Проектирование системы электроснабжения механического цеха

Электрификация обеспечивает выполнение задачи широкой комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, что позволяет усилить темпы роста производительности общественного труда, улучшить качество продукции и облегчить условия труда. На базе использования электроэнергии ведется техническое перевооружение промышленности, внедрение новых технологических процессов и осуществление коренных преобразований в организации производства и управлении им. Поэтому в современной технологии и оборудовании промышленных предприятий велика роль электрооборудования, т. е. совокупности электрических машин, аппаратов, приборов и устройств, посредством которых производится преобразование электрической энергии в другие виды энергии и обеспечивается автоматизация технологических процессов.

Электромашиностроение — одна из ведущих отраслей машиностроительной промышленности. Процесс изготовления электрической машины складывается из операций, в которых используется разнообразное технологическое оборудование. При этом основная часть современных электрических машин изготовляется методами поточно-массового производства. Специфика электромашиностроения заключается главным образом в наличии таких процессов, как изготовление и укладка обмоток электрических машин, для чего применяется нестандартизированное оборудование, изготовляемое обычно самими электромашиностроительными заводами.

Электромашиностроение характерно многообразием процессов, использующих электроэнергию: литейное производство, сварка, обработка металлов и материалов давлением и резанием, термообработка и т. д. Предприятия электромашиностроения широко оснащены электрифицированными подъемно-транспортными механизмами, насосными, компрессорными и вентиляторными установками.

Современная энергетика характеризуется нарастающей централизацией производства и распределения электроэнергии. Для обеспечении подачи электроэнергии от энергосистем к промышленным объектам, установкам, устройствам и механизмам служат системы электроснабжения состоящие из сетей напряжением до 1000 В и выше и трансформаторных, преобразовательных и распределительных подстанций. Для передачи электроэнергии на большие расстояния используются сверхдальние линии электропередач (ЛЭП) с высоким напряжением: 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоянного тока.

В современных многопролетных цехах автомобильной промышленности широко используют комплектные трансформаторные подстанции (КТП), комплектные распределительные установки (КРУ), силовые и осветительные шинопроводы, аппараты коммутации, защиты, автоматики, контроля, учета и так далее. Это создает гибкую и надежную систему электроснабжения, в результате чего значительно уменьшаются расходы на электрообеспечение цеха.

Автоматизация затрагивает не только отдельные агрегаты и вспомогательные механизмы, но во все большей степени целые комплексы их, образующие полностью автоматизированные поточные линии и цехи.

Первостепенное значение для автоматизации производства имеют многодвигательный электропривод и средства электрического управления. Развитие электропривода идет по пути упрощения механических передач и приближения электродвигателей к рабочим органам машин и механизмов, а так же возрастающего применения электрического регулирования скорости приводов.

Целью настоящего дипломного проекта является проектирование электроснабжения механического цеха № 5. Основной задачей настоящего проекта является проектирование надежного бесперебойного электроснабжения приемников цеха с минимальными капитальными затратами и эксплуатационными издержками и обеспечение высокой безопасности.

1. Расчетно-технологическая часть

1.1 Общая характеристика технологического процесса проектируемого цеха

Механический цех относится к основному производству машиностроительного предприятия. В нем выполняются операции по обработке деталей после отливки и доведение их до завершенного состояния с последующей отправкой в цех сборки. Преобладает оборудование по обработке металлов резанием. Присутствуют станки массового производства с ЧПУ, а также поточные конвейерные и автоматические линии.

Цех состоит из четырех пролетов, шириной по 12 м. Согласно требуемой технологии обработки изделий цех оснащен современным технологическим оборудованием — это металлорежущие станки, электропечи, точечные и шовные сварочные машины. Имеется общепромышленное оборудование — это подъемно-транспортные механизмы, насосы, вентиляторы

1.2 Характеристика потребителей электрической энергии. Выбор напряжения и схемы электроснабжения приемников цеха

Основными потребителями электрической энергии механического цеха являются металлорежущие станки, точечные и шовные сварочные машины, насосы, вентиляторы, электропечи и краны. Цех оснащен станками различного назначения: токарные, сверлильные, шлифовальные, фрезерные, плоско и круглошлифовальные, заточные, координатно-расточные, МРС с ЧПУ и другие.

Согласно Правилам Устройства Электроустановок электроприемники по бесперебойности электроснабжения относятся ко II и III категории. Электроприемники работают в повторно-кратковременном (ПКР) и длительном режимах.

Важной технической задачей, которую нужно решать при проектировании электроснабжения, является выбор напряжения силовой и осветительной сети. От правильности выбора будут зависеть потери напряжения, электроэнергии и многие другие факторы. Выбор напряжения основывается на сравнении технико-экономических показателей различных вариантов. При выборе напряжения для питания силовых и осветительных потребителей следует отдавать предпочтение варианту с более высоким напряжением, так как чем больше величина U, тем меньше ток в проводах, тем меньше сечение, меньше потери мощности и энергии.

Согласно Правилам Устройства Электроустановок и Правилам Технической Эксплуатации в Российской Федерации для электроустановок с U? 1000 В приняты следующие стандартные напряжения переменного тока: 110 В, 220 В, 380 В, 660 В. Наибольшее распространение на предприятиях машиностроительной промышленности получила система трехфазного тока напряжением 380/220 В частотой 50 Гц с глухозаземленной нейтралью. Широко используется так же система напряжения 660/380 В.

Для проектируемого цеха применяем систему трёхфазного переменного тока с напряжением 380/220 В с глухозаземлённой нейтралью, что позволяет питать от одних и тех же трансформаторов силовые и осветительные нагрузки. Силовые потребители питаются напряжением 380 В, а освещение напряжением 220 В. Согласно требований Техники Безопасности питание цепей управления и местного освещения осуществляется пониженным напряжением: Цепи управления питаются напряжением 110 В, освещение 12 В или 24.

При питании силовой и осветительной сети от однотрансформаторной ТП возникает мигание света осветительных приборов, так как происходит запуск мощных двигателей и возникают большие пусковые токи. Поэтому питание осуществляют от двухтрансформаторной КТП. Силовые приемники с большими и частыми пиковыми нагрузками нужно подключить к одному из трансформаторов КТП, а более «спокойную» нагрузку к другому трансформатору. В этом случае рабочее освещение необходимо запитывать от трансформатора со «спокойной» нагрузкой, а аварийное освещение от трансформатора с «неспокойной» нагрузкой, с тем чтобы обеспечить надлежащее качество рабочего освещения.

Выбор схемы электроснабжения приемников цеха зависит от многих факторов:

мощности отдельных потребителей;

расположения потребителей;

площади цеха;

технологического процесса цеха, определяющего категорию электроприемников по бесперебойности электроснабжения.

Система электроснабжения должна удовлетворять следующим требованиям:

удобство и надежность обслуживания;

надлежащее качество электроэнергии;

бесперебойность и надежность электроснабжения как в нормальном, так и в аварийном режиме;

экономичность системы, то есть наименьшие капитальные затраты и эксплуатационные издержки;

гибкость системы, то есть возможность расширения производства без существенных дополнительных затрат.

Для передачи и распределения электроэнергии к цеховым потребителям применяем наиболее совершенную схему блока «трансформатор — магистраль», что удешевляет и упрощает сооружение цеховой подстанции. Такие схемы очень распространены и обеспечивают гибкость системы и ее надежность, а также экономичность в расходе материалов.

Электроснабжение выполняется магистральными шинопроводами, запитываемыми непосредственно от РУ — 0,4 цеховой КТП, к которым присоединяются распределительные шинопроводы, а от них радиальными линиями осуществляется питание всех электроприемников. Ответвления от ШМА к ШРА и от ШРА к отдельным приемникам выполняются проводами в тонкостенных трубах

1.3 Расчет осветительной и силовой нагрузки

1.3.1 Расчет мощности на электроосвещение цеха

Достаточная освещённость рабочей поверхности — это необходимое условие для обеспечения нормальной работы человека и высокой производительностью труда.

Для проектируемого цеха принимаем систему комбинированного освещения, состоящего из общего равномерного и местного освещения.

Расчёт мощности ведём методом «удельных мощностей». Суть этого метода в том, что установленная мощность светильников зависит от нормируемой освещённости цеха, высоты подвеса светильника, площади освещаемой поверхности, коэффициентов отражения потолка, рабочей поверхности и стен.

Освещение в цехе производим лампами ДРЛ. Согласно заданию среда в цехе нормальная, принимаем тип светильника УПДДРЛ. [1]

Норма освещённости согласно СНиП цехов машиностроительных заводов при освещении их лампами ДРЛ и люминесцентными лампами в зависимости от типа производства может лежать в пределах от 100 — 300 Лк.

Норму освещённости для производственных помещений цеха принимаем Е_нор. = 200 Лк. [1]

Высота подвеса светильника над рабочей поверхностью Н_р., м определяется, в соответствии с рисунком 1, по формуле:

Н_р. = Н — h_c. — h_p., м (1)

где Н — высота помещения цеха, м.

Н = 6 м (по заданию);

h_c. — расстояние светильников от перекрытия, м. h_c. = 0,7 м;

h_p. — высота рабочей поверхности над полом, м. h_р. = 0,8 м.

Н_р. = 6 — 0,7 — 0,8 = 4,5

Площадь освещаемой поверхности данного пролёта S_пр., м²:

S_пр. = B? L, м² (2)

где B — ширина цеха, м. B = 12 м (по заданию);

L — длина цеха, м. L = 72 м (по заданию).

S_пр. = 12? 72 = 864 м²

Удельная мощность освещённости лампы ?_уд., Вт/м², определяется исходя из удельной мощности освещения при освещенности 100 Лк.

Для светильников УПД ДРЛ Е_нор. = 100 Лк, ?_уд. = 5,4 Вт/м² [1]

Для светильников УПД ДРЛ Е_нор. = 200 Лк, ?_уд. = 5,4 2 = 10,8 Вт/м²

Допустимая мощность рабочего освещения одного пролета Р_р.о.пр., Вт:

Р_р.о.ц. = ?_уд.? S_пр. (3)

Р_р.о.пр. = 10,8? 864 = 9331,2 Вт Выбираем мощность лампы ДРЛ и технические данные заносим в

таблицу 1.

Таблица 1 Технические данные лампы ДРЛ

Число светильников рабочего освещения по пролету N_св, шт.

N_св = Р_р.о.св/Р_л = 9331,2/400 = 23,3 шт. (4)

Принимаем число светильников для пролета N_св = 24 шт.

При размещении светильников учитываем требования качества освещения, в частности направление света, а так же доступность их для обслуживания. Расположение светильников в цехе производим в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 — расположение светильников в пролёте

Число пролетов в цехе i = 4 (по заданию)

Мощность рабочего освещения производственных помещений цеха P_p.о, кВт

P_p.о = N_св х Р_л х i = 24×400×4 = 38 400 Вт = 38,4 кВт (5)

В случае отключения рабочего освещения для продолжения работы предприятия предусматривается аварийное освещение. Мощность аварийного освещения производственных помещений цеха Р_ав., Вт принимают 10% (0,1) от рабочего освещения.

Р_ав. = 0,1? 38,4 = 5,76 кВт Для аварийного освещения выбираем лампы накаливания типа Г, мощностью 500 Вт с теми же светильниками. [1]

Таблица 2 Технические данные лампы аварийного освещения

Мощность освещения бытовых помещений Р_бп, кВт определяем по формуле:

Р_бп = Р_уд._бп S_бп (6)

Согласно задания: Р_уд.бп = 25 Вт/м²; S_бп = 6 36 = 216 м²

Р_бп = 25 216 = 5400 Вт = 5,4 кВт

Общая мощность электроосвещения цеха Росв, кВт

Р_осв = Р_ро + Р_бп = 38,4 + 5,4 = 43,8 кВт

1.3.2 Расчёт электрических нагрузок

Расчет ведем методом упорядоченных диаграмм, по максимальной мощности, потребляемой цехом в течение первой 30 минутной наиболее загруженной смены.

Этот метод учитывает режим работы приемников, отличие их друг от друга по мощности и их количество.

В каждом пролете устанавливается по два ШРА на стойках или кронштейнах вдоль электроприемников.

Мощности электроприемников, работающих в ПКР, приводим к ПВ = 100% и выражаем в кВт.

Пример расчета: [2]

1 Номинальная мощность, приведенная к ПВ = 100%, Р_{н.пв = 100%}, кВт а) МРС, насосы, вентиляторы, печи сопротивления, индукционные печи Р_{н.ПВ =100%} =Рн б) Сварочные машины точечные, U = 380 В, cos = 0,7, ПВ = 20%(0,2)

Р_{н.пв = 100%}= Sн x x cos. (7)

S_н=100кВА,

Суммарная мощность

в) Электродвигатели кранов G = 10 т Р_н1= 11 кВт; Р_н2= 2,2 кВт; Р_н3= 16 кВт; ПВ = 25% (0,25)

Р_{н.ПВ = 100%} = Рн х ПВ (8)

Где Р_н — номинальная суммарная мощность всех электродвигателей крана, кВт Рн= Р₁+ Р₂ + Р₃ =11 + 2,2 + 16=29,2 кВт Р_{н.пв = 100%} = 29,2×0,5 = 14,1 кВт

2 Для всех электроприемников определяется cos и соответственно tg [2]

3 Сменная активная мощность за наиболее загруженную смену Р_см, кВт Р_см = К_и х Р_н, (9)

Где Ки — коэффициент использования электроприемников. Для точечных сварочных машин Ки = 0,2;

Р_см= 62,6×0,2 = 12,52 кВт.

4 Сменная реактивная мощность Q_см, кВА

Q_см = Р_cм х tg. (10)

Для точечных сварочных машин tg = 1,33; Q _см = 12,52×1,33 = 16,65 кВА.

5 Расчет максимальной нагрузки

5.1 Определяем показатель силовой сборки для группы приемников, m

(11)

где Р_н мах - номинальная мощность наибольшего электроприемника в группе, кВт;

Рн.мin - номинальная мощность наименьшего электроприемника в группе, кВт

Для сварочных точечных машин Рн мах = 31,3 кВт; Р н. мin = 31,3 кВт;

.

Для МРС Рн мах = 30 кВт; Р н. мin = 13 кВт;

5.2 Определяем эффективное число электроприемников n_э, по формуле

n_э=n*_э х n, (12)

где n*_э — относительное эффективное число электроприемников;

n — общее количество приемников, подключенных к силовому проводу.

n^*_э= f (n*; Р*),

где n^* — относительное число наибольших по мощности электроприемников

(13)

где n' - число приемников с единичной мощностью больше или равной

К 6 ШРА подключено 11 электроприемников, n=11. Максимальная мощность единичного электроприемника Р_н макс = 31,3 кВт, отсюда

Число приемников с Рн 15,65 кВт,

n' = 8 шт.

Суммарная мощность этих электроприемников Р_н = 200,6 кВт.

Относительное эффективное число n* электроприемников Относительная мощность наибольших электроприемников Р^* в группе

.

Для n* = 0,73 и Р* = 0,84 n*_Э = 0,9 [2]

n_э = n* _Э х n = 0,9×11 =9,9.

Аналогично определяется эффективное число и для остальных ШРА.

6 Коэффициент максимума Км = f (n; Ки), [2]

Где Ки - средний групповой коэффициент использования электроприемников

_. (14)

Для 6 ШРА; Км= f (n_э = 9,9; Ки = 0,2)= 1,84

7 Максимальная активная мощность Рм, кВт

Р_м = К_м х Р_см. (15)

Для 6 ШРА Рм = 1,84×49,54 = 91,2 кВт

8 Максимальная реактивная мощность Q_m, кВА

Q_m = Р_м х tg. (16)

Для 6 ШРА Q_м = 91,2×1,14 = 103,9 кВА

9 Полная максимальная мощность S_м, кВА

S_м = P_м² + Q_м². (17)

Для 6 ШРА

10 Максимальный ток нагрузки

. (18)

Для 6 ШРА

Максимальные расчетные нагрузки для других ШРА рассчитываются так же, как и для 6 ШРА. Итоговая нагрузка силовых пунктов 6 ШРА и 5 ШРА определяется по вышеприведенным формулам согласно методу коэффициента максимума.

По аналогии ведется расчет и по другим пролетам.

1.4 Определение мощности и выбор типа компенсирующего устройства

Повышение cos электроустановок имеет большое значение, так как прохождение в электрических сетях реактивных токов обуславливает добавочные потери напряжения, активной мощности, а следовательно и электроэнергии. При этом снижается пропускная способность линии. При выборе компенсирующих устройств подтверждается необходимость их комплексного использования как для повышения напряжения, так и для компенсации реактивной мощности Коэффициент мощности по расчётным нагрузкам cos_шма1 = 0,66 и cos_шма2 = 0,78 (таблица 3), а согласно ПУЭ нормативный допустимый для данных предприятий cos = 0,95. [3]

Для повышения cos в электроустановках промышленных предприятий используют два способа: естественный и искусственный.

К естественному методу относятся следующие мероприятия:

при работе асинхронного двигателя на холостом ходу cos_х.х. = 0,1 — 0,3, поэтому применяют устройства, ограничивающие работу на холостом ходу;

замена малозагруженных двигателей на двигатели с меньшей мощностью;

если два трансформатора загружены в среднем менее чем на 30%, то один из них следует отключить;

там где есть возможность использовать синхронные двигатели вместо асинхронных, у них cos больше;

производить качественный ремонт двигателей.

К искусственному методу относятся следующие устройства:

статические конденсаторы;

синхронные компенсаторы;

перевозбужденные синхронные двигатели;

тиристорные источники реактивной мощности (ТИРМы).

Компенсация реактивной мощности на предприятиях осуществляется в основном с помощью статических конденсаторов.

В проектируемом цеху осуществляем групповую компенсацию реактивной мощности. Для этого выбранные ККУ подключаем через ящик с автоматом к ШМА.

Мощность комплектной компенсаторной установки Q_кку, кВАр определяется по формуле:

Q_кку = P_м. (tg₁ — tg₂). (19)

Р_м1 = 311кВт; tg₁ = 1,13 (таблица 3); tg₂ = 0,33, находим по cos₂ = 0,95.

Q_кку1 =311 (1,13 — 0,33) = 249 кВАр.

Р_м2. = 449кВт; tg₁ = 0,82 (таблица 3); tg₂ = 0,33, находим по cos₂ = 0,95

Q_кку2 = 293,2 (0,79 — 0,33) = 135 кВАр Принимаем к установке две ККУ типов: УКН — 0,38 — I₂₈₀ и ККУ — 0,38 — I₁₆₀ [4], суммарное Q_кку = 440 кВАр, присоединяемые к магистральным шинопроводам двумя проводами марки АПВ7 (395) и АПВ7 (3 50). [2]

I_доп. I_м. =. (20)

УКН — 0,38 — I₂₈₀: АПВ7 (3 95).

I_доп1 = 3 165 = 495 А I_м1 = = 425 А.

ККУ — 0,38 — I₁₆₀: АПВ (3 50).

I_доп2 = 3 105= 315 А I_м2 = = 243А.

В качестве защитной аппаратуры ККУ принимаем автоматические выключатели типа А3724Б и А3744Б. [5]

УКН — 0,38 — I₂₈₀: А3744Б.

I_{н.т.расц1} = 500 А I_м1 = 425 А.

I_н.авт1 = 630 А I_м1 = 425 А.

I_{н.эл.маг1} = 6000 А 1,5 I_м1 = 1,5 425 = 637,5 А.

ККУ — 0,38 — I₁₆₀: А3724Б.

I_{н.т.расц2} = 250А I_м2 = 243А.

I_н.авт2 = 250А I_м2 = 243А.

I_{н.эл.маг2} = 4000 А 1,5 I_м2 = 1,5 243 = 364,5А.

Рассчитываем оптимальное место размещения ККУ

L_опт. = L₀ + (1 —) L, м (21)

где L₀, м — длина магистрали от трансформатора КТП до того места, откуда начинается подключение к ней распределительных шинопроводов;

L, м — длина участка магистрального шинопровода от начала ответвления ШРА до конца;

Q — суммарная реактивная мощность шинопровода, кВАр НА ШМА — 1 L_опт. = 6 + (1 —) 26 = 18,8 м.

НА ШМА — 2 L_опт. = 5 + (1 —) 14 = 13,5 м.

1.5 Определение числа и мощности цеховых трансформаторных подстанций и их типа

В настоящее время широкое применение получили комплектные трансформаторные подстанции КТП, КНТП. Применение КТП позволяет значительно сократить монтажные и ремонтные работы, обеспечивает безопасность и надёжность в эксплуатации.

Выбор типа, числа и схем питания трансформаторов подстанции обусловлен величиной и характером электрических нагрузок, размещением нагрузок на генеральном плане предприятия, а также производственными, архитектурно-строительными и эксплуатационными требованиями, учитывая конфигурацию производственного помещения, расположение технологического оборудования, условия окружающей среды, условия охлаждения, требования пожарной и электрической безопасности и типы применяемого оборудования.

Расчётная мощность нагрузки с учётом компенсации реактивной мощности S_м.^', кВА определяется по формуле:

S_м.^' = _. (22)

S_м.^' = = 617 кВА.

Исходя из расчётной мощности, перечисленных условий, учитывая, что потребители электроэнергии цеха относятся ко II и III категории по бесперебойности электроснабжения, принимаем к установке КТП с двумя трансформаторами типа ТМЗ 1000/10/0,4 (лист 4 графической части) [4]

Таблица 4 Технические данные трансформатора

Коэффициент загрузки трансформаторов в нормальном режиме К_з., %:

К_з. = 100% (23)

К_з. = 100% = 60%

В аварийном режиме загрузка одного трансформатора К_{з. ав.}, % составит:

К_з.ав. = 100% (24)

К_з.ав. = 100% = 120%

Согласно ПУЭ, аварийной загрузки для КТП с трансформаторами типа коэффициент ТМЗ должен составлять не более 30%, если его коэффициент загрузки в нормальном режиме не превышал 70 — 75% и, причем с этой перегрузкой он может работать не более 120 минут при полном использовании всех устройств охлаждения трансформаторов, если подобная перегрузка не запрещена инструкциями заводов изготовителей. Так как электроприемники в цехе относятся ко 2 и 3 группе по бесперебойности электроснабжения, то в аварийном режиме возможно отключение части неответственных электроприемников.

Для выбранной КТП ТМЗ 1000/10/0,4 имеется большой трансформаторный резерв, что обеспечит дальнейший рост нагрузки цеха без замены трансформатора на большую мощность, во вторую смену можно отключить один трансформатор для экономии электроэнергии.

1.6 Расчет и выбор силовой (осветительной) сети на стороне 0,4 кВ

1.6.1 Выбор магистральных шинопроводов ШМА [4]

Магистральный шинопровод выбирается по номинальному току трансформатора.

Номинальный ток трансформатора I_н.тр., А

I_н.тр. = (25)

I_н.тр. = = 1519А Принимаем к установке два магистральных шинопровода типа ШМА₄−1600−44−1У3. [2]

I_н.шма I_н.тр.

1600А 1519А.

Таблица 5 Технические данные магистрального шинопровода

1.6.2 Выбор распределительных шинопроводов ШРА [2]

Принимаем к установке четырёхполюсные распределительные шинопроводы типа ШРА₄. Выбираем их по максимальному расчётному току (таблица 3).

I_н.шра I_м.

Пример выбора 1ШРА, I_м. = 157 А:

Принимаем к установке шинопровод ШРА₄−250-32-1УЗ, I _н.шра = 250А.

250А 157А.

Выбор остальных ШРА производим аналогично. Данные выбора приведены в таблице 6.

Таблица 6 Данные выбора ШРА

1.6.3 Выбор ответвлений от ШМА к ШРА [2]

Ответвления от ШМА к ШРА выполняем поводами марки АПВ в тонкостенных трубах. Сечение поводов выбираем по номинальному току ШРА с учётом дальнейшего роста нагрузки.

I_доп.пр. I_{доп.шра}

Для подключения нулевой шины ШРА предусматривается дополнительный провод, его проводимость, согласно ПУЭ, должна составлять 50% проводимости фазного.

Ответвление от ШМА к ШРА₄−400−32−1УЗ выполняем проводом

АПВ 7 (1 95).

I_доп.пр. = 200? 2 = 400 А = I_{доп.шра} = 400 А.

Ответвление от ШМА к ШРА₄−250−32−1УЗ выполняем проводом

АПВ 7 (1 50).

I_доп.пр. = 130? 2 = 260 А. > I_{доп.шра} = 250 А. [3]

1.6.4 Выбор ответвлений от ШРА к отдельным электроприёмникам для участка цеха с подробной планировкой [2]

Ответвления от ШРА к отдельным электроприёмникам выполняются проводами марки АПВ в тонкостенных трубах.

I_доп.пр. I_н.

В качестве нулевого заземляющего провода прокладываем дополнительный провод, проводимость которого равна 50% проводимости фазного.

Пример выбора ответвления к станку № 1, металлорежущий станок Р_н. = 22 кВт.

I_расч = Р_н / (v3хUхcos х КПД)

I_расч. = 22 / (v3х0,38×0,89×0,87) = 43,2 А Ответвление выполняем проводом марки АПВ4 (1×16), I_доп.пр.= 55 А.

I_доп.пр.= 55 А > I_расч. = 43,2А

Таблица 7 Данные выбора ответвлений к электроприёмникам

1.6.5 Расчёт троллейных линий

Выбор троллей осуществляем по двум условиям:

1) По нагреву в длительном режиме работы:

I_м. I_доп.

2) По допустимой потере напряжения в пиковом режиме:

?U ?U_доп.,

где ?U _доп. — допустимая потеря напряжения, %.? U_доп. = 15%; [3]

?U — потеря напряжения, %. Определяется по формуле:

? U = m ?, (26)

где m — удельная потеря напряжения, %/м;

? — длина троллей, м.

Выбираем троллейный шинопровод для крана G = 5 т.

Р_н1 = 7 кВт I_н1 = 20 А Р_н2 = 2,2 кВт I_н2 = 7 А = 3 ПВ = 25%

Р_н3 = 11 кВт I_н3 = 28 А Максимальный расчётный ток в ПКР I_пкр, А:

(27)

I_пкр = 7 + 20 + 28 = 55 А.

При I_пкр. 60 А пересчет к ПВ = 100% не производится и I_н.пв=100% принимается равным I_пкр..

Пиковый ток I_пик, А:

(28)

I_пик. =7 + 20 + 3 28 = 111 А Выбираем ближайший по номинальному току троллейный шинопровод ШТМ₇₆, I_доп. = 100 А. [4]

I_м. = 55 А I_доп. = 100 А.

Выбранные троллеи проверяем по допустимой потере напряжения в пиковом режиме.

Определяем потери напряжения выбранного шинопровода? U, %. Удельная потеря напряжения m = 0,085%/м, Длина троллеи? = 60 м.

?U = 0,085 60 = 5,1%

?U = 5,1% ?U_доп. = 15%.

Выбранные троллеи удовлетворяют обоим условиям.

1.7 Выбор аппаратов защиты: ШМА, ШРА, СП и отдельных приемников на участке с подробной планировкой

В качестве защиты в сети 0,4 кВ принимаем автоматические воздушные выключатели серии АВМ, А3700Б и АЕ_2443.

1.7.1 Выбор вводного автомата 0,4 кВ на КТП [7]

В качестве вводного автомата на КТП принимаем автомат серии АМ с расцепителем 3, с селективной приставкой, выкатной.

Расчётный ток трансформатора с учётом перегрузки I_м., А

I_м. = (29)

I_м. = = 1975А Принимаем в качестве вводных автоматы типа АВМ₂₀ СВ ,

I_н.ав. = 2000 А I_м. = 1975А

I_н.расц. = 2000 А I_м. = 1975А

1.7.2 Защита распределительных шинопроводов ШРА [2]

На ответвления от ШМА к ШРА устанавливаем автоматические выключатели типа А3700Б с комбинированным расцепителем.

Условия выбора автоматического выключателя:

а) по напряжению

U_н.авт. U_н.уст.

б) по току

I_н.авт. I_м.шра

Условия выбора расцепителя:

в) тепловой расцепитель

I_т.расц. I_м.шра

г) электромагнитный расцепитель

I_{эл.маг.расц.} 1,25 I_пик.

Пример выбора автоматического выключателя для 5 ШРА, I_м. = 157,9А,

I_пик. = 584,3 А:

Принимаем для защиты 1ШРА автоматический выключатель А3716Б .

а) U_н.авт. = 660 В U_н.уст. = 380 В

б) I_н.авт. = 160А I_м.шра = 157,9А

в) I_т.расц. = 160А I_м.шра = 157,9А

г) I_{эл.маг.расц.} = 4000 1,25 I_пик. = 1,25 584 = 730А.

Для остальных ШРА выбор производим аналогично.

Таблица 8 Данные выбора защиты для ШРА

1.7.3 Защита отдельных электроприемников на участке с подробной планировкой [5]

Для защиты электроприемников применяем автоматические выключатели серии А3700Б, АЕ_2443.

Условия выбора автоматического выключателя:

а) по напряжению

U_н.авт. U_н.

б) по току

I_н.авт. I_н.

Условия выбора расцепителя:

в) тепловой расцепитель

I_т.расц. I_н.

г) электромагнитный расцепитель

I_{эл.маг.расц.} 1,25 I_пуск.

Пример выбора автоматического выключателя для станка № 9, МРС Р_н. = 30 кВт, I_н. =93,9А, I_пуск. =469,5 А:

Для защиты станка принимаем автоматический выключатель А3716Б .

а) U_н.авт. = 660 В U_н. = 380 В

б) I_н.авт. = 160 А I_н. = 93,9 А

в) I_т.расц. = 100 А = I_н. = 93,9 А

г) I_{эл.маг.расц.} = 2000 1,25 I_пуск. = 1,25 469,5 = 587 А

Выбор остальных автоматических выключателей производим аналогично.

Таблица 9 Данные выбора защиты электроприемников

1.7.4 Защита троллейных линий [5]

Защита троллейных линий кранов осуществляется предохранителями ПН₂, установленными в силовом ящике типа ЯБПВУ.

Условия выбора плавкого предохранителя:

1) U_н.пр. U_уст.

2) I_н.пп I_{пл. вст.}

3) I_{пл. вст.} ,

где? — коэффициент снижения пускового тока.

Выбираем защиту для крана G = 5 т.

Р_н1 = 7 кВт I_н1 = 20 А I_н. = 55 А Р_н2 = 2,2 кВт I_н2 = 7 А I_пик. = 111 А Р_н3 = 11 кВт I_н3 = 28 А = 1,6, пуск тяжёлый Условия выбора плавкого предохранителя:

1) U_н.пр. = 380 В = U_уст. = 380 В

2) I_н.пп = 100 А I_{пл. вст.} = 80 А

3) I_{пл. вст.} = 80 А = = 69,38 А, Принимаем для защиты ЯБПВУ₁ .

Выбираем защиту для крана G = 10 т.

Р_н1 = 11 кВт I_н1 = 32 А I_н. = 59 А Р_н2 = 2,2 кВт I_н2 = 7 А I_пик. = 120 А Р_н3 = 16 кВт I_н3 = 20 А = 1,6, пуск тяжёлый Условия выбора плавкого предохранителя:

1) U_н.пр. = 380 В = U_уст. = 380 В

2) I_н.пп = 100 А I_{пл. вст.} = 80 А

3) I_{пл. вст.} = 80 А = = 75 А, Принимаем для защиты ЯБПВУ₁ .

1.8 Расчет токов короткого замыкания на стороне 10 кВ и 0,4 кВ

1.8.1 Расчет токов короткого замыкания на стороне 10 кВ

ГПП завода питается от шин 110 кВ Волжской подстанции по ЛЭП₁₁₀, длинной? = 4 км. На ГПП₁ установлены два силовых трансформатора S_н.тр.1 = 40 МВА S_н.тр.2 = 32 МВА, с расщепленными вторичными обмотками, работа шин 10 кВ раздельная. На районной подстанции установлены выключатели МКП₁₁₀, их отключающая мощность по каталогу S_н.отк. = 4000 МВА.

Рисунок 4 Расчетная схема токов короткого замыкания Расчет токов короткого замыкания ведем в относительных базисных единицах.

За базисную мощность принимаем мощность системы, т. е.

S_б. = S_с. = 3500 МВА.

За базисное напряжение принимаем то напряжение, где произошло короткое замыкание, т. е. U_б. = 10,5 кВ.

Тогда базисный ток на ступени 10,5 кВ составит:

(30)

кА Все сопротивления отдельных элементов расчетной схемы приводим к базисным условиям:

· сопротивление системы х_б.с1

(31)

где S_с. — мощность системы сверхпереходная, МВА. S_с. = 4000 МВА (согласно задания).

· сопротивление линии ЛЭП₁₁₀_х_бл2

(32)

где х₀ — индуктивное сопротивление линии, Ом/км. х₀ = 0,4 Ом/км;

? — длина линии, км.? = 4 км (согласно задания).

· сопротивление трансформатора — х_бт3

(33)

где u_к% - напряжение короткого замыкания, %. u_к% = 10,5% (по паспорту трансформатора);

S_н.тр. — номинальная мощность трансформатора, МВА. S_н.тр. = 32 МВА (по паспорту трансформатора).

Сворачиваем расчетную схему относительно точки короткого замыкания и составляем схему замещения.

Результирующее базисное сопротивление х_б.рез. составит:

х_б.рез. = х_б.с1 + х_б.л2 + х_б.т3 = 0,875 + 0,42 + 22,97 = 24,26

Находим сверхпереходный ток короткого замыкания в точке К₁:

кА (34)

Так как S_c. = S_б., то х_б.рас. = х_б.рез. = 24,26.

При х_б.рас. 3 точка К₁ считается электрически удаленной от источника питания, поэтому установившееся значение тока короткого замыкания I будет равно сверхпереходному току короткого замыкания I.

I = I = 7,94 кА Действующее значение полного тока короткого замыкания за первый период I_у.:

I_у. = 1,52 I = 1,52 7,94 = 12 кА (35)

Максимальное значение ударного тока короткого замыкания i_у:

i_у. = 2,55 I = 2,55 7,94 = 20,24 кА (36)

Сверхпереходная мощность короткого замыкания S:

S = U_б. I = 10,5 7,94 = 144,4 МВА (37)

1.8.2 Расчет токов короткого замыкания на стороне 0,4 кВ

При расчете токов короткого замыкания на стороне 0,4 кВ, кроме индуктивного сопротивления силовых трансформаторов, шинопроводов, кабелей, проводов, учитываем также их активное сопротивление. Определяем сопротивление системы при U = 10,5 кВ:

(38)

Все расчеты токов коротких замыканий ведем относительно ступениU = 0,4 кВ, поэтому приводим сопротивление системы при U = 10,5 кВ к ступени U = 0,4 кВ.

(39)

Определяем сопротивление кабельной линии х_к:

(40)

где х₀ — среднее значение реактивного сопротивления линии, Ом/км.

х₀ = 0,08 Ом/км. [8]

Ом

Так как активное сопротивление кабельной линии мало, то им пренебрегаем, считая, что r_к. = 0.

Для расчета токов короткого замыкания определяем сопротивление отдельных участков электрической цепи на ступени 0,4 кВ: [8]

Сопротивление трансформатора ТП_1000−10/0,4:

х_тр = 8,56 мОм = 0,856 Ом;

r_тр = 1,95 мОм = 0,195 Ом;

Сопротивление ШМА4−1600−44−1УЗ:

х₀ = 0,17 мОм/м = 0,17 Ом/м;

r₀ = 0,031 мОм/м = 0,31 Ом/м.

х_шма = х₀ ?₂ = 0,17 5,2 = 0,884 Ом;

r_шма = r₀ ?₂ = 0,31 5,2= 0,1 612 Ом.

Сопротивление ответвления от ШМА к ШРА проводом АПВ 7 (1 95):

х₀ = 0,06 мОм/м = 0,6 Ом/м;

r₀ = 0,28 мОм/м = 0,28 Ом/м.

х_апв1 = х₀ ?₃ = 0,6 18,5 = 0,111Ом;

r_апв1 = r₀ ?₃ = 0,28 18,5 = 0,518 Ом.

Сопротивление ШРА4−400−32−1УЗ:

х₀ = 0,1 мОм/м = 0,0001 Ом/м;

r₀ = 0,13 мОм/м = 0,13 Ом/м.

х_шра = х₀ ?₄ = 0,0001 22,75 = 0,2 275 Ом;

r_шра = r₀ ?₄ = 0,13 22,75 = 0,29 575 Ом.

Сопротивление ответвления от ШРА к электроприемнику проводом АПВ_4 (1 16)

х₀ = 0,07 мОм/м = 0,7 Ом/м;

r₀ = 2,08 мОм/м = 0,208 Ом/м.

х_апв2 = х₀ ?₅ = 0,7 3,6 = 0,252 Ом;

r_апв2 = r₀ ?₅ = 0,208 3,6 = 0,7 488 Ом.

Составляем схему замещения, на которой показываем отдельные элементы схемы в виде активного и индуктивного сопротивлений.

Находим ток короткого замыкания в заданных точках по формуле:

(41)

где z_кз — полное сопротивление электрической цепи до заданной точки короткого замыкания, Ом.

(42)

Находим ток короткого замыкания в точке К₅:

Ом кА Находим ток короткого замыкания в точке К₄:

Ом

кА Находим ток короткого замыкания в точке К₃:

Ом

кА Находим ток короткого замыкания в точке К₂:

Для этого определяем сопротивление участка цепи на стороне 10 кВ в относительных базисных единицах:

х_{*б.рез.кз2} = х_{*б.расч.} + х_*б.к.

где х_б.расч. = 24,26;

х_б.к. — сопротивление кабельной линии, в относительных базисных единицах:

х_{б.рез.кз2} = 24,26 + 0,76 = 25,02

Тогда ток короткого замыкания в точке К₂ будет равен:

кА Для того, чтобы проверить селективность действия реле РТ₈₁/1 ток короткого замыкания в точке К₂ пересчитываем на U = 0,4 кВ по формуле:

(43)

кА

1.9 Выбор и расчет релейной защиты. Построение карты селективности

1.9.1 Выбор и расчет релейной защиты

Для защиты фидера 10 кВ предусматривается максимальнотоковая защита и токовая отсечка. Защиту выполняем на реле типа РТ₈₀.

Ток срабатывания определяем по формуле:

(44)

где I_{max нагр.} — максимальный ток нагрузки, который может проходить по защищаемому элементу в наиболее тяжелом режиме при аварийном отключении параллельно работающих трансформаторов и линии 10 кВ, А:

(45)

А к_тт — коэффициент трансформации тока:

;

к_н. — коэффициент надежности. к_н. = 1,6; [8]

к_сх. — коэффициент схемы. к_сх. = 1 (трансформаторы тока включены в неполную звезду); [8]

к_р. — кратность тока нагрузки. к_р = 2,2;

к_в — коэффициент возврата реле. Для реле типа РТ₈₀ к_в = 0,85, но при к_р > 1,6 к_в не учитывается. [8]

А Принимаем ток установки реле i_уст. = 5 А. Определяем ток срабатывания защиты I_с.з., А:

(46)

Определяем коэффициент чувствительности защиты к_ч.:

(47)

Условие к_ч 1,5 выполняется.

Коэффициент чувствительности защиты, как резервной:

I_кз3(0,4) = 20,8 кА

кА Согласование защиты трансформатора ТП на стороне 0,4 кВ и фидера 10 кВ по току:

Для защиты принимаем реле типа РТ₈₁/1: [9]

i_н.уст. = (4 — 10) А, принимаем i_уст. = 5 А;

t_н.ср. = (0,5 — 4) с.

Время уставки срабатывания защиты t_уст. определяется:

t_уст. = t_ср.АВМ + t, (48)

где t_ср.АВМ — уставка времени срабатывания АВМ. t_ср.АВМ = 0,25 с;

t — ступень селективности. t = 0,75 с.

t_уст. = 0,25 + 0,75 = 1 с

Таблица 10. Времятоковая характеристика реле РТ_81/1

Ток отсечки отстраивается от тока короткого замыкания на низшей стороне трансформатора, ток короткого замыкания берется в конце защищаемого участка, т. е. на вводах 0,4 кВ трансформатора (К2).

кА

Ом

Ток токовой отсечки на стороне 0,4 кВ определяется по формуле:

I_{то (0,4)} = к_н. I_кз2, (49)

I_{то (0,4)} = 1,6 23,59 = 37,75 кА

Ток токовой отсечки на стороне 10,5 кВ составит:

кА

Кратность тока токовой отсечки для выбранного реле РТ₈₁/1 принимаем к_то = 5.

(50)

1.9.2 Построение карты селективности ступеней МТЗ

Селективностью, другими словами избирательность, защиты называют способность защиты при токах короткого замыкания и перегрузках отключать только поврежденный участок сети ближайшим к месту повреждения защитным аппаратом. Во всех случаях нужно стремиться к тому, чтобы токи короткого замыкания отключались аппаратом защиты без выдержки времени. Это уменьшает размеры повреждений, снижает опасность возгорания изоляции, прожога труб.

Проверку селективности действия защиты осуществляем путем сопоставления их защитных характеристик, наносимых в одном масштабе на карту селективности. Карту селективности строят в логарифмическом масштабе, по оси X откладывают ток, А, а по оси Y — время. Далее на построенную сетку карты селективности наносим защитные характеристики выбранных аппаратов защиты для рассматриваемого участка сети с указанием их типов; откладываем величины I_н.дв., I_п.дв., I_н.шра, I_{пик.шра}. Затем величины токов короткого замыкания рассчитанных для рассматриваемого участка откладываем на карту селективности по шкале токов и восстанавливаем перпендикуляры. Выбранная защита считается селективной, если отношение времени срабатывания соответствует условию:

t_бол./t_мен. (1,7 3).

1.10 Выбор и проверка элементов высокого напряжения: ячейки КРУ и ее оборудования, высоковольтного кабеля к цеховой ТП

1.10.1 Выбор ячейки КРУ на ГПП

Принимаем к установке на РП ячейки типа КРУ₂−10Э с выключателями ВМП_10К с электромагнитным приводом ПЭ₁₁. ъ

1 Выключатель ВМП_10К с электромагнитным приводом ПЭ₁₁

2 Трансформатор ТПЛ₁₀

3 Трансформатор ТЗЛ — 0,5

Рисунок 7

В ячейке установлены два трансформатора тока ТПЛ₁₀. Для питания земляной защиты применяется трансформатор тока ТЗЛ. [2]

1.10.2 Выбор и поверка оборудования ячейки

1) Выбор и проверка высоковольтного выключателя Исходные данные:

I" = I = 7,94 кА; U_н.уст. = 10 кВ (по заданию) i_у. = 20,24 кА S = 144,4 МВА

I_раб. = 39 А; t_ф. = 0,25 с По исходным данным выбираем выключатель ВМП_10К.

Таблица 11 Технические данные выключателя ВМП_10К

Проверяем выбор высоковольтного выключателя по следующим условиям:

а) по электрической прочности U_н.уст U_н.выкл.

U_н.уст. = 10 кВ = U_н.выкл. = 10 кВ

б) по нагреву в длительном режиме I_раб. I_н.выкл.

I_раб. = 39 А I_н.выкл. = 600 А

в) поверка на динамическую устойчивость i_у. i_max

i_у. = 20,24 кА i_max = 52 кА

г) поверка на отключающую способность S" S_по (I" I_по)

S" =144,4 МВА S_по = 350 МВА

I" = 7,94 кА I_по = 20 кА

д) проверка на термическую устойчивость I² t_ф I_t² t

I² t_ф = 7,94² 0,25 = 15,8 кА²с I_t² t = 14² 10 = 1960 кА²с

Выбранный выключатель — ВМП_10К подходит по всем условиям.

2) Выбор и проверка выключателя нагрузки

Исходные данные:

I" = I = 7,94 кА; U_н.уст. = 10 кВ (по заданию) i_у. = 20,24 кА S = 144,4 МВА

I_раб. = 39 А; t_ф. = 0,25 с

По исходным данным выбираем выключатель ВНП₃-17.

Таблица 12 Технические данные выключателя нагрузки ВНП₃-17

Проверяем выбор выключателя нагрузки по следующим условиям:

а) по электрической прочности U_н.уст U_н.выкл.

U_н.уст. = 10 кВ = U_н.выкл. = 10 кВ

б) по нагреву в длительном режиме I_раб. I_н.выкл.

I_раб. = 39 А I_н.выкл. = 50 А

в) поверка на динамическую устойчивость i_у. i_max

i_у. = 20,24 кА i_max = 25 кА

г) поверка на отключающую способность S" S_по (I" I_по)

S" =144,4 МВА S_по = 300 МВА

I" = 7,94 кА I_по = 12 кА

д) проверка на термическую устойчивость I² t_ф I_t² t

I² t_ф = 7,94² 0,25 =15,8 кА²с I_t² t = 12² 10 = 1440 кА²с

Выбранный выключатель нагрузки — ВНП₃-17 подходит по всем условиям.

3) Выбор и проверка трансформатора тока

Для питания релейной защиты фидера от междуфазных коротких замыканий и токовых цепей измерительных приборов устанавливаем в фазах, А и С трансформаторы тока типа ТПЛ₁₀. [5]

Вторичные обмотки соединены по схеме неполной звезды К_сх. = 1.

Таблица 11 Технические данные трансформаторы тока ТПЛ₁₀

Проверяем выбор трансформатора тока по следующим условиям:

а) по электрической прочности U_н.уст U_н.тт

U_н.уст. = 10 кВ = U_н.тт = 10 кВ

б) по нагреву в длительном режиме I_раб. I_н1

I_раб. = 39 А I_н1 = 200 А

в) поверка на динамическую устойчивость i_у. К_д. I_н1

i_у. = 20,24 кА К_д. I_н1 =250 200 = 70,71 кА

г) проверка на термическую устойчивость I² t_ф (К_t1 I_н1)² t

I² t_ф = 7,94² 0,25 = 15,8 кА²с (К_t1 I_н1)² t = (90 0,2)² 0,25 = 81 кА²с

Выбранный трансформатор тока удовлетворяет всем условиям. Окончательно принимаем трансформатор рока типа ТПЛ₁₀ .

1.10.3 Расчёт и выбор высоковольтного кабеля U = 10 кВ к ТП

Для питания трансформаторов цеховой КТП от РП — 10 выбираем два кабеля марки ААБ, прокладываемые в траншее [2]

Выбор кабелей производим по четырём условиям:

а) по электрической прочности U_н.каб. U_н.уст.

U_н.каб. = 10 кВ = U_н.уст. = 10 кВ б) по нагреву в аварийном режиме I_доп. I_ав.