Проектирование системы электроснабжения металлургического завода

Введение

Проектирование любого звена системы электроснабжения промышленного предприятия (участка, отделения, цеха или, завода в целом) должно начинаться с изучения технологических особенностей предприятия.

Проектируемая система должна удовлетворять условиям надёжности и экономичности, обеспечивать качество энергии у потребителя, безопасность, удобство эксплуатации и возможность развития. Зная технологию производства, можно легко и удобно составить схему электроснабжения любого технологического агрегата, линии или передела. Например: конвертер главного пролёта металлургического завода имеет много электроприёмников (привода быстрого и медленного поворотов, транспортерные тракты, аспирация и др.); при составлении схемы нет необходимости записывать эти электроприёмники от разных секций одной подстанции, так как отключение хотя бы части электроприёмников отразится на работе конвертера. Однако есть электроприёмники и технологические агрегаты, осуществить питание которых необходимо только от независимых источников питания.

Зная динамику развития технологических нагрузок, необходимо учесть её дальнейшее развитие и возможность объединения с основной схемой. Проектируемые схемы должны обладать эксплуатационно-структурной гибкостью.

1. Исходные данные на проектирование Электроснабжение металлургического завода

1. Генеральный план завода — рис. 1.

2. Сведения об электрических нагрузках завода — табл. 1

3. Ведомость электрических нагрузок ремонтно-механического цеха (вариант задания указывается преподавателем).

4. Питание возможно осуществить от подстанции энергосистемы, на которой установлены два трёхобмоточных трансформатора мощностью 60 000 кВ каждый, с первичным напряжением 110 кВ и вторичным — 35, 20, 10, 6 кВ.

5. Мощность системы 1000 МВА; реактивное сопротивление системы на стороне 110 кВ, отнесённое в мощности системы, 0,7.

6. Стоимость электроэнергии 0,8 коп/кВт· ч.

7. Расстояние от подстанции энергосистемы до завода 5 км.

Таблица 1.

рис 1.

2. Краткая характеристика предприятия и электроприемников металлургического завода На металлургическом заводе для выплавки стали используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое применение в металлургической промышленности. [4]

Дуговые печи имеют емкость 3 — 80 т и более. На металлургических заводах устанавливают печи емкостью 30 -80 тонн. В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 2000 С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокого раскисления и дегазации металла.

Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.

В немагнитном каркасе имеются индуктор и огнеупорный плавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора к индуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава шихты. Обычно в индукционных печах используется ток частотой 500 — 2500 гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0 — 1,4 квт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.

Кузнечно-штамповочные машины и прессы.

Сюда относятся машины, служащие для ковки и штамповки металлов в горячем и холодном виде в прессах, применяемых в производстве изделий из пластмасс, прессуемых в горячем виде.

Для производства мелких деталей в электропромышленности применяются электромагнитные прессы 0,5 — 2 тс; в них движение ползуна производится при помощи электромагнита постоянного тока, преодолевающего действие пружины, нормально поддерживающей ползун в поднятом положении. Питание электромагнита производится через полупроводниковый выпрямитель.

Кривошипные прессы холодной штамповки с усилием давления 16 — 4000 тс имеют мощность приводов 2 — 180 кВт; горячештамповочные — на 630 — 8000 тс — 28−500 кВт. Наиболее мощные прессы (гидравлические) работают от насосно-аккумуляторных станций при давлениях 200−450 кгс/см². Сюда относятся гидравлические штамповочные прессы с усилием до 30 000 тс, гидравлические ковочные прессы 1000−75 000 тс. Мощности двигателей насосных станций гидропрессов составляют 250−1500 кВт, а суммарные мощности насосных станций достигают 10−12 МВт и более. Все приводы переменного тока 50 Гц, напряжением 380, 660, 6000 и 10 000 В. Режим работы характеризуется чередованием х.х. с кратковременными толчками ударной нагрузки, вследствие чего часто применяют маховики и двигатели с повышенным скольжением. В некоторых случаях ковочные машины снабжаются установкой для эл. индукционного нагрева или подогрева обрабатываемого металла мощностью до 400−500 кВА. По степени бесперебойности кузнечно-штамповочные машины и прессы относятся ко 2 категории. Наиболее бесперебойного питания требуют мощные гидропрессы, обрабатывающие уникальные поковки — валы и роторы крупных генераторов, заготовки для которых разогреваются в специальных печах до ковочной температуры иногда в течение нескольких суток. Например, слиток массой 220 т для поковки колонны длиной 23 м, диаметром 900 мм, массой 145 т на прессе 10 000 тс греется перед поковкой в течение 6 суток. Технологический процесс ковки и штамповки — устойчив, тяжелое оборудование имеет постоянное расположение.

Металлургический завод относится к потребителям особой категории, так как прекращение электропитания производства, даже на непродолжительный промежуток времени, невозможна.

3. Условия окружающей среды Климатические условия для расчета ВЛ и должны приниматься в соответствии с картами климатического районирования России и региональными картами по скоростному напору ветра и толщине стенки гололеда. [7]

Значение высшей температуры воздуха принимается по данным фактических наблюдений, а низшей температуры — по данным повторяемости 1 раз в 5 лет.

Провода ВЛ следует рассчитывать для работы в нормальном режиме, исходя из различных климатических условий по ветровым и гололедным нагрузкам.

При расчете ВЛ необходимо принимать следующие сочетания климатических условий:

высшая температура, ветер и гололед отсутствуют;

низшая температура, ветер и гололед отсутствуют;

провода покрыты гололедом, температура -5С, гололед отсутствует;

нормальный скоростной напор ветра q_max, температура -5С, гололед отсутствует;

провода покрыты гололедом, температура -5С, скоростной напор ветра 0,25q_max (скорость ветра 0,5V_max).

Определение расчетных климатических условий, интенсивности грозовой деятельности и пляски проводов для расчета и выбора конструкции ВЛ должны производиться на основании карт климатического районирования с уточнением по региональным картам и материалам многих наблюдений гидрометеорологических станций и метеопостов управлений гидрометеослужбы и энергосистем за скоростью ветра, интенсивностью гололедно-изморозевых отложений и температурой воздуха, грозовой деятельностью и пляской проводов в зоне трассы сооружаемой ВЛ.

При обработке данных наблюдений должно быть учтено влияние микроклиматических особенностей на интенсивность гололедообразования и на скорость ветра в результате действия как природных условий (пересеченный рельеф местности, высота над уровнем моря, наличие больших озер и водохранилищ, степень залесенности и т. д.), так и существующих или проектируемых инженерных сооружений (плотины и водосбросы, пруды-охладители, полосы сплошной застройки и т. п.).

Скоростной напор ветра на конструкции опор определяется с учетом его возрастания по высоте. Для отдельных зон высотой не более 15 м значение поправочных коэффициентов следует принимать постоянным, определяя его по высоте средних точек соответствующих зон, отсчитываемой от отметки земли в месте установки опоры.

Для участков ВЛ, находящихся в местах с сильными ветрами (высокий берег большой реки, резко выделяющаяся над окружающей местностью возвышенность, долины и ущелья, открытые для сильных ветров прибрежная полоса больших озер и водохранилищ в пределах 3−5 км), при отсутствии данных наблюдений максимальный скоростной напор следует увеличить на 40% (скорость ветра — на 18%) по сравнению с принятым для данного района.

Расчетные температуры воздуха принимают одинаковым для ВЛ всех напряжений по данным фактических наблюдений и округляются до значений, кратных пяти.

В отдельных районах территории, где отмечены повышенные скорости ветра при гололеде или где их можно ожидать, а также в районах, где возможно сочетание гололедно-изморозевых отложений нормативные значения гололеда должны быть приняты в соответствии с данными о фактически наблюдаемых размерах гололеда и скорости ветра при гололеде.

Расчет ВЛ по аварийному режиму работы необходимо производить для следующих сочетаний климатических условий:

среднегодовая температура t_э, ветер и гололед отсутствуют;

низшая температура t_min, ветер и гололед отсутствуют;

провода и тросы покрыты гололедом, температура -5С, ветер отсутствует;

провода и тросы покрыты гололедом, температура -5С, скоростной напор ветра 0,25q_max.

При расчете приближений токоведущих частей к элементам опор ВЛ и сооружений необходимо принимать следующие сочетания климатических условий:

при рабочем напряжении: максимальный нормативный скоростной напор ветра q_max, температура -5С;

при грозовых и внутренних перенапряжениях: температура +15С, скоростной напор ветра q=0,1q_max (V0,3V_max), но не менее 6,25 даН/м²;

для обеспечения безопасного подъема на опору под напряжением: температура -15С, ветер и гололед отсутствуют.

4. Расчёт электрических нагрузок

4.1 Расчёт силовой нагрузки Величина мощности, месторасположение и вид электроприёмников определяют структуру схемы и параметры элементов электроснабжения промышленных предприятий. [2]

При проектировании обычно определяют три вида нагрузки:

1) среднюю за максимально загруженную смену Р_{др макс.} и среднегодовую Р_ср.г. Величина Р_{ср. макс.} необходима для определения расчётной активной нагрузки Р_р, а величина Р_ср.г.— для определения годовых потерь электроэнергии;

2) расчётную активную Р_р и реактивную Q_р. Эти величины необходимы для расчёта сетей по условиям допустимости нагрева, выбора мощности трансформаторов и преобразователей, а также для определения максимальных потерь мощности, отклонений и потерь напряжения;

3) максимальную кратковременную (пусковой ток) I_п; эта величина необходима для проверки колебания напряжения, определения тока трогания, токовой релейной защиты, выбора плавких вставок предохранителей и проверки электрических сетей по условиям самозапуска двигателей.

Для определения расчетной нагрузки существует ряд методов:

1) удельного расхода электроэнергии;

2) технологического графика работы электроприёмников;

3) статистический;

4) упорядоченных диаграмм;

5) по установленной мощности и коэффициенту спроса;

6) метод удельной нагрузки на единицу производственной мощности.

Рассмотрим основные положения вышеперечисленных методов.

Метод удельного расхода электроэнергии. При использовании этого метода в качестве расчётной принимают фазную нагрузку наиболее загруженной смены работы Р_{ср.макс.}:

P_p=Р_{ср.макс}=М_см· Э_у·Т_см

где М_см — объём выпуска продукции за смену; Э_у — удельный расход электроэнергии на единицу продукции; Т_см — продолжительность наиболее загруженной смены.

Метод технологического графика. Для групп электроприёмников автоматизированного или строго ритмичного поточного производства расчётную нагрузку определяют по общему графику нагрузки, строящемуся на основе технологического графика работы отдельных электроприёмников и соответствующих им мощностей.

Для группы электроприёмников нагрузку определяют по средней мощности и коэффициенту формы графика нагрузки К_ф из следующих соотношений:

Р_р=К_фа· Р_см; Q_p=К_фр· Q_см; или Q_р=Р_р· tgц Следовательно, по данному методу расчётную нагрузку принимают равной среднеквадратичной, т. е.:

Р_р=Р_ск; Q_p=Q_ск.

Статистический метод. Принимая, что при расчётах нагрузок можно применять нормальный закон распределения, расчётную нагрузку определяют из уравнения Р_р=Р_ср+в· у_т,

где Р_ср — среднее значение (математическое ожидание) нагрузки за рассматриваемый интервал времени; в — принятая кратность меры расстояния (коэффициента надёжности расчёта); у_т — среднее квадратичное отклонение нагрузки, осреднённой в интервале Т=0,5 ч. Если принять, что ожидаемая нагрузка с вероятностью 0,005 может превысить значение Р_р, то согласно интегральной кривой нормального распределения в = 2,5; если вероятность 0,025, то в = 2,0

Метод упорядоченных диаграмм. Этот метод является основным для определения расчётных нагрузок промышленных предприятий.

Р_р=К_м· Р_{ср.макс}=К_м·К_и·Р_ном,

где К_м — коэффициент максимума нагрузки; К_и — коэффициент использования данной группы n электроприёмников; Р_ном — номинальная мощность всех рассматриваемых электроприёмников n.

Значение К_м в зависимости от коэффициента использования эффективного числа электроприёмников (п_эф) можно найти по кривым К_м=f (К_и, п_эф) или по таблице.

Метод коэффициента спроса. Для определения расчётных нагрузок по этому методу необходимо знать установленную мощность Р_ном группы электроприёмников и коэффициенты мощности cosц и спроса К_са данной группы, определяемые по справочным материалам.

Расчётную нагрузку группы однородных по режиму работы электроприёмников определяют по формулам Р_р=К_са· Р_ном; Q_р=P_p· tgц;

где tgц соответствует cosц данной группы электроприёмников, К_са=0,6−0,75.

Расчётную нагрузку узла системы электроснабжения, содержащих группы приёмников электроэнергии с различными режимами работы, определяют с учётом разновременности максимумов нагрузки отдельных групп где и — суммы активных и реактивных нагрузок отдельных групп электроприёмников; К_рм — коэффициент разновременности максимумов нагрузок отдельных групп приёмников.

Значение К_рм можно приближённо принимать равным 0,85−1,0 в зависимости от количества групп электроприёмников.

Определение расчётной силовой нагрузки по установленной мощности и коэффициенту спроса является методом приближённого расчёта, поэтому его применение рекомендуют для предварительных расчётов и определения общезаводских нагрузок.

Метод удельной нагрузки на единицу производственной площади применяют при проектировании универсальных сетей машиностроения, ткацкого производства и т. п., характеризующихся большим числом электроприёмников малой и средней мощности, равномерно распределённой по площади цеха. Универсальные сети выполняют магистральными шино-проводами и прокладывают с учётом возможных перемещений технологического оборудования.

Расчётную нагрузку группы приёмников определяют по формуле завод осветительный нагрузка трансформатор Р_р=Р_уд· F

где Р_уд — удельная расчётная мощность на 1 м² производственной площади, кВт/м²; F — площадь размещения приёмников группы, м².

Удельную нагрузку определяют по статическим данным. Значение её зависит от рода производства, площади цеха, обслуживаемой магистральным шинопроводом и изменяется в пределах 0,06−0,6 кВт/м.

Рассматриваемый метод расчёта целесообразно применять для определения расчётной нагрузки на стадии проектного задания при технико-экономическом сравнении вариантов, а также для других ориентировочных расчётов, например, для расчёта нагрузок электроосвещения помещений.

Для определения расчетной нагрузки судоремонтного завода применим метод технологического графика. Для группы электроприемников нагрзку определяют по средней мощности и коэффициенту формы графика нагрузки К_фа=1,1−1,2 из следующих соотношений:

Следовательно, по данному методу расчетную нагрузку принимают равной среднеквадратичной, т. е. Р_р=Р_ск.

Расчёт нагрузок произведём методом технологического графика:

Р_р=К_фа· Р_ном; Q_р=P_p· tgц; ,

где tgц выбирается для каждого цеха отдельно, К_фа — коэффициент формы графика нагрузки, принимается одинаковым для всего предприятия.

Расчет силовой нагрузки:

Цеха холодной прокатки № 1, Рн=16 130 кВт:

Р_р=К_фа· Р_ном=0,264·16 130=4258,32 кВт

Q_р=P_p· tgц=4258,32·0,88=3747,32 квар кВ· А На основании приведенных расчетов аналогично проводим расчет расчетной нагрузки остальных цехов. Результаты сводим в табл. 2.

Таблица 2 — Расчетные нагрузки по цехам (участкам) и заводу в целом

4.2 Расчет осветительной нагрузки Рабочее освещение, обеспечивающее необходимые условия работы при нормальном режиме работы осветительной установки, обязательно во всех помещениях и на открытых пространствах. [2]

Охранное освещение — разновидность рабочего освещения, устраивается по линии охраняемых заводских или иных территорий.

Аварийное освещение, предназначаемое для временного продолжения работы при аварийном погасании рабочего освещения, должно устраиваться в помещениях и на открытых пространствах в случаях, когда прекращение нормального обслуживания оборудования из — за отсутствия рабочего освещения может вызвать взрыв, пожар, отравление, травматизм в местах большого скопления людей, длительное расстройство технологического процесса, а также нарушение работы жизненных центров предприятий и узлов обслуживания массовых потребителей (установки электро-, водои теплоснабжения, узлы связи и радиопередачи т.п.). Это освещение необходимо также в операционных блоках, кабинетах неотложной помощи и приёмных покоях лечебных учреждений.

Аварийное освещение, предназначенное для безопасной эвакуации персонала при аварийном погасании рабочего освещения, должно устраиваться:

1. В производственных помещениях при числе работающих более 50; при наличии мест опасных для прохода; при наличии оборудования, продолжение работы которого в отсутствие рабочего освещения может быть источником опасности.

2. В основных проходах и на лестницах, служащих для эвакуации людей из зданий, где находится более 50 человек.

3. В непроизводственных помещениях, где одновременно находится более 100 человек.

4. В детских учреждениях.

5. В местах работ на открытых пространствах при повышенной опасности эвакуации.

В случаях, когда аварийное освещение для продолжения работы не обязательно, но желательно, рекомендуется соответственно увеличивать освещённость от эвакуационного аварийного освещения.

Для аварийного освещения могут использоваться лампы накаливания и люминесцентные лампы. Последние применяются только в отапливаемых помещениях при питании их переменным током и напряжении не ниже 90% нормального. Лампы ДРЛ могут использоваться только как дополнительно присоединённые к группам аварийного освещения для усиления освещенности.

Системы освещения:

Различаются системы:

а) Общего равномерного освещения — когда световой поток распределяется без учёта размещения оборудования. Обычными (но не обязательными) признаками равномерного освещения являются одинаковость типа светильников, высоты их подвеса и мощности ламп в пределах всего помещения и симметричное расположение светильников, при котором расстояние между светильниками в каждом направлении одинаковы в пределах всего помещения.

б) Общего локализованного освещения — когда световой поток распределяется с учётом расположения оборудования. Обычным (но не обязательным) признаком локализованного освещения является неодинаковость в пределах помещения данных, указанных в п. «а».

в) Комбинированного освещения — когда к общему освещению (в данном случае обычно равномерному) добавляется местное освещение рабочих мест.

Устройство в помещениях одного только местного освещения запрещено!

Разновидностью местного освещения является переносное освещение, включаемое через штепсельные розетки или подключательные пункты и необходимое в помещениях, имеющих технологическое оборудование, требующее при осмотре или ремонте усиленного освещения или освещения поверхностей, неосвещаемых общим освещением (в том числе внутренние полости производственных ёмкостей и т. д.), а также в помещениях, где по ходу работы требуется временное увеличение освещённости отдельных мест (например, при ручной формовке в литейных цехах).

Общее равномерное освещение применяется при относительно невысокой точности выполняемых работ: высокой плотности рабочих мест; возможности выполнения работ в любой точке помещения; ограниченности зрительной задачи общим обзором помещения; отсутствии специфических требований к качеству освещения, выполнимых при общем освещении.

Общее локализованное освещение применяется при больших размерах стационарно расположенных рабочих поверхностей или размещения их сосредоточенными группами; наличии крупногабаритного оборудования, затеняющих предметов, трубопроводов и т. п.; наличии специфических, но выполнимых при общем освещении требований к качеству освещения (например, направление света); различном характере работ на разных участках площади помещения.

Комбинированное освещение применяется при выполнении работ высокой точности (разряды I, II, III, IV, Vа и Vб пСНиП); невозможности удовлетворить при общем освещении специфические требования к качеству освещения (направление или спектральных состав света, освещение на просвет и т. п.); малой плотности расположения рабочих мест; наличии в помещении единичных мест, требующих повышенной освещенности.

Требования к качеству освещения.

Необходимые условия работы зрительного аппарата, помимо создания нормируемых уровней освещенности, обеспечиваются соблюдением требований к качеству освещения.

Нормами гл. СНиП II-A.9−71 для производственных помещений предусматривается ограничение слепящего действия светильников общего освещения путём нормирования создаваемого ими показателя ослеплённости, а также ограничение пульсаций освещённости, создаваемых газорязрядными лампами (при питании током промышленной частоты 50 Гц), нормированием коэффициента пульсации. Максимально допустимые значения указанных показателя и коэффициента для разных помещений приводятся в отраслевых нормах искусственного освещения.

Метод коэффициента использования светового потока.

Метод коэффициента использования светового потока применяется для расчёта общего равномерного освещения помещений при отсутствии существенных затенений рабочей поверхности. При установке в помещении площадью S (м²) N светильников для создания наименьшей освещённости E (лм) с коэффициентом запаса k поток F (лм) лампы в каждом светильнике определяется формулой

(20)

где — коэффициент использования светового потока (в долях единицы); z — коэффициент минимальной освещённости, равный отношению средней освещенности помещения к минимальной. По найденному значению F выбирается ближайшая стандартная лампа, поток которой должен отличаться от расчётного, как правило, не более чем на -10 или +20%. При невозможности выбора F с такой точностью корректируется N.

Метод удельной мощности. Простейший способ светотехнического расчёта — метод удельной мощности — пригоден для расчёта общего равномерного освещения незагромождённых помещений (когда можно пренебречь затенениями), длина которых не более чем в 2,5 превышает ширину, и строго для тех исходных данных, для которых составлены таблицы.

При расчёте по удельной мощности освещения лампами накаливания или лампами типа ДРЛ в помещении площадью S, м², первоначально намечается число светильников N, затем для соответствующих исходных данных из таблиц находится значение удельной мощности, рассчитывается необходимая мощность каждой лампы p, Вт, по формуле:

(22)

и выбирается ближайшая стандартная мощность лампы. При расчёте освещения выполненного рядами люминесцентных светильник, намечается число рядов N и находится общая необходимая мощность всех ламп ряда p, на основании чего выбирается число и мощность светильников в ряду.

Расчет мощности на освещение ведем методом удельной мощности где Sплощадь цеха;

— удельная мощность выбранного светильника.

Количество рядов рассчитываем исходя из того, что ряды светильников устанавливаем по длинной стороне здания через каждые:

— 6 метров для цехов;

— 12 метров для складов;

— 3 метра для административных зданий.

где Абольшая сторона цеха;

x — расстояние между светильниками, м.

Количество светильников в ряду:

Где рмощность одного светильника Принимаем для всех цехов светильники типа ОДР. Во всех случаях мощность освещения не должна быть более 15% от расчетной нагрузки цеха, кроме складов, так как там основная нагрузка идёт на освещение.

Пример расчета для цеха № 1:

; ;

Аналогично рассчитываем осветительную нагрузку и для других цехов. Результаты сводим в табл. 3.

Таблица 3. Осветительная нагрузка цехов

Рисунок 2 Картограмма нагрузок с секторами освещения.

5. Выбор цеховых и силовых трансформаторов Одна и та же электрическая нагрузка цехов на напряжение до 1000 В может быть обеспечена малым числом трансформаторов большой мощности и большим числом трансформаторов малой мощности. Поэтому выбор оптимальной мощности цеховых подстанций должен быть основан на технико-экономических расчетах. Такие расчеты очень громоздки, так как в них, помимо подстанций, учитывают и питающие линии 6ч10 кВ и цеховые распределительные сети до 1000 В. Сложность расчета обусловлена тем, что капиталовложения в потери мощности в цеховых сетях находятся в зависимости от числа подстанций и увеличиваются вместе с укрупнением единичной мощности трансформаторов, но при этом снижаются капиталовложения в распределительные устройства и линии 6ч10 кВ, питающие цеховые трансформаторные подстанции (ТП). При малой единичной мощности трансформаторов уменьшаются капиталовложения и потери в цеховых сетях, но увеличиваются потери электроэнергии и капиталовложения в трансформаторы и сети 6ч10 кВ. [2]

Для питания электрических нагрузок III категории следует применять однотрасформаторные подстанции. При наличии нагрузок II категории следует, как правило, применять однотрасформаторные подстанции 10ч6/0,4 кВ при условии резервирования мощности по перемычкам на вторичном напряжении, достаточном для питания наиболее ответственных потребителей или при наличии складского резерва трансформаторов. Двухтрансформаторные цеховые подстанции применяют при сосредоточенных нагрузках или преобладании потребителей I категории. При наличии потребителей особой группы I категории необходимо предусмотреть третий источник питания.

Для трансформаторов цеховых подстанций следует, как правило, принимать следующие коэффициенты нагрузки:

— для цехов с преобладающей нагрузкой I категории при двухтрансформаторных подстанциях 0,65ч0,7;

— для цехов с преобладающей нагрузкой II категории при однотрансформаторных подстанциях со взаимным резервирование трансформаторов 0,7ч0,8;

— для цехов с преобладающей нагрузкой II категории при возможности использования централизованного резерва трансформаторов и для цехов с нагрузками III категории 0,9ч0,95.

Отдельно стоящие ТП наименее рациональны вследствие удлинения сетей напряжения до 1000 В и увеличения потерь энергии в них. Они применяются как вынужденное решение для питания цехов, опасных в отношениях пожара, взрыва или коррозии. Допустимые расстояния приближения ТП к взрывоопасным цехам регламентируется 0,8−100 м в зависимости от степени взрывоопасности цеха, открытой или закрытой установки масляных трансформаторов. Этот вид ТН может также применяться для мелких предприятий с небольшими разбросанными по территории цехами.

Для большинства промышленных предприятий, кроме некоторых взрывоопасных цехов нефтехимических комбинатов, как правило, применяются ТП, связанные со зданием цеха.

Пристроенные ТП, удовлетворяя требованиям экономики, часто вызывают возражения со стороны архитекторов и строителей, так как ухудшают внешний вид зданий. Однако при достаточном внимании к архитектуре пристроенные ТП с точки зрения эстетики выглядят вполне удовлетворительно и не портят фасада зданий цехов. В частности, пристроенные подстанции хорошо компонуются со зданиями компрессорных и насосных.

Встроенные подстанции позволяют более удачно решить архитектурное оформление стены цеха, однако расположение подстанции на площади цеха не всегда возможно по условиям размещения технологического оборудования. Наименьшие препятствия возникают при размещении встроенных подстанций в бытовых или складских помещениях.

Всё большее применение находят КТП с двумя трансформаторами 1600 и 2500 кВ-А вместо трансформаторов 1000 кВ-А. Это сокращает число трансформаторов, упрощает схему электроснабжения (в особенности при напряжении двигателей 660 В) и дает значительный экономический эффект.

Согласно проекту новых ПУЭ на каждой внутрицеховой подстанции может быть установлено не более трех трансформаторов с масляным охлаждением суммарной мощностью не более 3200 кВ * А, а мощность каждой открыто установленной КТП с масляными трансформаторами должна быть не более двух по 1600 кВ-А.

При большей мощности, например при мощности 2500 кВ-А, на внутрицеховых подстанциях устанавливаются трансформаторы с совтоловым охлаждением, что по опыту даёт экономический эффект в упрощении строительных работ (не надо маслосборной ямы) и эксплуатации (кожух трансформатора заварен).

Цеховые подстанции старого типа с открытыми трансформаторами имеют следующие компоновки.

1. Отдельно стоящие ТП на один или два трансформатора, с распределительным щитом или без него, а в отдельных случаях с распределительным устройством высшего напряжения и батареей статических конденсаторов. Примеры компоновок показаны на рисунке 2.1. Применяется также открытая установка трансформаторов без камер, иногда с разделительной перегородкой.

2.Пристроенные ТП, у которых одна стена совпадает со стеной цеха, а сама подстанция расположена вне цеха.

3. Встроенные ТП, у которых одна стена совпадает со стеной цеха, но подстанция занимает площадь цеха.

Компоновки пристроенных и встроенных подстанций такие же, как отдельно стоящих, причем выкатка трансформаторов из камер производится только наружу. Если трансформаторы встроенной подстанции устанавливаются открыто, то согласно ПУЭ стена цеха должна быть огнестойкой.

4. Внутрицеховые ТП, все стены которых выходят в цех, могут сооружаться только в помещениях с производствами категории Г и Д, I и II степени огнестойкости по противопожарным требованиям, а в производствах категории В — по специальному разрешению пожарного надзора. Компоновки ТП те же, что указаны выше, но под масляными трансформаторами необходимо устраивать бетонированный маслоприемник на полный объем масла или с отводом масла в дренажную систему через трубу с коленом, в котором гасится горящее масло, или с металлической решеткой, засыпанной слоем гравия для гашения горящего масла. В зависимости от условий производства КТП размещаются в отдельных помещениях или открыто в цехе с легким ограждением (желательно в мертвой зоне работы подъемных механизмов).

Питание осуществляется от главной понизительной подстанции (ГПП) энергосистемы, на которой установлены два трехобмоточных трансформатора ТДТН-60 000/ 110 (табл. 4). От них питаются 2 секции шин: на I секции расчетная полная мощность нагрузки составляет 27 000,17 кВА; на II — 25 099,91 кВА. Разница нагрузок составляет 4.39%, что не превышает 15%.

Таблица 4 — Подбор силовых трансформаторов

При установке трансформаторных подстанций в целях резервирования питания при выходе одного из трансформаторов из строя рекомендуемая мощность ТП рассчитывается с учетом максимально допустимой перегрузки трансформатора на 40%. Для примера рассмотрим ТП перед 1-ым цехом:

2836.18*100/70=4055.73 кВА; Для остальных ТП рассчитываем так же. Выбор трансформаторов в ТП осуществляется на основе технико-экономических обоснований. Таким образом, выбираем следующие трансформаторы (табл. 5):

Таблица 5 — Подбор цеховых трансформаторов

6. Составление картограммы нагрузок

6.1 Определение центра электрических нагрузок Картограмму электрических нагрузок наносят на ситуационный план предприятия для определения местоположения цеховых трансформаторных подстанций (ТП) и главной понизительной подстанции (ГПП). Построение картограммы нагрузок производят на основании результатов определения расчетных нагрузок цехов, исходя из условия, что площади кругов картограммы в выбранном масштабе является расчетными нагрузками цехов.

В качестве расчетной нагрузки для построения картограммы принимают активную расчетную мощность каждого цеха, так как реактивная мощность цеха подлежит компенсации. [2]

Радиусы окружностей для каждого цеха находят из выражения:

мм где Р_рi — расчетная активная нагрузка i-го цеха, кВт;

m — масштаб площади круга, кВт/мм²;

r_i — радиус окружности, мм.

Для цеха 1:

Нагрузка 0,4 кВ:, мм На основании приведенного примера аналогично проводим расчет для других цехов.

Так как часто расположение нагрузок по площади цехов неизвестно, то построить картограмму можно, исходя из условия, что нагрузка равномерно распределена по площади цеха, т. е. центр нагрузок цеха (центр окружности) совпадает с центром тяжести его площади.

Силовые нагрузки напряжением до и выше 1000 В наносят отдельно, а осветительные нагрузки в виде отдельных секторов — внутри круга, изображающего нагрузку напряжением до 1000 В. Величины нагрузок наносят рядом с кругами.

Центр электрических нагрузок (ЦЭН) промышленного предприятия в целом определяют с помощью аналитического метода сложения параллельных нагрузок. В декартовой системе координат оси наносят на план произвольно, координаты центра электрических нагрузок определяют по формулам:

мм

мм где Р_i — полная нагрузка i-го цеха, кВ· А;

х_i, у_i— координаты центра нагрузок i-го цеха, мм;

х_о, у_о — координаты центра нагрузок предприятия, мм.

Реально координаты ЦЭНа, т. е. положение распределительной подстанции (РП) или ГПП, принимается с учетом застройки генплана предприятия производственными цехами и расположением заводских коммуникаций (трубопроводы, эстакады, рельсовые пути и т. д.).

рис. 3 Картограмма нагрузок

6.2 Размещение ГПП, РП на территории предприятия

В данном разделе рассматривают и решают вопросы передачи электроэнергии от ГПП к цехам и административно-производственным зданиям предприятий. [2]

В первом приближении местоположение ГПП может быть выбрано в ЦЭН. Однако выбранное таким образом расположение подстанции должно корректироваться с учетом конкретных условий производства, его территория и т. д. Для расположения подстанции с ее реальными геометрическими размерами необходима определенная свободная площадь на территории предприятия. Также необходимо предусмотреть наличие определенной площади для конструктивного осуществления кабельных трасс, эстакад и линии.

В условиях Севера предпочтение нужно отдавать прокладке кабелей по эстакадам. Контрольные кабели для цепей управления и защиты по территории ОРУ также необходимо вести по надземным конструкциям. Эта рекомендация вызвана тем, что прокладка кабелей в траншеях и каналах затрудняет условия эксплуатации. В короткий летний период каналы и траншеи обводняются, и при замерзаниях в зимних условиях происходит разрыв кабелей. Расположение ГПП, воздушных и кабельных линий не должно создавать затруднения для внутризаводского транспорта.

Следует также принимать во внимание требования технической эстетики и промышленной архитектуры. Приведенные выше соображения часто вынуждают располагать ГПП на границе или вблизи территории предприятия.

ОРУ-110 кВ в условиях Севера подвергаются сильным снежным заносам. В связи с этим оборудование открытых распределительных устройств (ОРУ) (ЛР, ШР, ошиновки) размещают на высоте 5−6 м, соответственно подняв их приводы. Для удобства обслуживания и ремонтов оборудования сооружают стационарные площадки. При компоновке подстанцию ОРУ следует располагать с наветренной стороны, что обеспечивает минимальные снежные заносы.

7. Характеристика схем электроснабжения Внутризаводское распределение электроэнергии выполняется по магистральной, радиальной или смешанной" схеме в зависимости от территориального размещения нагрузок, их величины, требуемой степени надежности питания. При прочих равных условиях применяются магистральные схемы как наиболее экономичные. [2]

Важным является обеспечение питания осветительных и силовых нагрузок в ночной период, в выходные и праздничные дни по возможности без больших затрат на дополнительные сетевые устройства. Наиболее удачно эта задача решается при однотрансформаторных цеховых подстанциях, которые для взаимного резервирования подстанций обычно связываются между собой перемычками низкого напряжения, рассчитанными на мощность до 15—30% мощности трансформатора. Это дает возможность отключать часть трансформаторов в период малых нагрузок, что обеспечивает получение экономического эффекта за счет снижения потерь электроэнергии п повышения коэффициента мощности.

Схемы распределения электроэнергии внутри предприятий имеют ступенчатое построение. В большинстве случаев применяется две-три ступени, так как многоступенчатые схемы усложняют коммутацию и защиту. На небольших предприятиях применяются одноступенчатые схемы распределения электроэнергии с применением второй ступени лишь для удаленных от приемного пункта потребителей.

При системе глубоких вводов ПО—220 кВ распределение энергии на первой ступени между ПГВ производится по радиальным и магистральным воздушным или радиальным кабельным линиям 35—220 кВ от УРП или от подстанции энергосистемы.

При сооружении РП необходимо полностью использовать полную пропускную способность коммутационных аппаратов: головных и секционных выключателей. Поэтому РП, как правило, целесообразно при числе отходящих линий 6—10 кВ не менее восьми или десяти.

Схема распределения энергии взаимосвязана с технологической схемой объекта:

питание электроприемников разных параллельных технологических потоков предусматривается от разных подстанции, РП или магистралей или от различных секции шин одной подстанции или РП, для того чтобы при аварии не остановились оба технологических потока;

в пределах одного потока все взаимосвязанные технологические агрегаты присоединяются к одному источнику (подстанции, РП, секции и т. д.), чтобы при прекращении питания потопа все входящие в его состав электроприемники были одновременно обесточены;

вспомогательные цепи выполняются так, чтобы их питание не нарушалось при любых переключениях питания силовых цепей параллельных технологических потоков во избежание ложных отключении и останова производства.

Магистральные схемы. При магистральных электроэнергия подается от основного энергетического узла или центра питания предприятия (ТЭЦ, ГПП) непосредственно к цеховым распределительным и трансформаторным подстанциям. Уменьшается число звеньев распределения и коммутации электроэнергии. В этом заключается основное и очень существенное преимущество этих схем.

Магистральные схемы целесообразны при распределенных нагрузках, при расположении подстанций на территории проектируемого объекта, благоприятствующем возможно более прямому прохождению магистралей от источника питания до потребителей энергии без обратных потоков энергии и длинных обходов. Они наиболее удобны при выполнении резервирования цеховых подстанций от другого источника в случае выхода из работы основного питающего пункта.

При магистральных схемах невозможно резервирование по вторичному напряжению соседних однотрансформаторных подстанции, так как они питаются по одной магистрали и одновременно выходят из работы. Для устранения этого недостатка близко расположенные однотрансформаторные подстанции питают от разных магистралей.

Число цеховых трансформаторов, питаемых от одной магистрали, обычно принимается равным двум при мощности трансформаторов 2500 и 1600 кВА; двум-трем при мощности 1000 кВА; пяти при мощности 630—250 кВА. Число трансформаторов тиристорных преобразователей данной технологической линии, питаемых от одной магистрали, можно принять равным пяти-шести. При большом числе трансформаторов и глухом их присоединении к магистрали максимальная защита на головном участке питающей магистрали загрубляется и может оказаться нечувствительной при КЗ в данном трансформаторе, что может вызвать необходимость установки предохранителей на ответвлении от магистрали к трансформатору. Это дает возможность селективно отключить трансформатор при повреждении в нем.

На крупных и средних предприятиях широкое применение нашли магистральные токопроводы 6—35 кВ. При больших потоках электроэнергии кабельные магистрали громоздки, трудно выполнимы, неэкономичны и требуют большого числа дефицитных кабелей. Поэтому на очень крупных энергоемких предприятиях широко применяются на первых ступенях электроснабжения магистральные токопроводы.

Магистральные токопроводы 10 и 6 кВ имеют преимущественное применение при токах более 1,5—2 кА. Целесообразность использования токопроводов 35 кВ определяется технико-экономическими расчетами.

Трасса токопроводов проходит через зоны размещения основных электрических нагрузок, в центре которых располагаются распределительные пункты, присоединяемые к токопроводам. При удачном выборе трассы токопроводов удается обеспечить питание от них примерно 70—75% всех электрических нагрузок предприятия. Потребители, удаленные от трассы токопроиодов, могут питаться от выносных РП или непосредственно от ГПП. В отдельных случаях токопроводы могут быть также использованы для связи между двумя источниками питания, что удешевляет схему.

Часто используется присоединение токопроводов непосредственно к трансформаторам через отдельные выключатели, минуя сборные шины 6—10 кВ ГПГТ. Благодаря этому разгружаются вводные выключатели, присоединяемые к сборным шинам, и создается независимое питание токопроводов, что значительно повышает надежность электроснабжения.

Еще более рациональной является схема с подключением токопровода к одной из расщепленных обмоток трансформатора, но ее можно применить при равномерном распределении нагрузок между токопроводом и сборными шинами.

До настоящего времени схемы ответвлений от токопроводов, как правило, выполнялись с применением расщепленных (сдвоенных) реакторов, присоединяемых к токопроводу через разъединители, и с установкой включателей после реакторов на вводах в РП. Однако в связи с имевшими место разрушениями реакторов при одновременном прохождении тока КЗ по обеим обмоткам фазы реактора применение таких схем стало ограничиваться.

Радиальные схемы распределения электроэнергии применяются главным образом в тех случаях, когда нагрузки расположены в различных направлениях от центра питания. Они могут быть двухступенчатыми или одноступенчатыми. Одноступенчатые схемы применяются главным образом на малых предприятиях, а двухступенчатые— на больших.

На рисунке 4 представлено токораспределение металлургического завода, на рисунках 5 и 6 структурная и принципиальная схемы электроснабжения соответственно.

Рисунок 4 Токораспределение металлургического завода Рисунок 5 Структурная схема Рисунок 6 Принципиальная схема

8. Выбор электрооборудования подстанции 110/6−10 кВ Электрические аппараты, изоляторы и токоведущие устройства работают в условиях эксплуатации в трех основных режимах: длительном, перегрузки (с повышенной нагрузкой, которая для некоторых аппаратов достигает значения до 1,4 номинальной) и короткого замыкания. [2]

В длительном режиме надежная работа аппаратов, изоляторов и токоведущих устройств обеспечивается правильным выбором их по номинальному напряжению и току.

В режиме перегрузки надежная работа аппарата и других устройств электрических установок обеспечивается ограничением значения и длительности повышения напряжения или тока в таких пределах, при которых еще гарантируется нормальная работа электрических установок за счет запаса прочности.

В режиме короткого замыкания (к.з.) надежная работа аппаратов, изоляторов и токоведущих устройств обеспечивается в соответствии выбранных параметров устройств условиям термической и электродинамической стойкости. Для выключателей, предохранителей и выключателей нагрузок добавляется условия выбора их по отключающей способности.

При выборе аппаратов и параметров токоведущих устройств следует учитывать места установки (в помещении или на открытом воздухе), температуру окружающей среды, влажность и загрязненность ее, и высоту установки аппаратов над уровнем моря.

При составлении схемы для расчетов токов к.з. для каждого аппарата выбирают такой режим, при котором он находился бы в наиболее тяжелых, но реальных условиях работы. Не учитывают только такие режимы, которые не предусмотрены для продолжительной эксплуатации.

За расчетную принимают такую точку к.з., при которой через аппарат проходит наибольший ток. Исключение из этого положения отмечены для каждого аппарата при рассмотрении методики его выбора и проверки.

Выбор по номинальному напряжению.

Номинальное напряжение аппарата, указанное на его заводской табличке, соответствует уровню его изоляции, причем нормально всегда имеется некоторый запас электрической прочности, позволяющей аппарату неограниченно длительное время работать при напряжении на 10−15% выше номинального. Это напряжение называют максимальным рабочим напряжением аппарата. Так как отклонение напряжения в условиях эксплуатации обычно не превышают 10−15% номинального, то при выборе аппаратов по напряжению достаточно выполнить условие: