Электроприемники классифицируют по следующим признакам:

1)   по роду тока: переменного, постоянного и импульсного (к по­следним относятся, например, машины контактной сварки). Среди электроприемников постоянного тока наиболее распространен электропри­вод постоянного тока, снабженный тиристорным преобразователем пе­ременного тока в постоянный. Для питания электроприемников им­пульсного тока используют преобразователи с энергонакопительными устройствами (например, конденсаторами). В данной книге рассматри­ваются только системы электроснабжения переменного тока;

2)  по числу фаз: трех- или однофазные. Электроприемники с дру­гим числом фаз встречаются редко и питаются от индивидуальных пре­образователей;

3) по частоте переменного тока: промышленной, повышенной или пониженной. Опыт применения промышленной (50 Гц) и повышенной (60 Гц) частот подтвердил экономическую целесообразность частоты 60Гц, а технико-экономические расчеты показали, что оптимальной сле­дует считать частоту  100Гц. Повышенная частота применяется на про­мышленных предприятиях в высокочастотных устройствах нагрева и расплавления металла (до 20кГц), для питания люминесцентных ламп (до 40кГц), в установках поверхностной закалки (до 100кГц) и др.;

4) по установленной мощности, определяемой как сумма мощно­стей однородных или разнохарактерных групп электроприемников. В последнем случае необходимо привести эти мощности к одинаковым условиям определения. Так, например, номинальные мощности элек­тродвигателей, работающих в повторно - кратковременном режиме, суммируются после приведения к длительному режиму по формуле:

,

где Р_у - суммарная установленная мощность рассматриваемых двигате­лей;   Р ном i - номинальная мощность i-го двигателя; k i - номинальная от­носительная продолжительность включения i-го двигателя;

5)  по номинальному напряжению: до 1кВ (в дальнейшем низкое напряжение - НН) и выше 1кВ (в дальнейшем высокое напряжение -ВН);

6)    по потреблению электроприемниками реактивной мощности,

характеризующемуся коэффициентом мощности соs = Р/ S , где Р - ак­тивная мощность; S- полная мощность: высокий соsφ > 0,85; средний 0,65 ≤соsφ ≤0,85; низкий 0,4 ≤соsφ ≤0,65; особо низкий соsφ < 0,4;

7)   по пусковым токам: существенным, когда их учет приводит к изменению (корректировке) параметров какого-либо элемента системы электроснабжения (сечения проводника, тока срабатывания защиты и т.д.), выбранного по токам нормального режима; несущественным, ко­гда их длительность мала (порядка нескольких миллисекунд), несмотря на большую кратность относительно номинального;

8)  по степени симметрии электроприемников (степени равномер­ности распределения мощности по фазам): симметричные (большинство промышленных силовых электроприемников), несимметричные (одно­фазные электропечи и сварочные агрегаты);

9) по линейности (постоянству сопротивлений электрических це­пей электроприемников за один период), что является главным услови­ем сохранения синусоидальности напряжений и токов в сети. Степень нелинейности (появление высших гармоник) характеризуется вольтамперными характеристиками и спектрами высших гармоник электро­приемников;

10)     по режиму работы электроприемников; длительный, кратко­временный и повторно-кратковременный;

11) по подвижности: стационарные и нестационарные (перенос­ные, подвижные и др.);

12) по требованиям к качеству электроэнергии. Сохранение тре­буемого качества электроэнергии (например, допустимые отклонения напряжения и частоты от номинальных) является одной из сложных за­дач в электроснабжении современных промышленных установок и предприятий;

13) по надежности электроснабжения (в соответствии с допусти­мыми длительностями аварийных перерывов в электроснабжении и числом независимых взаимно резервирующих источников питания) все электроприемники делят на три категории, сведения о которых излага­ются ниже.

Исходя из перечисленных выше классификаций, наиболее слож­ную совокупность электроприемников представляет собой электропри­вод. Самым распространенным является асинхронный электропривод, характеризующийся значительным потреблением реактивной мощно­сти, большими пусковыми токами и существенной чувствительностью к отклонениям напряжения сети от номинального

Синхронный электропривод отличается относительным постоян­ством нагрузки, редкими пусками и способностью при определенных условиях отдавать в сеть реактивную мощность.

Из электротехнологических устройств наибольшие проблемы вы­зывают дуговые сталеплавильные печи (ДСП) из-за следующих причин:

•            большой собственной мощности (до десятков Мегаватт);

•            нелинейности и обусловленного печным трансформатором

низкого соsφ;

•       толчков активной и реактивной мощностей, возникающих во время работы;

•            толчковых отклонений от симметричности фазовых нагрузок.

Аналогичные с ДСП проблемы имеют электросварочные установ­ки переменного тока; особенно низкий у них cosφ.

Электрическое освещение также вызывает некоторые электросете­вые проблемы, а именно: применяемые вместо ламп накаливания высо­коэкономные разрядные лампы имеют нелинейную характеристику и чувствительны к кратковременным (доли секунд) перерывам электро­снабжения. Однако эти проблемы в настоящее Бремя решаемы за счет перевода ламп на высокочастотное питание через индивидуальные пре­образователи частоты, что улучшает не только их светотехнические, но и энергетические параметры.

Источники света (лампы накаливания, люминесцентные, дуговые, ртутные, натриевые и др,) являются однофазными электроприемниками и для снижения несимметрии равномерно распределяются по фазам. Для ламп накаливания  cosφ = 1, а для газоразрядных cosφ = 0,6. Крат­ковременные перерывы (несколько секунд) питания для осветительных установок, как правило, допустимы. Однако есть производства, где от­ключение освещения угрожает безопасности людей, В таких случаях применяют специальное аварийное освещение, которое по надежности электроснабжения относят к I категории.

К электроснабжению устройств управления и обработки инфор­мации предъявляются повышенные требования в отношении надежно­сти и качества электроэнергии, поэтому они питаются, как правило, от источников гарантированного бесперебойного электроснабжения.

Источники питания

В зависимости от конкретных условий в качестве источников пи­тания используют: энергосистему; собственные электростанции, рабо­тающие параллельно с энергосистемой; электростанции и генераторные агрегаты, не предназначенные для параллельной работы с энергосисте­мой; статические источники (электрохимические, фотоэлектрические и др.).

Местные источники электроэнергии, не работающие параллельно с энергосистемой, используются в основном: 

•    в качестве резервных источников питания на случай прекра­щения подачи электроэнергии от централизованных источников, к которым относят указанные выше два первых ис­точника питания;

•    в составе установок гарантированного бесперебойного электроснабжения; 

•   при значительной удаленности предприятия от энергосистемы и др.

В связи с увеличением на промышленных предприятиях электро­приемников с повышенными требованиями к надежности питания по­требность в местных источниках питания в настоящее время возрастет. В России их доля в производстве электроэнергии составляла в 1990г. более 10%, а в некоторых странах Западной Европы - превышала 20%.

Типы собственных электростанций выбирают с учетом требуемой мощности, режима работы, требований к быстроте пуска и другим эксплуатационным показателям на основании технико-экономических рас­четов. Так, например, если мощность электростанции должна быть не менее нескольких Мегаватт при длительной работе в качестве основно­го источника питания, то по соображениям надежности, долговечности и техническим параметрам выбирают паротурбинную заводскую ТЭЦ. При быстронарастающей нагрузке могут потребоваться быстрозапускающиеся паротурбинные агрегаты, а также дизельные агрегаты.

На промышленных предприятиях могут иметь место электропри­емники, не допускающие даже кратковременных перерывов электро­снабжения (их относят к особой группе I категории электроприемников по требуемой надежности питания). Такими электроприемниками явля­ются: компьютеры, устройства автоматизированной обработки инфор­мации, устройства автоматизированного управления технологическим процессом производства и др.

Кратковременные перерывы в электроснабжении могут возник­нуть при восстановлении питания устройствами автоматического по­вторного включения (АПВ) и автоматического включении резерва (АВР). Поэтому для электроприемников, не допускающих вообще пере­рывов питания, применяют высоконадежные автономные местные ис­точники. При малых требуемых мощностях электроприемников исполь­зуют встраиваемые в них источники в виде гальванических элементов или малогабаритных аккумуляторов, при больших мощностях - уста­новки гарантированного бесперебойного питания. При очень жестких требованиях к надежности электроснабжения предусматривают парал­лельную работу двух одинаковых агрегатов, каждый из которых может на время отключения другого покрывать всю расчетную нагрузку.

В качестве местных источников реактивной мощности применяют:

•       синхронные генераторы заводских ТЭЦ и других регулярно работающих заводских электростанций и генераторных ус­тановок;

•      синхронные двигатели с соsφ ≥ 0,9;

•      конденсаторные батареи.

Источниками питания для цеховых электроприемников являются цеховые трансформаторные подстанции (ЦТП). Число трансформаторов на ЦТП выбирают один или два, причем однотрансформаторные под­станции применяют в следующих случаях:

для электроприемников, допускающих питание от одного нерезер­вированного источника (III категория по надежности питания);

для электрогтриемников II и I категорий при наличии резервных перемычек, связывающих данную однотрансформаторную ЦТП с дру­гой или другими ЦТП на вторичном напряжении.

Двух трансформаторные ЦТП применяют для питания электроприемников        I или II категорий, не имеющих на вторичном напряжении связи с другими подстанциями. Чтобы оба трансформатора надежно резер­вировали друг друга, их питают от независимых источников, а мощ­ность каждого трансформатора выбирают одинаковой. Применяют так­же трехтрансформаторные ЦТП вместо двух двухтрансформаторных, где это оказывается целесообразно. Группу соединения обмоток транс­форматора выбирают из таких условий, чтобы они:

•       препятствовали возникновению высших гармоник в электри­ческих сетях;

• выравнивали нагрузку между фазами первичной обмотки при несимметричной нагрузке вторичной обмотки;

•                 ограничивали сопротивление нулевой последовательности цепи КЗ в случае питания четырех проводных сетей.

Для выполнения первого и второго условий одну обмотку трансформаторов соединяют в звезду, а другую - в треугольник.

Для питания четырехпроводных сетей напряжением 220/380 или 380/660В используют трансформаторы, у которых вторичная обмотка соединена в звезду или в зигзаг с выведенной нейтральной точкой. Для выполнения приведенных выше грех условий первичную обмотку со­единяют в треугольник. Таким образом, для цехового трансформатора оптимальной схемой соединения обмоток является треугольник - звезда с нулем (Δ/Y_н). Этим же условиям, особенно в части симметрирования нагрузок, удовлетворяет схема соединения обмоток цехового трансфор­матора звезда - зигзаг (Y/Z_н)_, используемая при номинальных мощно­стях трансформаторов от 25 до 100кВА. Схема соединения звезда - звезда с нулем (Y/Y_н) этими свойствами не обладает, имеет повышенное сопротивление нулевой последовательности, что затрудняет выполне­ние защиты сетей от однофазных К3, возникающих при замыканиях на корпус.

Режимы нейтрали сети

Нейтраль сети определяют как совокупность соединенных между собой нейтральных точек и проводников; она может быть изолирована от земли, соединена с землей через активное или реактивное сопротив­ление, глухо заземлена.

Замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью считает­ся не аварийным режимом, поэтому сеть и поврежденная линия могут продолжать работать. Электроснабжение потребителей не прерывается, что существенно для обеспечения надежности питания потребителей, так как из всех видов нарушения изоляции однофазные замыкания на землю составляют 75 - 85%.

Сети с изолированной нейтралью (это сети напряжением 6, 10, 20, 35кВ) имеют следующие особенности, которые необходимо учитывать при их эксплуатации:

1)  повышение напряжения двух фаз относительно земли до линей­ного при замыкании на землю третьей фазы; поэтому изоляцию всех фаз относительно земли необходимо выполнять на линейное напряжение;

2)   возможность образования в месте замыкания на землю переме­жающейся электрической дуги, т.е. дуги, которая гаснет и зажигается вновь; это сопровождается возникновением коммутационных перенапряжений с амплитудой (3 - 5)Uном, которые могут привести к пробою изоляции в других местах и других фазах, а также нарушить работу приемников электроэнергии;

3)    возможность перехода замыкания на землю в двух- или трех­фазное КЗ из-за теплового действия дуги в месте замыкания на землю на изоляцию других фаз сети;

4)  возникновение в сети и в источниках питания при замыкании на землю системы токов обратной последовательности, что может привес­ти к индуцированию в роторах синхронных генераторов токов двойной частоты и, следовательно, к значительному дополнительному нагреву роторов.

Для уменьшения тока замыкания на землю Iз.з, до значения, при ко­тором дуга не может поддерживаться в месте повреждения, нейтрали установок заземляют через индуктивное сопротивление.

Правила устройств электроустановок регламентируют максималь­но допустимые значения Iз.з: для сетей 6 кВ Iз.з ≤30А; для сетей 10 кВ Iз.з ≤20А.

При глухом заземлении нейтрали (это сети напряжением ниже 1 кВ или выше 35кВ) замыкание одной фазы на землю является однофаз­ным КЗ и должно отключаться соответствующей защитой. Отключение поврежденного участка сети при однофазном КЗ приводит к перерывам электроснабжения потребителей и как следствие - к значительным убыткам.

На рис. 1.1 приведены схемы замещения сетей с различным режи­мом нейтрали.

Рис.1.1. Схемы замещения сетей с различ­ным режимом нейтрали:

а - трехфазная система питания с изолиро­ванной нейтралью при однофазном за­мыкании на землю фазы С;

б - трехфазная система питания с компенси­рованной нейтралью при однофазном за­мыкании на землю фазы С;

в - трехфазная система питания с глухозаземленной нейтралью при однофазном КЗ на землю фазы С

В сетях напряжением ниже 1кВ заземление нейтрали используют для осуществления защитного зануления или улучшения защитного за­земления металлических корпусов электрооборудования.

В четырехпроводных сетях напряжением до 380В, общих для си­ловых и осветительных электроприемников, нейтраль и нейтральный провод обязательно заземляются, так как контроль изоляции нейтраль­ного провода относительно земли практически не осуществим. Кроме того, незаземленный нейтральный провод (с неустраненными скрытыми дефектами изоляции) представляет собой пожарную опасность; это вы­звано тем, что при однофазном замыкании на землю образуется петля для протекания тока КЗ через нейтральный провод (рис. 1.2). Этот ток при малом сечении нейтрального провода может вызвать его перегрев и даже возгорание. В четырехпроводпых сетях необходимо заземлять все оборудование на заземленную нейтраль.

В трехпроводных сетях напряжением до 1кВ перемежающиеся дуги при однофазном замыкании на землю не возникают, однако емко­стные токи представляют опасность для персонала при соприкоснове­нии с фазой, В электроустановках напряжением 500 и 660В нейтраль, как правило, изолирована.

Основной проблемой в электрических сетях напряжением 6-35кВ при использовании цифровой защиты от замыкания на землю является способ заземления нейтрали. Именно последний оказывает значитель­ное влияние на надежность электроснабжения потребителей, на сохран­ность электрооборудования (в том числе кабелей), на безопасность лю­дей, а также на выбор принципов и типов устройств РЗА.

В большинстве стран мира электрические сети среднего напряже­нии работают с нейтралью, заземленной через резистор. Такое заземле­ние устраняет опасность возникновения перенапряжений в электрической сети и обеспечивает необходимую чувствительность простой (не­направленной) максимальной токовой защиты (МГЗ) от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ).

В сетях с заземлением нейтрали через резистор в зависимости от выбранного сопротивления заземляющего резистора значении токов при ОЗЗ могут находиться в широких пределах: от тысяч до нескольких ампер.

Рис, 1.2. Путь тока КЗ при однофазном замыкании на землю.

Современные цифровые реле тока имеют очень высокую чувстви­тельность и могут обеспечить срабатывание РЗ от ОЗЗ при первичных токах замыкания на землю, практически начиная от 2А. В зависимости от выбранного значения тока замыкания на землю действие РЗ может быть направлено на сигнал или на отключение.

Заземление нейтрали через резистор не только снижает вероят­ность возникновения в сети перенапряжений и двойных замыканий на землю (двух однофазных замыканий на разных линиях), но и позволяет использовать простые МТЗ, не требующие элементов направления мощности и установки специальных трансформаторов напряжения (ТН), измеряющих напряжение нулевой последовательности.