Проект системы электроснабжения механического завода

1. Технические расчеты

1.1 Расчёт нагрузок цеха № 1

завод трансформатор подстанция заземление В исходных данных приведены номинальные мощности подведенные к валу двигателя. Расчет нагрузок выполняется методом упорядоченных диаграмм (методом коэффициента максимума), в котором используются номинальные мощности электрооборудования поэтому используя мощности приведенные в исходных данных, необходимо выбрать стандартные номинальные значения этих мощностей для каждого вида оборудования. Этот выбор осуществляется по следующим формулам

(1)

(2)

(3)

где - стандартное номинальное значение мощности, кВт;

- значение мощности подведенной к валу двигателя, кВт;

- номинальная мощность, кВт

— паспортная активная мощность грузоподъемных механизмов, кВт;

— полная паспортная мощность сварочного оборудования, кВА;

ПВ_i - продолжительность включения, выраженная в долях единицы;

- активный коэффициент мощности сварочного оборудования.

Выбор стандартных номинальных мощностей и технических данных двигателей был произведен по таблице 2 из результаты выбора сведены в таблицу 3.

Таблица 3 — Технические данные двигателей

Для каждого вида оборудования необходимо вычислить номинальный ток I_ном, А по формуле

(4)

где I_номi - номинальное значение тока, А;

U_ном = 380 В - номинальное напряжение питающей сети;

- коэффициент активной мощности электроприемника.

Результаты вычисления приведены в таблице 3.

Все электроприёмники цеха № 1 разделены на группы с одинаковым режимом работы (одинаковыми значениями коэффициента использования - и активного коэффициента мощности -). Численное значение и выбираются по таблице 2.11 из.

У электроприемников в группах, имеющих различную мощность, номинальная мощность представлена в виде двух чисел минимума и максимума ее значений.

Расчет установленной мощности P_уст, кВт для каждой группы электроприемников производится по следующей формуле

(5)

где — соответствующая номинальная мощность электроприемника в этой группе, кВт;

- число электроприёмников в группе имеющих одинаковую мощность, шт.

Расчет установленной мощности цеха № 1 осуществляется путем суммирования установленных мощностей всех групп электроприемников.

Активные и реактивные мощности групп электроприемников, за наиболее загруженную смену работы завода определяются по формулам

(6)

где — активная мощность группы электроприемников за наиболее загруженную смену работы завода, кВт;

— установленная мощность, кВт;

— коэффициент использования.

(7)

где - коэффициент реактивной мощности группы электроприемников;

— реактивная мощность группы электроприемников за наиболее загруженную смену, кВт.

Диапазон изменения мощностей цеха № 1 рассчитывается, как отношение единичной мощности электроприемника с максимальной мощностью другого электроприемника с минимальной мощностью:

(8)

где — диапазон изменения мощностей;

— максимальная мощность единичного электроприемника, кВт;

— минимальная мощность единичного электроприемника, кВт.

Результаты вычислений в таблице 4 указываются в виде: m>3, m<3 m =3.

Совместно для всех групп электроприемников численное значение средневзвешенных коэффициента использования и реактивного коэффициента мощности определяется по формулам

(9)

где K_uсв - средневзвешенный коэффициент использования.

(10)

Значение средневзвешенного активного коэффициента мощности () определяется по величине () средневзвешенного.

Для сокращения объема расчета осуществлен переход от действительного числа электроприемников (n_д) к эффективному числу электроприемников (n_эф) в цехе 1. Этот переход может быть осуществлен тремя способами.

Если m<3, то при любых значениях средневзвешенного коэффициента использования ;

Если, а, то n_эф число электроприемников определяется по формуле

(11)

где P_{i max} — единичная максимальная мощность электроприемника, кВт;

n_эф-число эффективных электроприемников, шт.

Если m>3, а K_uсв< 0,2, то расчет эффективного числа электроприемников производится по следующим формулам

(12)

где n_эф* — относительное значение эффективного числа электроприемников, определяемое по относительному значению действительного числа электроприемников и их мощностей .

Если по расчетам >n_д, то в таблицу 4 заносится действительное число электроприемников.

Коэффициент максимума (M_max) определяется с учетом численных значений n_эф и K_uсв по таблице 2.13 из.

Активная P_max, кВт реактивная Q_max, кВар и полная мощности S_max, кВА тридцати минутного максимума нагрузки в наиболее загруженную смену работы завода определяется по следующим формулам

. (13)

(14)

где - коэффициент, принимающий значение:

если ;

если .

(15)

Максимальный ток цеха № 1 определяется по формуле

. (16)

1.2 Расчет нагрузок завода

Коэффициент спроса (К_с) для первого цеха высчитываем по формуле

(17)

где - максимальная активная мощность цеха, кВт;

- установленная мощность цеха, кВт.

Величина активной и реактивной мощности цехов 2-5 определяется по формулам

(18)

. (19)

Численное значение полной мощности (S_max) и максимального тока () для цехов 2-5 определяется по формулам 15 и 16.

Расчет всего завода осуществляется путем суммирования этих величин, а полной мощности и максимального тока по формулам 15 и 16.

Величина средневзвешенного коэффициента спроса (K_ссв) для всего завода определяется по формулам

(20)

Расчет средневзвешенного коэффициента реактивной мощности () для всего завода определяется по формуле

(21)

По найденному определяем cos_св завода.

Таблица 5 — Расчёт нагрузок завода

1.3 Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

Питание цехов завода осуществляется от отдельных, встроенных трансформаторных подстанций (ТП).

При выборе трансформаторов каждой ТП необходимо учитывать тип, требуемую мощность, значение высшего и низшего напряжения, условия в которых будет эксплуатироваться трансформатор.

Число трансформаторов на подстанции зависит от категории надежности питаемых электроприемников, установленной мощности оборудования и графика его работы. Согласно курсовому заданию нагрузки цехов 3-5 содержат порядка 70% электроприемников 1 и 2 категории надежности, а в цехе 2 их количество составляет порядка 60%. Цех № 1 содержит нагрузку, относящуюся к третьей категории надёжности электроснабжения. И поэтому коэффициент загрузки трансформатора может быть равен 0,9. В цехах 2-5 с учетом аварийной допустимой перегрузки коэффициент загрузки трансформаторов не должен превышать 0,7. Для цехов 2-5 необходимо применять двух трансформаторные подстанции, для цеха № 1 питание может осуществляться от одного трансформатора.

Для цеховых трансформаторных подстанций предполагается выбрать трансформаторы типа ТМ, с масленым охлаждением, т.к. он обладает наибольшей перегрузочной способностью.

Коэффициент загрузки К_з для трансформаторов определяется по формуле

(22)

В таблице 6 приведены типы и данные для каждого трансформатора которые выбираются по полной максимальной мощности:

(23)

где К_з - коэффициент загрузки;

п - число трансформаторов, шт.

Выбор трансформатора осуществляется исходя из условия,

(24)

Для всех трансформаторов определяются потери активной и реактивной мощностей, а также потери энергии по формулам

(25)

(26)

(27)

где - потери холостого хода трансформатора, кВт;

- потери в обмотке трансформатора, кВт;

- ток холостого хода, %;

- напряжение короткого замыкания, %.

- время потерь.

Технические данные цеховых трансформаторов взяты из таблицы 2.93 [3]. ;

Эти полученные данные запишем в таблицу 6.

Таблица 6 — Технические данные цеховых трансформаторов

Численные значения потерь активной, реактивной мощностей и потерь активной энергии приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Потери мощности в цеховых трансформаторах

1.4 Выбор числа и мощности трансформаторов главной понизительной подстанции (ГПП)

Для главной понизительной подстанции (ГПП) выбираются два трансформатора таким образом, чтобы при выходе из строя одного трансформаторов другой смог бы обеспечить бесперебойным питанием все электроприемники первой и второй категории надёжности, но при этом его перегрузка не должна составлять более 40%, т. е. коэффициент загрузки не должен превышать 0,7.

Для осуществления выбора трансформаторов вычисляются расчетные нагрузки ГПП.

Активная максимальная мощность ГПП, кВт определяется по формуле

(28)

где - коэффициент, учитывающий не одновременность максимальных нагрузок;

- активная максимальная мощность завода, кВт;

- потери активной мощности цеховых трансформаторов всего завода, кВт.

Максимальная реактивная мощность главной понизительной подстанции, кВар определятся по формуле

(29)

где - максимальная реактивная мощность завода, кВар;

- потери реактивной мощности в цеховых трансформаторах всего завода, кВт.

Максимальная допустимая реактивная нагрузка, кВар завода вычисляется по формуле

(30)

где - реактивный коэффициент мощности, энергосистемы завода.

Расчет суммарная реактивной мощности компенсирующих устройств, кВар производится по следующей формуле

. (31)

Полная максимальная мощность ГПП, кВА определяется по формуле

. (32)

Таблица 8 — Расчётные нагрузки ГПП

Расчет требуемой полной мощности для каждого трансформатора ГПП производится по формуле 23.

По таблице 2. — 93 из выбирается тип и полная номинальная мощность трансформаторов ГПП, выбор осуществляется исходя из условия 24.

Таблица 9 - Технические данные трансформаторов ГПП

Данные потерь мощности трансформаторов главной понизительной подстанции приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Потери мощности в трансформаторах ГПП

1.5 Определение центра электрических нагрузок

Источником питания завода является ГПП, правильное ее местоположение обеспечивает работу завода с наименьшими потерями мощности и экономию цветного металла используемых кабелей, шин и проводов. Место, где расположено ГПП называется центром электрических нагрузок (ЦЭН).

Определение центра электрических нагрузок производится по следующим формулам:

(33)

(34)

где - координата цеха по оси абсцисс, определяется по рисунку 2, мм;

- координаты цеха по оси ординат, определяется по рисунку 2, мм;

— полная максимальная мощность цеха, кВА.

Для каждого цеха строится картограмма нагрузок, имеющихся на рисунке 2, в виде окружности определённого радиуса. Радиус окружности каждой из картограмм определяется по формуле

(35)

где m - масштаб равный 2, кВА/мм².

Результаты расчетов радиуса окружности для построения картограмм нагрузок завода сведены в таблицу 11.

Таблица 11 - Радиусы окружности для построения картограмм

Питание цехов завода от ГПП осуществляется кабелями ААБ, проложенных в земляных траншеях на расстоянии между кабелями 200 мм. Для каждого кабеля определяется расчетный ток, А по формуле

(36)

где U_ном=10 кВ - вторичное напряжение трансформатора ГПП.

Сечение кабеля выбирается по таблице 2 из согласно условию

(37)

где - допустимый ток кабеля проложенного к данному цеху, А.

При прокладке нескольких кабелей в одной траншеи вводится поправочный коэффициент

(38)

где - поправочный коэффициент, зависящий от числа работающих в траншее кабелей, при расстоянии между ними 200 мм выбирается по таблице 6.

Количество кабелей прокладываемых к цеху зависит от категории надежности электроснабжения оборудования находящегося в этом цехе. В цехах содержащих электроприемники первой и второй категории надежности, прокладывается два кабеля поэтому, в случае повреждения и последующего отключения одного из них, питание будет осуществляться по второму. В цехе № 1 расположенное электрооборудование третьей категории надежности, которая допускает длительный перерыв в электроснабжении, поэтому к этому цеху прокладывается один кабель.

В таблице 12 приведены данные по выбору сечения и количества кабелей, их длины от ГПП до цеха с учетом запаса (4 м), а также допустимый ток в том числе с введением поправочного коэффициента.

Таблица 12 - Распределительная сеть завода

Электроснабжение завода осуществляется от энергосистемы по воздушной линии (ВЛ), выполнены сталеалюминевыми проводами.

Для того, чтобы определить сечение проводов воздушной линии определяется полная максимальная мощность завода, кВА по формуле

(39)

кВА.

Напряжение воздушной линии рассчитывается по формуле:

(40)

кВ,

где n - число воздушных линий, (п =2) шт.;

L - длина воздушной линии, 23 км.

Максимальный ток потребляемый заводом вычисляется по формуле

(41)

А.

где U_ном.з = 35кВ - номинальное напряжение энергосистемы.

Сечение проводов воздушной линии определяется по экономической плотности тока согласно формуле:

(42)

мм².

где J_эк - экономичная плотность тока, А/мм ² (определяется по таблице 2,26 [1]);

- экономически целесообразное расчетное сечение, мм².

Выбирается ближайшее стандартное сечение провода: АС — 25, с допустимым током I_доп=130А.

Воздушная линия проверяется на потерю напряжения, % по формуле

(43)

%.

где r_0, x_о - удельное активное и реактивное сопротивление, Ом/км (определяется по таблице 3-16 [3], при среднем расстоянии между осями проводов Д_ср.=3000 мм).

Максимально допустимая потеря напряжения для ВЛ составляет 8%. Полученное при расчетах значение ниже этой величины, поэтому по выбранным ранее проводам марки АС-25 возможно обеспечить электроснабжение завода.

1.7 Выбор пусковой и защитной аппаратуры

Питание электроприемников цеха № 1 от электрической сети завода осуществляется по магистральным и радиально-магистральным схемам. В качестве силовых кабелей питающих сети применяются кабели марки АВВГ, которые прокладываются в кабельных каналах в полу. Распределительная сеть выполняется проводами марки АПВ проложенными в трубах ПХВ в бетонном полу.

Основной защитной аппаратурой электрооборудования и станков цеха № 1 являются автоматические выключатели серии АЕ2000, для сварочного оборудования это предохранители ПР-2, в качестве пусковых аппаратов применяются магнитные пускатели серии ПМЛ.

Исходные данные для выбора этой аппаратуры приведены в таблице 3. По расчетному току для каждого вида оборудования токи, соответственно тип автоматического выключателя.

Автоматические выключатели выбираются исходя из условий:

(44)

где I_АВi - номинальный ток автоматического выключателя, А;

I_рi - расчетный ток электрооборудования, определяется по формуле

(45)

Ток теплового расцепителя-выключателя определяется исходя из условия

(46)

где I_трi - ток срабатывания теплового расцепителя, А.

Ток электромагнитного расцепителя определяется по формуле

(47)

где I_эрi - ток электромагнитного расцепителя, А.

Выбор автоматического выключателя и их номинальных данных производится по таблице 14.2.

В каждом распределительном пункте цеха предусматриваются резервные автоматические выключатели.

Для сварочного оборудования определяется ток продолжительности включения по формуле

(48)

где I_ПВi - ток кратковременного режима работы, А;

S_пi - полная паспортная мощность, кВА;

U_ном=380 В - номинальное напряжение.

Рассчитываем ток плавкой вставки предохранителя по формуле:

(49)

где I_встi - ток плавкой вставки, А;

ПВ - коэффициент продолжительности включения.

Номинальный ток патрона и тип предохранителя выбирается исходя из условия

(50)

где I_пi - ток патрона предохранителя, А.

Ток плавкой вставки предохранителя определяется из условия

(51)

Выбор предохранителей и их номинальных данных производится по таблице 14.1.

Определение типа и номинального тока магнитного пускателя осуществляется по номинальному току электрооборудования

(52)

Для каждого магнитного пускателя определяем ток теплового реле:

(53)

Магнитные пускатели и их номинальные данные выбираются по таблице 14.2 и 14.7.

Сечение проводов распределительной сети цеха № 1 определяется по длительно допустимому току по таблице 2 из [4], согласно условию 37.

Результаты выбора защитной и пусковой аппаратуры, а также сечение проводов сведены в таблицу 13.

Таблица 13 - Защитная и пусковая аппаратура цеха № 1

Сечение питающей сети цеха № 1 определяется по «нагреву» исходя из условия 37. Расчетный ток каждого участка является алгебраической суммой рабочих токов электрооборудования входящих на участок, определяется по формуле

(54)

Результаты выбора приведены в таблице 14.

Таблица 14 — Питающая сеть цеха

1.8 Расчет контура заземления ГПП

На проектируемом заводе ГПП выполнено по упрощенной схеме без сборных шин и выключателей на стороне высокого напряжения. На U = 10кВ применена одиночная секционированная система шин. Секционный выключатель (Q3) в нормальном режиме отключен. На стороне первичного отключения предусмотрена неавтоматизированная ремонтная перемычка, позволяющая при проведении плановых ремонтов на воздушных линиях, питать оба трансформатора ГПП по одной воздушной линии. В нормальном режиме разъединители этой перемычки (QS5 и QS6) разомкнуты. На стороне высокого напряжения между перемычками и трансформаторами установлены отделители (QS4 и QS10) и короткозамыкатели (QK1 и QK2).

Электрическая принципиальная однолинейная схема питающей сети завода представлена на рисунке 3.

На основании этой схемы составлена расчетная схема цепи короткого замыкания (К.З). При этом предполагается, что параллельная работа двух воздушных линий и двух трансформаторов невозможно т.к. обе цепи электрической схемы абсолютно идентичны, это позволяет произвести расчет токов короткого замыкания только в одной ветви схемы. Расчетная схема такой ветви представлена на рисунке 4. На основании расчетной схемы составлена схема замещения, которая приведена на рисунке 5.

Принципиальная электрическая однолинейная схема питающей сети завода представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема электрическая однолинейная принципиальная Расчёт токов короткого замыкания производится для точек К1 и К2, по величине токов К3 в точке К1 осуществляется проверка разъединителей, отделителей и короткозамыкателей на стороне первичного напряжения. Токи КЗ в точке К2 служат для проверки вводных и секционных выключателей, а также для проверки шин на термическую устойчивость.

Расчёт токов короткого замыкания производится в относительных базисных единицах. В качестве базисной мощности (S_б) применяется мощность (S_кз) на шинах районной подстанции, которая по заданию проектируемый завод получает питание равна 500 МВА.

В качестве базисных напряжений используются средние значения напряжений соответствующих ступеней схемы (U_б1 =37,5 кВ; U_б2 =10,5 кВ), тогда базисные токи будут равны:

(55)

кА,

(56)

кА.

Сопротивления схемы замещения будут равны:

1) Относительное базисное сопротивление определяется по формуле:

(57)

2) Индуктивное базисное сопротивление воздушной линии будет равно:

(58)

3) Активное базисное сопротивление воздушной линии будет равно:

(59)

4) Индуктивное базисное сопротивление трансформатора будет равно:

(60)

5) Суммарное индуктивное базисное сопротивление до точки К1 будет равно:

(61)

6) Полное базисное сопротивление до точки К1 определяется в зависимости от численных значений и

Если ,

то. (62)

Если ,

то (63)

7) Индуктивное базисное сопротивление до точки К2 определяется по формуле:

(64)

8) Полное базисное сопротивление до точки К2 определяется в зависимости от численных значений и

Если ,

то. (65)

Если ,

то (66)

Мощность питающей системы несоизмеримо больше мощности завода. Поэтому предполагается, что апериодическая составляющая токов К3 в точках К1 и К2 во времени не изменяется.

тогда установившиеся токи короткого замыкания в этих точках будут равны

(67)

кА

(68)

кА.

Величины ударных токов в точках К1 и К2 определяются по следующим формулам:

(69)

где К_У - ударный коэффициент.

кА.

(70)

кА.

2. Экономическая часть

2.1 Спецификация на пусковую и защитную аппаратуру цеха № 1

Спецификация на пусковую и защитную аппаратуру цеха № 1 представлена в таблице 15.

Таблица 15. Спецификация на пусковую и защитную аппаратуру цеха № 1

Заключение

На основании выданного задания курсовой проект выполнен по действующим строительным нормам и правилам (СниП). При проектировании электроснабжения механического завода расчет цеховых нагрузок был осуществлен двумя методами: методом коэффициента максимума в цехе № 1 и методом коэффициента спроса в цехах № 2-5. Произведён выбор цеховых трансформаторов для цехов № 1-5 и трансформаторов главной понизительной подстанции (ГПП). Выбор осуществлялся по коэффициенту загрузки в нормальном и аварийном режимах работы. Для этих трансформаторов были определены активные и реактивные потери мощности, а так же потери активной энергии за год. Распределительная сеть данного завода выполнена кабелями марки ААБ, которые проложены в траншее. Сечение этих кабелей выбиралось по длительному допустимому току. Питания завода производится по двум воздушным линиям с номинальным напряжением 35 кВ. Для воздушной линии был выбран сталеалюминевый провод марки АС-25. Сечение этих поводов выбиралось по экономической плотности тока. Для защиты электрооборудования цеха № 1 выбраны автоматические выключатели серии АЕ с комбинированными распределителями, а для сварочного оборудования предохранители серии ПР2. В качестве пусковых аппаратов применены магнитные пускатели марки ПМЛ. Питающая сеть цеха № 1 выполнена кабелями АВВГ, а распределительная поводами АПВ. Для подъемного оборудования применен кабель АНРГ. Сечение кабеля и проводов выбрано по длительному допустимому току. Расчет токов короткого замыкания для двух точек питающей сети завода произведен в относительных базисных единицах. Это необходимо для выбора и проверки короткозамыкателей, разъединителей на стороне первичного напряжения.

1. Липкин, Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. М.; ВШ, 1990

2. Цигельман, И. Е. Электроснабжение гражданских зданий и коммунальных предприятий. М.; ВШ, 1988

3. Правила устройства электроустановок. М.; Энергоатомиздат, 2006.

4. Володькина, Т. А. Методическое пособие по выполнению курсовых и расчетно-практических работ. СПб., АТЭМК, 2006

5. Справочная книга по проектированию электроснабжения под редакцией Большама Я. М. и Круповича В.И.М.; Энергия, 1974.

6. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник под редакцией Кравчика А. Э. и Шлафа Ф.М.М.; Энергоиздат, 1982

7. Сибикин, Ю. Д. Электроснабжение промышленных и гражданских зданий, М, Академия, 2006