Основные сведения об электрификации России и современных способах электроснабжения промышленных предприятий

План ГОЭЛРО, принятый Всероссийским съездом Советов в 1920 г., воплощал ленинские принципы социалистической электрификации в форме конкретного государственного плана развития народного хозяйства страны на основе электрификации. В этом плане намечалось сооружение 30 крупных районных электростанции общей мощностью 1750 тыс. кВт, а также линии электропере­дачи напряжением 35 и 110 кВ. Большое значение придавалось строительству крупных гидростанций, которых дореволюционная Россия не имела. Большинство из электростанций должны были использовать местные энергетические ресурсы — низкосортные угли, штыб, сланцы и особенно торф.

Осуществление плана ГОЭЛРО началось в тяжелых условиях, когда производство электроэнергии в стране сократилось почти в четыре раза по сравнению с 1913 г. и составляло всего. 520 млн. кВт-ч. В 1922 г. были пущены в эксплуатацию Кашир­ская ГРЭС на подмосковном угле и ГРЭС «Красный Октябрь» на торфе под Ленинградом, в 1924 г. — Кизеловская ГРЭС на местном угле на Урале, в 1925 г. — Шатурская и Горьковская ГРЭС на торфе.

Широко развернулось строительство гидростанций: в 1926 г. вступила в строй Волховская ГЭС, а за ней Ереванская, Земо-Авчальская, Боз-Суйская и др. В 1927 г. состоялась закладка Днепровской ГЭС им. В. И. Ленина. План ГОЭЛРО, рассчитанный на 10—15 лет, был выполнен в кратчайший срок, и выработка электроэнергии с 0,52 млрд. кВт·ч в 1920 г. возросла более чем в 20 раз. В 1935 г. мощность районных электростанций достигла 4,38 млн. кВт, т. е. превысила в 2.5 раза мощность, предусмотренную планом ГОЭЛРО. Производство электроэнергии достигла 26,3 млрд. кВт-ч. За период с 1930 по 1935 г. Советский Союз по производству электроэнергии вышел на третье место в мире.

Огромное количество электроэнергии, вырабатываемое генераторами различных типов электростанций, передается потребителям, которыми являются промышленность, сельское хозяйство, строительство, транспорт и коммунальное хозяйство городов.

Передача электроэнергии от источников к потребителям производится энергетическими системами, объединяющими несколько электростанций. Длительный опыт эксплуатации энергетических систем показал технико-экономическую целесообразность их соединения между собой. Так, уже в 1933 г. были соединены Горьковская и Ивановская энергосистемы, а затем к ним присоединена Московская энергосистема. В 1935 г. создана объединенная энергосистема Донбасса и Приднепровья, осуществленная с помощью линии электропередачи Днепрогэс — Донбасс напряжением 220 кВ. К этому времени уже имелось несколько объединенных энергосистем — Московская, Ленинградская, Уральская, Поволжья, Кавказа, Сибири.

В 1960 г. Москва начала получать электроэнергию от двух Волжских ГЭС по линии напряжением 500 кВ. После введения в эксплуатацию в 1963 г. линии электропередачи Волжская ГЭС им. Ленина — Донбасс напряжением 800 кВ постоянного тока объединились энергосистемы Центра, Юга, Поволжья,

европейской части страны. Этим было положено начало создания Европейской, а затем и Единой энергосистемы СССР.

Энергосистемы продолжают оставаться основными источниками электроснабжения потребителей электроэнергии, в том числе наиболее энергоемких, каковыми являются промышленные предприятия. Основные элементы электрической части энергосистем — различные типы районных трансформаторных и распределительных подстанций, главные подстанции предприятий (ГПП) и других объектов и городов. В соответствии со схемой и принятыми напряже­ниями они соединяются между собой линиями электропередачи (ЛЭП) напряжением 750, 500, 220, 110 кВ, являющимися районны­ми электрическими сетями энергосистем. Распределительные сети энергосистем напряжением 35, 10 и 6 кВ являются одновременно электрическими сетями внешнего электроснабжения промышленных предприятий.

В общем балансе страны удельный вес промышленности и стро­ительства составляет более 70%, поэтому вопросам электроснабжения промышленных предприятий придается большое значение. Для этого вся система распределения и потребления электроэнергии, получаемой от энергосистем, строится таким образом, чтобы удовлетворялись основные требования электроприемников, находящихся у потребителей.

Надежность электроснабжения достигается благодаря бесперебойной работе всех элементов энергосистемы и применению ряда технических устройств как в системе, так и у потребителей: устройств релейной защиты и автоматики, автоматического ввода ре­зерва (АВР) и повторного включения (АПВ), контроля и сигнализации.

Качество электроснабжения определяется поддержанием на установленном уровне значений напряжения и частоты, а также ограничением значений в сети высших гармоник и несинусоидальности и несимметричности напряжений.

Экономичность электроснабжения достигается путем разработки совершенных систем распределения электроэнергии, использования рациональных конструкций комплектных распределительных уст­ройств и трансформаторных подстанций и разработки оптимизации системы электроснабжения. На экономичность влияет выбор рацио­нальных напряжений, оптимальных значений сечений проводов и кабелей, числа и мощности трансформаторных подстанций, средств компенсации реактивной мощности и их размещение в сети.

Реализация этих требований обеспечивает снижение затрат при сооружении и эксплуатации всех элементов системы электроснабжения, выполнение с высокими технико-экономическими показателями планов электрификации всех отраслей народного хозяйства, надежное и качественное электроснабжение промышленных пред­приятий. В результате увеличивается электровооруженность труда в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, которая представляет собой количество электроэнергии на одного работающего (МВт/(чел-год)), а это в свою очередь обеспечивает рост производительности труда и степень его механизации.

Таким образом, рост электровооруженности труда определяется не только увеличением выработки электроэнергии на электростанциях, которая у нас в стране непрерывно растет, но и фактически рациональным ее использованием в различных устройствах и установках потребителей. С этой точки зрения безусловно рацио­нальным является распределение электроприемников по надежности электроснабжения на несколько категорий с учетом их значимости в технологическом процессе производства, безаварийной работы оборудования и безопасности его. обслуживания.

Для обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяют на следующие три категории:

первая категория — электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции, расстройство технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. В эту категорию вхо­дит особая группа электроприемников, бесперебойная работа ко­торых необходима для безаварийного останова производства и предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования;

вторая категория — 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;

третья категория — остальные электроприемники, не подходя­щие под определение первой и второй категорий.

Электроприемники первой категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих ис­точников питания; перерыв в электроснабжении при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для электроприёмников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания.

При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены повредившегося трансформатора за время не более суток допускается питание электроприёмников второй категории от одного трансформатора.

Основные понятия и определения

Электроснабжением согласно ГОСТ 19431-84 [1.1] называется обеспечение потребителей электроэнергией. Под потребителями при этом подразумевают предприятия, организации, территориально обособленные цехи, стройплощадки и т.п., у которых приемники электроэнергии присоединены к электрической сети и используют электроэнергию; прием­никами электроэнергии (в дальнейшем

сокращенно электроприемниками) считаются устройства, в которых происходит преобразование электроэнергии в другие виды энергии для ее использования.

В настоящее время электроснабжение чаще всего централизованное — потребители подключены к сети энергоснабжающей организации, например энергосистемы, и являются абонентами этой организации. Возможно, однако, и децентрализованное электроснабжение, при котором потребители питаются от собственных источников электроэнергии, не имеющих связи с энергосистемой.

В данном курсе в соответствии с его названием рассматривается электроснабжение промышленных установок. Электроприемниками в этих установках являются электродвигатели, комплектные электроприводы, электросварочные агрегаты, электропечи, электролизные ванны, электрические светильники и другие устройства, в которых соответственно происходит преобразование электроэнергии в механическую, тепловую, химическую, лучистую и другие возможные виды; в качестве потребителей электроэнергии могут рассматриваться комплексы электроприемников производственных участков, цехи и другие производственные подразделения, а также предприятия в целом.

Промышленные электроприемники по своему характеру могут быть разделены на четыре различающиеся друг от друга группы - электропривод. электротехнологические установки, электрическое освещение и устройства управления и обработки информации (в том числе ЭВМ, широко применяемые не только в вычислительных центрах и на рабочих местах, но и на всех уровнях управления производством). Две первые группы по традиции объединяются под названием силовые электроприемники. Доля каждой из этих групп в электропотреблении предприятия зависит от отрасли промышленности и особенностей производственного процесса; так, на машиностроительных предприятиях основными электроприемниками являются электроприводы, а на предприятиях электрон­ной промышленности и в электрометаллургии - электротехнологические установки. Доля электрического освещения особенно велика в легкой и пищевой промышленности, а в полностью автоматизированных производствах она может оказаться ничтожно малой. Устройства управ­ления и вычислительные установки в потреблении электроэнергии существенной роли, как правило, не играют (за исключением, конечно, вычислительных центров), и выделение их в отдельную группу вызвано их особыми требованиями к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии. Основные группы промышленных приемников электроэнергии представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Основные группы промышленных приемников электроэнергии
Наименование	Доля в общем полезном потреблении, %
пределы	в среднем
Электропривод Электротехнопогические установки Электрическое освещение Устройства управления и обработки информации	40...80 55 10...60 30 5...40 15 0...1 0,5

В табл. 1.1 не учтены потери электроэнергии, возникающие в трансформаторах и других преобразователях, а также в линиях заводских электрических сетей и составляющие обычно до 5 % общего потребления электроэнергии. Поступление электроэнергии и расход ее по цехам и другим производственным подразделениям, по группам электроприем­ников, а также потери электроэнергии отражаются в электробалансе предприятия, цеха или установки. По данным электробаланса опреде­ляется удельное потребление электроэнергии в установке, в цехе, на предприятии или отрасли промышленности, отнесенное к численности промышленно-производственного персонала, — электровооруженность труда. Важное значение для оценки рационального использования электро­энергии имеют также потребление электроэнергии, отнесенное к едини­це продукции, — удельный расход электроэнергии, и доля стоимости израсходованной электроэнергии в себестоимости продукции.

Для приёма и распределения. а иногда также для местного производства электроэнергии на промышленном предприятии создаются системы электроснабжения, состоящие из подстанций, электрических сетей и местных источников электроэнергии.

Подстанцией согласно [1.1] называают электроустановку, предназначенную для преобразования и распределения электроэнергии; по спо­собу преобразования различают трансформаторные, выпрямительные, инверторные и другие подстанции. Так как электроустановки промышленных предприятий в основном являются приемниками переменного тока одной и той же промышленной частоты, то наибольший интерес для промышленной энергетики представляют трансформаторные пони­зительные подстанции, состоящие, как правило, из трансформаторов и распределительных устройств высшего и низшего напряжений.

Электрическая сеть представляет собой согласно [1.1] совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их электри­ческих линий, размещенных на территории района, населенного пункта или потребителя электроэнергии. В данном курсе по практическим со­ображениям под электрической сетью понимается гальванически соединенная совокупность линий и распределительных устройств одного на­пряжения; при таком определении подстанции входят в состав сети только своими распределительными устройствами высшего или низшего напряжения. По номинальному напряжению и, следовательно, по слож­ности достижения условий безопасности эксплуатации в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [1.2] различают сети с номинальным междуфазным напряжением до 1 кВ (< 1 кВ) и выше 1 кВ (> 1 кВ). Первые из них принято также называть сетями низкого напряжения (сетями НН), вторые - сетями высокого напряжения (сетями ВН).

В отечественной, а также в зарубежной литературе по электрическим системам встречается деление номинальных напряжений выше 1 кВ на среднее (обычно до 35 кВ), высокое ( 60 ... 220 кВ), сверхвысокое (330...1000 кВ) и ультравысокое (выше 1000 кВ). Встречаются также названия напряжений "районное", "системное" и "межсистемное", соответствующие приблизительно

среднему, высокому, сверх- и ультравысокому напряжениям. В электроснабжении промышленных предприятий, где номинальное напряжение относительно редко превышает 110 кВ, та­кое деление не является общепринятым, не входит в государственные стандарты СССР и поэтому в настоящей книге не используется.

В случае среднего или крупного предприятия система электроснабжения чаще всего состоит из следующих функциональных частей:

1) установки приема электроэнергии от энергосистемы — главной понизительной подстанции (ГПП); электроэнергия принимается обычно в зависимости от мощности предприятия на напряжении от 10 до 220 к В

(трансформируется на напряжение, удобное для распределения энергии то территории предприятия (обычно на 10, иногда на 6, а на крупных предприятиях на 20 или 35 кВ); если энергия принимается и распределяется на одном и том же напряжении, то вместо ГПП сооружается главный распределительный пункт (ГРП), часто совмещенный с какой-либо цеховой подстанцией;

2) распределительной сети высокого напряжения (ВН) предприятия; номинальное напряжение такой сети обычно находится в пределах от 6 до 35 кВ, но не исключается применение и других напряжений;

состав этой сети могут входить предназначенные для питания электроприемников ВН распределительные пункты; электроприемники ВН могут, однако, питаться и от распределительных устройств ВН цеховых подстанций;

3) подключаемых к распределительной сети цеховых трансформаторных и преобразовательных подстанций (ЦП);

4) подключаемых к распределительной сети предприятия местных источников активной и реактивной электроэнергии (заводские электростанции, резервные, пиковые и другие генераторные установки, конденсаторные батареи ВН и т.п.);

5) цеховых сетей низкого напряжения (НН) с номинальным напряжением обычно 380 В; в сетях, к которым подключены крупные электроприемники, применяют также более высокое напряжение (660 В), а небольших (главным образом, старых) установках может встречаться напряжение 220 В; не исключаются также цеховые сети высокого напряжения;

6) подключенных к цеховым сетям местных источников активной и активной энергии (резервные генераторные установки, аккумуляторные и другие установки гарантированного бесперебойного электропитания, конденсаторные батареи НН и т.п.).

Такая структура системы электроснабжения представлена на рис. 1.1.

При достаточной надежности электропитания со стороны энергосистемы и при отсутствии технико-экономической целесообразности производства электроэнергии на самом предприятии (при чисто централизованном электроснабжении) необходимость в местных источниках активной электроэнергии отпадает, и система электроснабжения соответствен­но упрощается. Однако встречаются случаи, когда предприятие не может питаться от энергосистемы, и тогда всю потребность в электроэнергии приходится покрывать децентрализованно, собственными источниками,

Границей, разделяющей систему электроснабжения предприятия от энергосистемы (границей ответственности за исправное функционирование электроустановок), обычно является место присоединения питающих линий к ГПП или ГРП предприятия (подробнее это оговаривается в договоре, заключенном между предприятием и энергоснабжающей организацией на основе Правил пользования электрической и тепловой энергией. Элементы энергосистемы, находящиеся за этой границей (питающие линии, подстанции, электростанции и т.п.), иногда называют внешним электроснабжением предприятия.

Систему электроснабжения вместе с электроприемниками называют электрохозяйством предприятия. Ведение электрохозяйства как сложной и высокоответственной системы строго регламентируется соответствующими правилами технической эксплуатации и техники безопасности.

Стрелками показано поступление электроэнергии (Р - активная. Q - реактивная мощность). Точки указывают на возможное наличие множества других таких же элементов. Устройства, не входящие в систему электроснабжения (электроприемники), показаны пунктиром

Большая часть данного курса посвящена исполнению, режимам работы и расчету электрических цепей, предназначенных для передачи, преобразования и распределения электроэнергии по предприятию, цеху или производственной установке, — основных цепей системы электроснабжения. «Однако не менее важным считается ознакомление со структурой и аппаратурой вспомогательных цепей – цепей управления, контроля и защиты элементов системы электроснабжения.

Материал курса относится прежде всего к цеховым сетям и подстанциям, однако для получения полного представления о проблемах электроснабжения предприятия в целом рассматриваются и отдельные вопросы заводских распределительных сетей и условия получения электроэнергии от энергосистемы. Приводятся также краткие сведения по основным характеристикам современных мощных энергосистем не только как главных поставщиков электроэнергии в народном хозяйстве, но и как органов, регулирующих электропотребление предприятий в соответствии с региональными и общегосударственными интересами.