Производство и распределение электроэнергии, монтаж и эксплуатация электроустановок регламентируются действующими в СССР едиными и обязательными для всех ведомств правилами:
Правила устройства электроустановок (ПУЭ) распространяются на все виды электроустановок напряжением до 500 кВ включительно;
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭП) содержат основные требования к обеспечению надежности действующих электроустановок и указания по организации их технического обслуживания;
Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей (ПТБЭ) содержат требования и указания, обеспечивающие безопасность людей при эксплуатации электроустановок.
По условиям безопасности все электроустановки подразделяют на две группы: до 1 кВ и выше 1 кВ. Кроме того, различают установки открытые (находящиеся на открытом воздухе или под навесом) и закрытые (в помещении).
Номинальные напряжения для выработки, передачи и потребления электроэнергии приведены в табл. 1.
Таблица 1. Стандартные величины номинальных напряжений, В (ГОСТ 721-74)
Примечание: Напряжения, указанные в скобках, не рекомендуются для проектируемых сетей. Для угольной промышленности, кроме указанных в таблице, установлены напряжения трехфазного тока 1200 и 1140 В (приемники).
Электродвигатели
Электрические двигатели – машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, являются основным видом двигателей в промышленности. По роду тока различают электродвигатели переменного (асинхронные и синхронные) и постоянного тока. По устройству электродвигатели отличаются выполнением роторной и статорной обмотки. По способу защиты от воздействия окружающей среды делятся на защищенные, брызгозащищенные, взрывозащищенные и закрытые.
Электродвигатели выпускают сериями, объединяющими двигатели одного назначения различной мощности. Для каждой серии установлена стандартная шкала мощностей, на основании которой выбирают габариты. Для электродвигателей переменного тока габарит определяется наружным диаметром статора, а для электродвигателей постоянного тока – наружным диаметром якоря.
Принцип серийного выпуска машин оказывает существенное влияние на организацию их ремонта, значительно сокращается номенклатура запасных частей, унифицируются инструмент и приспособления.
Асинхронные электродвигатели благодаря простоте конструкции и надежности в работе широко применяются в народном хозяйстве. Они состоят из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора. В пазах сердечника статора размещают обмотку, возбуждающую вращающееся магнитное поле. Частота вращения ротора зависит от числа пар полюсов обмотки статора. Асинхронные электродвигатели обратимы, то есть могут работать в режиме генератора или двигателя. Используются главным образом в качестве двигателей.
По конструкции асинхронные электродвигатели бывают: короткозамкнутые, фазные и коллекторные.
Наиболее распространены электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Его выполняют в виде «беличьего колеса» из стержней и замыкают торцовыми кольцами.
Асинхронные электродвигатели подразделяются на однофазные, двухфазные и трехфазные; преобладают последние.
Трехфазные асинхронные электродвигатели общего применения с короткозамкнутым ротором (рис. 1) имеют единую серию А. В настоящее время выпускаются двигатели четвертой серии 4А (табл. 2). Их масса в среднем на 18% меньше, чем двигателей А2, меньше габариты при равной мощности и уровни шума, вибрации, большие пусковые моменты. Например, при мощности 4 кВт и частоте вращения 1500 об/мин двигатели различных серий имеют массу: А0-51-4 весит 83 кг, А0Г-41-4 – 62, 4A100L4 – 41 кг.
Рис. 1. Трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель: 1 - вентиляционные отверстия; 2 - подшипниковые щиты; 3 - статор; 4 - крышка, закрывающая зажимы; 5 - ротор; 6 - вентилятор.
Таблица 2. Трехфазные асинхронные электродвигатели новой единой серии 4А
Новая единая серия трехфазных асинхронных электродвигателей 4А охватывает машины мощностью от 0,06 до 400 кВт с высотами осей вращения от 55 до 355 мм. Шкала номинальных мощностей постоянна для всех скоростей вращения: 0,06; 0,4; 0,6; 0,8; 1,1; 1,5; 2,2; 3,4; 5,5; 7,5; 10; 13; 17; 22; 30; 40; 55; 75; 100; 125; 400 кВт.
Обозначение типа электродвигателей серии 4А расшифровывается следующим образом. Например, 4AA90LB8: 4 – номер серии; А – асинхронный закрытый обдуваемый (защищенный обозначается АН); А (вторая буква) – алюминиевая станина и щиты (X – алюминиевая станина и чугунные щиты. Если станина и щиты чугунные, обозначение не дается); 90 – высота оси вращения, мм; S, L, М – установочные размеры по длине корпуса; А, В – длина сердечника статора дается в том случае, если на одном установочном размере предусмотрены две мощности: А – первая длина, В – вторая длина; 8 (2, 4, 6, 10, 12) – число пар полюсов; У – климатическое исполнение двигателей.
Электродвигатели закрытого и защищенного исполнения имеют одинаковые установочные размеры, что обеспечивает их взаимозаменяемость без переделки крепления.
На базе единых серий выпускаются двигатели во взрывоопасном исполнении ВАО для угольной, химической, нефтяной и газовой промышленности.
Краново-металлургические двигатели объединены в серию МТ и выпускаются в диапазоне мощностей от 1,7 до 200 кВт. Для привода крановых механизмов применяют трехфазные асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Они обеспечивают регулирование частоты вращения и плавный пуск при относительно большом значении нагрузки на валу, то есть при больших пусковых моментах имеют сравнительно малые пусковые токи и короткое время разгона ротора.
Двухфазные асинхронные электродвигатели используются в качестве исполнительного двигателя в системах регулирования. Они имеют на статоре две обмотки – возбуждения (ОВ) и управления (ОУ). Обмотка ротора – короткозамкнутая. Обмотку ОВ включают в сеть. Обмотка ОУ воспринимает сигнал управления и совместно с обмоткой ОВ создает магнитное вращающееся поле.
Электродвигатели малой мощности для работы в помещениях, куда не подведен трехфазный ток имеют модификацию однофазных электродвигателей АВЕ.
Синхронные электродвигатели конструктивно сложнее асинхронных. Их частота вращения определяется частотой электросети, а для обмотки возбуждения требуется источник постоянного тока (генератор постоянного тока или полупроводниковое устройство). Питание статора от трехфазной сети. Преимущество этих двигателей: более высокий КПД, чем у асинхронных; способность сохранять постоянным число оборотов, повышать коэффициент мощности.
Электродвигатели постоянного тока обеспечивают широкие пределы плавного регулирования частоты вращения и создают большие моменты при пуске. Их используют в качестве генераторов. Основной недостаток машин постоянного тока связан с наличием коллектора, который усложняет двигатель, снижает его надежность. Электродвигатели постоянного тока различаются системами возбуждения: параллельное, последовательное, смешанное и независимое (рис. 2).
Рис. 2. Схемы возбуждения машин постоянного тока: а - независимая; б - параллельная; в - последовательная; г - смешанная.
Аппаратура управления и защиты
Для обеспечения пуска, реверсирования, торможения и регулирования скорости вращения применяется аппаратура ручного и автоматического управления. Но напряжению ее классифицируют на аппараты до 1 кВ и выше 1 кВ. По виду защиты от воздействия окружающей среды – на открытые, защищенные, закрытые, герметические, взрывобезопасные и специальные. Современные аппараты управления и защиты отличаются высокой износоустойчивостью, но без надлежащего ухода и своевременного выявления дефектов утрачивают свои качества.
Для ручного управления используются: рубильники и переключатели – для включения и отключения цепей постоянного и переменного тока до 1500 А в одно-, двух- и трехполюсном исполнении; предохранители – для защиты сетей от перегрузок и коротких замыканий; пакетные выключатели и переключатели – для включения и отключения цепей постоянного и переменного тока от 10 до 100 А при напряжении 220 В и от 6 до 60 А при 380 В; универсальные переключатели – для пуска электродвигателей небольшой мощности и переключения электрических цепей, катушек контакторов, реле; контроллеры – для переключения цепей постоянного и переменного тока, создания схем торможения, реверсирования.
При автоматизированном управлении применяется более сложная аппаратура.
Кнопки управления – для замыкания и размыкания цепей дистанционного управления аппаратами. Их разновидности – путевые и концевые выключатели, на которые воздействуют не люди, а сами механизмы во время передвижения.
Автоматические выключатели (автоматы) – для включения и отключения электрических цепей и электрооборудования, для автоматического отключения их при перегрузках и коротких замыканиях. Широко применяются автоматы АК-50 (на силу тока до 63 А) и А-3100, рассчитанные на ток от 15 до 600 А. А-3100 автоматически отключается с помощью расцепителя – специального устройства с тепловым (для защиты токов от перегрузки) или электромагнитным (от короткого замыкания) элементом. Они также могут быть комбинированными. Выпускаются также автоматы единой универсальной серии А-3700, которые по конструкции аналогичны А-3100, но имеют более высокую отключающую способность и снабжены механизмом дистанционного включения. В настоящее время все более широко применяются автоматы серии Э. Контактная система каждого полюса автомата состоит из трех параллельно включаемых пар контактов: главных, предварительных и разрывных (рис. 3). При включении вначале замыкаются разрывные, затем предварительные и, наконец, главные контакты. Размыкание происходит в обратной последовательности.
Рис. 3. Контактная система автоматического выключателя (во включенном положении): 1 - предварительные контакты; 2 - разрывные контакты; 3 - главный контакт; 4 - фасонный винт; 5 - стакан; 6 - штифт динамометра; 7 - ручка.
Контактор приводится в действие электромагнитом, включение и отключение которого выполняются на расстоянии от кнопки управления, релейной аппаратуры и др. На рис. 4 показан трехполюсный электромагнитный контактор переменного тока, у которого включение втягивающей катушки приводит к притягиванию якоря с короткозамкнутым витком к неподвижному ферромагнитному сердечнику. В результате валик, поворачиваясь замыкает три главных подвижных контакта с неподвижными. Главные контакты закрываются асбестоцементными камерами с дугогасительными стальными решетками. К неподвижным контактам подведены провода от трехфазной сети, к подвижным – провода от электроприемника. Замыкание главных контактов происходит одновременно с замыканием блокировочных контактов, которые используются в цепях автоматического управления, блокировки, защиты и сигнализации.
Рис. 4. Трехполюсный электромагнитный контактор переменого тока: 1 - замыкающий блок-контакт; 2 - дугогасительная камера; 3 - решетка камеры; 4 - главные (силовые) контакты неподвижные; 5 - неподвижный магнитопровод; 6 - катушка; 7 - демпфер; 8 - подвижный магнитопровод; 9 - главные (силовые) контакты подвижные; 10 - гибкая связь; 11 - поворотный валик; 12 - траверса блок-контактов; 13 - размыкающий блок-контакт.
Магнитные пускатели представляют собой трехфазные контакторы переменного тока с замыкающими главными контактами. Используются для дистанционного и автоматического управления, обеспечивают частые включения и отключения двигателей, реверсирование трехфазных асинхронных двигателей. Управляют ими с помощью отдельно расположенных кнопочных станций. Некоторые типы магнитных пускателей имеют встроенное тепловое реле, защищающее электродвигатель от недопустимого перегрева при длительной перегрузке. Промышленность выпускает несколько типов магнитных пускателей. Наибольшее распространение получили пускатели серий ПМЕ и ПА (табл. 3, 4). Для электродвигателей следует выбирать соответствующие пускатели (табл. 5).
Таблица 3. Характеристика магнитных пускателей серии ПМЕ
Примечание: Нереверсивные пускатели ПМЕ-112, ПМЕ-122, ПМЕ-132, ПМЕ-212, ПМЕ-222, ПМЕ-232 (с реле); ПМЕ-111, ПМЕ-121, ПМЕ-131, ПМЕ-211, ПМЕ-221, ПМЕ-231 (без реле) могут иметь или два замыкающих блокировочных контакта, или одновременно по два размыкающих и замыкающих.
Таблица 4. Характеристика пускателей серии ПА
Таблица 5. Выбор магнитного пускателя и сечения жил для электродвигателей
Примечание. Приводятся сечения медных и алюминиевых жил (Cu/Al).
Для блокировки и защиты применяют: плавкие предохранители, электромагнитные реле максимального тока и автоматы с электромагнитными расцепителями – для защиты электродвигателей от короткого замыкания в силовых цепях; электротепловые реле и автоматы с тепловыми расцепителями (табл. 6) – для защиты двигателей от перегрузки при длительной работе; линейные контакторы в агрегатах, управляемых с помощью командоконтроллера, и реле напряжения в агрегатах с кнопочным управлением – для нулевой блокировки; реле времени и реле обрыва поля – для защиты синхронного двигателя от затянувшегося пуска; конечные выключатели предохраняют механизмы от перемещения за границу конечного положения; пусковая кнопка – для пуска оборудования в работу, а также исключения возможности как одновременного, так и ложного включения контакторов «В» («Вперед») и «Н» («Назад»).
Таблица 6. Выбор нагревательных элементов для электротепловых реле
Исключая возможность ложных и аварийных включений аппаратов, устройств и машин, блокировки повышают надежность работы системы электропривода. Они делятся на контактные и бесконтактные электрические и механические. По назначению блокировки классифицируются на защитные – для защиты двигателей и механизмов, обеспечивания безопасности людей; путевые – для ограничения хода механизмов; разрешающие – для соблюдения заданной последовательности работы схем (например, контакты пускателя маслонасоса токарного станка дают возможность в нужный момент включить главный привод).
Защита асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок. Такие двигатели при пуске потребляют от сети в течение нескольких секунд ток, превышающий номинальный в 5 – 7 раз. Для их защиты от коротких замыканий применяют автоматические выключатели и плавкие предохранители. Номинальный ток плавкой вставки предохранителей для двигателей с нормальным пуском (не дольше 5 с) выбирают по формуле:
где In – пусковой ток электродвигателя, А.
Для двигателей с тяжелыми условиями пуска (длительный разгон, частые пуски) номинальный ток выбирают по формуле:
Токовая уставка для тепловых реле и максимальных защит расцепителей выбирается по формуле:
Плавкие вставки предохранителей рассчитаны на стандартные номинальные токи – 15, 20, 25, 35, 80, 125, 160, 200 А, которые указываются в паспортных табличках двигателей.
Сведения о допустимых токовых нагрузках на провода и кабели и количестве жил в кабелях приведены в табл. 7 и 8.
Таблица 7. Допустимые токовые нагрузки на провода и кабели с медными и алюминиевыми жилами при температуре окружающей среды 25 оС, А
Таблица 8. Номинальные сечения и количество жил в кабеле
Электроосветительные установки
Электроосветительные установки – это комплекс устройств, включающий магистральные и групповые электрические сети, электроосветительные приборы, лампы, электроустановочные изделия, распределительные устройства, крепежные и защитные конструкции.
Классификация источников электрического света: лампы накаливания – вакуумные и газонаполненные с низким КПД: только 4% потребляемой ими электроэнергии превращается в энергию светового потока, воспринимаемого глазом человека, а остальная преобразуется в излучаемое лампой тепло. Световая отдача ламп одинаковой мощности при напряжении 127 В примерно на 10% выше, чем у ламп на 220 В; люминесцентные лампы потребляют примерно в три раза меньше электроэнергии, чем лампы накаливания, при одинаковой обеспечиваемой ими освещенности, позволяют лучше различать цветовые оттенки освещаемых предметов. Выпускают люминесцентные лампы мощностью 15, 20, 30 Вт, рассчитанные на 127 В, и 40, 80, 125 Вт – на 220 В. В зависимости от цветности свечения различают следующие типы люминесцентных ламп: ЛБ – белого света, наиболее экономичные, используются в производственных помещениях и общественных зданиях, когда не требуется четкого различения цветов, и для освещения улиц, дорог, площадей, ЛД – дневного света, ЛХБ – холодно-белого света, ЛДЦ – дающие эффект наибольшего приближения к дневному свету в производственных и общественных помещениях, где есть необходимость четкого различия цветов, ЛТБ – тепло-белого цвета, применяются в жилых помещениях, в комнатах отдыха на производстве; дуговые ртутные лампы (ДРЛ) – двухэлектродные и четырехэлектродные – выпускают мощностью от 250 до 1000 Вт.
Классификация светильников: по конструкции – на открытые незащищенные, частично и полностью пылезащищенные, частично и полностью пыленепроницаемые, брызгозащищенные, взрывонепроницаемые; по характеру светораспределения – на классы прямого, преимущественно прямого, рассеянного, преимущественно отраженного и отраженного спета; по способу установки – на группы потолочные, встраиваемые в потолках, подвесные, настенные и напольные.
Типы светильников и их применение приведены и табл. 9.
Таблица 9. Характеристика светильников
Примечание. Светильники рассчитаны на напряжение частотой 50 Гц.
Электрические схемы классифицируют по назначению на структурные – определяют основные функциональные части установок, их назначение и взаимосвязь; функциональные – разъясняют, какие процессы протекают в отдельных функциональных цепях установки или в установке в целом. Функциональной цепью называется линия, канал, тракт определенного назначения; принципиальные (полные) – дают представление о полном составе элементов и связях между ними, о принципах работы установки; монтажные – показывают, как соединяются составные части установки, какие провода, жгуты, кабели требуются для этих соединений, определяют места их присоединения и ввода (зажимы, разъемы, клеммовые ряды и др.); схемы подключения дают представление о внешних подключениях изделий; общие схемы – определяют составные части комплекса и порядок их на месте эксплуатации.
Графические и буквенные обозначения основных элементов электрических схем приведены в табл. 10 и 11.
Таблица 10. Условные графические обозначения в электрических схемах (ЕСКД) 
Таблица 11. Буквенные обозначения в электрических схемах (ГОСТ 2.710-81) 
Если в связи с особенностями установки объем сведений, необходимых для ее регулировки, контроля, ремонта и эксплуатации, нельзя передать при помощи определенных типов схем, стандарт допускает разработку других. Примером тому могут служить широко распространенные принципиальные монтажные схемы, дополненные промежуточными схемами щитов, пультов, сборок, маркировкой выводов аппаратов.
Общие положения о назначении отдельных элементов схем и их совокупности таковы:
- контакты различных аппаратов соединяются параллельно, чтобы цепь замыкалась раздельно любым из них, а размыкалась всеми контактами вместе;
- контакты различных аппаратов соединяют последовательно, чтобы цепь замыкалась всеми контактами вместе, а размыкалась любым из них;
- контакты одного и того же аппарата соединяют параллельно, если длительный ток цепи больше длительного тока, допускаемого для каждого контакта в отдельности;
- контакты одного аппарата соединяют последовательно для облегчения размыкания цепи;
- обмотки двух аппаратов соединяют параллельно или последовательно, если у одного из аппаратов не хватает контактов; возможен иной вариант – один аппарат включают через контакт другого как повторитель (перечисленные способы соединения не равноценны);
- сопротивление, включаемое последовательно с лампой, служит добавочным, чтобы, например, лампу на 24 В применить в сети 110 В и т. п.;
- сопротивление, включаемое последовательно с обмоткой реле, может быть и просто добавочным, но может выполнять и более важную роль – ускорять срабатывание (два реле, отличающиеся только обмотками, срабатывают за различное время, если одно из них имеет обмотку на 110 В и включено в сеть 110 В, а другое имеет обмотку на 24 В и включено в ту же сеть, но через добавочное сопротивление);
- сопротивления, включаемые параллельно обмотке реле, могут и гасить коммутационные перенапряжения, и увеличивать время отпускания;
- конденсаторы в цепи постоянного тока проводят ток, пока не заряжены;
- конденсаторы в сочетании с сопротивлениями применяются для обеспечения выдержки времени, а также в искрогасительных контуров;
- вентили используются не только для выпрямления. Нередко они служат для разделения цепей;
- аппараты и их детали на схемах изображают, как правило, в отключенном положении, то есть когда во всех цепях схемы отсутствуют ток и внешние принудительные силы, воздействующие на подвижные части тех или иных механизмов.
Читать схемы следует начинать с простейших, постепенно переходя к сложным. Хорошие результаты по освоению техники чтения схем дает их составление. Например, взяв за основу схему управления магнитным пускателем (рис. 5 а), можно задаться целью изобразить на ней контроль включенного пускателя при помощи сигнальной лампы, используя замыкающий блок – контакт пускателя (рис. 5 б). Теперь можно добавить в схему лампочку контроля отключения пускателя (рис. 5 в). Допустим, что в пускателе нет свободных блок-контактов, а сигнализация о его положении необходима. Наиболее простое решение этой задачи – ввести в схему промежуточное реле, запитав его катушку параллельно катушке пускателя, а контакты использовать для цепей сигнализации (рис. 5 г).
Рис. 5. Схема включения магнитного пускателя: а - основная; б - с контролем о включении в работу сигнальной лампой; в - с контролем о включении и отключении сигнальными лампами; г - с промежуточным реле для сигнализации о положении схемы двумя лампами
Вводя в схему элементы сигнализации, блокировок, защит с заданной целью, можно быстро научиться разбираться в самых сложных схемах электроустановок. Смысл этих упражнений – понять принцип составления схем. Тогда легче овладеть и техникой чтения принципиальных схем.
Маркировка цепей в электрических схемах
Вопрос о маркировке важнее и сложнее, чем он представляется тем, кто не сталкивался с ним на практике – при монтаже, наладке, в процессе эксплуатации машин и механизмов. Во-первых, без маркировки нельзя понять электрические чертежи, во-вторых, неправильно выполненная маркировка повлечет за собой, недопустимые и даже опасные по своим последствиям действия персонала. Следствие – короткое замыкание, соединение несфазированных линий и т. п.
ГОСТ 2.709-72, определяющий систему маркировки цепей в электрических схемах, введен с 1 января 1974 года. В соответствии с ним следует наносить маркировки цепей (силовых, управления, защиты, сигнализации, автоматики, измерения) в электрических схемах. Маркировка участков цепи служит для их опознания и может отражать их фунциональное назначение.
Принципы маркировки цепей (участков, элементов и устройств) на принципиальных электрических схемах:
участки цепи, разделенные контактами аппаратов, обмотками катушек реле, приборов, машин, резисторами и другими элементами, должны иметь разную маркировку, а проходящие через разъемные, разборные или неразборные контактные соединения – одинаковую. Цепи в схемах маркируют независимо от нумерации входных и выходных элементов (зажимов) машин, аппаратов, приборов. Последовательность маркировки должна быть от ввода источника питания к потребителю, а разветвляющиеся участки цепи маркируются сверху вниз в направлении справа налево.
При маркировке применяют арабские цифры и прописные буквы; их следует выполнять одним размером шрифта.
Фазы переменного тока маркируют: цепи трехфазного – A, B, C и двухфазного – A, B; В, С; C, A; однофазного – A, N; B, N; C, N.
Четные или нечетные числа могут присваиваться участкам цепи любой фазы или нейтрали – обозначение фазы пишется перед цифровым знаком. В цепях управления или сигнализации индекс фазы не обязателен.
Силовые цепи постоянного тока маркируют:
участки цепей положительной полярности – нечетными числами, отрицательной – четными. Входные и выходные участки цепи маркируют с указанием полярности: плюс «+» и минус «-». Средний проводник обозначают буквами N или M (рис. 6);
на схеме маркировку проставляют около концов или в середине участка цепи: при вертикальном расположении цепей – слева от изображения, при горизонтальном – над изображением цепи. Если в одном кабеле, пучке проводов или в общем ряду зажимов встречаются цепи с одинаковой маркировкой, но относятся к разным присоединениям, то для их отличия перед маркировкой цепи проставляют обозначения присоединения (генератор, электродвигатель, трансформатор и т. п.), отделяя его знаком дефис;
если в процессе работы схемы участок цепи изменяет полярность, то проводники, не имеющие явно выраженной полярности (участок между двумя катушками реле, резисторы) маркируют как четными, так и нечетными числами.
Продолжение »