Проектирование электроснабжения механического цеха

Потребителями электроэнергии городов являются крупные промышленные предприятия, фабрики, заводы, электрический транспорт, жилые и общественные здания, предприятия коммунально-бытового назначения и прочие. Основными группами электроприемников, составляющих суммарную нагрузку объектов, являются светильники всех видов искусственного света, электродвигатели производственных механизмов (станки, краны, компрессоры, вентиляторы, насосы), сварочные установки, печные и силовые трансформаторы, электрические печи, выпрямительные установки и т. д.

По напряжению электроприемники классифицируют на две группы:

— электроприемники, которые могут получать питание непосредственно от сети 3,6 и 10 кВ. К этой группе относят крупные двигатели, мощные печи сопротивления, питаемые через собственные трансформаторы;

— электроприемники, питание которых экономически целесообразно на напряжении 380−660 В.

По роду тока различают электроприемники, работающие:

— от сети переменного тока промышленной частоты (50 Гц);

— от сети переменного тока повышенной или пониженной частоты;

— от сети постоянного тока.

По режиму работы электроприемники делят на три группы, для которых предусматривают три режима работы:

— продолжительный, в котором электрические машины могут работать длительное время, и превышение температуры отдельных частей машины не выходит за установленные пределы;

— кратковременный, при котором рабочий период не настолько длителен, чтобы температуры отдельный частей машины могли достигнуть установившегося значения, период же остановки настолько длителен, что машина успевает охладиться до температуры окружающей среды;

— повторно-кратковременный, характеризуемый коэффициентом продолжительности включения (%) ПВ. При этом нагрев не превосходит допустимого, а охлаждение не достигает температуры окружающей среды.

По виду преобразования электроэнергии приемники подразделяют на электроприводы, электротехнологические установки и электроосветительные установки.

1. Технологический процесс

Ремонтно-механический цех (РМЦ) предназначен для ремонта и настройки электромеханических приборов, выбывших из строя.

Он является одним из цехов металлургического завода, выплавляющего и обрабатывающего металл. РМЦ имеет два участка, в которых установлено необходимое для ремонта оборудование: токарные, строгальные, фрезерные, сверлильные станки и др. В цехе предусмотрены помещения для трансформаторной подстанции (ТП), вентиляторной, инструментальной, складов, сварочных постов, администрации и пр.

РМЦ получает ЭСН от главной понизительной подстанции (ГПП). Расстояние от ГПП до цеховой ТП — 0,9 км, а от энергосистемы (ЭС) до ГПП — 14 км. Напряжение на ГПП- 6 и 10 кВ.

Количество рабочих смен — 2. Потребители цеха имеют 2 и 3 категорию надежности ЭСН. Грунт в районе РМЦ — чернозем с температурой +20 С. Каркас здания цеха смонтирован из блоков — секций длиной 6 м каждый.

Размеры цеха Л х Я х Я = 48×28×9 м.

Вспомогательные помещения двухэтажные высотой 4 м.

Перечень оборудования РМЦ дан в таблице 1.

Мощность электропотребления (Рэп) указана для одного электроприемника.

Расположение основного оборудования показано на плане (рисунок 1).

Таблица 1 — Перечень оборудования ремонтно-механического цеха

2. Выбор схемы электроснабжения

Надежность электропитания в основном зависит от принятой схемы электроснабжения, степени резервирования отдельных элементов системы электроснабжения (линий, трансформаторов, электрических аппаратов). Для выбора схемы и системы построения электрической сети необходимо учитывать мощность и число потребителей, уровень надежности электроснабжения не потребителей в целом, а входящих в их состав отдельных электроприемников.

Так как электроприемники ремонтно-механического цеха имеют вторую и третью категории надежности электроснабжения, то питание цеха осуществляется от одного трансформатора, расположенного в помещении ТП.

Цеховые сети делят на питающие, которые отходят от источника питания, и распределительные, к которым присоединяются электроприемники. Схемы электрических сетей могут выполняться радиальными и магистральными.

Радиальные схемы характеризуются тем, что от источника питания, например от распределительного щита ТП, отходят линии, питающие крупные электроприемники или групповые распределительные пункты, от которых, в свою очередь, отходят самостоятельные линии, питающие прочие мелкие электроприемники. Радиальные схемы обеспечивают высокую надежность питания, в них легко могут быть применены элементы автоматики.

С учетом количества и мощностей станков и установок применяем для цеха радиальную схему электроснабжения.

Все электроприемники разбиваем на шесть распределительных пункта, расположенных у стен. Питание двух мостовых кранов осуществляется прямо с шин низкого напряжения силового трансформатора.

Кроме шести РП имеется один щит освещения ЩО.

3. Расчет электрических нагрузок

РП-4 и РП-5 содержат однофазные электроприемники, для них необходимо привести 1-фазные нагрузки к условно 3-фазной мощности:

РП-4: = 2,3 кВт, = 2,3 кВт, =3 кВт.

кВт;

Р_В=Р_А=3,2 кВт;

=3*3,2=9,6 кВт,

где — мощность наиболее загруженной фазы, которая определяется, как полусуммы двух плеч, прилегающих к данной фазе (Рисунок 3):

Рисунок 3 — Схема включения 1-фахных нагрузок на линейное напряжение

Расчеты для РП-5 производятся аналогично вышеприведенным.

3.1 Произведем расчет электрических нагрузок по методу коэффициента максимума (упорядоченных диаграмм)

Расчет выполним на примере РП-1.

1) По справочным данным определяем для каждого электроприемника коэффициент использования К_и и коэффициент мощности cos ц.

Для токарных автоматов:

К_и = 0,12; cos ц = 0,4.

Отсюда ;

;

Для зубофрезерных и круглошлифовальных станков расчеты аналогичны.

2) Определяем коэффициент силовой сборки m по формуле:

где Р_наиб — наибольшая из мощностей электроприемников данной группы;

Р_наим — наименьшая из мощностей приемников данной группы.

В данном случае .

3) Определяем активную сменную мощность:

Р_см = ?Р_н * К_и,

где ?Р_н — суммарная мощность одного вида приемников, кВт.

Р_см = ?Р_н * К_и = 36*0,12 = 4,32 кВт — для токарных автоматов;

Р_см = ?Р_н * К_и = 45*0,12 = 5,4 кВт — для зубофрезерных станков;

Р_см = ?Р_н * К_и = 12*0,12 = 1,44 кВт — для круглошлифовальных станков.

4) Находим реактивную сменную мощность:

Q_см = Р_см * tgц, квар

Q_см = 4,32*2,27 = 9,8 квар — для токарных автоматов;

Q_см = 5,4*2,27 = 12,25 квар — для зубофрезерных станков;

Q_см = 1,44*2,27 = 3,26 квар — для круглошлифовальных станков.

5) Зная реактивную и активную мощности находим полную мощность, среднюю за смену

кВА

— для токарных автоматов;

— для зубофрезерных станков;

— для круглошлифовальных станков.

6) Выбираем эффективное число электроприёмников n_э для РП-1 из условия

n_э (k_{ср u} = 0.12; n = 9; m = 3.75; P = const) по Таблице 1.5.2.

Для РП-1 получаем

n^*= =

P^*

n^*=0.81

n_э=0,81*9=7,29

7) Определяем коэффициент максимума активной нагрузки К_м из таблицы 1.5.3 [1], исходя из условия n_э=7,95; К_ср.и =0,12; m =3,75 => К_м = 2,88

Коэффициент максимума реактивной нагрузки равен К'_м=1,1

8) Определяем максимальную активную мощность для РП-1:

Р_м = К_м * ?Р_см = 2.88 * 11.16 = 32.14 кВт,

где ?Р_см — суммарная активная сменная мощность для данного РП, кВт.

9) Максимальная реактивная мощность:

Q_м = Q_cм * К'_м = 25,31 * 0,7 = 27,84 квар,

10) Полная максимальная мощность для РП-1:

11) Максимальный рабочий ток для РП:

.

12) Рассчитаем нагрузку на ЩО по формуле:

Р_{м (що)} = S * P% = 1344*0.01 = 13,4 кВт,

где S — площадь цеха, м²;

Р%=0,01% - норма освещения для заводского помещения, %.

Расчеты для пяти других РП производятся аналогично вышеприведенным.

Отдельно рассчитываются мостовые краны, питающиеся от ТП. Результаты расчетов заносятся в сводную ведомость электрических нагрузок (Таблица 2)

Примечание: Так как остальные содержат однотипные электроприемники, то для них не вычисляется n_э, К_м и К'_м. Максимальная нагрузка принимается равной сменной нагрузке.

Для кранов номинальная мощность находится по формуле:

3.2 Произведем расчет потерь мощности в трансформаторе

1) Потери активной мощности:

ДР = 0,02*S_нн = 0,02*322,68 = 6,45 кВт,

где S_нн — мощность на шинах низкого напряжения, S_нн = S_м.

2) Потери реактивной мощности:

ДQ = 0,01*S_нн = 0,01*328,79 = 3,28 квар;

3) Потери полной мощности:

;

4) Активная и реактивная мощности на шинах высокого напряжения:

Р_вн = Р_м + ДР = 295,56 + 6,45 = 302,01 кВт;

Q_вн = Q_м + ДQ = 129,49 + 3,28 = 132,77 квар;

5) Полная мощность на шинах ВН:

6) Так как для данного предприятия графики нагрузок не заданы, то выбираем мощность трансформатора из условия:

S_т? S_м;

S_т? 322,68 кВА;

Принимаем ближайшую стандартную мощность S_т = 400 кВА.

7) Вычислим коэффициент загрузки трансформатора:

К_з = S_нн /S_т = 322,68 / 400 = 0,8

4. Расчет и выбор компенсирующей установки

Для выбора компенсирующего устройства (КУ) необходимо знать:

— расчетную реактивную мощность КУ;

— тип компенсирующего устройства;

— напряжение КУ.

Расчетную реактивную мощность КУ можно определить из выражения [1]:

Q_к.р = б Р_м (tgц - tgц_k) (4.1)

где Q_к.р — расчетная мощность КУ, квар;

б — коэффициент, учитывающий повышение cosц естественным способом, принимается б = 0,9;

tgц, tgц_k — коэффициенты реактивной мощности до и после компенсации.

Рассчитаем компенсирующее устройство:

1) Значения cosц и tgц до компенсации:

; откуда tgц = 0,45;

После компенсации принимаем cosц_к = 0,95 (из пределов cosц = 0,92…0,95), соответственно tgц_к = 0,33;

2) Подставив найденные значения в формулу (4.1) получим расчетную реактивную мощность КУ:

Q_к.р = б Р_м (tgц - tgц_k) = 0,9*295,56 (0,45 — 0,33) = 31,9 квар.

Согласно найденной мощности выбираем из справочника компенсирующее устройство со стандартной мощностью 75 квар ;

УКН — 0,38 — 75 УЗ

3) Определяем фактическое значение cosц_ф

;

отсюда cosц_ф = 0,98.

Результаты расчетов заносим в Таблицу 3.

Таблица 3 — Сводная ведомость нагрузок

4) Определяем расчетную мощность трансформатора с учетом потерь:

ДР_Т = 0,02*S_нн = 0,02*322,68 = 6,45 кВт,

ДQ_Т = 0,1*S_нн = 0,1*322,68 = 38,86 квар;

5. Расчет и выбор числа и мощности питающих трансформаторов

По справочнику выбираем трансформатор ТМ — 400 со стандартной мощностью S_т = 400 кВА.

Паспортные данные трансформатора:

U_вн = 10 кВ;

U_нн = 0,4 кВ;

Р_хх = 1,45 кВт;

Р_кз = 5,5 кВт;

U_к = 4,5%;

I_кз = 2,1%.

Коэффициент загрузки трансформатора:

К_з = S_нн /S_т = 307,47 / 400 = 0,76

6. Расчет и выбор линий электроснабжения для модернизируемого оборудования

6.1 Выбор аппаратов защиты и РУ

При эксплуатации электросетей длительные перегрузки проводов и кабелей, КЗ вызывают повышение температуры токопроводящих жил больше допустимой. Это приводит к преждевременному износу их изоляции, следствием чего может быть пожар, взрыв, поражение персонала.

Для предотвращения этого линия ЭСН имеет аппарат защиты, отключающий поврежденный участок. Автоматические выключатели являются наиболее совершенными аппаратами защиты, надежными, срабатывающими при перегрузках и КЗ в линии.

Выключатели серии ВА разработок 51, 52, 53, 55 предназначены для отключений при КЗ и перегрузках в электрических сетях, отключений при недопустимых снижений напряжения, а также для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей.

Выключатели серии ВА-51 и ВА-52 имеют тепловой и электромагнитный расцепители. Выключатели ВА-53, ВА-55 и ВА-75 имеют полупроводниковый максимальный расцепитель с регулированием ступеней.

1) Для выбора выключателя для линии с одним двигателем необходимо выполнить условие:

I_н.р ? 1,25I_н.д (6.1)

где I_н.р — номинальный ток расцепителя, А;

I_н.д — номинальный ток двигателя, А (максимальный ток в линии).

2) Рассчитаем токи в линиях, отходящих от РП:

Номинальный ток двигателей станков определяется по формуле:

(6.2)

где Р_н — номинальная мощность двигателя, кВт;

cosц и з — средний коэффициент мощности и КПД соответственно.

Принимаем cosц = 0,7; з = 0,88.

Для электропечей и сварочных аппаратов принимают:

(6.3)

3) Для токарных автоматов:

; I_н.р = 1,25*I_н.д =1,25*52,17 = 65,2 А

Соответственно из Таблицы А.6 выбираем выключатель ВА-51−31 с I_н.р =80 А;

Для зубофрезерных станков:

; I_н.р = 1,25*I_н.д =1,25*65,21 = 81,51 А

Выключатель ВА-51−31 с I_н.р =100 А;

Для круглошлифовальных станков соединенных в магистральную схему питающей сети:

; I_н.р = 1,25*I_н.д =1,25*17,39 = 21,73 А

Выбираем выключатель ВА-51−25 с I_н.р =25 А;

Для круглошлифовальных станков соединенных в радиальную схему

питающей сети:

; I_н.р = 1,25*I_н.д =1,1*34,78 = 38,25 А

Выбираем выключатель ВА-51−31 с I_н.р =80 А;

Расчеты для пяти других РП производятся аналогично вышеприведенным.

Полученные данные и паспортные данные автоматов заносятся в ведомость монтируемого оборудования (Таблица 4).

4) При выборе выключателя для линии с группой электродвигателей (РП) необходимо выполнить следующее условие:

I_н.р ? 1,1I_м (6.1)

где I_м — максимальный ток в линии, берется из сводной ведомости электрических нагрузок.

5) Для РП-1 I_н.р = 1,1*I_м =1,1*64,6 = 71,06 А

Выбираем выключатель ВА-51−31 с I_н.р =80 А;

Для РП-2 I_н.р = 1,1*I_м =1,1*151,49 = 166,63 А

Выбираем выключатель ВА-51−35 с I_н.р =200 А;

Для РП-3 I_н.р = 1,1*I_м =1,1*16,27 = 17,9 А

Выбираем выключатель ВА-51−25 с I_н.р =20 А;

Для РП-4 I_н.р = 1,1*I_м =1,1*110,91 = 122 А

Выбираем выключатель ВА-51−33 с I_н.р =125 А;

Для РП-5 I_н.р = 1,1*I_м =1,1*4,05 = 4,45 А

Выбираем выключатель ВА-51−25 с I_н.р =5 А;

Для РП-6 I_н.р = 1,1*I_м =1,1*129,44 = 142,38 А

Выбираем выключатель ВА-51−33 с I_н.р =160 А;

6.2 Выбор проводников линий электроснабжения

Для внутрицехового электроснабжения, для питания электрооборудования применяем медный и алюминиевый четырехжильный кабель с поливинилхлоридной изоляцией марки ВВГ и АВВГ. Для питания мостовых кранов применяем гибкий кабель марки КПГС.

Кабель марок ВВГ и АВВГ применяются для электроснабжения электроприемников. Способ прокладки в сухих и влажных производственных помещениях, на специальных кабельных эстакадах и в блоках.

Кабель марки КПГС применяется для присоединения передвижных механизмов к электрическим сетям на номинальное переменное напряжение до 660 В частотой до 400 Гц или постоянное напряжение до 1000 В.

Сечения кабелей выбираем из справочных данных. Основное условие выбора:

I_доп ? I_н.д

где I_доп — допустимая токовая нагрузка для данного кабеля с данным сечением;

I_н.д — расчетный ток в линии, найденный из раздела 6.1.

Сравнивая эти токи, подбираем стандартные сечения кабелей ВВГ и КПГС. Данные о выбранных проводниках заносятся в ведомость монтируемого оборудования (Таблица 4).

Для линий от ТП к распределительным пунктам применяем кабель марки СПШв, в соответствии с расчетными токами находим сечения:

— для РП-1 СПШв — 416, I_доп = 80 А;

— для РП-2 СПШв — 470, I_доп = 185 А;

— для РП-3 ВВГ — 44, I_доп = 35 А;

— для РП-4 СПШв — 450, I_доп = 145 А;

— для РП-5 ВВГ — 44, I_доп = 35 А;

— для РП-6 СПШв — 470, I_доп = 185 А;

СПШв — кабель с медными жилами с бумажной изоляцией, пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами, в свинцовой оболочке, прокладываемый в воздухе.

Таблица 4 — Ведомость монтируемого оборудования

6.3 Расчет и выбор питающей линии 10 кВ

Для внешнего электроснабжения ремонтно-механического цеха имеется возможность применения воздушной линии, поэтому берем неизолированные провода. Линия одноцепная.

Для ВЛ характерны особые условия работы: они находятся постоянно под высоким напряжением; подвергаются воздействию ветра, резких колебаний температуры воздуха и влажности; подвергаются воздействию разрядов молнии, гололеда, снега.

Под допустимой нагрузкой неизолированных проводов по условиям нагрева понимается токовая нагрузка повышающая температуру провода до предельного значения (70⁰С при полном безветрии).

Выбираем сталеалюминевый провод марки АС — 10/1,8; I_доп = 84 А.

Проверка проводов по нагреву выполняется из соотношения

I_п.а ? I_{доп.факт} (7.1)

где I_{доп.факт} — фактическая допустимая нагрузка на провод, определяется из выражения

I_{доп.факт} = I_доп * k_н*k_пер = 84*1*1,3 = 109,2 А;

где k_н =1 — поправочный коэффициент при температуре воздуха +25⁰С;

k_пер = 1,3 — коэффициент перегрузки проводов [5];

I_п.а (I_р) — расчетный ток в послеаварийном режиме для проверки проводов по нагреву. Он определяется по формуле:

I_р = I₅*а_i*a_t;

где а_i = 1,05 — коэффициент, учитывающий изменения нагрузки по годам эксплуатации;

a_t — коэффициент, учитывающий число часов использования максимальной нагрузки линии (Т_м) и коэффициент ее попадания в максимум нагрузки энергосистемы. a_t = 1 при Т_м = 5500 ч;

I₅ — ток линии на пятый год ее эксплуатации, находится по формуле:

.

где S_вн — полная мощность, передаваемая по линии, в данном случае берем ее из таблицы 2

n_ц — количество цепей линии.

I_р =19*1,05*1=19,95

Таким образом, возвращаясь к соотношению (7.1), получаем:

I_п.а = 19 ? I_{доп.факт}=19,95 А.

То есть, выбранное сечение по условию нагрева подходит.

Расчет токов короткого замыкания в сети напряжением выше 1 кВ

Для расчетов составляем расчетную схему (Рисунок 4-а) и схему замещения (Рисунок 4-б), в которых учитываем сопротивления трансформаторов на ГПП, линии от энергосистемы до ГПП и линию от ГПП до цехового трансформатора.

Рисунок 4 — Расчетная схема (а) и схема замещения (б)

Считаем, что питание осуществляется от системы неограниченной мощности, следовательно Х_с = 0. Для генераторов, трансформаторов, высоковольтных линий обычно учитывают только индуктивные сопротивления. Для ВЛ-2 учитываем также и активное сопротивление.

ВЛ-1 выполнена проводом АС-95; х₀ = 0,4 Ом/км.

ВЛ-2 выполнена проводом АС-10; х₀ = 0,4 Ом/км.

На ГПП принимаем два трансформатора ТМ-1 напряжением 35/10,5 кВ; мощностью по 1000 кВА; потери напряжения на КЗ U_к = 6,5%.

Принимаем базисную мощность S_б = 100 МВА. Расчет сопротивлений производим в относительных единицах.

Решение.

1) Вычисляем сопротивления элементов схемы:

ВЛ-1: ;

ВЛ-2: ;

Трансформаторы на ГПП:

;

Для расчета активного сопротивления необходимо найти удельное активное сопротивление r₀:

Ом/км;

где г — удельная проводимость материала, для алюминия г = 30 м/(Ом*мм²); S — сечение проводника, мм².

Определяем активное сопротивление для ВЛ-2:

.

Суммарное и полное сопротивления до точки КЗ:

Х_? = Х_л1 + Х_т + Х_л2 = 0,45 + 3,25 + 0,36 = 4,06;

;

2) Базисный ток находится по формуле:

;

3) Ток короткого замыкания в точке К1:

;

4) Определяем ударный ток КЗ. Так как активные сопротивления в схеме практически не учитываются, то принимаем значении ударного коэффициента К_у = 1,8 и q = 1,52

Ударный ток КЗ:

;

5) Мощность короткого замыкания:

;

6) Действующее значение тока КЗ в установившемся режиме:

_.

Расчет токов короткого замыкания в сети напряжением до 1кВ

Выбор точек и расчет токов КЗ

Расчетная схема от цехового трансформатора до вентилятора представлена на Рисунке 5-а.

L_вн = 0,9 км;

L_кл1 = 54 м (расстояние от шин НН до РП-6);

L_кл2 = 6 м (длина линии от РП-6 до вентилятора).

Рядом с автоматами даны их номинальные токи. Расчет токов КЗ производим в трех точках — К1, К2 и К3.

Рисунок 5 — Расчетная схема (а) и схема замещения (б) для расчета токов КЗ.

Решение:

1) Составляем схему замещения (Рисунок 5-б), и нумеруем точки КЗ в соответствии с расчетной схемой.

2) Вычисляем сопротивления элементов по соответствующим формулам.

Для системы:

— ток системы;

Наружная ВЛ согласно 7 разделу курсового проекта ;

АС-310/1,8; I_доп = 84 А;

Удельные сопротивления провода (согласно предыдущим расчетам):

x₀ = 0,4 Ом/км; откуда ;

r₀ = 3,33 Ом/км;

Приводим сопротивления к стороне низкого напряжения:

Для трансформатора сопротивления находим по таблице 1.9.1 для мощности 630 кВА:

R_т = 5,5 МОм; Х_т = 17,1 МОм; .

Для автоматов в соответствии с номинальным током выключателей по таблице 1.9.3 определяем:

R_1SF = 0,12 МОм; Х_1SF = 0,13 МОм; R_n1SF = 0,25 МОм;

R_SF1 = 0,4 МОм; Х_SF1 = 0,5 МОм; R_nSF1 = 0,6 МОм;

R_SF = 0,4 МОм; Х_SF = 0,5 МОм; R_nSF = 0,6 МОм.

Для кабельных линий в зависимости от сечения и материала жилы, а также от вида изоляции удельные сопротивления находим по таблице 1.9.5.

Для КЛ1: x₀ = 0,08 МОм/м; r₀ = 0,154 МОм/м;

R_кл1 = r₀*L_кл1 = 0,154*54 = 8,32 МОм;

Х_кл1 = х₀*L_кл1 = 0,08*54 = 4,32 МОм;

Для КЛ2: x₀ = 0,085 мОм/м; r₀ = 0,37 мОм/м;

R_кл2 = r₀*L_кл2 = 0,37*6 = 2,22 МОм;

Х_кл2 = х₀*L_кл2 = 0,085*6 = 0,51 МОм;

Для ступеней распределения (ШНН и РП-6) сопротивления определяем по таблице 1.9.4 [1]:

R_c1 = 15 мОм; R_c2 = 20 мОм.

3) Упрощаем схему замещения (см. Рисунок 6):

R_э1 = R_c + R_T + R_1SF + R_n1SF + R_c1 = 4,78+5,5+0,12+15+0,25 = 25,65 МОм;

Х_э1 = Х_с + Х_т + Х_1SF = 0,57 + 17,1 + 0,13 = 17,8 МОм;

R_э2 = R_SF1 + R_nSF1 + R_кл1 + R_c2 = 0,4 + 0,6 + 8,32 + 20 = 29,32 МОм;

Х_э2 = Х_SF1 + Х_кл1 = 0,5 + 4,32 =4,82 МОм;

R_э3 = R_SF + R_nSF + R_кл2 = 0,4 + 0,6 + 2,22 = 3,22 МОм;

Х_э3 = X_SF + Х_кл2 = 0,51 + 0,5 = 1,01 МОм.

4) Вычисляем сопротивления до каждой точки КЗ:

R_k1 = R_э1 = 25,65 МОм; Х_к1 = Х_э1 = 17,8 МОм;

отсюда МОм;

R_k2 = R_э1 + R_э2 = 25,65 + 29,32 = 54,97 МОм;

Х_к2 = Х_э1 + Х_э2 = 17,8 + 4,82 = 22,62 МОм;

МОм

R_k3 = R_к2 + R_э3 = 54,97 + 3,22 = 58,19 МОм;

Х_к3 = Х_к2 + Х_э3 = 22,62 + 1,01 = 23,63 МОм;

МОм;

Определяем отношения активного и реактивного сопротивлений:

;; .

5) Исходя из найденных отношений по зависимости определяем ударные коэффициенты (К_у) и коэффициенты действующего значения ударного тока (q):

К_у1 = 1; ;

К_у2 = 1; q₂ = 1;

К_у3 = 1; q₃ = 1;

6) Вычисляем токи трехфазного КЗ:

Мгновенное и действующее значения ударного тока:

;

;

;

7) Составляем схему замещения для расчета токов однофазного КЗ и определяем сопротивления (Рисунок 7).

Рисунок 7 — Схема замещения для расчета однофазных токов КЗ

Для кабельных линий

Х_пкл1 = х_0п*L_кл1 = 0,15*54 = 8,1 МОм;

где х_0п = 0,15 МОм/м — сопротивление петли «Фаза-нуль» для кабельных линий до 1кВ;

R_пкл1 = 2r₀*L_кл1 = 2*0,154*54 = 16,63 МОм;

Х_пкл2 = х_0п*L_кл2 = 0,15*6 = 0,9 МОм;

R_пкл2 = 2r₀*L_кл2 = 2*0,37*6 = 4,44 МОм;

Z_п1 = R_c1 = 15 МОм;

R_п2 = R_c1 + R_c2 + R_пкл1 = 15 + 20 + 16,63 = 51,63 МОм;

Х_п2 = Х_пкл1 = 8,1 МОм;

МОм;

R_п3 = R_п2 + R_пкл2 = 51,63 + 4, 44 = 56,07 МОм;

Х_п3 = Х_п2 + Х_пкл2 = 8,1 + 0,9 = 9 МОм;

МОм;

8) Вычисляем токи однофазного КЗ:

Результаты расчетов токов КЗ заносим в Таблицу 5.

Таблица 5 — Сводная ведомость токов КЗ

Проверка элементов системы электроснабжения по токам КЗ

Проверке подлежат аппараты защиты, т. е. автоматические выключатели. В данном случае проверяем автоматы SF1 и SF на Рисунке 5. Согласно условиям по токам КЗ аппараты защиты проверяются [1]:

1) на надежность срабатывания:

SF1: 1,87 > 3*0,2 кА;

SF: 1,8 > 3*0,2 кА;

где — однофазные токи КЗ, взятые из таблицы 5;

— номинальные токи расцепителей автоматов, берутся из 6 раздела курсового проекта. Согласно условиям надежность срабатывания автоматов обеспечена;

2) на отключающую способность:

SF1: 25 > 1,41*3,88 кА;

SF: 15 > 1,41*3,67 кА;

где - номинальный ток отключения автомата, берем из таблицы А.6 [1]; - 3-хфазный ток КЗ в установившемся режиме (Таблица 5).

Таким образом, автомат при КЗ отключается, не разрушаясь.

3) на отстройку от пусковых токов:

SF1: (для РУ); (9.2.1)

SF: (для электродвигателя); (9.2.2)

где — ток установки автомата в зоне КЗ, определяется как — для РУ и — для двигателя, т.к. могут быть броски тока, обусловленные пуском двигателя;

— пусковой ток двигателя, определяется как, где I_н.д — номинальный ток двигателя (в данном случае приточного вентилятора);

— пиковый ток, в данном случае максимальный расчетный ток в РП-6.

Согласно условиям (9.2.1) и (9.2.2):

SF1: 1,25*200 > 129,44;

SF: 5*220 >6,5*103,44 кА;

т.е. автоматы выдерживают пусковые токи.

6.4 Определение потери напряжения в сети до 1 кВ

электроснабжение трансформатор компенсирующий

Определим потери напряжения в сети, для которой выше был приведен расчет токов КЗ (смотри рисунок 2). Потери напряжения рассчитываются по выражению:

(9.3)

где I_p — расчетный ток линии, в данном случае берем максимальный рабочий ток для РП-6 из Сводной ведомости (таблица 2), и номинальный ток вентилятора из таблицы 4;

l — длина линии, км;

r_уд^, х_уд — удельные сопротивления кабеля, принимаем из предыдущих расчетов;

cosц = 0,8 — средний коэффициент мощности. Отсюда sinц = 0,6.

Для кабельной линии 1 (до РП-6):

I_p = 129,44 A;

r_уд =0,154 Ом/км, х_уд = 0,08 Ом/км

l = 0,054 км.

Подставляя в выражение (9.3):

Для кабельной линии 2 (до вентилятора):

I_p = 103,44 A;

r_уд =0,37 Ом/км, х_уд = 0,085 Ом/км

l = 0,006 км.

;

Суммируя найденные потери, найдем общую потерю напряжения в сети:

ДU = ДU₁ + ДU₂ = 2,07 + 0,37 = 2,44 В.

В процентах от номинального напряжения:

7. Расчет заземляющего устройства

Одной из наиболее радикальных мер по защите людей от повреждения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, не находящимися под напряжением, но могущим оказаться под ним, является их надёжное заземление.

Район сооружения цеха находится в II климатической зоне. Грунт в месте сооружения — глина (= 0,4 10⁴ Омм). Длина кабельных линий напряжением 10 кВ ?_к. = 30 км.

Принимаем к установке заземление по контуру цеха, на расстоянии 1,5 м от стен. Длина контура заземления L = 240 м. Принимаем заземление из прутков? = 2,5 м и диаметром d = 12 мм, расстояние между заземлителями, а = 5 м, в качестве соединительной полосы принимаем стальную полосу (40 4) мм. [10]

Рисунок 8 Схема расположения заземления

Согласно ПУЭ r_з. должно удовлетворять следующим условиям: [3]

1) r_з. 4 Ом — для сети 0,4 кВ;

2) r_з. — при условии заземления для сетей 0,4 кВ и 6…10 кВ,

где I_1кз — ток однофазного КЗ на землю, А

I_1кз =, (57)

где ?_к. — длина электрически связанных кабельных линий завода напряжением 10 кВ. ?_к. = 30 км.

I_1кз = = 30 А

r_з. = = 4,16 Ом

Окончательно принимаем r_з. 4 Ом

Сопротивление заземления стержневого заземлителя r_о.пр., Ом: [10]

r_о.пр = 0,0027 _{расч.гр.}, (58)

где _{расч.гр.} — расчётное значение удельного сопротивления грунта в месте устройства заземления, Омсм

_{расч.гр.} = k_max, (59)

где k_max — коэффициент сезонности. k_макс = 1,4 для II климатической зоны;

— сопротивление грунта, Омсм. = 0,4 10⁴ — глина (по заданию).

_{расч.гр.} = 1,4 0,4 10⁴ = 5,6 10³ Омсм

r_о.пр. = 0,0027 5,6 10³ = 15,12 Ом

Число прутков в контуре заземления n, шт.:

n = (60)

n = = 15 шт.

Сопротивление заземления всех стержневых заземлителей, Ом:

r_ст. =, (61)

где _ст. — коэффициент экранирования (использования) заземлителей

_ст. = (= = 2: n = 15 шт.) = 0,63 [10]

r_ст. = = 1,6 Ом

Сопротивление заземления соединительной полосы r_пол., Ом: [10]

r_пол. =, (62)

где b — ширина полосы, м. b = 0,04 м;

t — глубина заложения полосы, м. t = 0,7 м;

L — длинна контура заземления, м. L = 75 м.

r_пол. = = 1,53 Ом

С учётом взаимного экранирования стержневых и полосового заземлителей [10]:

r_пол.^* = (63)

r_пол.^* = = 5,1 Ом

Полное сопротивление заземления:

r_заз. = (64)

r_заз. = = 1,22 Ом

Сопротивление заземления удовлетворяет условию:

r_заз. = 1,22 Ом r_{заз.доп.} = 4 Ом

7.1 Молниезащита

Вопросы молниезащиты зданий и промышленных объектов решаются одновременно с проектированием строительной и технологической частью объекта. Молниезащита должна обеспечить высокую надежность установки при минимуме капитальных затрат.

Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависимости от их назначения, а также от интенсивности грозовой деятельности должны иметь молниезащиту в соответствии с категориями устройства молниезащиты.

Все здания и сооружения подразделяются на три категории:

I категория — здания и сооружения классов: В-1 и В-2 по ПУЭ, здания электростанций и подстанций;

II категория — здания и сооружения классов: В-1а, В-1б и В-2а по ПУЭ;

III категория — здания и сооружения классов: П-1, П-2, П-1а, П-3.

Молниезащиту зданий и сооружений I категории выполняют:

а) от прямых ударов молний отдельно стоящими стержневыми и тросовыми молниеотводами, обеспечивающими требуемую зону защиты от электростатической индукции — заземлением всех металлических корпусов, оборудования и аппаратов через специальные заземлители;

б) от электромагнитной индукции — для трубопроводов, оболочек кабелей, каркасов сооружений. Ставят металлические перемычки на параллельных трассах кабелей и трубопроводов, позволяющие избежать появления разомкнутых металлических контуров.

Молниезащита зданий и сооружений II категории от прямых ударов молнии выполняется одним из следующих способов:

а) отдельно стоящими или установленными на зданиях стержневыми или тросовыми молниеотводами, обеспечивающими защитную зону; R растеканию тока не более 10 Ом;

б) молниеприемной заземленной металлической сеткой с ячейками 6 6 м, накладываемой на неметаллическую кровлю;

в) заземление металлической кровли.

Защита от зарядов статического электричества и от действия магнитного поля выполняется аналогично защите для I категории.

Защита зданий III категории выполняется, как и для II категории, но при этом молниеприемная сетка имеет ячейки размером 12 12 м или 6 24 м, а величина сопротивления заземлителя прямых ударов молнии может повышаться до 20 Ом.

При расчете молниеотводов учитывается необходимость получения определенной зоны защиты, которая представляет собой пространство, защищаемое от прямых ударов молнии.

Для здания проектируемого инструментального цеха принимаем молниезащиту согласно III категории металлической сеткой с ячейкой 12×12 метров.

8. Модернизация электрооборудования ТП-10/0,4 кВ

8.1 Выбор силового выключателя 10 кВ

Условия выбора выключателя приведены в таблице 6. Для расчетов принимаем данные из раздела выше курсового проекта.

Дано: напряжение установки U_н.у = 10 кВ;

номинальный ток установки находим по формуле

;

ток КЗ на стороне ВН трансформатора I_k = 1146 A;

действующее значение тока КЗ _;

ударный ток КЗ i_у = 2,92 кА;

время действия КЗ t_д = 1 с.

Выбираем из таблицы 1.11.1 вакуумный выключатель ВВЭ-10−20/630 УЗ.

Паспортные данные выключателя:

Номинальное напряжение U_н = 10 кВ;

Номинальный ток I_н = 630 А;

Номинальный ток отключения I_н.отк = 20 кА;

Ток термической стойкости I_тс = 20 кА; t_тс = 3 с;

Сквозной ток i_ск = 52 кА;

Собственное время отключения выключателя t_ов = 0,055 с.

Рассчитаем отключающую способность выключателя.

Расчетный ток отключения I_р.отк = ;

Мощность отключения

;

;

Расчетный ток термической стойкости:

;

Заносим все расчеты в таблицу 6.

Таблица 6 — Ведомость силового выключателя ВН

Условия выбора выполнены, выключатель нам подходит.

8.2 Выбор трансформатора напряжения на стороне 10 кВ

Трансформаторы напряжения выбирают по номинальному напряжению и вторичной нагрузке — контрольным приборам.

Таблица 7 — Вторичная нагрузка трансформатора напряжения

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения (полная мощность):

;

Из справочника выбираем трансформатор НТМИ-10−66 с номинальной мощностью 120 ВА в классе точности 0,5.

Таким образом, S_2ном =120 ? S₂ = 32,041

Следовательно, трансформатор будет работать в выбранном классе точности.

Для соединения ТН с приборами принимаем контрольный кабель КРВГ сечением 2,5 мм² по условию механической прочности.

КРВГ — кабель контрольный с медными жилами, резиновой изоляцией, в ПВХ оболочке

8.3 Выбор трансформаторов тока на стороне 0,4 Кв

Выбор трансформатора тока выполняется по [9]:

— по напряжению установки U_устU_н;

— по току I_р I_ном;

— по динамической стойкости i_удi_дин;

— по термической стойкости;

— по вторичной нагрузке z₂z_2ном;

— по конструкции и классу точности;

где z₂ — вторичная нагрузка трансформатора, Ом;

z_2ном — номинальная допустимая нагрузка трансформатора тока.

Вторичная нагрузка находится по формуле [9]:

r₂=r_приб+r_пров+r_к

где r_приб — сопротивление приборов;

r_пров — сопротивление проводов;

r_к — переходное сопротивление контактов.

Сопротивление приборов определяется по выражению:

Ом

где — мощность, потребляемая приборами, ВА;

— номинальный вторичный ток трансформатора.

Сопротивление контактов принимается r_к=0,1 Ом.

Сопротивление проводов находится по формуле:

R_пров=Z_2ном-r_приб-r_k

Сечение соединительных проводов определяется:

мм²

Где с=0,0283 — удельное сопротивление провода [9];

L_расч — расчетная длина.

В таблице 8 приведены приборы, по которым определяется вторичная нагрузка трансформатора тока.

Таблица 8 — Вторичная нагрузка трансформатора тока

Номинальный вторичный ток трансформатора I_2н=5А. По таблице 8 видно, что фаза, А самая нагруженная, поэтому мощность потребляемая приборами S_приб = 6 ВА. Рассчитаем общее сопротивление приборов:

R_приб=0.24 Ом

Из справочника[8] выбираем трансформатор тока ТНШЛ — 0,66. Вторичная нагрузка равна Z_2ном = 0,6 Ом в классе точности 0,5.

Допустимое сопротивление провода: r_пров=0,6−0,24−0,1=0,26 Ом.

Применяем кабель с алюминиевыми жилами, длина которого 3 м. Трансформаторы тока соединены в неполную звезду, поэтому l_расч=l. Рассчитаем сечение соединительных проводов.

Выбираем кабель КРВГ с номинальным сечением жилы 1,5 мм, отсюда найдем сопротивление проводов:

Рассчитаем вторичную нагрузку трансформатора

R₂=0,24+0,098+0,1=0,44 Ом

В таблице 9 произведем расчет трансформатора тока

Таблица 9 — Параметры выбора трансформатора тока ТНШЛ — 0,66