Проектирование системы электроснабжения промышленного предприятия

Рационально спроектированная система электроснабжения промышленного предприятия должна удовлетворять ряду требований: высокой надёжности и экономичности, удобству и безопасности эксплуатации, должна обеспечивать требуемое качество электроэнергии, соответствующие уровни напряжения.

Целью курсового проекта является проектирование системы электроснабжения цеха промышленного предприятия. Необходимо произвести расчёт электрических нагрузок цеха, светотехнический расчёт, выбрать число и мощность трансформаторов цеховой трансформаторной подстанции, произвести расчёт компенсации реактивной мощности, определить условный центр электрических нагрузок цеха и местоположение цеховой подстанции и её конструктивное исполнение. Также необходимо произвести расчёт цеховой и питающей сети, выбрать магистральные и распределительные шинопроводы, а также кабели, питающие электроприёмники, выбрать предохранители и разъединители, устанавливаемые в КТП. На заключительном этапе проектирования необходимо рассчитать токи короткого замыкания в заданных точках схемы электроснабжения, выбрать защитную аппаратуру и проверить её на селективность срабатывания.

Курсовой проект содержит графическую часть, состоящую из двух чертежей, выполненных на листах формата А1:

— План цеха с обозначением КТП, трасс кабельных линий, распределительных и магистральных шинопроводов.

— Принципиальная схема электроснабжения цеха с указанием типов основных электрических элементов.

1. Определение электрических нагрузок цеха

Расчёт электрических нагрузок ведется по коэффициенту расчётной активной мощности и коэффициенту использования электроприёмников.

Для расчёта электрических нагрузок цеха, согласно заданию, необходимо объединить электроприёмникив группы.

Таблица 1.1 — Группы электроприёмников

Согласно приложению 1 табл.1[1], для соответствующих типов электроприёмников выбираются коэффициенты использования электроприводов и коэффициенты мощности.

Определяем номинальную мощность группы:

.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для цеха:

.

Определяем средневзвешенный коэффициент использования:

.

Для группы 1: .

Для группы 2: .

Для группы 3: .

Для группы 4: .

Для цеха:

.

Определяем эффективное число электроприёмников:

.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для цеха:

.

Коэффициенты расчётной активной и реактивной мощности для данныхК_и и n_э:

Группа 1: и

Группа 2: и

Группа 3: и

Группа 4: и

Определяем расчётную активную мощность:

.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для цеха:

.

Определяем расчётную реактивную мощность:

для группы 1 при :.

для группы 2 при :.

для группы 3 при :.

для группы 4 при :.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для цеха:

Определяем полную расчётную мощность:

.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для цеха:

.

Определяем расчётный ток для группы:

.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для цеха:

.

Определяем пиковый ток группы:

.

Для группы 1:

;

;

.

Для группы 2:

;

;

.

Для группы 3:

;

;

.

Для группы 4:

;

;

.

Все полученные результаты заносим в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 — Расчёт нагрузки групп электроприёмников

Расчётная активная осветительная нагрузка цеха:

где F — площадь помещения

;

— удельная мощность общего равномерного освещения на 1 м² площади цеха;

для цехов промышленных предприятий — коэффициент спроса освещения;

— коэффициент, учитывающий потери в ПРА.

.

Таблица 1.3 — Исходные данные для расчёта электрического освещения по цехам

Расчётная реактивная осветительная нагрузка цеха:

где при, .

.

Расчётная активная и реактивная нагрузки напряжением до 1 кВ:

;

.

Полная расчётная мощность:

.

Результаты расчётов сводим в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 — Расчёт электрических нагрузок по цеху

2. Светотехнический расчёт цеха

Расчётная высота подвеса светильников:

где — высота помещения;

— высота свеса светильников;

— высота рабочей поверхности над полом.

.

Принимаем кривую сил света Д, тогда отношение расстояний между рядами светильников L к высоте их установки H_р будет равно, тогда.

Расстояние от крайних рядов светильников до стен принимается при наличии рабочих мест вдоль стены:

.

Число рядов светильников:

.

Принимаем .

Действительное расстояние между рядами:

Число светильников в ряду:

Принимаем .

Действительное расстояние между светильниками в ряду:

Световой поток одной лампы:

где ;

— коэффициент запаса;

— площадь помещения;

— количество светильников;

; (для ламп ДРЛ).

з — коэффициент использования светового потока, определяемый в зависимости от с_п, с_с, с_р и индекса помещения i:

принимаем, ,, тогда:

;

.

Принимаем к установке лампы ДРЛ-400 с номинальной мощностью 400 Вт и, светильникидля данного типа ламп РСП 05.

Для расчёта эвакуационного освещения воспользуемся точечным методом расчёта.

Условная освещённость в контрольной точке (т. А):

.

Условные освещенности в т. А от отдельных светильников найдём с помощью диаграмм пространственных изолюксов.

Для светильника 1:

;

где Х=4,5, Y=6,5 — расстояния по координатам Xи Y от светильника до контрольной точки;

.

Для светильника 2:

;

.

Для светильника 3:

;

.

Для светильника 4:

;

.

Для светильника 5:

;

.

Для светильника 6:

;

.

Для светильника 7:

;

.

Для светильника 8:

;

.

Для светильника 9:

;

.

Для светильника 10:

;

.

Для светильника 11:

;

.

Для светильника 12:

;

;

Световой поток одной лампы:

где — коэффициент добавочной освещённости.

.

Принимаем к установке лампы накаливания Б-230−240−60 номинальной мощностью 60 Вт и с номинальным световым потоком. Для данного типа ламп выбираем светильники НСП 03 М.

3. Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

Для установки в проектируемом механическом цехе с целью обеспечения надёжности электроснабжения принимаем двухтрансформаторную подстанцию. Коэффициент загрузки одного трансформатора принимаем равным. Принимаем также коэффициент допустимой перегрузки равным .

Номинальная требуемая мощность трансформатора:

.

Принимаем к установке трансформаторыТМЗ-100/10 с номинальной мощностью 100 кВА.

При выходе из строя в случае аварии одного из трансформаторов второй трансформатор должен передавать всю расчётную мощность цеха. При этом должно выполняться условие:

;

;

.

Запишем основные параметры трансформатора в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 — Основные параметры цеховых трансформаторов ТМЗ-100/10

4. Расчёт компенсации реактивной мощности

Расчётный коэффициент реактивной мощности tgц имеет большое значение, в результате чего технико-экономические показатели цеха являются неудовлетворительными. Поэтому tgц необходимо уменьшить с помощью установки средств компенсации реактивной мощности. Требуемое значение коэффициента РМ (соответствует значению коэффициента мощности).

Требуемое значение расчётной реактивной мощности:

;

Необходимая мощность конденсаторной батареи:

.

Принимаем к установке конденсаторную батарею УКРМ-0,4−60 У3.

Номинальная мощность; число и мощность ступеней: 1×60. Номинальная мощность конденсаторной установки:

.

При этом расчётная реактивная мощность будет равна:

.

Значение коэффициента реактивной мощности:

При этом значение коэффициента мощности, что является хорошим технико-экономическим показателем.

5. Построение картограммы и определение условного центра электрических нагрузок цеха

нагрузка электрический светильник подстанция

Разделим электроприёмники цеха на группы по их месторасположению. Электрические нагрузки отдельных групп отобразим в виде кругов; радиус окружности для каждой группы определяется по выражению:

где m — масштаб площади круга, кВт/мм².

Принимаем .

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Для группы 4:

.

Для группы 5:

.

Для группы 6:

.

Для группы 7:

.

Для группы 8:

.

Для группы 9:

.

Для группы 10:

.

Для группы 11:

.

Для группы 12:

.

Центр электрических нагрузок определяется по формулам:

;;

.

Координаты центра электрических нагрузок (8,33; 20,29).

На основании расчёта центра электрических нагрузок принимаем решение по выбору места установки цеховой КТП. Она должна находится по возможности ближе к условному центру электрических нагрузок.

Таблица 5.1 — Расчёт картограммы нагрузок

6. Выбор конструктивного исполнения трансформаторной подстанции и схемы её присоединения

При проектировании системы электроснабжения промышленного предприятия выбираемустановку комплектной трансформаторной подстанции 2 КТП-100/10/0,4−03 У3 внутренней установки с двумя силовыми трансформаторами с однорядным расположением со шкафами с защитной аппаратурой.

Для подключения к питающей сети 10 кВ выбираем установку ячеек КСО-СЭЩ-325 000−10−630/20 У3 и КСО-СЭЩ-326 000−10−630/20 У3, в которых установлены выключатели нагрузки (на случай необходимости отключения трансформатора под нагрузкой) и плавкие предохранители (для защиты трансформатора от токов КЗ).

Со стороны выводов НН трансформаторов устанавливаем шкафы ввода НН ШВ 0,66−22 У3 и ШВ0,66−23 У3 с установленными автоматическими выключателями на шинах НН. Между шкафами ШВ устанавливаем секционный шкаф ШС 0,66−12 У3 с установленным секционным выключателем для оперативных переключений.

7. Расчёт цеховой и питающей сети (10кВ)

Сечение кабелей напряжением 10 кВ определяется по экономической плотности тока и проверяется по допустимому току кабеля в нормальном режиме работы с учётом условий его прокладки, по току перегрузки и термической стойкости к токам короткого замыкания.

Потери активной мощности в трансформаторе:

;

.

Потери реактивной мощности в трансформаторе:

;

.

Расчётный ток в кабельной линии в нормальном режиме:

;

.

Сечение жил кабеля по току и экономической плотности тока:

где при (для кабелей с алюминиевыми жилами).

.

Принимаем ближайшее стандартное сечение. Для кабелей на напряжение минимальное сечение кабеля 16 мм².

Проверяем выбранное сечение кабеля по нагреву в длительном (послеаварийном) режиме:

где — допустимая аварийная перегрузка трансформатора;

— коэффициент, учитывающий возможную перегрузку кабеля;

— коэффициент, учитывающий фактическую температуру окружающей среды;

— коэффициент, учитывающий количество проложенных в земле кабелей;

— коэффициент, учитывающий фактическое удельное тепловое сопротивление земли.

.

Для кабеля с алюминиевыми жилами сечением 16 мм².

Минимальное допустимое сечение проводника, термически стойкое к токам КЗ:

где — коэффициент зависящий от материала проводника.

— тепловой импульс тока КЗ, гдепостоянная затухания апериодической составляющей тока КЗ.

— время отключения КЗ.

Для кабеля сечением 16 мм²,. Длина кабельной линии напряжением 10 кВ от ГПП завода до ТП цеха по генеральному плану составляет 220 м (0,22 км).

Ток КЗ в точке К0 (по схеме рис. 12.1):

x_с-сопротивление системы (источника по рис. 12.1).

Находим через, выраженное в о.е. и обычно принимаемое равным 0,1. Тогда x_с, выраженное в именованных единицах и приведённое к напряжению U_нн:

;

;

Минимально допустимое сечение проводника, термически стойкое к токам КЗ:

.

Т.к. выбранное сечение меньше, то следует выбрать кабель с жилами большего сечения. Принимаем кабель с жилами сечением 25 мм²:

.

Необходимо пересчитать значения :

;

8. Выбор шин на стороне 0,4 кВ

Номинальный ток:

.

Ток в после аварийном режиме:

.

Выбираем сечение магистральных шин.

Таблица 8.1 — Технические данные магистрального шинопроводаШМА-73

Проверка шин на механическую стойкость.

Для проверки шин на механическую стойкость необходимо знать значение ударного тока КЗ в точке К1 (рис. 12.1).

Ток КЗ в точке К1 равен:

где r_т и x_т— активное и реактивное сопротивления трансформатора Тр (рис. 12.1), приведённые к напряжению U_нн.

;

;

;

;

;

Найдём полное сопротивление кабельной линии, питающей ТП:

;

Полное сопротивление источника питания:

.

Полное сопротивление току КЗ в точке К1:

;

Ток КЗ в точке К1:

.

Ударный ток КЗ:

;

;

;

;

;

;

;

Наибольшая механическая сила, действующая на шины при трёхфазном КЗ:

где — ударный ток при трёхфазном КЗ;

l — длина пролёта между опорными изоляторами, ;

a — расстояние между осями шин, ;

.

Изгибающий момент:

.

Напряжение в материале шины, возникающее при воздействии изгибающего моментаM:

где W — момент сопротивления сечения, зависящий от формы и расположения шин.

При расположении шин на ребро:

тогда .

Полученное расчётное напряжение в материале шин не превышает допустимые значения для алюминиевого сплава марки АД31Т .

Проверка на термическую стойкость.

Минимальное допустимое сечение:

где — коэффициент зависящий от материала проводника.

— тепловой импульс тока КЗ, где ,

.

;

;

.

Сечение одной шины:

9. Выбор распределительных шин и кабелей, питающих ШРА и электроприёмники

ШРА выбираем по длительно допустимому току, согласно току группы ЭП.

Электроприёмники разделим на группы в соответствии с числом распределительных шинопроводов.

Таблица 9.1 — Расчёт токов групп электроприёмников

По номинальному току группы ЭП для групп 1 и 3 выбираем распределительный шинопровод ШРА-73 на номинальный ток 250А.

Таблица 9.2 — Технические данные распределительного шинопровода ШРА-73на номинальный ток 250А

По номинальному току группы ЭП для группы2 выбираем распределительный шинопровод ШРА-73на номинальный ток 630А.

Таблица 9.3 — Технические данные распределительного шинопровода ШРА-73на номинальный ток 630А

Потеря напряжения в распределительном шинопроводе с равномерной нагрузкой:

.

Для группы 1:

.

Для группы 2:

.

Для группы 3:

.

Выбираем кабели, питающие ШРА, согласно току группы электроприёмников. При этом для каждой группы длина выбранного кабеля составляет 5 м. (от ШМА до вводной коробки ШРА).

Таблица 9.4 — Выбор кабелей питающих ШРА

Присоединение шин ШРА-73 на номинальный ток 630 А к магистральным шинам ШМА-73 осуществим непосредственно шинами ШРА с использованием специальной ответвительной секции, т.к. кабель на номинальный ток группы 2 отсутствует.

В вводных коробках шин ШРА устанавливаем автоматические выключатели на соответствующие номинальные токи. Для обеспечения селективности работы выключателей следует выбрать селективные выключатели с возможностью изменения уставки времени срабатывания.

Для ШРА группы 1 выбираем выключатель серии ВА51 с номинальным током I_{ном выкл} = 100 А — ВА51−31−3.

Для ШРА группы 2 выбираем выключатель серии ВА51 с номинальным током I_{ном выкл} = 630 А — ВА51−39−3.

Для ШРА группы 3 выбираем выключатель серии ВА51 с номинальным током I_{ном выкл} = 250 А — ВА51−35−3.

Выбираем кабели от ШРА до станков.

Таблица 9.5 — Выбор кабелей, питающих ЭП

10. Выбор и проверка предохранителей

Предохранитель выбирается по току короткого замыкания в расчётной точке системы. Для предохранителя, установленного на стороне ВН, это точка К0.

;

;

;

;

;

.

Выбираем предохранители ПКТ-10−8-12,5 У3

Таблица 10.1 — Параметры предохранителя

Время срабатывания предохранителя:

при .

11. Выбор и проверка разъединителей

Выбор разъединителя осуществляется по величине теплового импульса тока КЗ. Для этого необходимо знать время срабатывания предохранителя. Тепловой импульс тока КЗ:

.

Выбор разъединителя со стороны ВН:

;

;

.

Выбираем разъединитель РВРЗ-Ш-10/2000 У3.

Таблица 11.1 — Параметры разъединителя

Выбор выключателя нагрузки со стороны ВН:

Выбираем выключатель ВНА-10/400−10зпУ3.

Таблица 11.2 — Параметры выключателя

12. Расчёт токов короткого замыкания

Схему замещения для расчёта токов КЗ составим для приёмника максимальной мощности (ЭП № 25 — токарный восьмишпиндельный полуавтомат).

Рис 12.1.Фрагмент расчётной однолинейной схемы электроснабжения цеха.

кл1 — кабельная линия от ШМА к автомату «а2», установленному на вводе ШРА: АВВГ-5×150;;; ;

кл2 — кабельная линия от автомата «а3», установленного на ШРА, до ЭП: АВВГ-5×50;;; .

Рис 12.2. Схема замещения фрагмента расчётной схемы.

Z_c, Z_кл, Z_тр, и I_К0, I_К1рассчитаныв разделах 7и 8.

;

;

где l — длина ШМА от места присоединения к шинам НН трансформатора до места присоединения шин ШРА, питающих рассматриваемый ЭП.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт тока КЗ в точке К2:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт тока КЗ в точке К3:

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт токов однофазного КЗ:

для всех участков сети.

Для трансформаторов, :

;

;

.

Система:

;

.

Для шин, :

ШМА:

;

;

.

ШРА:

;

;

.

Для кабелей, :

кл:

;

;

.

кл1:

;

;

.

кл2:

;

;

.

Расчёт тока однофазного КЗ в точке К0:

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт тока однофазного КЗ в точке К1:

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт тока однофазного КЗ в точке К2:

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт тока однофазного КЗ в точке К3:

;

;

;

;

;

;

.

Результаты расчётов сводим в таблицу.

Таблица 12.1 — Результаты расчёта токов КЗ.

13. Выбор защитной аппаратуры в питающих и цеховых сетях

Для проверки аппаратуры на селективность рассмотрим электроприёмник максимальной мощности и по линии от ЭП до шин НН трансформаторов КТП произведём расчёт токовых уставок тепловых и электромагнитных расцепителей выбранных автоматических выключателей.

Произведём расчёт для ЭП № 25 (токарный восьмишпиндельный полуавтомат).

Таблица 13.1 — Параметры ЭП максимальной мощности

По номинальному току двигателя выбираем автоматический выключатель ВА51−33−3 с номинальным током расцепителей I_н выкл= 160 А.

Ток срабатывания теплового расцепителя:

где К₁ = 1,2 — уставка срабатывания теплового расцепителя,

К_п — коэффициент, характеризующий условия пуска. При лёгком пуске К_п= 2,5.

Расчётный ток срабатывания электромагнитного расцепителя:

К_н = 1,25 — коэффициент надёжности отстройки отсечки от пикового тока.

Полученный ток срабатывания электромагнитного расцепителя сопоставляется с коэффициентом кратности срабатывания К_кр, взятым из справочных данных.

Должно выполняться условие:

Коэффициент кратности срабатывания для данного выключателя принимаем К_кр = 6.

Ток срабатывания не должен превышать значения токов трёхфазного и однофазного КЗ на данном участке.

Для группы электроприёмников автоматический выключатель (выключатель в вводной коробке шин ШРА) выбираем по рабочему току группы I_р гр. Выбираем выключатель ВА51−35−3 с номинальным током расцепителей I_н выкл= 250 А.

При выборе автоматического выключателя на группу электроприёмников электромагнитный расцепитель отстраиваем от пикового тока группы ЭП:

где I_р гр= 225,21 А — рабочий ток группы ЭП.

Расчётный ток срабатывания электромагнитного расцепителя:

Коэффициент кратности срабатывания для данного выключателя принимаем К_кр = 4. Ток срабатывания электромагнитного расцепителя:

Ток срабатывания не должен превышать значения токов трёхфазного и однофазного КЗ на данном участке.

Тепловой расцепитель отстраивается от:

1) номинального тока:

2) пускового тока:

За расчётный ток срабатывания теплового расцепителя принимаем большее из полученных значений.

Ток срабатывания теплового расцепителя:

Для защиты трансформатора на стороне НН выключатель выбираем по расчётному току цеха. Принимаем выключатель ВА51−35−3 с номинальным током расцепителей I_н выкл = 250 А.

Тепловой расцепитель отстраивается исходя из 40%-ной перегрузки по расчётному току:

где Iр = - расчётный ток цеха Расчётный ток срабатывания электромагнитного расцепителя:

Коэффициент кратности срабатывания для данного выключателя принимаем К_кр = 4.

Ток срабатывания не должен превышать значения токов трёхфазного и однофазного КЗ на данном участке.

Для обеспечения селективности работы выключателей следует выбрать уставки времени срабатывания выключателей. Для первого выключателя, защищающего рассматриваемый ЭП, применяем мгновенную токовую отсечку, t_ср1 = 0 с. Для выключателя на группу электроприёмников установим выдержку времени срабатывания Дt= 0,5 с, тогда t_ср2 = 0,5 с. Для выключателя на стороне НН трансформатора t_ср3 = 1 с.

14. Проверка выбранной защитной аппаратуры на селективность срабатывания

По окончании выбора защитных автоматических выключателей необходимо их проверить на селективность срабатывания. Для этого строится диаграмма селективности — на одном чертеже в одном масштабе строятся время-токовые характеристики всех последовательно установленных в цепи автоматических выключателей.

1 — характеристика выключателя ВА51−33−3; 2 — характеристика выключателя ВА51−35−3; 3 — характеристика выключателя ВА51−35−3; 4 — номинальный ток ЭП; 5 — пусковой ток ЭП; 6 — рабочий ток группы ЭП; 7 — пиковый ток группы ЭП.

Рис. 14.1. Диаграмма селективности

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта произведён расчёт электрических нагрузок цеха с определением расчётной мощности цеха, светотехнический расчёт цеха, выбраны число и мощность трансформаторов цеховой трансформаторной подстанции с учётом требований надёжности электроснабжения, произведён расчёт компенсации реактивной мощности, определён условный центр электрических нагрузок цеха и местоположение цеховой подстанции и её конструктивное исполнение. Произведён расчёт цеховой и питающей сети, выбраны магистральные и распределительные шинопроводы, а также кабели, питающие электроприёмники, произведён выбор и проверка предохранителей и разъединителей, устанавливаемых в КТП. Рассчитаны токи короткого замыкания в заданных точках схемы электроснабжения, выбрана защитная аппаратура и проверена на селективность срабатывания с построением диаграммы селективности.

Также выполнена графическая часть, состоящуая из двух чертежей на листах формата А1:

— План цеха с обозначением КТП, трасс кабельных линий, распределительных и магистральных шинопроводов.

— Принципиальная схема электроснабжения цеха с указанием типов основных электрических элементов.

1. Калина Р. А. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Технология проектирования систем электроснабжения». — Пятигорск: ПГТУ, 2009.

2. Проектирование промышленных электрических сетей. — Москва: «Энергия», 1979.

3. Электромонтажные устройства и изделия. Справочник. — Москва: Энергоатомиздат, 1983.

4. Кабышев А. В., Обухов С. Г. Расчёт и проектирование систем электроснабжения: справочные материалы по электрооборудованию: Учеб. пособие. — Том. политехн. ун-т. — Томск, 2005.

5. Кудрин В. И. Электроснабжение промышленных предприятий. — М.: Теплотехник, 2009.

6. Герасимов В. Г. Электротехнический справочник. В 4 т. — М.: Издательство МЭИ, 2002.

7. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 2003.

8. СНиП 23−05−95. Естественное и искусственное освещение. Минстрой России, 1995.