; 7 — электроприемник
Рис. 3.5. Магистральная схема силовой сети, выполненной токопроводами без распределительных пунктов
Токопроводы применяются в тех случаях, когда станки и механизмы расположены по всей площади рядами и часто перемещаются вследствие изменения технологического процесса производства или реконструкции цехов.
Применение магистрального токопровода создает ряд удобств, так как ответвления к отдельным силовым распределительным пунктам или к отдельным мощным электроприемникам можно выполнить практически в любом место. Учитывая, что наибольшее количество проводов или кабелей, прокладываемых в полу, приходится на распределительную сеть, т. с. на сеть, идущую от силовых распределительных пунктов до электроприемников, именно ее приходится перекладывать при перемещениях или замене станков. В таких цехах целесообразно и распределительную сеть выполнять открыто в виде токопроводов. На рис. 3.4 представлена принципиальная схема силовой сети с магистральным и распределительными токопроводами.
Ответвления выполняются проводом в стальных трубах пли тросовым кабелем.
На металлообрабатывающих предприятиях, где станочное оборудование в большинстве случаев расположено правильными рядами, может быть применена другая схема построения силовой сети. Распределительные токопроводы, расположенные вдоль ряда технологического оборудования, присоединяются к магистральному токопроводу непосредственно, минуя распределительные силовые пункты (рис. 3.5).
Рис. 3.6. Схема блока «трансформатор — магистраль»:
1 — силовой трансформатор; 2 — аппарат управления и зашиты; 3 — магистральный токопровод; 4 — отключающий аппарат; 5 — защита; 6 — распределительный токопровод; 7 — электроприемники
На ответвлениях от магистральных токопроводов устанавливаются рубильники и предохранители или автоматы. Это обеспечивает надежность питания и удобство обслуживания.
Более совершенной является схема, получившая название блока «трансформатор — магистраль» (рис. 3.6), применяемая часто для крупных механических и сборочных цехов. Она может быть выполнена, если в цехе или около цеха имеется подстанция. При этом энергия всех трансформаторов, установленных на подстанции, передается по токопроводам непосредственно к электроприемникам. Магистральный токопровод присоединяется к зажимам трансформатора через разъединитель или автомат, поэтому отпадает необходимость в установке главного распределительного щита.
Магистральная схема весьма совершенна. Ее преимущества в следующем:
- Вследствие небольшого количества отходящих линий и коммутационных аппаратов (по сравнению с радиальной схемой) уменьшается расход цветных металлов, габариты распределительных устройств становятся меньше и сокращаются расходы на сооружение сети.
- Можно вести электромонтажные работы индустриальным методом, применяя магистральные и распределительные токопроводы заводского изготовления.
- Применение схемы блока «трансформатор — магистраль» дает возможность уменьшить габариты и стоимость цеховых подстанций.
- Можно просто осуществлять резервирование устройством перемычек между концами токопроводов, присоединенных к различным подстанциям.
Но несмотря на свои достоинства, магистральная схема менее надежна в электроснабжении, чем радиальная схема. В самом деле, при отключении одной из питающих линий все электроприемники, подключенные к ней, прекращают работу. Поэтому для ответственных и мощных потребителей предпочтительней радиальная схема.
Смешанные схемы распределения электроэнергии
Не всегда силовая сеть цеха может иметь радиальную или магистральную схему построения в чистом виде. Во многих случаях рационально-выполненная сеть может иметь сочетание обеих схем — радиальной и магистральной.
Смешанная схема построения силовой сети применяется, когда в цехе наряду с сосредоточенными нагрузками имеются нагрузки, распределенные вдоль липни пли разбросанные по всему цеху. Сосредоточенные нагрузки могут питаться по радиальной схеме, а нагрузки, линейно распределенные или разбросанные по цеху, могут питаться по магистральной схеме.
