Проектирование систем электроснабжения промышленных предприятий на основании технико-экономических расчетов

Передача электроэнергии от источников к потребителям производится энергетическими системами, объединяющими несколько электростанций. Приемники электроэнергии промышленных предприятий получают питание от системы электроснабжения, которая является составной частью энергетической системы.

Электроэнергия на пути от источника питания до электроприемника на современных промышленных предприятиях (независимо от их энергоемкости и характера производства) как правило, трансформируется один или несколько раз: по напряжению и току, а потоки ее, по мере приближения к потребителям, дробятся на более мелкие и разветвленные каналы.

Первое место по количеству потребляемой электроэнергии принадлежит промышленности, на долю которой приходится более 60% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. С помощью электрической энергии приводятся в движение миллионы станков и механизмов, освещаются помещения, осуществляется автоматическое управление производственным процессом и др. Сейчас существуют технологии (электрофизические и электрохимические способы обработки металлов и изделий), где электроэнергия является единственным энергоносителем.

При проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий на основании технико-экономических расчетов решаются, например, следующие задачи: обоснование номинального напряжения сети, выбор схемы и конфигурации сети, средств компенсации реактивной мощности и их размещения, средств ограничения токов короткого замыкания, сечений проводов, числа и мощности трансформаторов и т. п.

Экономическая оценка рассматриваемого варианта заключается в определении капитальных вложений (К) и ежегодных эксплуатационных издержек (И). Обе эти величины определяются лишь для элементов системы электроснабжения, входящих в изменяющиеся части сравниваемых вариантов.

Передача, распределение и потребление электроэнергии на промышленных предприятиях должны производиться с высокой экономичностью и надежностью. Так, в системах цехового электроснабжения широко используются комплектные распределительные устройства (КРУ) и комплектные трансформаторные подстанции (КТП), а также комплектные осветительные и силовые токопроводы.

Все это создает гибкую и надежную систему распределения электроэнергии, экономящую большое количество проводов и кабелей. Значительно упростились схемы подстанций различных напряжений и назначений за счет отказа от сборных шин и выключателей на первичном напряжении и применения глухого присоединения трансформаторов подстанций к питающим линиям и т. д.

1. Описание технологического процесса

Аммиачно-холодильный цех № 2510 предназначен для выработки холода параметров минус 12 °C, минус 30 °C, 0 °C, 5 °C и снабжением холодом этих параметров технологических цехов производств 2-ой промышленной зоны (завод СПС, завод ОЭ, завод «Олигомеры», СП «Петрокам», завод «Таиф-НК», завод «Эластик»).

В состав цеха входят:

1. Титул 643/1 — компрессорная

2. Титул 643/2 — насосная

3. Титул 643/3 — наружная установка

Для получения холода параметра минус 12 °C принята схема с охлаждением теплоносителя (ТНК) циркуляция которого производится по замкнутому контуру насосами поз. Н-37/1−3 через испарители поз. Т-12/3−7 при температуре кипения аммиака в межтрубной части минус 17 °C.

Подпитка контура охлажденного теплоносителя осуществляется из подземной емкости поз. Е-32 насосами поз. Н-32, Н-39 на всас насоса поз. Н-37/3.

Теплоноситель с температурой минус 8 °C из сети заводов СПС, ОЭ, Олигомеры, СП Петрокам, Таиф-НК поступает на всас насосов поз. Н-37/1−3 и подается в трубную часть испарителей поз. Т-12/3−7, где охлаждается кипящим аммиаком до температуры минус 12 °C.

Приборы контроля и управления, размещаемые в машинном зале, взрывобезопасного исполнения. На дистанционном щите расположена вся аппаратура управления турбокомпрессорным агрегатом, масляными наосами, задвижками, сигнальные лампы, измерительные приборы тока и мощности главного электродвигателя и давления всасывания и нагнетания компрессора.

Для получения холода параметра минус 30 °C принята схема с непосредственным испарением жидкого аммиака в технологических аппаратах производства СОП.

Для отсоса паров аммиака из технологических аппаратов производства СОП в цехе установлены 2 поршневых компрессора. Пары аммиака из технологических аппаратов цеха 2506 с температурой до минус 30 °C и давлением 0,018 МПа (0,18 кгс/см?) поступает в отделитель жидкости поз. 0−50, в котором происходит отделение паров аммиака от капель жидкости за счет изменения скорости и направления потока.

Жидкий аммиак из нижней части отделителя поз. 0−50 стекает в дренажный ресивер поз. Е-51, откуда периодически, при достижении максимально допустимого уровня, передавливается парами высокого давления в один из ресиверов поз. Е-9, или в один из испарителей поз. Т-12, или в отпарные емкости поз. Е-33, Е-63.

Освобожденные от капель пары аммиака после отделителя жидкости поз. 0−50 поступают в общий коллектор всасывания ступени низкого давления поршневых компрессоров поз. М-53/1,2.

Технологической схемой предусмотрено регулирование холодопроизводительности установки получения холода минус 30 °C при помощи перепускного клапана поз. 811, а также через перемычку между всасывающими коллекторами холода минус 30 °C и минус 12 °C при помощи задвижки № 1133.

Для получения холода параметра 5 °C принята схема с охлаждением промежуточного холодоносителя (охлажденная речная вода), циркуляция которой осуществляется по замкнутому контуру насосами поз. Н-38/1−3 через испарители поз. Т-12/1−2 и Т-13/1−3 при температуре кипения аммиака в межтрубной части аппарата 2 °C. Подпитка и заполнение контура охлажденной воды осуществляется из сети осветленной воды в трубопровод обратной охлажденной воды в Тит. 643/2−3 перед всасом насоса поз. Н-38/1−3.

Для получения холода параметра 0 °C принята схема с непосредственным испарением жидкости аммиака в технологических аппаратах цехов 2505, 2506, 2509.

Холодильная установка цеха № 2510 относится к I категории надежности электроснабжения. Первая категория — электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, причинить значительный ущерб народному хозяйству, вызвать повреждение оборудования, массовый брак продукции, нарушение нормальной деятельности особо важных элементов промышленного предприятия.

На холодильной установке цеха № 2510 имеются электроприемники трехфазного тока напряжением до 1000 В частотой 50 Гц, и приемники трехфазного тока напряжением выше 1000 В частотой 50 Гц.

2. Характеристика окружающей среды производственных помещений

В современном обществе резко возросли роль и задачи экологии. На основе оценки степени вреда, приносимого природе индустриализацией производства, совершенствуются инженерно-технические средства защиты окружающей среды, всемирно развиваются замкнутые безотходные технологические производства.

В большинстве отраслей промышленности научно-технический прогресс сопровождается улучшением условий труда, ликвидацией на многих производствах тяжелого ручного труда, широким внедрением новых эффективных средств обеспечения безопасности.

На современном этапе развития общества любое техническое решение должно приниматься с учетом не только технологических и экономических требований, но и экологических аспектов.

Таблица 2.1 Взрывопожарная и пожарная опасность производственных зданий, помещений и наружных установок

3. Выбор рационального напряжения питающей сети

Основным источником электроснабжения промышленных предприятий являются энергосистемы. Для повышения эффективности систем электроснабжения и экономии электроэнергии при ее проектировании следует стремиться к сокращению числа ступеней трансформации, повышению напряжения питающей сети, внедрению подстанций без выключателей с минимальным количеством оборудования, применению магистральных линий и токопроводов. Если при взаимном расположении производств и потребляемой ими мощности оптимальное число понизительных подстанций 35…220/6…10 кВ оказывается больше единицы, то по территории предприятия следует проложить воздушную линию (ВЛ) или кабельную вставку с ответвлениями к подстанциям глубокого ввода (ПГВ), которые располагают в центрах нагрузок групп цехов, территориально обособленных на данном предприятии. При этом распределительные устройства напряжением 6…10 кВ ПГВ используют в качестве распределительных пунктов (РП) цехов.

Напряжение каждого звена системы нужно выбирать с учетом напряжений смежных звеньев.

Выбор напряжения питающей сети проводят на основании технико-экономического сравнения вариантов в случаях когда:

— имеется возможность получения энергии от источника питания при двух и более напряжениях;

— предприятие с большой потребляемой мощностью нуждается в сооружении или значительном расширении существующих районных подстанций, электростанций или сооружения собственной электростанции;

— имеется связь электростанций предприятий с районными сетями.

Предпочтение отдают варианту с более высоким напряжением, даже при экономических преимуществах варианта с низким из сравниваемых напряжений в пределах до 5−10% по приведенным затратам.

На первых ступенях распределения энергии для питания больших предприятий применяют напряжения 110, 220 и 330 кВ.

Напряжение 35 кВ применяют для частичного внутризаводского распределения энергии при:

— наличии крупных электроприемников на напряжении 35 кВ;

— наличии удаленных нагрузок и других условий требующих для питания потребителей повышенного напряжения;

— схеме глубокого ввода для питания группы подстанций 35/0.4…0.66 кВ малой и средней мощности.

Так как на холодильной установке цеха № 2510 имеются электроприемники напряжением 6 кВ и электроприемники напряжением 0,4 кВ, а к ГПП — 2 подходит ВЛ — 110 кВ, то принимаем напряжение питающей сети 110/6/0,4 кВ.

4. Определение электрических нагрузок по группам приемников электроэнергии

При разработке проекта электроснабжения промышленного предприятия необходимо определить максимальную электрическую мощность, передачу которой требуется обеспечить для нормальной работы объекта. В зависимости от этого значения, называемого расчетной нагрузкой, выбираются источник электроснабжения и все оборудование электрической сети, обеспечивающее передачу требуемой мощности: линии, трансформаторы распределительные устройства. Неточность определения расчетной нагрузки влечет за собой или перерасход проводникового материала во всей электросети, или ненадежность электроснабжения.

Метод коэффициента максимума — это основной метод расчета электрических нагрузок, который сводится к определению максимальных (Рм, Qм, Sм) расчетных нагрузок группы электроприемников. Максимальная нагрузка заданной продолжительности представляет собой наибольшее ее значение из всех значений за заданный промежуток времени.

Рм = Км · Рсм; Qм = К? м · Qсм; ,

где Рм — максимальная активная нагрузка, кВт;

Qм — максимальная реактивная нагрузка, кВар;

Sм — максимальная полная нагрузка, кВА;

Км — коэффициент максимума активной нагрузки;

К?м — коэффициент максимума реактивной нагрузки.

Так как холодильная установка цеха № 2510 является потребителем

I категории электроснабжения, то трансформаторная подстанция (ТП) — двухтрансформаторная, а между секциями шин устанавливаются устройства АВР (автоматическое включение резерва).

Так как трансформаторы должны быть одинаковые, нагрузка распределяется по секциям примерно одинаково, все электроприемники заносим в «Сводную ведомость нагрузок» и начинаем расчет.

— мощности 3-фазных электроприемников приводится к длительному режиму:

— для электроприемников ПКР; (4.1)

— для электроприемников ДР (4.2)

— для сварочных трансформаторов ПКР (4.3)

— для трансформаторов ДР (4.4)

где приведенная и паспортная активная мощность, кВт;

— полная паспортная мощность, кВА;

ПВ — продолжительность включения, отн. ед.

Например, для мостового крана:

кВт

— определяем среднюю активную мощность за наиболее загруженную смену:

Рсм = Ки · Рн (4.5)

где Ки — коэффициент использования электроприемников, определяется на основании опыта эксплуатации по [15.25];

Рн — номинальная активная групповая мощность, приведенная к длительному режиму, без учета резервных электроприемников, кВт.

Qсм = Рсм · tg? (4.6)

где Qсм — средняя реактивная мощность за наиболее загруженную смену, кВар;

tg? — коэффициент реактивной мощности.

(4.7)

где — полная мощность за смену, кВА

Результаты расчетов заносим в таблицу «Сводная ведомость нагрузок».

Приближенным методом расчета осветительной нагрузки является расчет по удельным мощностям. Удельная мощность определяется в зависимости от нормы освещенности, типа источника света, коэффициента запаса, площади помещения, расчета высоты подвеса светильников, коэффициента отражения стен и потолка и т. д.

— определяем методом удельной мощности нагрузку осветительных устройств

по формуле:

(4.8)

где — удельная нагрузка осветительных приемников, Вт/м?; находим по таблице [7.140], принимаем равный 17;

— коэффициент спроса осветительной нагрузки, согласно методическим указаниям по проектированию принимается равным 0,85 [6.122]

F — площадь освещаемого помещения, м?.

Так как холодильная установка цеха 2510 состоит из компрессорной, наружной установки, операторной, то будет выбрано 9 щитков освещения и 5 щитков аварийного освещения машинного зала, лестничных переходов и запасных выходов.

кВт

кВт

кВт

кВт

Расчетную мощность увеличим на 10 — 30%, так как учитываем аварийное освещение, тогда:

(4.9)

кВт

Распределяем нагрузку по секциям.

— определяем средней коэффициент использования группы электроприемников

Ки.ср = Рсм? / Рн? (4.10)

где Рсм?, Рн? — суммы активных мощностей за смену и номинальных в группе электроприемников, кВт.

Ки.ср = 13 198 / 16 497 = 0,7

tg? = Qсм /Рсм (4.11)

где tg? — коэффициент реактивной мощности;

tg? = 9898,7 / 13 198 = 0,75

— определяем эффективное число электроприемников

— может быть определено по упрощенным вариантам [15.25], n — фактическое число электроприемников в группе;

m — показатель силовой сборки в группе.

— определяем Км = F (Ки, n э) по таблицам (графикам) [15.26].

Км = F (0,7; 13)

— определяем максимальную активную, реактивную и полную нагрузки:

Рм = Км · Рсм; Qм = К? м · Qсм; (4.12)

Рм = 1,14 · 13 198 = 15 045,7 кВт

Qм = 1 · 9898,7 = 9898,7 кВар

кВА

— определяем ток на РУ, результат заносится в таблицу:

(4.13)

А — по 0,4 кВ

А — по 6 кВ

— определяем потери в трансформаторе, результат заносится в таблицу:

?Рт = 0,02 · Sм = 0,02 · 18 009 = 360,18 кВт — по ВН

?Qт = 0,1 · Sм =0,1· 18 009 = 1800,9 кВар

кВА;

?Рт = 0,02 · Sм = 0,02 · 1225,4 = 24,5 кВт — по НН

?Qт = 0,1 · Sм =0,1· 1225,4 = 122,5 кВар

кВА

Все расчетные данные заносим в таблицу 4.1

5. Построение картограммы определения центра электрических нагрузок и места расположения питающих подстанций

Предъявляемые к системе электроснабжения требования и ее параметры зависят от мощности и категории надежности потребителей.

Картограмма нагрузок — это изображение распределения нагрузок по территории предприятия кругами, площади которых в выбранном масштабе m равны расчетным нагрузкам цехов.

Места расположения подстанций для питания приемников выбирают в центре их нагрузок. Преобладающим типом являются комплектные трансформаторные подстанции.

Разукрупнение ТП обеспечивает значительную экономию цветных металлов затрачиваемых на кабельные и воздушные линии вторичного напряжения и снижает потери электроэнергии за время их эксплуатации.

Определяем площадь круга по расчетной нагрузки цеха:

(5.1)

где радиус окружности цеха, км;

мощность этого цеха (кВт);

масштаб нагрузки, ;

Отсюда находим радиус круга:

(5.2)

При построении картограммы нужны реактивные, полные активные и осветительные нагрузки цехов которые берем из «Сводной ведомости нагрузок»

Для определения места ТП — 31 и РП — 3 находим центр электрических нагрузок (ЦЕН) реактивной мощности. Координаты (ЦЭН) холодильной установки определяем по формуле:

(5.3)

(5.4)

где расчетная активная нагрузка цеха, кВт;

координаты центра активной нагрузки, км.

Все данные заносим в таблицу 5.1 «Сводную ведомость»

Таблица 5.1 Сводная ведомость

1. На генеральном плане 4×1 наносим центры электрических нагрузок каждой установки (рисунок 5.1), масштаб генплана 0.01 км/см

(1 клетка = 2.5 м)

2. Определяем масштаб активных нагрузок, исходя из масштаба генплана. Принимается для наименьшей нагрузки (для наружной установки) радиус

R = 0.05 км, тогда:

(5.5)

3. Определяется радиус для наибольшей нагрузки (насосная 0.4 кВ) по формуле (5.2):

4. Для остальных нагрузок радиусы определяются аналогично.

5. Определяется ЦЭН активной нагрузки по формуле (5.3) и (5.4):

Место расположения ТП-31 будет в координатах точки, А (0,02; 0,006), ближе всего к центру наибольшей нагрузки.

6. Определяется ЦЭН реактивной нагрузки по формуле (5.3) и (5.4):

Координаты точки В (0,03; 0,01).

Все данные заносим в таблицу 5.1 «Сводную ведомость» и на рисунок наносим координаты точек.

Рисунок 5.1

6. Выбор системы внешнего электроснабжения

Электроснабжение от энергосистем можно осуществить по двум схемам:

— схема глубокого ввода двойной магистрали напряжением 35…220 кВ на территорию предприятия с подключением отпайкой от обеих цепей нескольких пар трансформаторов;

— схемой с одной мощной ГПП на все предприятие.

При проектировании электроснабжения промышленных предприятий на законченных разработкой схемах высокого напряжения должны быть показаны источники питания, распределительные пункты и трансформаторные подстанции со сборными шинами, основная коммутационная аппаратура (масляные или воздушные выключатели, реакторы), размещение устройств автоматического включения резерва (АВР), все трансформаторы и электроприемники высокого напряжения (высоковольтные электродвигатели, преобразовательные агрегаты, электропечи и др.). рядом с соответствующими графическими обозначениями нужно указать номинальное напряжение сборных шин, типы выключателей, номинальные токи и реактивности реакторов, номинальные мощности и напряжения обмоток трансформаторов и схемы их соединения, номинальные мощности электродвигателей. Около изображений кабельных и воздушных линий указывают их длины, а также марки и сечения кабелей, материал (медь или алюминий) и сечения проводов воздушных линий и токопроводов.

Напряжение 110 кВ наиболее широко применяется для электроснабжения предприятий от энергосистемы. Рост мощностей промышленных предприятий, снижение минимальной мощности трансформаторов на 110/6…10 кВ до 2500 кВА способствует использованию напряжения 110 кВ для питания предприятий не только средней, но и небольшой мощности.

Выбор воздушной линии

Устройство для передачи или распределения электроэнергии по проводам, проложенным на открытом воздухе по деревянным, железобетонным или металлическим опорам, а также стойкам или кронштейнам, установленным на мостах, эстакадах и закрепленных на них при помощи изоляторов и арматуры, называется воздушной линией электропередачи (ВЛ).

По рабочему напряжению ВЛ делят на линии напряжением до 1000 В и выше, их строят на напряжения 3, 6, 10, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ. Сечение проводов линий электропередачи должны быть такими, чтобы провода не перегрелись в нормальном режиме, чтобы потеря напряжения в линиях не превышала установленные пределы и чтобы плотность тока в проводах соответствовала экономической.

Первое условие записывается в виде:

(6.1)

(6.2)

Второе условие:

или (6.3)

Третье условие:

(6.4)

где — экономическая площадь сечения провода, мм;

— расчетная сила тока, А;

— нормированное значение экономической плотности тока.

Данный проект не рассматривает выбор ВЛ, так как холодильная установка цеха № 2510 запитана от действующей ГПП-2 второй промышленной зоны, которая получает питание по ВЛ-110 кВ по двум одноцепным линиям электропередачи. От ГПП-2 помимо холодильной установки цеха № 2510 запитаны следующие электроприемники: завода СПС, ТАИФ, ОЭ, Олигомеров и.т.д. Исходя из этого, нет возможности провести правильный и точный выбор другой воздушной линии.

Выбор числа и мощности силовых трансформаторов

Правильный выбор числа и мощности трансформаторов имеет существенное значение для рационального построения системы электроснабжения. Число трансформаторов определяется в зависимости от категорий потребителей. Если основную часть нагрузки составляют потребители первой и второй категории, то применяют двухтрансформаторные подстанции.

Расчетная мощность силового трансформатора определяется по формуле:

(6.2.1)

где — расчетная мощность нагрузки, МВА;

— максимальная мощность нагрузки на стороне высокого напряжения, МВА.

В настоящем проекте проведение выбора силового трансформатора ГПП-2 экономически не целесообразно, так как помимо холодильной установки цеха № 2510 получают питание и другие электроприемники II промышленной зоны. Поэтому, мы выбираем действующие силовые трансформаторы ГПП-2 с расщепленной обмоткой по стороне низкого напряжения, мощностью 63 МВА. Тип трансформатора: ТРДЦН — 63 000/110/6.

Таблица 6.2.1 Данные силового трансформатора

Выбор схемы внешнего электроснабжения

Схема электроснабжения цеха № 2510 выполнена по условию надежности I категории. Выбор этой схемы обусловлен тем, что должна быть обеспечена бесперебойная работа компрессорного оборудования, нарушение электроснабжения которого может повлечь за собой опасность для жизни людей и расстройство сложных технологических процессов заводов II промышленной зоны.

Схема внешнего электроснабжения холодильной установки выглядит следующим образом: линия ВЛ-110 кВ приходит на ГПП-2, где установлены два силовых трансформатора типа ТРДЦН -63 000/110/6, с которых через четыре реактора запитаны восемь секций шин на 6 кВ. Далее по трем вводам:

— с 14 ячейки II секция шин ГПП-2, 1 ввод;

— с 42 ячейки IV секция шин ГПП-2, 2 ввод;

— с107 ячейки V секция шин ГПП-2, 3 ввод; по кабельной линии 6 кВ получает питание распределительный пункт РП-3, нагрузка на РП-3 распределена не по двум секциям шин как обычно, а по трем, это объясняется использованием на холодильной установке электроприемников большой мощности. В РП-3 устанавливаем выключатели типа ВВЭ-10−31,5/1600 У3. Это вакуумный выключатель предназначен для частых коммутационных операций в ячейках РП, установленных в энергосистемах 3-фазного тока, частотой f =50 Гц, с изолированной или компенсируемой нейтралью, а также в шкаф управления приемниками электроэнергии промышленных предприятий.

В-выключатель;

В — вакуумный;

Э — электромагнитный привод;

10 — номинальное напряжение выключателя, кВ;

31,5 — номинальный ток отключения, кА;

1600 — номинальный ток, А;

УЗ — умеренный климат, внутренней установки.

Электромагнитный привод предназначен для дистанционного и автоматического отключения выключателей. Основной недостаток электромагнитных приводов — значительная сила тока, потребляемого катушками включения (до 100 А).

7. Выбор системы внутреннего электроснабжения

Системы электроснабжения, обеспечивающие питание предприятия на его территории ввиду большой разветвленности, большого количества аппаратов должны обладать в значительно большей степени, чем схемы внешнего электроснабжения, дешевизной и надежностью одновременно.

7.1 Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

По месту нахождения — ТП выполнена встроенной в здание компрессорной, размещение трансформаторной подстанции показано на генеральном плане.

Предварительный выбор числа и мощности трансформаторов производится на основание требуемой степени электроснабжения и распределения между ними потребителей электроэнергии до 1000 В. Электрооборудование сооружений напряжением до 1000 В относится ко II-III категории.

Номинальная мощность цеховых трансформаторов выбирается по расчетной мощности исходя из условий экономичной работы трансформаторов в нормальном режиме и 40% перегрузки в послеаварийном режиме.

Таблица 7.1.1 Сводная ведомость

К установке в ТП принимаем два трансформатора по 1000 кВА каждый. Тип трансформатора выбираем ТМН-1000/6/0,4 [6.184]

Коэффициент загрузки для нормального режима:

(7.1)

где — полная мощность на стороне низкого напряжения, МВА;

— полная мощность трансформатора, МВА.

Коэффициент загрузки в послеаварийном режиме:

Таблица 7.1.2 Технические данные трансформатора

Расчет и выбор компенсирующих устройств

Для выбора компенсирующего устройства (КУ) необходимо знать:

— расчетную реактивную мощность КУ;

— тип компенсирующего устройства;

— напряжение компенсирующего устройства.

Расчетную реактивную мощность компенсирующего устройства можно определить из соотношения:

(7.2.1)

где — расчетная мощность компенсирующего устройства, кВар;

— коэффициент, учитывающий повышение cos естественным способом;

tg и tgкоэффициенты реактивной мощности до и после компенсации.

Оптимальная величина коэффициента мощности (cos) на предприятии получается путем компенсации реактивной мощности как естественными мерами (за счет улучшения режима работы приемников, применения двигателей более совершенной конструкции, устранения недогруза двигателя, трансформаторов и т. п.), так и за счет установки специальных компенсирующих устройств (генераторов реактивной мощности) в соответствующих точках системы электроснабжения. Минимально допустимая величина средневзвешенного коэффициента мощности cos для промышленных предприятий на вводах питающих предприятие, должна находиться в пределах 0,92 — 0,95. [14.308]

Так как на холодильной станции цеха № 2510 установлены СД (синхронные двигатели), которые в процессе работы генерируют реактивную мощность в сеть, компенсирующие устройства здесь не установлены.

7.3 Построение принципиальной схемы электроснабжения

с учетом внешнего ЭСН

Электрические схемы являются основными электротехническими чертежами проекта, на основание которых выполняют все другие чертежи, производятся расчеты сетей и выбор основного электрооборудования.

Одиночную магистральную схему применяют для потребителей III категории; по этой схеме требуется меньшее количество линий и выключателей. Двойная магистральная схема достаточно надежна и для питания потребителей I категории, так как при любом повреждении на линии или в трансформаторе все потребители могут получить электроэнергию по второй магистрали. Радиальная схема применяется для питания сосредоточенных нагрузок и мощных электродвигателей. Для потребителей I и II категорий предусматриваются двухцепные радиальные схемы, а для потребителей III категории — одноцепные схемы. Радиальные схемы надежнее и легче автоматизируются, чем магистральные. Смешанные схемы — сочетают элементы магистральных и радиальных схем. Основное питание каждого из потребителей здесь осуществляется радиальными линиями, а резервное — одной сквозной магистралью.

В основном в распределительных сетях применяют разомкнутые схемы, отвечающие требованиям ограничения токов короткого замыкания и независимого режима работы секций.

В систему внешнего электроснабжения входят линии с ячейками в их начале, питающие предприятие электроэнергией, или отпайки от линии. Число линий определяется в зависимости от категорий надежности электроснабжения потребителей и передаваемой мощности. Широко распространены схемы с короткозамыкателями и отделителями на высшем напряжении.

Распределим нагрузку по секциям.

Таблица 7.3 Сводная ведомость

Определение сечений кабельных линий распределительной сети 6 кВ

Выбирать сечение проводов линий электропередачи необходимо таким, чтобы оно было наивыгоднейшим с экономической точки зрения, чтобы провода не перегрелись при любой нагрузки в нормальном режиме, чтобы потеря напряжения в линиях не превышала установленные пределы.

Кабели 6 кВ питающие РП-3, электродвигатели турбинных поршневых компрессоров и насосные агрегаты проходят в кабельных каналах по эстакадам.

Выбор сечения производим по экономической плотности тока с учетом продолжительности максимума нагрузки (4500 ч.):

(7.4)

где — экономическая площадь сечения провода, мм?;

— расчетная сила тока в линии, А;

— нормированное значение экономической плотности тока, по [12.133], принимаем равной 1,7 А/мм ?.

Расчетную силу тока находим по формуле:

— для трансформатора (7.5)

— для двигателя (7.6)

где — расчетная полная мощность нагрузки, подключенной к линии, кВА;

— номинальное напряжение линии, кВ.

Например для электродвигателя турбокомпрессора М-2/1:

А

мм?

По [11, 410] выбираем кабель марки АВВГ 2×3×150, с .

Для остального оборудования сечение кабелей находится аналогично, данные сводим в таблицу.

Таблица 7.4 Марки и сечения выбранных кабелей

1. Проверим выбранную кабельную линию 6 кВ, идущую к электродвигателю компрессора по нагреву длительно допустимым током:

(7.5)

где — суммарная полная мощность на ВН, кВА;

А

По условию выбранное сечение кабельной линии нас удовлетворяет, так как 337 А < 450 А.

Для кабельных линий 6 кВ идущих к другим электроприемникам проверку проводим аналогично и делаем вывод: выбранные сечения удовлетворяют условию

2. Проверку сечения кабелей 6 кВ по термической устойчивости к токам КЗ проводится после расчета токов короткого замыкания (часть 9)

3. По потери напряжения сечения выбранных кабельных линий не проверяются, так как длина линий менее одного километра. [12.133]

7.5 Выбор сборных шин 6 кВ

В промышленных предприятиях с увеличением их мощности и ростом плотности электрических нагрузок появилась необходимость передавать в одном направлении токи 2000;5000 А и более на напряжения 6−20 кВ. В этих случаях целесообразно применять специальные мощные шинопроводы, которые имеют преимущества перед линиями, выполненными из большого числа параллельно проложенных кабелей. Преимущества эти следующие:

— большая надежность;

— возможность индустриализации электромонтажных работ;

— доступность наблюдения и осмотра шинопроводов в условиях эксплуатации.

На решение вопроса о применении мощных шинопроводов может оказать влияние также характер генерального плана предприятия.

В распределительном пункте РП-3 холодильной установки расположено 3 секции шин, длина каждой составляет 15 метров. Принимаем сдвоенные медные шины прямоугольного сечения 120×12 мм, ток допустимый равен. Проверку сборных шин будем проводить в другом разделе (9.1)

7.6 Расчет распределительной сети 0,4 кВ

В цеховых сетях различают питающую и распределительную сети. Линии цеховой сети, отходящие от цеховой трансформаторной подстанции или вводного устройства, образуют питающую сеть, а линии, подводящие энергию от шинопроводов или распределительных пунктов непосредственно к электроприемникам — распределительную сеть.

Проводим расчет распределительной сети 0,4 кВ. рассмотрим участок I секции шин.

1. Составляем расчетную схему электроснабжения до электроприемников, подключенных к ШР-1. на схему наносим известные данные.

2. Рассчитываются и выбираются автоматы защиты типа ВА.

— Линия Т1-ШНН, 1SF, линия до первой секции шин (I СШ)

(7.6.1)

где — ток в линии сразу после трансформатора, А;

— номинальная мощность трансформатора, кВА;

— номинальное напряжение трансформатора, кВ

А

; А

где — номинальный ток автомата, А;

— номинальный ток расцепителя, А;

По [15. 185] выбирается автомат ВА-53−43

;; ;; ;

— Линия I секция шин, А II/1, линия с 1РПО (один электроприемник). По (7.6)

По [15.185] выбирается автомат ВА-51−35

;; ;; ;

— Линия I секция шин, А II/2, линия с группой электроприемников, 1ШР

По [15.185] выбирается автомат ВА-55−39

;; ;; ;

— Линия I секция шин, насос Н 38/3

По [15.185] выбирается автомат ВА-51−39

;; ;; ;

3. Выбираются линии электроснабжения с учетом соответствия аппаратам защиты согласно условию:

(7.6.2)

где — допустимый ток проводника, А;

— коэффициент защиты. Принимаем его равным 1, в помещениях с нормальной зоной опасности по [15.43]. По [11.410] для прокладки в воздухе при отсутствии механических повреждений выбирается кабель марки АВВГ.

— Линия с, А II/1, с одним электроприемником:

Выбираем кабель АВВГ 70,

— Линия с 1SF

Выбираем кабель АВВГ 2×800,

— Линия с, А II/2, с группой электроприемников:

Выбираем кабель АВВГ 2×185,

— Линия 1СШ, насос Н 38/3

Выбираем кабель АВВГ 3×185,

4. Все данные по выбранным автоматическим выключателям и по кабелям заносим в таблицы. Проверку элементов цеховой сети проводим в разделе 10.1.

8. Расчет осветительной установки

Сети электрического освещения характеризуются большой разветвленностью и протяженностью. ПУЭ предусматривают три системы освещения (общее, местное и комбинированное) и два вида освещения (рабочее и аварийное).

Рабочее освещение создает требуемую по нормам освещенность, обеспечивая этим необходимые условия работы при нормальной эксплуатации. При отключении рабочего освещения аварийное должно давать возможность в одних помещениях продолжать работу при сниженной освещенности (аварийное освещение для продолжения работы), в других безопасно выйти людям из помещения (эвакуационное аварийное освещение).

Аварийное освещение для продолжительной работы предусматривают для помещений и на открытых площадках, отсутствие света может быть причиной взрыва, пожара, или привести к длительному нарушению технологического процесса или вызвать опасность травматизма в местах большого скопления людей.

Основное требование ПУЭ к расчету электрического освещения заключается в выборе такой площади сечения провода, при которой отклонения напряжения на источниках света находятся в допустимых пределах. Допустимое отклонение напряжения согласно ПУЭ, составляет — 2,5…+5%.

Расчетная реактивная нагрузка осветительных установок определяется по формуле: Qр, он = Рр, он · tg ?, где tg? соответствует cos? осветительной установки.

Светильники с люминисцентыми лампами, обычно, поставляются с конденсаторами, предназначенными для индивидуальной компенсации реактивной мощности. Их cos? составляет 0,92 — 0,95. Светильники с лампами типа ДРЛ, как правило, не имеют индивидуальной компенсации реактивной мощности, их cos? составляет 0,5 — 0,65.

В качестве электрических источников света на рассматриваемой холодильной установки используются люминесцентные лампы и лампы накаливания. Чаще всего люминесцентные лампы на предприятиях используются как основной источник света, обеспечивающий нормальную работу производства.

Дуговые ртутные лампы типа ДРЛ являются лампами высокого давления с исправленной цветопередачей. Исправление цветопередачи ртутного разряда в них достигается люминифором, нанесенного на внутреннюю поверхность колбы лампы.

Применяются четырех электродные лампы ДРЛ на напряжение 220 В мощностью 250, 400, 700, 1000 и 2000 Вт. Их световая отдача 44 лм / Вт (250 Вт)… 60 лм / Вт (2000 Вт), продолжительность горения 10 тыс. ч у лампы мощностью 2000 Вт. Температура окружающего воздуха мало влияет на световой поток, но при температуре — 30? С и ниже зажигание лампы становится затруднительным.

Достоинствами ламп ДРЛ являются:

— высокая световая отдача (до 55 лм / Вт);

— большой срок службы (10 000 ч);

— компактность;

— некритичность к условиям внешней среды.

Например, рассмотрим освещение насосной установки, входящей в состав цеха № 2510.

Освещение выбираем лампами ДРЛ-250. Основные технические данные заносим в таблицу 8.1

Таблица 8.1 Технические данные лампы ДРЛ-250.

Распределяем лампы равномерно в 2 ряда.

(8.1)

где — удельная мощность, Вт/м?;

— коэффициент для ламп ДРЛ, равен 0,15 [12. 31]

— нормированная освещенность, Лк;

— коэффициент запаса, равен 0,85 [12. 31]

(8.2)

где — площадь освещаемого объекта, м?;

— ширина и длина объекта, м.

м?

Вт/м?

Находим мощность освещения:

(8.3)

где — мощность освещения, Вт.

Вт

Количество ламп ДРЛ будет:

2388,7/ 250=9,7 шт. или 10 штук. То есть, по 10 штук в 2 ряда.

Остальное освещение рассчитываем аналогично.

Для обеспечения аварийного освещения на случий прекращения основного прменим восемь ламп накаливания по 200 Вт типа В3Г. Помещение относится к категории взрывоопасности В — Iа.

Действенным средством экономии электроэнергии в осветительных сетях является применение рациональных систем автоматического управления освещением в течении суток и ограничения повышенных уровней напряжения на зажимах источника света.

9. Расчет токов короткого замыкания в сети высокого напряжения

В системе трехфазного переменного тока могут возникнуть непредусмотренные соединения проводников двух или трех фаз между собой или на землю, называемые короткими замыканиями.

Это происходит при набрасывании проводника на воздушную линию, при повреждении кабеля, падении поврежденной опоры воздушной линии со всеми проводами на землю, перекрытии фаз животными и птицами, обрыве проводов и так далее.

Рассчитать токи короткого замыкания — это значит:

— по расчетной схеме составить схему замещения, выбрать точки КЗ;

— рассчитать сопротивления;

— определить в каждой выбранной точке 3-фазные, 2-фазные и 1-фазные токи короткого замыкания, заполнить «Сводную ведомость токов КЗ».

1. Составляется схема замещения и нумеруются точки короткого замыкания в соответствии с расчетной схемой.

2. Вычисляются сопротивления элементов и наносятся на схему замещения.

— Для системы: за базисную мощность принимаем мощность системы, т. е. 100 МВА.

Номинальный ток системы, относимый к напряжению 6,3 кВ:

(9.1)

где — заданная базисная мощность, МВА;

— базисное напряжение системы, кВ.

Приводим все сопротивления к базисной мощности.

(9.2)

(9.3)

где — индуктивное и активное сопротивления системы;

— удельные индуктивное и активное сопротивления;

— протяженность линии.

;

Данные по берем из [15.62]

а) сопротивление кабельной линии ГПП — РП3. Активное сопротивление одного километра кабельной линии определяем по формуле:

(9.4)

где — удельная проводимость проводов, равная 32 м / Ом · мм?, по [15.60];

— сечение проводов одной фазы (240 мм?);

Активное сопротивление кабельной линии:

(9.5)

гдедлина кабельной линии, км.

б) реактивное сопротивление кабельной линии:

(9.6)

где = 0,077 Ом/км [15. 62]

— активное и реактивное сопротивления 1 км кабельной линии.

в) величину переходного сопротивления контактов автомата не учитываем, так как она относительно мала.

1) определяем ток короткого замыкания в точке К1:

(9.7)

активное сопротивление линии:

(9.8)

Находим полное сопротивление кабельной линии:

Ток короткого замыкания в точке К1:

(9.9)

Определяем ударный ток короткого замыкания:

(9.10)

где — ударный коэффициент, равный 1 при более удаленных точках [15.62]

При коротких замыканиях в удаленных от электростанций сетях принимается допущение:, тогда

2) Определяем короткое замыкание в точке К2. Суммарное сопротивление цепи КЗ равно:

(9.11)

Активное сопротивление цепи короткого замыкания равно:

(9.12)

Так как сечение провода одинаковое с кабельной линией КЛ 1, то

Находим полное сопротивление кабельной линии:

Ток короткого замыкания в точке К2:

Определяем ударный ток короткого замыкания:

выполняется допущение:

3) Все данные заносим в таблицу 9.1:

Таблица 9.1 Сводная ведомость токов короткого замыкания

9.1 Выбор и проверка токоведущих частей и аппаратов по токам КЗ

на стороне высокого напряжения

Выбранное электрооборудование должно:

* соответствовать условиям окружающей среды;

* иметь номинальные параметры, удовлетворяющие условиям работы в нормальном режиме и при коротком замыкании;

* отвечать требованиям технико-экономической целесообразности.

а) Выключатели.

Проверяем выключатели типа ВВЭ-10−31,5/1600 У3 [15. 77]. Это вводные выключатели ГПП — РП3. Расчетные параметры, номинальные данные, условия выбора и проверки выключателей приведены в таблице 9.1.1.

Таблица 9.1.1 Выбор и проверка выключателей 6 кВ

Определяем расчетные данные и заносим в таблицу:

— Ток короткого замыкания на ВН

(9.1.1)

кА

кА

; кА

— Отключающая способность

кА

(9.1.2)

МВА

(9.1.3)

МВА

— Ток термической стойкости

(9.1.4)

где — время действия короткого замыкания фактическое, равное 1 сек. [15.76];

— время действия термической стойкости равное 3 сек. [15.77]

(кА)

Условия выбора выполнены. Все данные выбранных выключателей заносим в таблицу 9.1.2

б) Шины.

Шины выбираются по току, напряжению, условиям окружающей среды, их проверяют на термическую и динамическую устойчивость.

Находим минимальную площадь сечения шины по термической устойчивости:

(9.1.5)

где — сила установившегося тока короткого замыкания, кА;

— приведенное время короткого замыкания, в течении которого установившейся ток КЗ выделяет то же количество теплоты, что и действительное время;

— термический коэффициент, соответствующий разности выделенной теплоты в проводнике до и после короткого замыкания; для медных шин

С = 171, по [12.205]

Выбираем медную шину 120×12 мм, Iдоп = 4100 А, расположение шины — «ребро». [12.205]

мм?

[C.202] Динамическая устойчивость характеризуется допустимым механическим напряжением для данного металла шин на изгиб.

(9.1.6)

где — сила ударного тока, кА;

— расстояние между опорными изоляторами, см; равное 900 мм;

— расстояние между осями шин смежных фаз, см; равное 250 мм;

W — момент сопротивления, см?.

М· Па

(9.1.7)

где b — толщина полосы, см;

h — ширина (высота) шины, см.

см?

Допустимое напряжение в металле шин:

М· Па 140? 3,39

Условие выполняется

в) Кабель.

Кабели выбирают по току, напряжению, способу прокладки, в зависимости от окружающей среды и проверяют на термическую устойчивость при коротком замыкании по формуле (9.1.5). Для кабеля с алюминиевыми жилами С = 85.

Проверяем кабель марки АВВГ напряжением 6 кВ, сечением 240 на термическую устойчивость к токам короткого замыкания.

кА, с, С = 85

мм?

Сечение данного кабеля удовлетворяет установившемуся току короткого замыкания. Выбор выполнен правильно.

г) Изоляторы.

Изоляторы служат для крепления проводов и шинных конструкций и для изоляции их от заземленных частей. Изоляторы изготавливают из фарфора или стекла.

Изоляторы выбирают по номинальному напряжению и току, типу и роду установки и проверяют на разрушающее воздействие от ударного тока короткого замыкания. При установке шины на «ребро» допустимое усилие на изолятор Р доп = 0,4 · Рр.

Выбираем изолятор типа ИО 6−0,75 УЗ по [11.308]

д) Реакторы.

Реакторы применяют как устройства, ограничивающие силу тока короткого замыкания и силу пусковых токов мощных электродвигателей. Если в электрическую цепь включить добавочное электрическое сопротивление (т.е. реактор), сила тока короткого замыкания в цепи за реактором будет уменьшена. В цепи со сниженным значением силы тока короткого замыкания можно устанавливать более дешевые выключатели с пониженной отключающей способностью. В этом и состоит назначение реактора в электрических сетях.

Реакторы выбирают по силе расчетного тока линии и заданной силе допустимого тока короткого замыкания. Расчетное сопротивление реактора определяется по формуле:

(9.1.8)

где — сопротивление реактора, которое необходимо включить в данную цепь, чтобы снизить силу тока короткого замыкания до заданного значения Iк. доп;

Iн.р — сила номинального тока реактора по каталогу, близкая силе тока в цепи;

Iк.доп — сила допустимого тока короткого замыкания.

Например, для двигателя М 5/1:

Iр = 3150/1,73· 6 = 303 А

Требуется снизить силу тока короткого замыкания до Iк = 11,5 кА. По каталогу выбираем реактор с Iн. р = 630 А. Его сопротивление должно быть не меньше: .

По каталогу находим реактор бетонный, типа РБ 10−630 с Uн =10 кВ, хр =6%

[11. 340]. Конструктивно реактор представляет собой катушку индуктивности без стального сердечника. Несколько десятков витков изолированного провода или шин, закрепленных в бетонных распорках и устанавливаемых на изоляторах, составляют реактор.

Таблица 9.1.2 Данные выбранных выключателей

10. Расчет токов короткого замыкания в сети низкого напряжения

Согласно ПУЭ силы токов короткого замыкания рассчитываются в тех точках сети, при коротком замыкании в которых аппараты и токоведущие части будут находиться в наиболее тяжелых условиях. Для вычисления силы токов короткого замыкания составляется расчетная схема, на которую наносятся все данные, необходимые для расчета, и точки, где следует определить токи короткого замыкания.

Схема замещения представляет собой вариант расчетной схемы, в которой все элементы заменены сопротивлениями, а магнитные связи — электрическими. Точки короткого замыкания выбираются на ступенях распределения и на конечном электроприемнике. Точки короткого замыкания нумеруются сверху вниз, начиная от источника.

1. Составляем схему замещения (рисунок 10.1) и нумеруем точки короткого замыкания в соответствии с расчетной схемой.

2. вычисляем сопротивления элементов и наносим на схему замещения.

— Для системы:

(10.1)

где — ток системы, А;

— полная мощность трансформатора, кВ· А;

— напряжение системы, кВ.

А

Данные для трансформатора берем по таблице 1.9.1 [15.60]

Rт = 2 мОм, Хт = 8,5 мОм, Zт = 81 мОм

Данные для автоматов берем по таблице 1.9.3 [15.60]

1SF R1SF = 0.1 мОм Х1SF = 0.1 мОм RII1SF = 0.15 мОм

АII/2 R, А II/2=0,15 мОм Х, А II/2= 0,17 мОм RII, А II/2= 0.4 мОм

А1 RА1 = 0,4 мОм ХА1 = 0,5 мОм RII A1 = 0,6 мОм

— Для кабельной линии КЛ 1

Данные для кабельной линии берем по таблице 1.9.5 [15.60]

КЛ 1:

Так как в схеме один кабель, то:

— Для кабельной линии КЛ 2

Данные для кабельной линии берем по таблице 1.9.5 [15.60]

КЛ 2:

Так как в схеме два параллельных кабеля, то:

Rкл2=

— Для кабельной линии КЛ 3

Данные для кабельной линии берем по таблице 1.9.5 [15.60]

КЛ 3:

Так как в схеме один кабель, то:

— Для шинопровода

Данные для шинопровода берем по таблице 1.9.7 [15.60]