Проектирование электроснабжения цеха

1. Исходные данные Сведения об электрических нагрузках

Сведения об электрических нагрузках

2. Выбор схемы внутрицеховой сети напряжением до 1000 В Выбор принципиальной схемы внутрицеховой электросети производится с учетом характера среды помещения, категории надежности электроприемников, равномерности размещения технологического оборудования в цехе.

Внутрицеховые сети выполняются по радиальной, магистральной или смешанной схемам. Каждый вид схемы имеет свою наиболее целесообразную область применения.

3. Расчет электрических нагрузок цеха

3.1 Определение расчетной нагрузки цеха по методу упорядоченных диаграмм Расчеты нагрузки цеха приведены в таблице.

Формулы используемые для расчета:

Средняя активная нагрузка за максимально загруженную смену для остальных электроприемников определяется следующим образом :

Рср = kи· УРн.

Средняя реактивная нагрузка за максимально загруженную смену определяется

Qср = Рср· tg.

Коэффициент реактивной мощности можно определить по формуле:

tgц = tg (arccos (cos)).

Усредненный коэффициент использования для группы электроприемников определяется по формуле:

Эффективное число электроприемников определяется по выражению:

Расчетная активная мощность для электроприемников определяется, как Рр = kм· Рср, Коэффициент максимума нагрузки определяется, как Расчетная реактивная мощность для электроприемников при nэ? 10 определяется, как

Qр = 1,1· Qср, а если не выполняется условие, то

Qр = Qср.

Номинальная мощность осветительной нагрузки определяется по формуле:

УРн осв = Руд осв· Fцеха где Руд осв — удельная плотность осветительной нагрузки

Fцеха — площадь цеха, м².

Расчетная осветительную нагрузку определяется по формуле:

Рр осв = kс · УРн осв=4,2•0.85=3.57 кВт Полная расчетная нагрузка цеха определяется, как Расчетный ток определится, как Средний коэффициент реактивной мощности для группы электроприемников определяется по формуле:

Средний коэффициент активной мощности для группы электроприемников определяется по формуле:

cos ср = cos (arctg (tg ср)).

Номинальный ток электроприемника, включенного в трехфазную сеть, определяется по формуле:

4. Определение центра электрических нагрузок Цеховая трансформаторная подстанция (ТП) является одним из основных звеньев системы электроснабжения любого промышленного предприятия. Поэтому оптимальное размещение подстанций на территории промышленного предприятияважнейший вопрос при построении рациональных систем электроснабжения. Это означает, что размещение всех подстанций должно соответствовать наиболее рациональному сочетанию капитальных затрат на сооружение системы электроснабжения и эксплуатационных расходов.

Для определения расположения ТП в цехе необходимо вычислить центр электрических нагрузок, так как ТП должна располагаться по возможности ближе к центру электрических нагрузок. При таком расположении обеспечивается минимальная протяженность распределительной сети.

Координаты центра электрических нагрузок определяются аналогично определению центра масс плоской фигуры.

Порядок определения центра электрических нагрузок будет следующим.

Проводим произвольно оси координат, как указано на рисунке 1 на плане цеха и находим координаты центров нагрузок цеха (размеры и определяем в миллиметрах). Результаты заносим в таблицу.

Центр электрических нагрузок считаем по полной мощности. В задании на курсовой проект указаны активные мощности ЭП. Для нахождения полных мощностей ЭП воспользуемся формулой

где — коэффициент мощности электроприемника.

Координаты центра электрических нагрузок определим по формулам

=35,6 м.

=16,5 м.

где — номинальная полная мощность i-го приемника на плане цеха, кВт

— координаты i-го электроприемника, м.

Таблица — Определение ЦЭН механического цеха

Для наглядного представления мощности электроприемников на плане цеха используется картограмма электрических нагрузок. На ней мощности отдельных ЭП изображаются окружностями, причем площадь круга, ограниченного этой окружностью пропорциональна мощности ЭП. Радиус окружности в миллиметрах определяется по формуле:

Где — масштаб, кВА/мм. Принимаем кВА/мм Аналогично определяется месторасположение общезаводской понизительной подстанции Для 0,4кВ Хо=416 м. Yо=385м.

Для 10,5кВ Хо=830 м. Yо=600м

5. Выбор числа и мощности трансформаторов цеховой подстанции с учетом требований по компенсации реактивной мощности Выбор мощности трансформаторов производится исходя из расчетной нагрузки объекта электроснабжения, времени использования максимума нагрузки, темпов роста нагрузок, стоимости электроэнергии, допустимой перегрузки трансформаторов и их экономической загрузки.

Однако, при проектировании СЭС указанные факторы еще не известны в полном объеме. Поэтому в подобных случаях получило распространение методика выбора мощности трансформаторов по максимальной расчетной мощности объектов электроснабжения и коэффициенту экономической загрузки трансформаторов, который зависит от категории надежности электроснабжения питаемых ЭП, числа трансформаторов и способа резервирования. Рекомендуемые значения коэффициента установлены в «инструкции по проектированию электроснабжения промышленных предприятий» и приводятся в справочных материалах.

Номинальная мощность трансформаторов определяется из условия где — расчетная мощность трансформатора, кВА;

— число трансформаторов на подстанции;

— расчетная полная мощность цеха, кВА.

Реальный коэффициент загрузки трансформатора характеризует степень использования мощности трансформатора и определяется отношением:

где — полная мощность нагрузки трансформатора, кВА.

Выберем число и мощность трансформаторов на подстанции РМЦ В ремонтно-механическом цехе преобладают электроприемники третьей категории по надежности электроснабжения, поэтому для питания цеха достаточно трансформаторной подстанции с одним трансформатором. Для одно-трансформаторных подстанций рекомендуемый коэффициент загрузки составляет .

Тогда номинальная расчетная мощность трансформатора, в соответствии с выражением

S=

В соответствии с условием по справочным материалам выбираем КТП с трансформатором ТМ-250/10, мощностью 250 кВА. Так как Sрасч = 210 кВА, то запас оставшейся мощности пойдет на дальнейшее развитие цеха.

Параметры выбранного трансформатора ТМ-250/10:

— номинальная мощность трансформатора;

— напряжение первичной обмотки;

— потери холостого хода;

— потери к.з.;

— напряжение к.з.;

— ток х.х.

Активное сопротивление трансформатора:

Полное сопротивление трансформатора:

= мОм Индуктивное сопротивление трансформатора:

мОм.

После выбора мощности трансформатора определим действительный коэффициент загрузки трансформатора:

в==0.92

Полученное значение реального коэффициента загрузки трансформатора позволяет сделать заключение о правильности выбора трансформатора, так как режим его работы будет близок к рекомендуемому.

6. Расчет мощности компенсирующих устройств При подключении к электрической сети переменного токам активно-индуктивной нагрузки ток Iн отстает от напряжения U на угол сдвига. Косинус этого угла называется коэффициентом мощности. Электроприемники с такой нагрузкой потребляют как активную мощность Р, так и реактивную мощность Q.

Активная энергия, потребляемая электроприемниками преобразуется в другие виды энергии, а реактивная мощность не связана с полезной работой электроприемника и расходуется на создание электромагнитных полей.

Полная мощность S приемника равна:

S=

Потери напряжения равны:

U=(PR+QX)/Uном где R, X — активное и реактивное сопротивления приемника электроэнергии, соответственно.

Анализ показывает, что наличие реактивного сопротивления увеличивает потерю напряжения, хотя величина активных потерь зависит от активного сопротивления приемника. Известно, что реактивная мощность бывает индуктивной и емкостной, причем индуктивная мощность положительна, это говорит о том, что приемник потребляет реактивную мощность, а емкостная мощность отрицательна — приемник вырабатывает реактивную мощность.

Если параллельно активно-индуктивной нагрузке подключить нагрузку, имеющую емкостной характер, причем с величиной реактивной нагрузки равной по модулю величине реактивной нагрузки активно-индуктивного приемника, то потребление энергии примет чисто активный характер.

Рис.- Компенсация реактивной мощности при помощи батареи конденсаторов.

Рис.- Компенсация реактивной мощности при помощи синхронного компенсатора.

Наибольшее распространение на промышленных предприятиях получили конденсаторные батареи. Их достоинствами являются: незначительные потери реактивной мощности, отсутствие вращающихся частей, простота монтажа, дешевизна, малая масса и отсутствие шума во время работы.

Недостатки конденсаторных батарей: пожароопасность, наличие остаточного заряда, повышающего опасность при обслуживании; возможность только ступенчатого, а не плавного регулирования мощности.

Другой вид компенсирующих устройств — синхронные двигатели или синхронные компенсаторы.

При увеличении тока возбуждения Iввыше номинального значения синхронные двигатели могут вырабатывать реактивную мощность.

Основным преимуществом синхронных двигателей по сравнению с конденсаторными батареями является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности, а недостатком является то, что активные потери в обмотке синхронного двигателя больше, чем у конденсаторных батарей.

Для выбора компенсирующего устройства необходимо найти полную активную мощность:

Рполн=Pp+pосвS

где Рполн — полная активная мощность на подстанции, (кВт);

Pp — расчетная мощность по подстанции, (кВт);

pосв — удельная осветительная нагрузка по цеху, (кВт/м²);

согласно заданному значению pосв =0.018 кВт/м²;

S — площадь помещения цеха (м²);

S= ab

длина помещения цеха a=62 м.;

ширина помещения цеха b=48,2 м.;

Величина площади помещения цеха равна:

S=6248,2=2988,4 м²

Величина полной активной мощности на подстанции равна: Рполн =350,76 кВт;

Следующий шаг — нахождение угла сдвига фаз между током и напряжением на низкой стороне цеховой подстанции.

tgp=Qp/Рполн где p — угол сдвига фаз между током и напряжением, (рад.);

Qp — расчетная реактивная мощность на подстанции, (кВАр),

Qp=106,3 кВАр;

Величина tgp равна:

tgp = = 0,3

7. Расчет линии электропередачи питающей трансформаторную подстанцию Цеховая трансформаторная подстанция питается от главной понизительной подстанции через кабельную линию электропередач.

По справочнику с учетом способа прокладки выбираем кабель.

Выбор сечения жилы кабеля производим по экономической плотности тока.

Сечение жилы кабеля определяется по формуле:

где Jэк — экономическая плотность тока, мм²/А;

I — ток подстанции, А.

Ток подстанции определяется, как В соответствии с рекомендациями для кабеля с алюминиевыми жилами, с алюминиевой оболочкой, с броней из стальных лент и бумажной пропитанной изоляцией токоведущих жил при числе часов использования максимумов нагрузок 3000−5000 ч/год экономическую плотность тока принимаем равной 1,7 мм²/А.

Рассчитаем сечение жилы кабеля по формуле:

По справочнику выбран кабель марки ААБ, рассчитанный на 10 кВ, с минимальным сечением 16 мм². ААБ-(3×16).

8. Расчет токов короткого замыкания в сети 0,4 кВ На данном этапе производится проверка аппаратов защиты на отключение при возникновении в сети аварийного режима: трехфазное к.з.

Ток трехфазного короткого замыкания определяется, как где Uб — базовое напряжение сети, В;

ZУ — суммарное сопротивление до точки короткого замыкания, Ом.

Согласно /4, с. 38/ в электроустановках во 1 кВ по режиму короткого замыкания должны проверяться только распределительные щиты, токопроводы и силовые шкафы.

Для примера определим ток короткого замыкания в точке К1.

Сопротивления трансформатора определим, как Активное сопротивление катушки расцепителя автомата QFРУ приравниваем к нулю, поскольку сопротивление аппарата защиты более 1000 А не учитывается/5, с. 63/: R’QFру = 0 мОм.

Переходное активное сопротивление контактов автомата QFРУ аналогично приравниваем нулю/5, с. 63/: R" QFру = 0 мОм.

Активное сопротивление автомата QFРУ исходя из выше сказанного:

RQFру = R’QFру + R" QFру = 0мОм.

Реактивное сопротивление автомата QFРУ также не учитываем /5, с. 63/: ХQFру = 0 мОм.

Сопротивления автомата QF3 определяются аналогично сопротивлениям автомата QFрупо справочнику:

цех электрический трансформатор ток

R’QF3 = 0,36 мОм;

R" QF3 = 0,4 мОм;

RQF3 = R’QF3 + R" QF3 = 0,36 + 0,4 = 0,76 мОм;

ХQF3 = 0,28 мОм.

Определим активное сопротивление одного километра кабельной линии от ТП до ЩР3:

где г — удельная проводимость, м/(Ом· мм²);

F — сечение одной фазы проводника, мм2.

Определим активное сопротивление кабельной линии от ТП до РЩ3:

RЛ3 = R03· lЛ3·1000 = 0,33· 0,0168·1000 = 5,53 мОм, где lЛ3 — длина кабельной линии от ТП до РЩ5, км.

Определим реактивное сопротивление кабельной линии от ТП до РЩ5:

ХЛ3 = Х0· lЛ3·1000 = 0,07· 0,0168·1000 = 1,176 мОм, где Х0 — реактивное сопротивление одного километра кабельной линии от ТП до РЩ3 /5, с. 59/, Ом/км.

Сопротивления автомата QF1 определяются аналогично сопротивлениям автомата QFру:

R’QF1 = 1,3 мОм;

R" QF1 = 0, 5 мОм;

RQF1 = R’QF1 + R" QF1 = 1,3 + 0, 5 = 1,8 мОм;

ХQF1 = 0,86 мОм.

Расчет сопротивлений кабельной линии от ЩР5 до ЩР4 производится аналогично расчету сопротивлений кабельной линии от ТП до ЩР3:

RЛ1 = R01· lЛ1·1000 = 1,95 · 0,0073·1000 = 14,18 мОм;

ХЛ1 = Х0· lЛ1·1000 = 0,07· 0,0073·1000 = 0,5 мОм.

Активное результирующее сопротивление до точки К1:

RК1 = RТП + RQFру + RQF3 + RЛ3 + RQF1 + RЛ1 = 1,95 + 0 + 0,76 + 5,53 + 1,8 + 14,17 = 24,22 мОм.

Реактивное результирующее сопротивление до точки К1:

ХК1 = ХТП + ХQFру + ХQF3 + ХЛ3 + ХQF1 + ХЛ1 = 8,6 + 0 + 0,28 + 1,176 + 0,86 + 0,5 = 11,43 мОм.

В соответствии с формулой определим ток трехфазного короткого замыкания в точке К1:

Определим постоянную времени апериодической составляющей тока короткого замыкания:

где f — частота питающей сети, Гц.

Определим ударный коэффициент тока короткого замыкания:

Определим ударный ток короткого замыкания:

Токи короткого замыкания в других точках определяются аналогично расчету тока короткого замыкания для точки К1.

Результаты расчетов представлены в таблице.

Таблица — Результаты расчетов токов трехфазного короткого замыкания

9. Выбор сечения и марки проводов, кабелей (от ТП до ЩР и от ЩР до потребителей), выбор аппаратов защиты Все электроприемники получают электроэнергию от трансформаторной подстанции. Для передачи электроэнергии используются провода, кабели и шинопроводы. Так как электроприемники имеют совершенно различные мощности, то и провода, кабели и шинопроводы выполняются из различного материала и на разное сечение.

Для простоты изготовления и обслуживания цеховой сети питания электроприемников осуществляем кабелями. Сечение кабельной линии определяется по условию

где Iр — номинальный ток приемника;

Iдоп — допустимый ток кабеля

kТ — температурный коэффициент зависит от температуры в цеху =1.

Аппараты защиты необходимы для защиты линий электропередач от перегрузок и токов к.з. Для обеспечения надежного отключения участка цепи при к.з. и перегрузке, в качестве аппаратов защиты будем использовать предохранители и автоматы с комбинированным расцепителем.

При выборе предохранителей должны соблюдаться следующие условия:

где б — коэффициент, принимаем: б =(1,6−2,0) для тяжелых, частых пусков; б =2,5 для легких, редких пусков.

Автоматы выбираются по условию:

Выбор аппаратов защиты для эл. приемников сведен в таблицу.

Сечение проводов и кабелей должно быть таким, чтобы выполнялось условие:

где IДОП — допустимый ток кабельной линии;

IЗ — защитный ток (для автомата — номинальный ток расцепителя);

kЗ — коэффициент защиты, выбирается по рекомендациям принимаем равным 1.

При выборе автоматов должны соблюдаться следующие условия:

1) номинальный ток автомата не должен быть меньше расчетного т. е.

;

2) уставка тока мгновенного срабатывания (отсечки) электромагнитного или комбинированного расцепителя принимается по пиковому току линии из условия

Где — коэффициент, обеспечивающий отстройку срабатывания электромагнитного расцепителя (отсечки) автомата от пиковых токов из-за разброса параметров расцепителей.

Одним из важных требований к защитным аппаратам является избирательность (селективность) действия, которая заключается в последовательном отключении участков сети с определенными интервалами во времени в направлении от места повреждения к источнику питания.

Для примера выберем марку кабелей и аппараты защиты для ЩР1

Таблица — Выбор сечения проводов, кабелей и аппаратов защиты

Карта селективности

10. Построение диаграммы отклонений напряжения от шин ГПП до наиболее удаленного потребителя Одним из важных условий, выставляемых потребителем к энергоснабжающей организации, является то, что поступаемая электроэнергия не должна отличаться от номинала более чем на 5%, (т.е. 20В). Целью данного пункта является проверка данного условия для разрабатываемой сети цеха.

Падение напряжения на линии определяется по формуле:

где IН — номинальный ток приемника, расположенного за участком;

LУЧ — длинна участка;

r0,x0 — удельное активное и реактивное сопротивления кабельной линии;

Разобьем сеть, питающую долбежный станок на 3 участка:

ГПП-ТП (L=13 км);

2. ТП — РУНН (L=12 м);

3. РУНН — АД (L=5 м);

Используя найденные ранее значения активных и индуктивных сопротивлений указанных проводов и участка, определим потерю напряжения на участках сети:

— участок 1 (длиной 13м):

%;

— участок 2 длиной 12 м

%;

— участок 3 (длиной 5 м):

%;

Вместе с тем, на падения напряжения в сети влияют не только кабельные линии, но и трансформатор. Падение напряжения на трансформаторе рассчитывается по формуле:

?U = в (

где UКА — активная составляющая напряжения короткого замыкания, определяется из выражения:

— реальный коэффициент загрузки трансформатора.

= 0,15%,

где UКР — активная составляющая напряжения короткого замыкания, определяется из выражения:

определим падение напряжения на трансформаторе:

?U = в (=0.9(0.15+4.497*0.276) = 1.952%

Суммарная потеря напряжения составит:

%.

Полеченное значение потери напряжения (3,2%) не превышает допустимой величины (5%). Для других электроприемников потери будут еще меньше, поэтому сеть удовлетворяет требованиям проверки по потере напряжения.

11. Учет электроэнергии На промышленных предприятиях осуществляется расчетный и технический учет потребленной электроэнергии. Система учета зависит от схемы электроснабжения предприятия, характера ЭП и схемы его коммутации. Учет израсходованной электроэнергии производится с помощью счетчиков активной и реактивной электроэнергии. Счетчики активной энергии служат для определения количества активной энергии, полученной от электроснабжающей организации, для производства внутризаводского межцехового расчета и установления, уточнения и контроля удельных норм расхода электроэнергии на единицу продукции.

Учет реактивной электроэнергии должен обеспечивать возможность определения количества реактивной электроэнергии, полученной от электроснабжающей организации или переданной ей, только в том случае, если по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсирующих устройств.

Таким образом, учет электроэнергии можно производить как отдельно взятого электроприемника, так и всего цеха в целом. В любом случае схемы включения счетчиков будут идентичными, различие будет лишь в трансформаторах тока, через которые подключаются счетчики. Так как в цехе довольно большое количество электроприемников, то целесообразным будет установить счетчики активной и реактивной электроэнергии непосредственно на трансформаторной подстанции (на низкой стороне напряжения).

Исходя из выше сказанного, выбираем по справочнику счетчики активной и реактивной электроэнергии второго класса точности: для активной — СА-И670М; для реактивной — СР-И673М. Схемы их включения представлены на рисунках.

Здесь в качестве трансформаторов тока используются трансформаторы типа ТЛМ-10

Заключение

В данной работе рассчитана сеть электроснабжения механического цеха текстильного комбината. В результате расчета были определены:

1. полная расчетная нагрузка механического цеха методом упорядоченных диаграмм;

2. полная суммарная нагрузка завода

3. установка компенсирующих устройств не требуется;

4. полная расчетная мощность завода По результатам расчета нагрузки построена картограмма нагрузок для потребителей 0,4кВ и 10кВ, определен центр нагрузок. Определены число и мощность трансформаторов в ремонтно-механическом цехе.

Для питания цеха выбрана одно трансформаторная подстанция с трансформатором ТМ-250/10.

Построены эпюры отклонения напряжения, отклонение не превышает допустимого значения 5%.

По результатам расчетов токов КЗ в сети 0,4 кВ построена диаграмма селективности действия аппаратов защиты.

1. Барченко Т. Н., Закиров Р. И. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебное пособие к курсовому проекту. — Томск: ТПИ им. С. М. Кирова, 1988. — 96 с.