Ббк 31. 29-5

Кудрин Б. И.

К 88 Электроснабжение промышленных предприятий: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 416 с.: ил. 18ВЫ 5-283-00983-1

Освещены вопросы электроснабжения промышленных предприятий при их проектировании, эксплуатации и техническом перевооружении. Подробно рассмотрены расчет электрических нагрузок, выбор электро­оборудования, схемы и компоновка подстанций, способы канализации электроэнергии, обеспечение качества электроснабжения и компенсация реактивной мощности, организация электрического хозяйства и управ­ление им. Изложены принципы САПР-электро и состав проектной доку­ментации.

Для студентов вузов специальности "Электроснабжение".

ББК 31.29-5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник для вузов развивает положения учебных и спра­вочных изданий профессора А. А. Федорова, которые выпускались иод различными наименованиями с 1951 по 1987 г. и являлись осно­вой формирующейся специальности, введенной с 1961 г. Учебник учи­тывает принципиальные изменения, вызванные количественным уве­личением и качественным изменением электротехнического оборудо­вания, технологии и материалов, и опирается на системные исследо­вания.

Издание ориентировано на учебный план обучения инженеров-элект­риков по специальности 10.04 "Электроснабжение" по специализации "Электроснабжение промышленных предприятий". Специальность учи­тывает деятельность инженера как специалиста—исследователя систем электроснабжения; как проектировщика, электромонтажника и наладчика при новом строительстве и техническом перевооружении дейст­вующих предприятий; как специалиста—эксплуатационника электри­ческого хозяйства, определяющего наряду с проектировщиком и исследователем дальнейшее развитие систем электроснабжения и предъявляю­щего требования к энергосистемам, к конструкторам электротехниче­ских и других изделий.

Особые технические решения при электроснабжении промышленных предприятий в нашей стране обнаружились в 30-х годах при разверты­вании индустриализации страны. Начало науки об электроснабжении можно вести с работ Н. В. Копытова и А. С. Либермана, которые сфор­мулировали основные проблемы: расчет электрических нагрузок, вы­бор значения напряжения; определение количества, единичной мощно­сти и размещения трансформаторов и подстанций; требования к сетям электроснабжения; компенсация реактивных нагрузок; методика про­ектирования и оценки результатов технико-экономических расчетов. Большой вклад в становление электроснабжения как дисциплины вне­сли ученые В. С. Волобринский, А. А. Ермилов, Г. М. Каялов, Б. А. Кон­стантинов, Ю. Л. Мукосеев, А. А. Тайц, А. А. Федоров, В. И. Гордеев. Активно развивают теорию и практику электроснабжения Г. Я. Вагин, И. В. Жежеленко, А. В. Праховник, В. В. Шевченко.

Основное отличие настоящего учебника заключается в учете измене­ний, характеризующих электрическое хозяйство современных промыш­ленных предприятий, в изложении материала, ориентированном на ре-

альные условия проектирования и эксплуатации систем электроснабже­ния. Для этого выполняется главный принцип формирования электри­ческого хозяйства промышленных предприятий во времени, заключаю­щийся в построении и обеспечении его функционирования в направлении сверху вниз. Дается классификация систем электроснабжения по уров­ням, обеспечивается системный анализ при оценке любого решения, заключающийся в признании существования и развития электрического хозяйства как единой целостности.

Дисциплина "Электроснабжение промышленных предприятий" изуча­ется после таких дисциплин, как "Электрические аппараты", "Электри­ческие машины", "Электрические измерения", "Электрические станции, сети и системы". Поэтому изложение материала ведется с учетом зна­комства читателя с указанными дисциплинами и со специальным кур­сом вычислительной математики и программирования. Безусловно, качественное освоение материала книги невозможно без знания дис­циплины "Теоретические основы электротехники", являющейся базо­вой в подготовке инженеров-электриков.

Предисловие, введение, гл. 1-5, 7, 8, 12-16 написаны Б. И. Кудри­ным, гл. 6 - совместно с Ю. П. Поповым, гл. 9, 11 - С. И. Гамазиным, гл. 10 - Ю. П. Поповым.

Автор выражает благодарность рецензентам за полезные замечания и рекомендации, которые были учтены при доработке рукописи.

Замечания и пожелания по книге просим направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Углубление электрификации народного хозяйства объективно для всех стран и сохранится на перспективу 20-30 лет. Валовой националь­ный продукт и комфортность жизни корреляционно определяются электропотреблением, производительность труда - электровооружен­ностью: требуется не менее чем удвоение потребления электроэнергии на душу населения. Значительны затраты электроэнергии на улучшение экологической обстановки и снижение энергоемкости продукции: лучший способ экономии ресурсов — использование электроэнергии.

Энергосбережение и углубление электрификации определяются обширной областью народного хозяйства, называемой далее электрикой - электроэнергетикой промышленности и транспорта, объектов агропромышленного комплекса, коммунально-бытовых, медицины, культуры, спорта, образования, сферы услуг, обороны, науки и др. Система электроснабжения является частью этой области, которая мо­жет быть определена от границы раздела предприятие — энергосистема до единичного электроприемника. Как потребитель электрика по це­лям и задачам отличается от электротехники — крупного раздела нау­ки и крупной отрасли народного хозяйства, которая изготавливает из­делия, и от энергетики, охватывающей производство, передачу, пре­образование, аккумулирование и распределение тепловой и электри­ческой энергии. Электрика использует выработанную и переданную (транспортируемую) электрическую энергию и эксплуатирует изготовленные, доставленные и установленные электротехнические из­делия.

Эффективность и интенсификация общественного производства во многом определяются электрикой. Стоимость собственно электри­ческого хозяйства промышленных предприятий составляет 6—11% (включая сооружения). В общей величине капитальных вложении в энергоемких и насыщенных электроприводом отраслях, например в черной металлургии, она может составлять 12—15% (в том числе соб­ственно электроснабжение 2—5%), достигая 50% для отдельных объектов. Годовая стоимость эксплуатации 1 кВт установленной мощ­ности электрической машины в ценах 1990 г. составляла 8—15 руб/кВт, суммарные затраты — 180 руб/машину.

Знания инженера-электрика — специалиста по электроснабжению — определяются областью его деятельности: на производстве он может

вырасти от молодого специалиста до главного электрика (энергетика) предприятия, в научно-исследовательском институте — от инженера до начальника отдела (главного специалиста, главного инженера проек­та), в вузе - от ассистента до профессора. На каждой ступени админи­стративного и профессионального роста приходится решать различные задачи, вначале частные и массовые, например выбор сечения провода к приемнику 0,4 кВ, а затем общие или специальные, например решение схемы электроснабжения завода на перспективу, подключение электро­двигателя большой единичной мощности.

В условиях неопределенности исходных данных специалист должен уметь разрабатывать и принимать решения, определяющие как каждый элемент, так и систему электроснабжения в целом. В учебнике рас­сматриваются классические по ТОЭ свойства систем электроснабжения, обусловленные единством процесса выработки, передачи и потребления электроэнергии, и системные, обусловленные ценологическими свой­ствами электрического хозяйства промышленных предприятий. При­менительно к инвестиционному циклу электрики показан цикл эволю­ции техники и технологии, где выделены конструирование, проектиро­вание и прогнозное проектирование как виды инженерной деятельно­сти, определяющие научно-технический прогресс.

В области систем электроснабжения можно считать решенными про­блемы, обсуждавшиеся 20—30 лет назад: внедрение глубоких вводов, разукрупнение понизительных подстанций и максимальное их прибли­жение к объектам электропотребления, увеличение уровня изоляции подстанций и сетей, размещение подстанций с учетом центра нагрузок, применение специальных схемных решений для приемников с перемен­ной нагрузкой, внедрение прямого пуска и самозапуска электродвига­телей, устройство автоматического включения резерва, выделение по­требителей особой группы первой категории и обеспечение надежной работы системы электроснабжения, диспетчеризацию и автоматизацию управления системой электроснабжения, проектирование электроре­монта. Информатизация и компьютеризация принципиально не измени­ли подхода к построению, обеспечению функционирования и развитию систем электроснабжения и электрооборудования.

Сейчас наибольшую экономию дает не оценка этих отдельных реше­ний, которая тоже необходима, а комплексный подход, оценивающий результаты наименьшей единицы, находящейся на хозрасчете, — пред­приятия, производства (хозяйства), цеха. Поэтому обострилась необ­ходимость системного изучения электрики, имеющей свои специфи­ку, интересы, методы изучения.

К важнейшим проблемам электрики, которые подлежат решению, следует отнести: информатизацию специалистов-электриков, определе­ние параметров и оптимизацию электрического хозяйства по уровням иерархии, углубление электрификации и увеличение электровооружен­ности, организацию учета расхода электроэнергии от агрегата (выделяе-

мой административной, территориальной или технологической едини­цы) до предприятия, энергосбережение, обеспечение надежного электро­снабжения и установление взаимной ответственности с энергосистемой, создание концепции необходимой и достаточной компенсации реактив­ной мощности не только на границе раздела предприятие ~ энергосисте­ма, но и на всех уровнях системы электроснабжения, обеспечение каче­ства электроэнергии у электроприемников, микропроцессорный груп­повой и одиночный самозапуск электродвигателей, внедрение современ­ных методов расчета электрических нагрузок, изучение структуры уста­новленного оборудования с целью его унификации и формулирование требований к электропромышленности, улучшение организации элект­роремонта и замену основных фондов.

Поэтапный ввод производственных мощностей, усложнение систем электроснабжения, рост количества элементов, их единичной и сум­марной мощностей привели к тому, что решения по электроснабже­нию предприятий в целом (номинальное напряжение, число и мощ­ность источников питания, их размещение и др.) стали принимать до принятия решения собственно по электроснабжению отдельного элект­роприемника или их группы. Понятия расчетная мощность P _P и ток I _P стали многозначными. Наряду с известным по ТОЭ использованием этих терминов, например для выбора проводника по нагреву, они стали часто обозначать условные понятия (договорные, регулировочные, стоимостные и др.). Например, расчетная нагрузка це­ха является в большинстве случаев понятием условным, так как физиче­ски нет кабеля или коммутационного аппарата, по которому протекает ток, соответствующий расчетной нагрузке (современный цех питается по нескольким вводам).

Охарактеризуем сложности, стоящие перед электрикой. Сравним количественные показатели современного электрического хозяйства и плана ГОЭЛРО, предусматривавшего сооружение электростанций суммарной мощностью 1750 МВт. Это обеспечивало при принятом Г. М. Кржижановским числе часов использования установленной мощ­ности 3550 выработку примерно 6200 ГВт • ч. Вспомним, сколько и ка­кие специалисты осуществляли план ГОЭЛРО, и отметим, что электро­потребление Новолипецкого металлургического комбината достигало 6700, Магнитогорского — 6300, Череповецкого - 6200 ГВт • ч (на Маг­нитке эксплуатируется 111711 электромашин суммарной мощностью 5410 МВт) (в России потребителей, платящих по счетчику, насчитывает­ся около 40 млн.).

В стране свыше 100 предприятий, имеющих установленную мощность электроприемников, превосходящую план ГОЭЛРО. Но основные проб­лемы поро;дают не крупные, а средние и мелкие объекты промышлен­ности (их свыше 50 тыс.), транспорта, сельского хозяйства, админист­ративно-бытового сектора, которых абсолютное большинство.

В пределе специалисту по электроснабжению необходимы знания,

и он должен быть готовым управлять этой большой (сложной) техниче­ской системой, оперативно решая и увязывая все три крупные части (раздела) электрификации: 1) электроснабжение; 2) электропривод; силовое электрооборудование и автоматизацию; электроосвещение; 3) организацию и управление электрическим хозяйством, включая электроремонт. При этом должно выполняться целевое назначение электрического хозяйства - обеспечение потребителей электроэнер­гией определенного качества и (или) преобразование ее в другие виды энергии при заданных бесперебойности (процесса обеспечения и преоб­разования) и живучести (системы электрического хозяйства и отдель­ных ее частей) с ограничениями по расходу ресурсов.

Представляется необходимым дать классификацию системы электро­снабжения по уровням в зависимости от количества элементов систе­мы, их суммарной мощности, номинального напряжения. В условиях эксплуатации электроустановки напряжением до 1 кВ обслуживают электрики цехов промышленного предприятия, а электроустановки напряжением выше 1 кВ - электротехнический персонал цеха (участ­ка) сетей и подстанций предприятия. В проектных институтах проек­тирование электроснабжения цеховых потребителей электроэнергии осуществляется обычно отделом электрооборудования, а проектирова­ние распределительных сетей 6—10 кВ, линий и подстанций, питающих предприятие, - отделом электроснабжения.

При изучении курса специалисту-электроснабженцу необходимо овла­деть новым ценологическим мышлением. Для решения отдельных за­дач по специальности, локальных и общих, применимы причинно обус­ловленные- зависимости, определяемые при заданных параметрах одно­значными расчетами электрических цепей по формулам и выражениям теоретических основ электротехники, которые в пределе опираются на законы Ньютона—Максвелла—Лоренца (при вероятностном, статистиче­ском подходе детерминизм проявляется, в частности, наличием мате­матического ожидания и конечной дисперсией). Для оптимизации по­строения и обеспечения функционирования электрического хозяйства такого классического подхода недостаточно.

Количество изделий, собственно и составляющих электрическое хо­зяйство современных объектов электрики, и описывающих их парамет­ров, условий и связей образует своеобразную техническую систему - систему нового типа, которую можно рассматривать как своеобразное сообщество изделий — техноценоз. Он состоит из практически счетного (бесконечного) множества элементов и характеризуется устойчивостью структуры и развития. Следовательно, на принимаемые технические решения накладываются некоторые ограничения. Они хотя и не вытека­ют ни из каких положений классической электротехники, тем не менее определяют эффективность функционирования электрического хозяй­ства, в частности системы электроснабжения.

Для техноценозов иное значение приобретает понятие неопределен-

ности. Многие технические решения определяются понятиями, задавае­мыми словами (завод с полным металлургическим циклом, производ­ство каустической соды диафрагменным способом). Возникает линг­вистическая неопределенность — неопределенность значений слов и неоднозначность смысла фраз. В начальной стадии изучения задачи не­определенность проявляется как неизвестность, отсутствие информации. Например, важнейшие вопросы по присоединению к энергосистеме ре­шаются, как правило, до получения сведений по всем цехам предприя­тия. В процессе решения задачи неопределенность раскрывается как не­достоверность: собрана не вся возможная информация (неполнота), не вся необходимая информация (недостаточность), ряд данных приве­ден по аналогам (неадекватность).

В этих условиях работа инженера, особенно опирающегося на совре­менные средства вычислительной техники, начинает приобретать твор­ческий характер: необходимо принимать принципиально неалгоритмизи­руемые решения. Наряду с рутинными массовыми инженерными зада­чами учебник предлагает освоить методологию принятия неформализуе­мых профессионально-логических решений по электрической части технических систем типа предприятия, производства (хозяйства), цеха, отделения, участка; единичного крупного технологического агрегата или отдельного сооружения; пускового комплекса или очереди строи­тельства.

В процессе изучения дисциплины нужно научиться видеть главное в любой задаче, переходить от задачи к задаче, использовать и порож­дать информацию, применять на практике полученные знания. Необходимо осознать особенности электрики как реальности и науки, по­нять основы электроснабжения как науки, представить ее место в ря­ду других электротехнических дисциплин.

ГЛАВА ПЕРВАЯ