Расчет цеховой электрической сети

КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине

«ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ»

Проверил преподаватель: Н.В. Паршонок

I. Расчёт электрических нагрузок

1.1 Задание

1.2 Расчет электрических нагрузок

1.3 Выбор цехового трансформатора

1.4 Выбор сечений проводов и кабелей

1.5 Определение потерь мощности и электроэнергии в цеховом трансформаторе и в одной из линий, питающих силовые распределительные пункты

1.6 Компенсация реактивной мощности

1.7 Вывод

II. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 Задание

2.2 Определение типа и мощности трансформаторов ГПП, согласно указанной на схеме подключённой нагрузке (P, Q) и мощности трансформатора цеховой ТП, определённой в п. 1 курсового проекта

2.3 Расчёт для точек К1 и К2 значение токов трёхфазного К.З. (ударного и установившегося значения) а также соответствующие мощности К.З.

2.4 Выбор и проверка аппаратов по условиям протекания токов К.З. на стороне 6кВ ГПП

2.5 Определение уставки МТЗ для линии Л3

2.6 Выбор автоматического выключателя установленного после трансформатора ТП

2.7 Вывод

I. Расчёт электрических нагрузок

1.1 Задание

На рис. 1 приведена радиальная схема цеховой электрической сети, от которой питаются трёхфазные асинхронные двигатели, используемые для привода различных производственных механизмов. По назначению электродвигатели разделены на четыре однородные группы, каждая из которых подключена к отдельному силовому распределительному пункту (СП).

Сведения о характере производства, видах механизмов и режимах их работы, в которых используются электродвигатели, приведены в табл.1. Число, тип и мощность двигателей указаны в табл.2. В табл.3 приведены данные по конструктивному выполнению электрической сети.

Номинальное напряжение на шинах РП равно 10 кВ.

Требуется:

1. Определим по методу коэффициента максимума электрическую нагрузку цехового трансформатора и всех, указанных в схеме линий.

2. Выберем цеховой трансформатор.

3. Выберем марки проводов и кабелей всех линий и определим их сечение по нагреву расчётным током.

4. Приняв напряжение на вторичной стороне ТП неизменным и равным 400 В, определим потерю напряжения от шин ТП до наиболее удаленного электродвигателя.

5. Определим потери мощности и электроэнергии в цеховом трансформаторе и в одной из линий, питающих силовые распределительные пункты (взять произвольно).

6. Выполним мероприятия по максимально возможной компенсации реактивной мощности (РМ). За источник РМ примем батареи статических конденсаторов.

Считать, что цех работает в три смены, трансформатор включен круглый год.

Рис. 1. Радиальная расчётная схема.

электрический нагрузка трансформатор мощность Таблица 1

*- длительный режим работы

** - повторно — кратковременный режим работы.

Таблица 2

Данные о числе, мощности и типах электродвигателей

Таблица 3

Данные по конструктивному выполнению сети

Примечания: I. В колонках сверху вниз записано: длина линии, км; способ прокладки (3 — в земле, К — в кабельном канале, В — в воде, Т — в трубе, 0 — открыто на воздухе); вид линии (К — кабель, П — провод}; материал проводника (М — медь, А — алюминий);изоляция (Б — бумага, Р — резина, В — пластмасса); материал оболочки кабеля (А — алюминий, С — свинец, В — пластмасса, Н — нагревостойкая резина).

2. Длины линий от распределительного пункта до отдельных электродвигателей, питающихся от него, одинаковы.

1.2 Расчет электрических нагрузок

Расчет электрической нагрузки по методу коэффициента максимума производится в следующем порядке.

Получасовой максимум нагрузки (расчётная нагрузка) на всех ступенях распределительных и питающих сетей, включая, преобразователи и трансформаторы, определяется по формуле:

где — средняя мощность за наиболее загруженную смену;

— коэффициент максимума.

Величина для группы однородных приёмников определяется по суммарной номинальной мощности и коэффициенту использования, характерному для данной группы приёмников:

где — суммарная номинальная (установленная) мощность приёмников;

— номинальная мощность отдельного приёмника электроэнергии;

n — число приёмников в группе;

— коэффициент использования суммарной мощности, определяемой по справочным данным.

Таблица 4

СП1

СП2

СП3

СП4

Коэффициент максимума находится по таблице, в зависимости от величины коэффициента использования и эффективного числа приёмников в группе ().

Под понимается такое число однородных по режиму работы приёмников одинаковой мощности, которое обуславливает ту же величину расчетного максимума, что и группа различных по мощности и режиму работы фактических приёмников.

Эффективное число приёмников:

.

СП1

СП2

Принимаем nэ=4.

СП3

Принимаем nэ=6.

СП4

Принимаем nэ=6.

Средняя реактивная мощность за наиболее загруженную смену вычисляется из соотношения:

(3)

где соответствует коэффициенту мощности, определяемому по справочной литературе одновременно с .

СП1 ;

СП2 ;

СП3 ;

СП4 .

Расчётная реактивная нагрузка принимается равной:

;

СП1 ;

СП2 ;

СП3 ;

СП4 .(8)

Зависимость распространяется только на значения. При небольшом эффективном числе приёмников () расчётные нагрузки определяются следующим образом:

Если nэ < 3, то Рр =Кз•Рном;

Кз=0,9 для ПВ% = 100%;

Кз=0,75 для ПВ% < 100%.

СП1 При; ;

При

СП2 kм=3,43 ;

СП3 kм=1,5 ;

СП4 kм=1, .

Полная расчётная мощность и ток определяются по формулам:

;

где — номинальное напряжение .

СП1 ;

СП2;

СП3;

СП4;

.

Определяю расчетные нагрузки для узла (СП1 и СП2)

;

;

; сos ц = 0,6;

где — суммарная номинальная мощность расчётного узла;

где Км = 1,8 — коэффициент максимума, выбранный по справочнику.

;

;

.

1.3 Выбор цехового трансформатора

После определения расчётной нагрузки на шинах низкого напряжения TП производится выбор цехового трансформатора. Номинальная мощность трансформатора для данных условий задачи определяется из соотношения:

при загрузке трансформатора 0,9

где

Выбираю трансформатор типа ТМ мощностью S=1000кВА.

Таблица 5

1.4 Выбор сечений проводов и кабелей

Сечение проводников в цеховых электрических сетях определяется по нагреву расчётным током.

Для выбора сечения и проверки проводов по нагреву токами нагрузки пользуется справочным таблицам предельных допустимых токов, составленными для различных марок проводов и кабелей и условий прокладки. Нормальной температурой окружающей среды при прокладке проводов и кабелей на воздухе принимаем +25°С, при прокладке кабелей в земле и воде +15°С. При значениях температур, отличающихся от указанных, допустимые нагрузки умножаются на поправочный коэффициент. Для кабелей, проложенных в земле, допустимые нагрузки приняты из расчёта прокладке в траншее одиночного кабеля. При прокладке рядом нескольких кабелей условия охлаждения изменятся и здесь также необходимо вводить поправочные коэффициенты. При прокладке кабелей в земле в трубах (без вентиляции) принимаются допустимые нагрузки, устанавливаемые для прокладки на воздухе с пересчетом с температуры воздуха (+25°С) на температуру почвы (+15°С).

При смешанной прокладке кабелей допустимые токовые нагрузки должны применяться для участка трассы с наихудшими тепловыми условиям, если длина его более 10 м.

Сечение провода или жилы кабеля выбирается с соблюдением условия:

или

где — расчётный ток;

— допустимый длительный ток;

— поправочный коэффициент (или произведение коэффициентов, если их несколько);

— расчётный ток с учётом поправочных коэффициентов.

При выборе сечений проводов и кабелей следует учитывать, что допустимая по нагреву плотность тока с увеличением диаметра проводника из-за ухудшения условий охлаждения падает. Поэтому при больших сечениях целесообразно вместо одного кабеля выбирать несколько кабелей более низкого сечения, но не ниже 150 мм² (по меди).

Линия Лэ1:

Для двигателя АК2 мощностью 160 кВт

Так как кабель предназначен для прокладки в воздухе, и по условиям данного курсового проекта его нужно проложить открыто на воздухе, то следует пересчитать расчетный ток с учетом поправочного коэффициента kп=1.

Выбираем трехжильный кабель с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и не стекающей массами изоляцией в свинцовой оболочке, сечение жилы 150 мм² на допустимый ток 235А для прокладки открыто на воздухе. Марка АСБ 3×150

Линия Лэ2

Для двигателя А0 2 мощностью 75кВт

Так как кабель предназначен для прокладки открыто на воздухе, и по условиям данного курсового проекта его нужно проложить открыто на воздухе, то следует пересчитать расчетный ток с учетом поправочного коэффициента kп=1.

Выбираем трехжильный кабель с алюминиевыми жилами с резиновой изоляцией в пластмассовой оболочке, сечение жилы 50 мм² на допустимый ток 110 А для прокладки открыто. Марка АВРБ 3×50

Линия Лэ3

Для двигателя А02 мощностью 40кВт

Выбираем трехжильный провод с медными жилами с резиновой изоляцией, сечение жилы 16 мм² на допустимый ток 58А для прокладки в трубе.

Линия Лэ4

Для двигателя АО2 мощностью 13кВт

Выбираем трехжильный провод с алюминиевыми жилами с резиновой изоляцией, сечение жилы 4 мм² на допустимый ток 21 А для прокладки в трубе.

Линия Л1 к распределительному пункту СП1

;

Выбираем два трехжильных кабеля с медными жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающей массой изоляцией в свинцовой оболочке, сечение жилы каждого кабеля 120 мм² на допустимый ток 260 А для прокладки открыто на воздухе. Марка кабеля МБС 2(3×120)

Линия Л2 к распределительному пункту (узлу СП1 — СП2)

;

Выбираем шесть одножильных кабелей по два на каждую фазу с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и не стекающей массами изоляцией в свинцовой оболочке, сечение жилы каждого кабеля 240 мм² на допустимый ток 335 А для прокладки открыто на воздухе.

Марка кабеля ААБ 6 (1×240).

Линия Л3 к распределительному пункту СП3

;

Выбираем трехжильный кабель с медными жилами с резиновой изоляцией в оболочке из нагревостойкой резины, сечение жилы 95 мм² на допустимый ток 220А для прокладки в трубе. Марка кабеля МРВ 3×95.

Линия Л4 к распределительному пункту СП4

Выбираем трехжильный кабель с алюминиевыми жилами с резиновой изоляцией в поливинилхлоридной оболочке, сечение жилы 16 мм² на допустимый ток 90А для прокладки в трубе. Марка кабеля АВРБ 3×16

Линия ЛТП к трансформатору с низкой стороны

Выбираем три одножильных кабелей по одному на каждую фазу с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и не стекающей массами изоляцией в алюминиевой оболочке, сечение жилы каждого кабеля 625 мм² на допустимый ток 1170А для прокладки в земле.

Марка АСБ 3(1×625)

Линия ЛТП к трансформатору с высокой стороны

Выбираем трехжильный кабель с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и не стекающей массами изоляцией в алюминиевой оболочке, сечение жилы 16 мм² на допустимый ток 75 А для прокладки в земле. Марка АСБ 3×16

Приняв напряжение на вторичной стороне ТП неизменным и равным 400 В, определим потерю напряжения от шин ТП до наиболее удаленного электродвигателя.

Потеря напряжения, в одиночных линиях определяется по формулам:

или

где I — расчётный ток в линии, А;

— расчётные активная и реактивная мощности, кВт, квар;

— удельные активное и реактивное сопротивления линии, Ом/м;

— длина линии, км.

Активное удельное сопротивление линии, Ом/км:

где S — сечение провода, жилы кабеля, мм2; г — удельная проводимость, равная 31,7 [] для алюминия.

Примем xo=0,06Ом/км, для кабелей до 1кВ.

;

;

; ;

; - сечение провода Лэ4

В разветвленной сети общая потеря напряжения между питающим узлом (шины низкого напряжения ТП) и расчётным узлом складывается из потерь напряжения на отдельных последовательно расположенных участках:

где — потеря напряжения на i-том участке; n — число последовательно расположенных участков.

Напряжение в расчётном узле:

.

Если это напряжение не выходит за пределы (где — допустимая норма отклонения напряжения), то электрическая сеть удовлетворяет условию допустимой потери напряжения.

Полученное значение напряжения не выходит за пределы (где — допустимая норма отклонения напряжения), то есть электрическая сеть удовлетворяет условию допустимой потери напряжения.

Допустимые отклонения напряжения на зажимах приёмников электроэнергии (ГОСТ 13 109 — 97), % от номинального значения:

+10 и -5 — для электродвигателей и аппаратуры при их пуске и управлении;

+5 и -2,5 — для ламп рабочего освещения предприятий и общественных зданий, прожекторного освещения;

+ 5 и — 5 — для остальных приёмников.

1.5 Определение потерь мощности и электроэнергии в цеховом трансформаторе и в одной из линий, питающих силовые распределительные пункты

Потери мощности и электроэнергии в трансформаторе

активные потери

где — потери холостого хода трансформатора

— нагрузочные потери трансформатора

Sнагр — фактическая нагрузка трансформатора

;

реактивные потери

где — реактивная намагничивающая мощность

— нагрузочные реактивные потери

.

потери электроэнергии в трансформаторе

где ТВКЛ — время включения трансформатора в году (ТВКЛ=8760ч)

фMAX — время максимальных потерь, по графику фMAX=f (Твкл) с учётом cosц, фMAX=8760ч

.

Потери мощности и электроэнергии в линии Л4

потери активной мощности:

где SЛ4 — полная мощность линии Л4

RЛ4 — активное сопротивление линии Л4

потери реактивной мощности

потери электроэнергии в линии

фMAX=6000 при ТMAX=7000ч по графику фMAX =f (ТMAX) и справочным данным

1.6 Компенсация реактивной мощности

Выполним мероприятия по максимально возможной компенсации реактивной мощности

Суммарная мощность конденсаторных батарей

QСР.М — суммарная средняя реактивная мощность за наиболее загруженную смену

QMAX.ТР — наибольшая реактивная мощность, которую целесообразно передать через трансформатор

где КЗ=0,75 — коэффициент загрузки трансформатора

Так как QCР. М=465,35квар меньше QMAX. ТР=471квар то компенсацию реактивной мощности не проводим.

1.7 Вывод

В процессе расчётов по методу коэффициента максимума была определена электрическая нагрузка всех указанных в схеме линий и цехового трансформатора, которая составила SР=1262кВА. По произведённым расчётам был выбран трансформатор тип ТМ мощностью SТР=1600кВА.

Далее были выбраны кабеля и провода всех линий и определено их сечение по нагреву расчётным током.

Приняв напряжение на вторичной стороне ТП равным 400 В, определил потерю напряжения от ТП до наиболее удалённого электродвигателя которое составило 19,6 В. Были определены потери электроэнергии в трансформаторе, которые составили 127 005 в год, потери электроэнергии самой длинной линии Л4 составили 45 483,6 в год.

Так как суммарная средняя реактивная мощность составила 465,35квар, а наибольшая реактивная мощность, которую целесообразно передать через трансформатор составила 471квар то компенсацию реактивной мощности не проводим.

II. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

2.1 Задание

Согласно приведённой на рис. 2 схеме от шин подстанции энергосистемы питается главная понизительная подстанция (ГПП), предназначенная для электроснабжения промышленного предприятия. Питание ГПП осуществляется по двум линиям. На ГПП установлено два силовых двухобмоточного трансформатора. Нормально питающие линии и трансформаторы ГПП работают раздельно.

Среди прочих нагрузок ГПП на схеме выделена одно-трансформаторная цеховая подстанция (ТП), которая рассмотрена в первой части курсового проекта.

Требуется:

1. Определить тип и мощность трансформаторов ГПП, согласно указанной на схеме подключённой нагрузке (P, Q) и мощности трансформатора цеховой ТП, определённой в п. 1 курсового проекта.

2. Рассчитать для точек К1 и К2 значения токов трёхфазного К. З (ударного и установившегося значения), а также соответствующие мощности К. З для режимов включения питающих линий и выключателей ГПП, указанных в табл. 4.

3. Выбрать и проверить по условиям протекания токов К. З на стороне 6−10 кВ ГПП следующие аппараты и токоведущие устройства:

а) выключатель в цепи нереактированной линии Л3, отходящей от ГПП к цеховой подстанции;

б) шинный разъединитель в цепи указанной отходящей линии;

в) трансформатор тока для питания цепей измерения и цепей релейной защиты линии Л3;

г) допустимое наименьшее сечение нереактированной линии по термической устойчивости при К. З;

з) реактор на линии Л3 из условия ограничения токов К. З для выбора менее мощного коммутационного оборудования и уменьшения сечения линии (условия определить самостоятельно).

4. Определить уставки максимальной токовой защиты для линии (Л3) питающей ТП.

5. Выбрать плавкий предохранитель или автоматический выключатель устанавливаемый после трансформатора № 3 ТП.

6. Сделать выводы по расчётам, а также выбору оборудования.

Рис. 2. Расчётная схема участка схемы электроснабжения.

Расчётные данные к рис. 2.

Номинальные напряжения ступеней трансформации и мощность К. З на шинах подстанции энергосистемы.

U1=35 кВ; U2=6 кВ; Sk=450МВА.

Тип линии (ВЛ — воздушная, КЛ — кабельная) и её длина (км).

Л1, Л2 — КЛ, длиной 6 км; Л3 — КЛ, длиной 2 км.

Нагрузка на стороне 6 кВ ГПП — Р=4,2МВт; Q=3,5Мвар.

Режим включения питавших линии и выключателей ГПП.

Л1 — включена, Л2 — включена, В1 — включен, В2 — включен, В3 — включен, В4 — включена.

2.2 Определение типа и мощности трансформаторов ГПП, согласно указанной на схеме подключённой нагрузке (P, Q) и мощности трансформатора цеховой ТП, определённой в п. 1 курсового проекта Выбираю трансформатор типа ТДНС 10 000/35 .

Таблица 5

Трансформатор цеховой ТП: ТМ 1600/6,3

Таблица 6

2.3 Расчёт для точек К1 и К2 значение токов трёхфазного К.З. (ударного и установившегося значения) а также соответствующие мощности К. З

Составим схему замещения и примем за базисное напряжение UБ=6,3кВ.

Базисный ток, где SБ=100мВА — базисная мощность.

Рис. 3 Схема замещения Определим сопротивления элементов схемы замещения Кабельная линия 35 кВ (Л1,Л2)

где Х0=0,12Ом/км; l=6км; UБ=6,3кВ; UСР=35кВ где

г=32; S=95мм2

Трансформатор ГПП Кабельная линия Л3

Х0=0,08Ом/км; l=2км

где S=120мм2; г=32

Реактор тип РБАМ6 200/6 (IН=200А; х0Р=1,04Ом) Трансформатор цеховой тип ТП Определение тока К.З. для точки К1

.

Определение тока К.З. для точки К2

Приведём сопротивления системы электроснабжения к напряжению 0,4кВ Суммарное реактивное сопротивление Суммарное активное сопротивление где RДОБ=15· 10−3Ом — добавочное сопротивление, учитывающее переходные сопротивления контактов

.

Определение мощности К.З. в точках К1 и К2

2.4 Выбор и проверка аппаратов по условиям протекания токов К.З. на стороне 6кВ ГПП

Выберем и проверим по условиям протекания токов К.З. на стороне 6кВ ГПП Выключатель в цепи Л3

нагрузка линии

токи К.З. IКЗ=14,45кА; iУД=26,6кА ток термической устойчивости

где tП=tВЫКЛ+tЗ=0,1+0,02=0,12с

tВЫКЛ=0,1с — время отключения выключателя

tЗ=0,01с — время действия релейной защиты

I?=10кА — действующее значение установившегося тока К.З.

Выбираем выключатель ВМП-10П Таблица 7

Шины разъединителей РВ-10/600

Таблица 8

Трансформатор тока для питания цепей измерения и цепей релейной защиты ТПЛ Коэффициент электродинамической устойчивости Коэффициент термической устойчивости за 1с Таблица 9

Допустимое наименьшее сечение нереактированной линии по термической устойчивости при К.З.

Токи продолжительных режимов IН=75,7А; IMAX=151,4А Номинальное сечение кабеля где Imin=1,2 минимальная плотность тока, при годовой максимальной нагрузке более 5000 ч/год Принимаем 2 кабеля ААВ 3×70, допустимый ток IД=190А. Поправочный коэффициент на температуру почвы к1=0,94, на число кабелей к2=0,9

IД>Imax — следовательно, кабель по нагреву проходит.

Проверим термическую стойкость кабеля по току К.З.

По одному кабелю проходит половина тока К.З. равная 2,55 кА.

Тепловой импульс тока К.З.

где ТА=0,01с — постоянная времени затухания апериодической составляющей тока К.З.

Минимальное сечение по термической стойкости где СТ=85 — коэффициент, зависящий от допустимой температуры при К.З. и материала проводника;

Smin — по термической стойкости можно выбрать кабель ААБ 3×50 с допустимым током IД=155А, в замен выбранного кабеля 70 мм².

Реактор на линии Л3 РБАМ 6−300−6

Таблица 10

2.5 Определение уставки МТЗ для линии Л3

Ток срабатывания защиты:

где КН=1,2−1,5 — коэффициент надёжности от IН КВ=0,85 — коэффициент возврата Время срабатывания защиты tСР Ступень селективности защиты? t=0,5с Ток срабатывания реле:

где КСХ=1 — коэффициент схемы КТ. Т=40 — коэффициент трансформатора тока Принимаем ток реле 6 А.

Чувствительность МТЗ линии характеризуется коэффициентом чувствительности

I’КЗ=0,87IКЗ=0,87· 12,4=10,8кА

2.6 Выбор автоматического выключателя установленного после трансформатора ТП

По рассчитанным данным выберем автомат Э16НВ Таблица 10

2.7 Вывод

Согласно указанной на схеме нагрузки был выбран трансформатор ТДНС 10 000/35 мощностью 15МВА. Для точек К1 иК2 были рассчитаны токи К.З., которые составили для точки К1 IКЗ=14,45кА, для точки К2 IКЗ=12,4кА. По условиям протекания токов К.З. на стороне 6кВ ГПП были выбраны следующие аппараты и токоведущие устройства: выключатель ВМП-10П; шинный разъединитель РВ-10/600; трансформатор тока для измерений и питания цепей релейной защиты ТПЛ; кабель 3×50, который был проверен на электродинамическую и термическую устойчивость; реактор РБАМ6−300−6; автоматический выключатель Э16 НВ. Далее были выбраны уставки МТЗ для линии Л3. Всё выбранное оборудование соответствует необходимым требованиям.

1. Федоров А. А., Ристхейн Э. М. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебник для вузов — М.: Энергия, 1981.

2. Правила устройства электроустановок. Издание пятое. — М.: Энергия, 1976.

3. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Под ред. А. А. Федорова и Г. В Сербиновского. Кн. 1 и 2 — М.: Энергия, 1973.

4. Ромадин А. В. Курсовая работа по курсу «Основы элетроснабжения», Пермь, 2002.