Проектирование системы электроснабжения завода

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Амурский государственный университет"

(ГОУВПО " АмГУ)

Кафедра энергетики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: Проектирование системы электроснабжения завода по дисциплине: Электроснабжение промышленных предприятий Исполнитель Студент группы 404 С

О.В. Вержбицкий Руководитель Профессор Н. В. Савина Нормоконтроль Т. Ю. Ильченко Благовещенск 2007

Реферат

Работа 65 с, 7 рисунков, 26 таблиц.

Внутреннее электроснабжение, низковольтное электроснабжение, магистральный шинопровод, распределительный шинопровод, силовой пункт, трансформаторная подстанция, предохранитель, автоматический выключатель.

В ходе курсового проектирования спроектировано внутреннее электроснабжение завода и низковольтное электроснабжение цеха. Для этого определенны электрические нагрузки, выбрано число и мощность трансформаторов КТП. Осуществлен выбор номинального напряжения, выбраны сечения линий. Для механического цеха выбрана и проверена коммутационно-защитная аппаратура.

• Реферат
• Введение
• 1. Проектирование внутреннего электроснабжения завода
• 1.1 Классификация и общие характеристики потребителей электроэнергии
• 1.2 Расчет трехфазных электрических нагрузок по первому этапу
• 1.3 Выбор однолинейной схемы пункта приема электроэнергии и места его расположения
• 1.4 Выбор числа и мощности трансформаторов КТП
• 1.5 Выбор двух вариантов схемы внутреннего электроснабжения
• 1.6 Выбор номинального напряжения
• 1.7 Выбор сечений линий 10 кВ
• 1.8 Выбор оптимального варианта схемы внутреннего электроснабжения
• 1.9 Проверка сечений линий
• 1.10 Измерение и учет электроэнергии
• 2. Проектирование низковольтного электроснабжения цеха
• 2.1 Расчет трехфазных электрических нагрузок по первому этапу
• 2.2 Расчет центра электрических нагрузок
• 2.3 Выбор числа и мощности трансформаторов КТП с учетом компенсации реактивной мощности
• 2.4 Расчет электрических нагрузок для выбора распределительной сети (II этап)
• 2.5 Выбор сечений проводников
• 2.6 Выбор коммутационно-защитной аппаратуры
• 2.7 Проверка сечений проводников и коммутационно — защитной аппаратуры
• 2.7.1 Расчет токов короткого замыкания
• 2.7.2 Проверка выбранных сечений проводников по потери напряжения
• 2.7.3 Проверка шинопроводов на электродинамическую стойкость
• 2.7.4 Проверка выбранных автоматических выключателей
• 2.7.5 Проверка выбранных предохранителей
• 2.8 Построение карты селективности
• 2.9 Конструктивное исполнение низковольтной сети
• Заключение
• Библиографический список

В ходе проектирования распределительных сетей промышленного предприятия необходимо учесть применение методов компенсации реактивной мощности и обеспечение надежного электроснабжения потребителей промышленного предприятия.

Под системой электроснабжения промышленного предприятия понимается совокупность электрических сетей всех напряжений, расположенных на территории предприятия и предназначенных для электроснабжения его потребителей.

Проектирование системы внутреннего электроснабжения основывается на общих принципах построения схем внутризаводского распределения электроэнергии. Характерной особенностью схем внутризаводского распределения электроэнергии является большая разветвленность сети и наличие большого количества коммутационно-защитной аппаратуры, что оказывает значительное влияние на технико-экономические показатели и на надежность системы электроснабжения.

1. Проектирование внутреннего электроснабжения завода

1.1 Классификация и общие характеристики потребителей электроэнергии

Потребитель электрической энергии — электроприемники (ЭП) или группы ЭП объединенные единым технологическим процессом и размещенные на определенной территории.

Классификация электроприемников:

1 ЭП трехфазного тока напряжение до 1 кВ с частотой 50 Гц;

2 ЭП трехфазного тока напряжением выше 1 кВ с частотой 50 Гц;

3 ЭП трехфазного тока с частотой отличной от промышленной;

4 ЭП однофазного тока напряжением до 1 кВ с частотой 50 Гц;

5 ЭП постоянного тока напряжением до 1 кВ;

6 ЭП постоянного тока напряжением выше 1 кВ.

Систематизация потребителей электроэнергии осуществляется по техническим признакам: производственное назначение, производственные связи, режим работы, мощность, напряжение, род тока, территориальная размещенность, требования к надежности электроснабжения.

По степени надежности потребители электроэнергии разбиваются на три категории:

К первой категории относятся потребители перерыв в электроснабжении, которых, представляет опасность для жизни человека, значительный ущерб народному хозяйству, брак продукции, расстройству сложного технологического процесса, нарушение функций особо важных элементов коммунального хозяйства.

Особая группа выделяется с целью безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения основного дорогостоящего оборудования.

Ко второй категории относятся потребители, перерыв в электроснабжении которых, предполагает массовый недоотпуск продукции, массовый простой рабочих, механизмов и рабочего транспорта.

К третьей категории относятся все остальные потребители электрической энергии.

По режиму работы ЭП могут быть разделены на группы: по сходству режимов, то есть по сходству графиков электрических нагрузок. Деление потребителей на группы позволяет более точно определять электрическую нагрузку.

Различают три характерные группы ЭП:

1 ЭП в режиме продолжительной, неизменной или меняющейся нагрузки;

В этом режиме ЭП могут работать длительное время без превышения температуры отдельных частей электрической машины выше допустимой.

2 Кратковременная нагрузка — не настолько длительная, чтобы температура отдельных частей машины или аппарата могла достигнуть установившегося значения. А период их остановки таков, что они успевают охладиться до температуры окружающей среды.

3 ЭП работающие в режиме повторно кратковременного включения, в этом случае кратковременная работа машины или аппарата чередуется с кратковременными периодами отключения, при этом нагрев не превосходит допустимого, а охлаждение не достигает температуры окружающей среды.

По условию окружающей среды производственные помещения классифицируются:

1 по температуре воздуха;

1.1 нормальные t<30 ⁰С;

1.2 жаркие, длительно держится температура выше 30 ⁰С;

2 по влажности среды;

2.1 сухие, относительная влажность меньше 60%;

2.2 влажные относительная влажность больше 60%, но меньше 75%;

2.3 сырые, относительная влажность больше 75%, но меньше 100%;

2.4 особо сырые, относительна явлажность равна 100%; ъ

3 по пыли;

3.1 нормальная среда;

3.2 пыльная среда,

4 по врыво и пожароопасности.

4.1 по пожару и взрыву помещения делятся на категории, А и Б — врыво и пожароопасные помещения.

1.2 Расчет трехфазных электрических нагрузок по первому этапу

Определение электрических нагрузок в системе электроснабжения (СЭС) промышленного предприятия выполняют для характерных мест присоединения приёмников электроэнергии. При этом отдельно рассматривают сети напряжением до 1 кВ и выше.

Номинальную мощность (активную P_ном и реактивную Q_ном) группы цехов определяют как алгебраическую сумму номинальных мощностей отдельных цехов.

Групповая номинальная (установленная) активная мощность:

(1) гдеn — число цехов.

Групповая номинальная реактивная мощность:

(2)

Средние активные и реактивные мощности цехов:

(3)

Суммарные значения средней активной и реактивной мощности цехов:

(4)

(5) где m — число цехов.

Определяется расчетная мощность на шинах 6−10 кВ ГПП с учетом коэффициента расчетной нагрузки, для высоковольтной схемы электроснабжения К_р=1.

Расчетные активная и реактивные мощности группы цехов выше 1 кВ:

(6)

. (7)

Произведем расчет нагрузки по приведенному выше алгоритму. Исходные данные приведены в таблице1.

Таблица 1 — Исходные данные

Суммарные значения средней активной и реактивной мощности цехов находим по формулам (4) и (5):

Суммарные расчетные активная и реактивная мощности цехов равны:

Р_рУ=27,52 МВт, Q_рУ=12,19 МВ· Ар.

1.3 Выбор однолинейной схемы пункта приема электроэнергии и места его расположения

Схему ГПП выбирают с учетом установленной мощности потребителей электроэнергии и категории их надежности, характера электрических нагрузок и размещения их на генеральном плане предприятия, а также производственных, архитектурно-строительных и эксплуатационных требований. В общем случае схема ГПП включает в себя один или несколько понизительных трансформаторов и РУ высшего, среднего и низшего напряжений. Наиболее простыми и экономичными являются схемы подстанций без сборных шин на высшем напряжении. Такие схемы основаны на блочном принципе и рекомендуются к применению на все напряжения. Схемы с одной системой шин на первичном напряжении 110−220 кВ ГПП применяют при невозможности использовать блочные схемы без выключателей и без сборных шин.

Схемы с двумя системами сборных шин на высшем напряжении применяют в редких случаях на очень мощных ответственных подстанциях, имеющих большое число присоединений, включая транзитные линии. Распределительные устройства с двумя системами шин дороги, сложны в эксплуатации и требуют сложных блокировок.

Когда требуется гибкость оперативных переключений, а также частая ревизия выключателей по условиям их работы, применяют схемы с обходной системой шин. Схемы такого типа не являются характерными для промышленных предприятий, и их применяют на крупных узловых подстанциях районного назначения с большим числом присоединений.

Для разработки экономически целесообразной системы электроснабжения необходимо ГПП установить в центре электрической нагрузки.

Таблица 2 — Исходные данные для расчета ЦЭН

Координаты ЦЭН определяются по следующим формулам:

(8)

. (9)

По формулам найдем координаты ЦЭН, ЦЭН изображен на рисунке.

Рисунок 1 — Определение ЦЭН Электроснабжение завода осуществляется с шин районной подстанции, линия связи ГПП с подстанцией равны десяти км.

1.4 Выбор числа и мощности трансформаторов КТП

При выборе числа и мощности цеховых трансформаторов одновременно решается вопрос об экономически целесообразной величине реактивной мощности, передаваемой через трансформаторы в сеть 0,4 кВ.

Число трансформаторов на КТП явно меньше или равно трем, следовательно, мощность трансформаторов определяется по формуле:

(10)

где Р_р — активная расчетная нагрузка, полученная по методу коэффициента расчетной нагрузки (первый этап) МВт;

N — число трансформаторов,

К_з — коэффициент загрузки трансформаторов, 0,75.

Определяется наибольшая реактивная мощность, которую выгодно передать через трансформаторы с сеть 0,4 кВ:

. (11)

Определяется суммарная мощность низковольтных компенсирующих устройств по первому этапу:

(12)

где Q_р — реактивная нагрузка полученная по методу коэффициента расчетной нагрузки (первый этап).

Если Q_нку1<0, то первому этапу установка компенсирующих устройств не требуется, тогда Q_нку1=0.

Выбор суммарной мощности НКУ по второму этапу (т. е по этапу снижения потерь электроэнергии в трансформаторе или распределительных сетях)

(13)

где г — расчетный коэффициент определяется в зависимости от схемы питания КТП и дополнительных показателей К₁ и К₂. Коэффициент отвечает за оптимальное значение потерь в распределительной сети. К_{1 -} коэффициент зависящий от удельных приведенных затрат на КУ напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ. К₂ — коэффициент определенный схемой сети.

Если Q_нку1<0, то Q_нку1=0.

Определение суммарной мощности НКУ и выбор фактических мощностей компенсирующих устройств.

. (14)

Произведем выбор числа и мощности трансформаторов КТП на примере котельного цеха.

кВ· А.

Итак, число трансформаторов мощностью 400 кВ· А на КТП равно двум.

Определяем наибольшую реактивную мощность, которую выгодно передать через трансформаторы с сеть 0,4 кВ:

кВ· Ар.

Определяем суммарную мощность низковольтных компенсирующих устройств по первому этапу:

кВ· Ар.

Выбираем суммарную мощность НКУ по второму этапу (т. е по этапу снижения потерь электроэнергии в трансформаторе или распределительных сетях):

кВ· Ар,

Суммарная мощность НКУ равна:

Q_нкуУ=62+88=150 кВ· Ар.

Для компенсации реактивной мощности комплектные конденсаторные установки типа УК-0,38−50 У3.

Результаты расчета приведены в таблице.

Таблица 3 — Выбор числа и мощности трансформаторов КТП

1.5 Выбор двух вариантов схемы внутреннего электроснабжения

На предприятиях применяются радиальные магистральные и смешанные схемы электроснабжения. Радиальной называется такая схема, в которой к одной линии подключена одна подстанция или один высоковольтный ЭП. Радиальные схемы применяются на предприятиях малой мощности, предприятиях, где нагрузка территориально разбросана и неупорядочена по своему расположению, на предприятиях на которых предъявляются высокие требования к надежности электроснабжения. В радиальных схемах на предприятиях используется глухое присоединение трансформаторов к кабельным линиям. Преимущество радиальных схем — высокая надежность, недостаток — большое количество коммутаций.

Магистральная схема — когда к одной линии подключено несколько понизительных подстанций. Магистральные схемы применяются в тех случаях, когда радиальные схемы являются не целесообразными или на предприятиях средней и крупной мощностей, или при упорядочном расположении электрических нагрузок.

В нашем случае целесообразно применить смешанную схему электроснабжения. В одну магистраль будем подключать не больше трех подстанций. Мартеновский цех и насосную станцию подключаем радиально. Высоковольтная нагрузка запитывается через распределительный пункт.

Два варианта схемы внутреннего электроснабжения завода представлены на рисунках.

Рисунок 2 — Первый вариант схемы электроснабжения

Рисунок 3 — Второй вариант схемы электроснабжения

1.6 Выбор номинального напряжения

Для выбора рационального напряжения используем метод планирования эксперимента. Факторами, наиболее влияющими на рациональное напряжение, являются следующие: суммарная нагрузка предприятия (S_У); средняя длина линии распределительной сети (l_ср); стоимость 1 кВт· года потерь электроэнергии (Дс₀); отношение нагрузки потребителей (6 кВ) ко всей нагрузке предприятия (в),%; отношение числа часов работы предприятия в году Т_г к числу часов использования максимума нагрузки Т_м.

Все влияющие факторы в математических моделях используют в кодированном виде, переход к которому осуществляют по форме:

(15)

где x_i — кодированное значение фактора;

X_i — действительное значение фактора;

X_{i, б} — базовый уровень фактора;

ДX_i — шаг варьирования фактора.

Кроме факторов, указанных выше, на выбор рационального напряжения решающее влияние оказывает схема распределения электроэнергии по территории промышленного объекта.

Для магистральной схемы:

(16)

Для определения рационального стандартного напряжения необходимо определить приведенные затраты для ближайшего большего и ближайшего меньшего к расчетному значению нестандартного.

Определение приведенных затрат для стандартных напряжений осуществляется также с помощью математических моделей, полученных с применение теории планирования эксперимента с учетом факторов, перечисленных выше.

Для магистральной схемы:

(17)

. (18)

Расчет для первого варианта схемы электроснабжения завода.

Таблица 4 — Исходные данные

Таблица 5 — Расчет факторов

U_рац=10,028 кВ, З_У6=98,998 тыс. руб/год, З_У10=98,735 тыс. руб/год.

Рациональным стандартным напряжением для данной системы электроснабжения является напряжение 10 кВ.

Расчет для второго варианта схемы электроснабжения завода.

Таблица 6 — Исходные данные

Таблица 7 — Расчет факторов

U_рац=9,94 кВ, З_У6=100,89 тыс. руб/год, З_У10=100,6 тыс. руб/год.

Рациональным стандартным напряжением для данной системы электроснабжения является напряжение 10 кВ.

1.7 Выбор сечений линий 10 кВ

Для выбора сечений кабелей определяется расчетный ток, по таблице выбирается стандартное сечение, соответствующее ближайшему большему току.

Расчетный ток определяется по формуле:

. (19)

Далее определяется длительно допустимый ток для КЛ по выражению:

I_доп = I_{доп. табл.} К₁ К₂, (20)

где К₁ — коэффициент, учитывающий число работающих кабелей проложенных в земле, К₁=0,9;

К₂ — коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды и допустимую температуру кабеля, К₂=1,11.

Условие допустимости по нагреву для КЛ-10 кВ:

I_доп I_{наиб. (}21)

Выбор сечений кабелей

Проведем расчет на примере магистрали ГПП-ТП2-ТП1.

кА,

I_доп=263· 0,9·1,11=262,737 А.

Итак, для магистрали ГПП-ТП2-ТП1 выбираем кабель марки АПвП (алюминиевая жила изоляция из сшитого полиэтилена, оболочка из полиэтилена) сечением 95 мм².

Результаты расчета сведены в таблицу.

Таблица 8 — Результаты расчета

1.8 Выбор оптимального варианта схемы внутреннего электроснабжения

Для выбора оптимального варианта системы внутреннего электроснабжения сравним капиталовложения на два варианта сети.

К=УК_0i· l_i, (22)

где К_0i — стоимость кабеля тыс. руб. /км;

l_i — длина i-ого участка кабеля.

Таблица 9 — Капиталовложения в сеть

По результатам расчета видно, что дешевле первый вариант схемы электроснабжения, его и выбираем для завода.

1.9 Проверка сечений линий

Проверка сечений КЛ 10 кВ на термическую стойкость осуществляется следующим образом.

Определяется термически стойкое к токам КЗ минимально допустимое сечение, мм²:

(23)

где В_кз — тепловой импульс, А^2. с;

С — температурный коэффициент, учитывающий ограничение допустимой температуры нагрева жил кабеля, значения которого приведены в табл.3.4 и принимается для алюминиевых жил 95 А•с^½/мм².

Тепловой импульс определяется по формуле:

(24)

где Iк — ток трехфазного короткого замыкания, принимается равным в соответствии с условием 25 кА;

- время отключения тока короткого замыкания, 0,06 с;

Та — постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ находится по формуле:

(25)

где — суммарные активное и индуктивное сопротивления цепи КЗ, Ом.

Таблица 10 — Проверка сечений кабелей

Выбранные сечения кабелей на всех участках СЭС 10 кВ, кроме магистрали ГПП-ТП6-ТП7-ТП9 выше минимального сечения по условию термической стойкости к току КЗ на шинах 10 кВ равного 25 кА. На магистрали ГПП-ТП6-ТП7-ТП9 увеличиваем сечение кабеля, принимаем кабель сечением (3Ч70).

1.10 Измерение и учет электроэнергии

На подстанциях устанавливают измерительные приборы, обеспечивающие учет расхода электроэнергии, активной и реактивной мощности, тока в линиях, напряжения.

Амперметры для измерения электрического тока устанавливают на всех трансформаторах и линиях, питающих приемники электроэнергии или их группы. Амперметры устанавливают в одной фазе. Три амперметра предусматривают только в тех цепях, где возможна несимметрия нагрузки фаз приемников (освещение, сварочные посты, конденсаторные батареи). Амперметры включают непосредственно в сеть или через трансформаторы тока.

Напряжение контролируют на каждой секции сборных шин всех РУ, причем вольтметр включают только на одно линейное напряжение, так как обычно в СЭС междуфазовые напряжения симметричны. Вольтметры подключают непосредственно при напряжении до 1000 В или через трансформаторы напряжения — при напряжении свыше 1000 В.

Для измерения активной и реактивной мощности на ГПП применяют трехфазные ваттметры с переключателем фаз напряжения, чтобы обеспечить измерение Р и Q одним ваттметром. Ваттметры активной и реактивной мощностей устанавливают на подстанциях, где требуется повседневный контроль за перетоком мощности более 4000 кВ· А по отдельным линиям, на синхронных двигателях, если необходим контроль за их работой, на подстанционных трансформаторах напряжением 110 кВ и выше. На трансформаторах напряжением до 35 кВ, мощностью 6300 кВ· А и более устанавливают только активный ваттметр. Подключают ваттметры через трансформаторы тока и напряжения.

Класс точности щитовых измерительных приборов должен быть не ниже 2,5.

Расход электроэнергии измеряется для коммерческого расчета с энергосистемой (расчетный учет) и контрольного расчета внутри предприятия (технический учет).

Счетчики коммерческого учета устанавливают обычно со стороны высшего напряжения, то есть на вводах от энергосистемы. Рассчитываются за электроэнергию с энергосистемой по одноставочному тарифу (только за потребленную активную энергию по показаниям счетчика) и по двухставочному тарифу (за потребленную активную энергию и за присоединенную мощность или за заявленную нагрузку в часы максимума нагрузки энергосистемы).

Для стимулирования мероприятий по компенсации реактивной мощности предусмотрена шкала скидок и надбавок к тарифу в зависимости от оптимальной и фактической реактивной нагрузок предприятия в часы максимальной нагрузки.

В соответствии с действующей тарифной системой требуется еще измерение 30-минутного максимума активной и реактивной нагрузок в часы максимума нагрузки энергосистемы. Для этого применяются специальные счетчики или специальные ваттметры максимальной мощности.

Технический учет организуется внутри предприятия — для контроля за удельными нормами расхода электроэнергии на единицу продукции, учета ее расхода на подсобные нужды, учета реактивной энергии и соблюдения планов электропотребления. При техническом учете применяются прогрессивные удельные нормы расхода электроэнергии и премиальная система поощрения за ее экономию.

2. Проектирование низковольтного электроснабжения цеха

2.1 Расчет трехфазных электрических нагрузок по первому этапу

Определение электрических нагрузок в системе электроснабжения (СЭС) промышленного предприятия выполняют для характерных мест присоединения приёмников электроэнергии. При этом отдельно рассматривают сети напряжением до 1 кВ и выше.

Номинальная (установленная) активная мощность приёмника электроэнергии — это мощность, указанная на заводской табличке или паспорте приёмника электроэнергии, при которой приёмник электроэнергии должен работать.

Для электроприёмников (ЭП) работающих в длительном режиме работы — это паспортная мощность.

Для ЭП в повторно-кратковременном режиме (ПКР) — это мощность, приведённая к номинальной длительной мощности.

Для электродвигателей:

(26)

где ПВ — паспортная продолжительность включения.

Номинальную мощность (активную P_ном и реактивную Q_ном) группы электроприёмников (ЭП) определяют как алгебраическую сумму номинальных мощностей отдельных приёмников, приведённых к продолжительности включения ПВ = 1.

Групповая номинальная (установленная) активная мощность:

(27) гдеn — число электроприёмников.

Групповая номинальная реактивная мощность:

(28)

Средние активные и реактивные мощности ЭП:

(29)

Суммарные значения средней активной и реактивной мощности групп ЭП:

(30)

(31) где m — число цехов.

Определяется средневзвешенный коэффициент использования группы ЭП:

. (32)

Определяется эффективное число ЭП:

(33)

Если окажется, что эффективное число ЭП больше фактического числа ЭП, то принимаем .

В зависимости от средневзвешенного коэффициента использования и эффективного числа ЭП определяется коэффициент расчетной нагрузки .

Расчетная активная мощность групп ЭП напряжением до 1 кВ:

(34)

Расчетная реактивная мощность:

При и. (35)

При< 100 и. (36)

К расчётным силовым нагрузкам Р_{р. с} и Q_{p. c} добавляются осветительные нагрузки Р_{р. о} и Q_{p. o}.

(37)

(38)

Полная расчётная мощность:

(39)

Расчет осветительной нагрузки.

Для расчета освещения применяется метод удельной плотности нагрузок

(40)

где б — удельная плотность нагрузки (24 Вт/м²), F — площадь помещения (в нашем случае площадь цеха равна 2592 м²).

Находим среднюю мощность

(41)

затем реактивную мощность

(42)

где tgц=0,75.

Полная мощность равна

. (43)

Расчетный ток

(44)

где U — напряжение сети, кВ

Разделим все ЭП на характерные группы с одинаковой активной мощностью Р_ном, коэффициентом использования К_и и tg. Расчет производим в программе «ZAPUSK», расчеты приведенные в приложении А, результаты сведены в таблицу11.

Таблица 11 — Расчет нагрузок

2.2 Расчет центра электрических нагрузок

При проектировании, с целью определения места расположения цеховой КТП строится картограмма нагрузок. Картограмма представляет собой размещение на генеральном плане цеха окружности, площадь которых соответствует выбранном масштабе расчетным нагрузкам.

Расчет центра ведется следующим образом.

Определяется условный центр электрических нагрузок i-го узла группы ЭП:

(45)

(46)

Так как мощность электроприемников меняется со временем, то координаты условного центра определяют для каждого часа и определяют математическое ожидание условного центра для суток:

(47)

(48)

Среднеквадратичное отклонение:

(49)

(50)

Угол поворота осей эллипса:

(51)

Полуоси эллипса рассеяния центров:

(52)

(53)

где k — коэффициент корреляции.

(54)

На основании расчетных значений математического ожидания условного центра нагрузок, координат полуосей и угла поворота осей строится эллипс рассеяния нагрузок. Место расположения источника питания (ТП) выбирается в наиболее удобной его точке. Если по какой — либо причине (технологической, архитектурной, эллипс рассеяния попадает на территорию цеха и др.) нельзя расположить источник питания в зоне рассеяния нагрузок, то его смещают в сторону внешнего источника питания.

По приведенным выше формулам для автоматизации расчета используется программа «ZAPUSK» .

Таблица 12 — Исходные данные

2.3 Выбор числа и мощности трансформаторов КТП с учетом компенсации реактивной мощности

Расчет ведется аналогично расчету, приведенному в пункте 1.4

В таблицу сведенные исходные данные.

Таблица 13 — Исходные данные

Определяем мощность трансформатора:

кВ· А.

Итак, на КТП устанавливаем один трансформатор мощностью 400 кВ· А.

Определяем наибольшую реактивную мощность, которую выгодно передать через трансформаторы с сеть 0,4 кВ:

кВ· Ар.

Определяем суммарную мощность низковольтных компенсирующих устройств по первому этапу:

кВ· Ар.

Выбираем суммарную мощность НКУ по второму этапу (т. е по этапу снижения потерь электроэнергии в трансформаторе или распределительных сетях):

кВ· Ар.

Суммарная мощность НКУ равна:

кВ· Ар.

Итак, для компенсации выбираем две батареи конденсаторов типа УК2−0,38−50 У3.

2.4 Расчет электрических нагрузок для выбора распределительной сети (II этап)

Сети напряжением до 1 кВ служат для распределения электроэнергии внутри цехов промышленных предприятий и осуществляют непосредственное питание электроприемников (ЭП). Схема внутрицеховой сети определяется технологическим процессом производства, планировкой помещений цеха, взаимным расположением ЭП и вводом питания, ТП, требованиям бесперебойности электроснабжения, технико-экономическими соображениями, условиями окружающей среды.

По своей структуре схемы электрических сетей цеха могут быть радиальными, магистральными и смешанными.

Радиальные схемы применяются при наличии сосредоточенных нагрузок с неравномерным распределением их по площади цеха, во взрыво — и пожароопасных и других цехах и выполняются кабелями или изолированными проводами. Они могут быть применены для нагрузок любой категории надежности.

Магистральные схемы целесообразно применять для питания силовых и осветительных нагрузок, распределенных относительно равномерно по площади цеха, а также для питания групп ЭП, принадлежащих одной технологической линии.

Одной из видов магистральных схем является схема БТМ (блок трансформатор — магистраль). Схемы БТМ широко применяются для питания цеховых сетей механических цехов машиностроительных предприятий с поточным производством. Магистральный шинопровод присоединяется непосредственно к выводам низкого напряжения трансформатора, а количество магистральных шинопроводов соответствует числу трансформаторов КТП. При магистральной схеме ЭП подключаются в любой точке шинопровода. Обеспечения надежности электроснабжения ЭП обеспечивается введением в схему резервной перемычки.

Наибольшее распространение имеют смешанные (комбинированные) схемы, сочетающие в себе элементы радиальных и магистральных схем и пригодные для любой категории электроснабжения. В смешанных схемах от главных питающих магистралей и их ответвлений ЭП питаются через РШ или ШРА в зависимости от расположения оборудования.

Расчет электрических нагрузок для выбора схемы электроснабжения по второму этапу рассчитывается для уточнения электрических нагрузок по элементам сети. Расчет ведется методом расчетного коэффициента в программе «ZAPUSK». Расчет приведен в приложении А, результаты расчета сведены в таблицы 15 и 16.

В качестве главной магистрали выбираем комплектный магистральный шинопровод марки ШМА4У3 с номинальным током 1600 А, длиной 97 м.

Рисунок 4 — Первый вариант схемы электроснабжения.

Рисунок 5 — Второй вариант схемы электроснабжения

Таблица 14 — Первый вариант распределительной сети цеха

Таблица 15 — Второй вариант распределительной сети

2.5 Выбор сечений проводников

Длительно протекающий по проводнику ток, при котором устанавливается наибольшая длительно допустимая температура нагрева проводника, называется предельно допустимым током по нагреву.

(55) где I_ном — номинальный ток станка,

К=1,15 — поправочный коэффициент на условие прокладки кабелей.

Номинальный ток станка определяется по формуле:

(56)

где Р_ном — номинальная мощность ЭП;

з — номинальный КПД, (0,88−0,92).

Таблица 16 — Выбор марки и сечения кабелей, питающих ЭП

Таблица 17 — Выбор марки и сечения кабелей, питающих СП

2.6 Выбор коммутационно-защитной аппаратуры

Согласно ПУЭ от перегрузок необходимо защищать силовые и осветительные сети, выполненные внутри помещений, в том числе и силовые сети, когда по условиям технологического процесса или режима их работы могут возникнуть длительные перегрузки.

Для защиты электрических сетей напряжением до 1 кВ применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Выбор аппаратов защиты производится с учетом следующих основных требований:

1. Номинальный ток и напряжение аппарата защиты должны соответствовать расчетному длительному току и напряжению электрической цепи. Номинальные токи расцепителей автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей нужно выбирать по возможности меньшими по расчетным токам защищаемых участков сети или по номинальным токам отдельных ЭП в зависимости от места установки аппарата защиты с округлением до ближайшего большего стандартного значения.

2. Время действия аппаратов защиты должно быть по возможности меньшим и должна быть обеспечена селективность действия защиты соответствующим подбором аппаратов защиты и его защитной характеристики.

3. Аппараты защиты не должны отключать установку при перегрузках, возникающих в условиях нормальной эксплуатации, например при рабочих пиках технологических нагрузок, и т. п.

4. Аппараты защиты должны обеспечивать надежное отключение в конце защищаемого участка двух — и трехфазных КЗ при всех видах режима работы нейтралей сетей, а также однофазных КЗ в сетях с глухозаземленной нейтралью.

В курсовом проекте защита шинопроводов и КЛ, питающих СП, выполняется автоматическими выключателями, защита электроприемников осуществляется плавкими вставками предохранителей.

Выбор предохранителей

Плавкие предохранители выбирают по условиям:

(57)

(58)

где I_{ном. вст} — номинальный ток плавкой вставки, А;

I_{ном. эп} — номинальный ток отдельного ЭП, А;

I_пуск — пусковой ток ЭП.

(59)

где К_п — кратность пуска, равная 5.

Выберем предохранители на примере станков 9…11, номинальная мощность равна 15 кВт и коэффициент мощность равен 0,6.

Пусковой ток двигателя зубофрезерного станка определяется по формуле

I_пуск1 =5· 39,2 /2,5= 78,4 А

I_{ном. вст} > I_{ном 1} 80 >78,4

Выбираем номинальный ток плавкой вставки — I_{ном. вст} =80 А, предохранитель типа ПН2 100.

Произведем расчет для других групп станков на напряжение 380 В.

В таблице 18 приведены номинальные расчетные и пусковые токи для выбора плавких вставок и выбранные марки предохранителей с номинальными токами плавких вставок принятых в соответствии с расчетными номинальными и пусковыми токами соответственно.

Таблица 18 — Выбор предохранителей

Выбор автоматических выключателей

В соответствии с требованиями автоматические выключатели выбирают по условиям:

I_{ном. расц} > 1,2· I_{р (}60)

I_{ср. эл.} > (1,25ч1,35) · I_п, (61)

где I_{ном. расц} — номинальный ток расцепителя, А;

I_р -расчетный ток нагрузки, А;

I_п — пиковый ток, А;

I_{ср. эл} — ток срабатывания электромагнитного расцепителя.

I_п = I_р + (к_п-1) · I_{ном. max} (62)

где к_п — кратность пуска;

I_{ном. max} — наибольший из токов группы ЭП, А;

I_р — расчетный ток группы ЭП, А.

Таблица 19 — Выбор автоматов для первого варианта схемы электроснабжения

Таблица 20 — Выбор автоматов для второго варианта схемы электроснабжения

Для выбора одного из вариантов распределительной сети проводим технико-экономическое сравнение вариантов. Расчет проводим в программе «ZAPUSK». Стоимость первого варианта 1152 тыс. рублей, стоимость второго варианта 1199 тыс. рублей. Итак, для дальнейшего расчета выбираем первый вариант схемы электроснабжения цеха.

2.7 Проверка сечений проводников и коммутационно — защитной аппаратуры

2.7.1 Расчет токов короткого замыкания

При электроснабжении электроустановки от энергосистемы через понижающий трансформатор начальное действующее значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ (I_П0) в килоамперах без учета подпитки от электродвигателей следует определять по формуле:

(63)

Если электроснабжение электроустановки напряжением до 1кВ осуществляется от энергосистемы через понижающий трансформатор, то начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ от системы, кА, следует рассчитывать по формуле:

(64)

Ударный ток трехфазного КЗ в электроустановках с одним источником энергии рассчитывается по формуле:

(65)

Токи КЗ считаем в точках наиболее приближенных и наиболее удаленных от КТП.

Составим схему замещения:

Рисунок 6 — Схема замещения

Сопротивление системы определяется по следующей формуле:

(66)

где — напряжение системы, в данном случае равно 10 500 В;

— напряжение базисной ступени, в данном случае равно 400 В;

— трехфазный ток короткого замыкания системы (18 кА).

мОм

Для трансформатора ТМ-400/10:

ДР_к=5,5 кВт, U_к=4,5%, U_нн=0,4 кВ.

Полное сопротивление силового трансформатора:

(67)

Активное сопротивление силового трансформатора:

мОм

Индуктивное сопротивление силового трансформатора

мОм (68)

Сопротивления шинопроводов и кабелей определяются по формуле:

(69)

где и — удельные сопротивления шинопровода или кабеля, мОм/м,

— длина шинопровода или кабеля, м.

Значения удельных сопротивлений шинопроводов и кабелей: r_шма=0,021 мОм/м, х_шма=0,021 мОм/м, r_шра1,2=0,21 мОм/м, х_шра1,2=0,21 мОм/м,; 4 мм² — r=7,81 мОм/м, х=0,095 мОм/м;

Значения сопротивлений автоматических выключателей берем из таблицы 2,54 /6/, Х_а1=0,07 мОм, Х_а2=0,1 мОм, R_а1=0,07 мОм, R_а2=0,1 мОм.

По справочным данным определяем суммарные сопротивления переходных контактов на шинах, вводах и выводах аппаратов в месте КЗ, r_пер=15 мОм, r_пер=20 мОм и r_пер=25 мОм.

Сопротивление трансформатора Х_1тр=Х_2тр=Х_0тр. Для автоматических выключателей, сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей также, равны между собой.

Таблица 21 — Токи короткого замыкания

2.7.2 Проверка выбранных сечений проводников по потери напряжения

Для оценки правильности выбора сечений проводников необходимо провести проверку выбранных кабельных линий и шинопроводов.

Выбранные по длительному току и согласованные с током защиты аппаратов сечения внутрицеховых электрических сетей должны быть проверены на потерю напряжения. Нормированных значений для потери напряжения не установлено. Однако, зная напряжение на шинах источника питания и подсчитав потери напряжения в сети, определяют напряжение у потребителя.

Проверка КЛ и шинопроводов осуществляется по потери напряжения:

(70)

где cos (ц) и sin (ц) — принимается средневзвешенное значение коэффициента мощности,

l — длина линии, м;

I_p— расчетный ток в линии, А.

Допустимая потеря напряжения ДU_доп. = +5%;

Условие проверки на потерю напряжения:

ДU < ДU_{доп. (}71)

Произведем расчет потерь напряжения и сведем в таблицы 22, 23.

Таблица 22 — Проверка кабеля

Таблица 23 — Проверка шинопроводов

Так как ДU во всех элементах сети меньше ДU_доп = +5%, то для всех КЛ и шинопроводов условие по потере напряжения соблюдается.

2.7.3 Проверка шинопроводов на электродинамическую стойкость

Шинопроводы проверяются на электродинамическую стойкость по условию:

i_уд< i_дин, (72)

где i_{уд. доп} - допустимая электродинамическая стойкость, кА.

Таблица 24 — Проверка шинопроводов на электродинамическую стойкость

Так как ударный ток шинопроводов меньше амплитудного значения электродинамической стойкости, то условие на электродинамическую стойкость соблюдается.

2.7.4 Проверка выбранных автоматических выключателей

Выбранные аппараты защиты необходимо проверять по чувствительности к токам КЗ. Проверка по чувствительности к токам КЗ осуществляется по условию:

I ⁽¹⁾ _кзmin > 3? I_ср. _эл, (73)

где I ⁽¹⁾ _кзmin — минимальный ток однофазного КЗ, А;

I_{ср. эл} — ток срабатывания электромагнитного расцепителя, определяется по паспортным данным в зависимости от пределов регулирования времени срабатывания.

Выполним проверку по чувствительности в наиболее удаленных местах схемы.

Таблица 25 — Проверка автоматических выключателей по чувствительности к токам КЗ

2.7.5 Проверка выбранных предохранителей

Проверка по согласованию выбранной вставки с сечением выбранного кабеля осуществляется по условию:

I_в < 3? I_дл. _доп, (74)

где I_в — номинальный ток плавкой вставкой, А;

I_{дл. доп} — длительно допустимый ток, А.

Проверка по согласованию теплового расцепителя с сечением выбранных элементов сети для вариантов представлены в таблице 26.

Таблица 26 — Проверка плавких вставок предохранителей

2.8 Построение карты селективности