Расчеты силовых электрических нагрузок цеха промышленного предприятия

Задание.

Задача 1.

В цеху промышленного предприятия установлены силовые приемники. По приведенным в таблице 1 данным определить суммарные расчетные нагрузки цеха: активную, реактивную и полную. Площадь цеха для всех вариантов равна 946 м². Удельная плотность нагрузки электрического освещения — 17 Вт/м2. Освещение осуществляется лампами накаливания.

Таблица 1 — Электроприемники промышленного цеха.

Задача 2.

Требуется рационально распределить конденсаторные батареи в радиальной сети (рисунок 1) промышленного предприятия. Необходимые для решения задачи данные приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Необходимые данные для решения задачи.

Задача 3.

Электрические приемники одного из цехов промышленного предприятия получают питание от трансформатора мощностью 1000 кВА, 10/0,4 кВ. Осветительные приемники цеха получают питание от другого трансформатора. Графики изменения активной и реактивной нагрузок рассматриваемого цеха не совпадают с аналогичными графиками суммарной нагрузки ГПП предприятия. Регулировочные возможности трансформатора цеховой подстанции исчерпаны. Его регулировочное ответвление выбрано из условия регулирования напряжения на ГПП так, что напряжение может быть изменено только в сторону снижения величины добавки напряжения трансформатора.

Для улучшения режима напряжения на зажимах электрических приемников определить мощность батареи статических конденсаторов (БК) в точке C сети (рис. 2). После установки конденсаторов, учитывая, что мощность одной секции БК равна 120 кВАр, установить наибольшие возможные отклонения напряжения в точке A сети. При этом величина зоны нечувствительности регулировочного устройства на ГПП, от которой получает питание подстанция цеха, равна 2,5%. Другие необходимые данные для решения задачи приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Параметры электрической сети.

Рисунок 1 — Схема радиальной сети Рисунок 2 — Схема электрической сети Задание 4.

Выполнить технико-экономическое сравнение вариантов питания цеховых подстанций по магистральной и радиальной схемам. Подстанции двухтрансформаторные, мощность каждого трансформатора составляет 1000 кВА. Распределительная сеть выполнена кабелем марки АСБ-10, проложенным в траншее. Расчетные электрические схемы приведены на рисунке 3 и рисунке 4. Необходимые значения для технико-экономического сравнения схем приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Данные расчета трансформаторных подстанций.

Задание 5.

По данным для каждого варианта необходимо определить потери мощности и напряжения в трехфазном симметричном токопроводе. Рассматривается два вида токопроводов: токопровод с круглым сечением и токопровод, состоящий из двух швеллеров. Сечение токопровода из швеллеров показано на рисунке 5. Необходимые параметры для расчета приведены в таблице 5.

Рисунок 3 — Трансформаторные подстанции с магистральной схемой Рисунок 4 — Радиальная схема питания двухтрансформаторных подстанций Таблица 5 — Расчетные параметры к выбору схем питания подстанций.

Рисунок 5 — Сечение токопровода, состоящее из швеллеров.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ЦЕХА.

1.1 Определение расчетной нагрузки электрического освещения цеха Электрическое освещение является однофазной нагрузкой. Установленную мощность для осветительной нагрузки рассчитаем по формуле:

= = 16,8 кВт, (1.1).

где — установленная мощность осветительной нагрузки; - удельная плотность нагрузки, кВт/м2; F — площадь цеха, м2.

Расчетная мощность осветительной нагрузки рассчитывается с учетом коэффициента спроса, равного для осветительной нагрузки 0,8.

кВт.

1.2 Определение расчетной нагрузки металлорежущих станков Металлорежущие станки относятся к потребителям с кратковременным режимом работы. Установленную мощность однородной группы приемников определяется по формуле:

(1.2).

где Pн — установленная мощность однородной группы приемников; n — количество однородных приемников; pн, i — установленная мощность i-го приемника.

Подставляя в (1.2) данные, определим установленную мощность группы:

Pн = кВт.

Расчетную нагрузку группы станков определим с помощью коэффициента максимума. Эффективное число приемников определим по формуле:

(1.3).

Используя формулу (1.3) определим эффективное число приемников для группы металлорежущих станков:

.

По справочнику определим коэффициент использования kи и найдем среднюю активную и реактивную нагрузки за наиболее загруженную смену:

;

кВАр.

По справочнику определяем коэффициент максимума активной мощности kм при данном коэффициенте использования и эффективном числе электроприемников, тогда максимальная активная мощность равна:

.

Максимальное значение реактивной мощности:

кВАр.

Определяем полную мощность группы металлорежущих станков:

.

1.3 Определение расчетной нагрузки прессов Установленную мощность прессов найдем по формуле (1.2):

Pн = кВт, Используя формулу (1.3) определим эффективное число приемников для группы прессов:

.

По справочнику определим коэффициент использования kи и найдем среднюю активную и реактивную нагрузки за наиболее загруженную смену:

;

кВАр.

По справочнику определяем коэффициент максимума активной мощности kм при данном коэффициенте использования и эффективном числе электроприемников, тогда максимальная активная мощность равна:

кВт.

Максимальное значение реактивной мощности:

.

Определяем полную мощность группы прессов:

кВА.

1.4 Определение расчетной нагрузки кранов Для кранов расчет проводим аналогично, но с учетом того, что краны относятся к потребителям с повторно-кратковременным режимом работы, т. е. их номинальную мощность необходимо привести к номинальной мощности длительного режима:

кВт.

Используя формулу (1.3) определим эффективное число приемников для группы кранов:

.

По справочнику определим коэффициент использования kи и найдем среднюю активную и реактивную нагрузки за наиболее загруженную смену:

.

По справочнику определяем коэффициент максимума активной мощности kм при данном коэффициенте использования и эффективном числе электроприемников, тогда максимальная активная мощность равна:

кВт.

Максимальное значение реактивной мощности:

кВАр.

Определяем полную мощность группы электропечей:

.

1.5 Определение расчетной нагрузки стыковых сварочных машин Сварочные машины являются потребителями с повторно-кратковременным режимом работы, поэтому их номинальную мощность необходимо привести к номинальной мощности длительного режима. Для стыковых сварочных машин:

кВт;

кВт;

кВт.

Стыковые сварочные машины включены на линейное напряжение. Распределим приемники по фазам следующим образом:

Определим нагрузку наиболее нагруженной фазы при включении сварочных машин в соответствующие фазы:

Для определения условной трехфазной мощности необходимо знать неравномерность распределения нагрузок по фазам:

Неравномерность не превышает допустимые 15%, поэтому при определении условной трехфазной мощности суммируем фазные мощности:

.

Используя формулу (1.3) определим эффективное число приемников:

По справочнику определим коэффициент использования kи и найдем среднюю активную и реактивную нагрузки за наиболее загруженную смену:

;

кВАр.

По справочнику определяем коэффициент максимума активной мощности kм при данном коэффициенте использования и эффективном числе электроприемников, тогда максимальная активная мощность равна:

кВт.

Максимальное значение реактивной мощности:

кВАр.

Определяем полную мощность:

кВА.

1.6 Определение расчетной нагрузки сварочных трансформаторов дуговой сварки Сварочных трансформаторов дуговой сварки являются потребителями с повторно-кратковременным режимом работы, поэтому их номинальную мощность необходимо привести к номинальной мощности длительного режима. Для сварочных трансформаторов дуговой сварки:

кВт;

кВт.

Используя формулу (1.3) определим эффективное число приемников:

По справочнику определим коэффициент использования kи и найдем среднюю активную и реактивную нагрузки за наиболее загруженную смену:

;

кВАр.

По справочнику определяем коэффициент максимума активной мощности kм при данном коэффициенте использования и эффективном числе электроприемников, тогда максимальная активная мощность равна:

кВт.

Максимальное значение реактивной мощности:

кВАр.

Определяем полную мощность:

кВА.

Распределим приемники однофазного тока равномерно по фазам трехфазной сети. Приемники считаются равномерно распределенными по фазам, когда их суммарная установленная мощность, оставшаяся нераспределенной по фазам, не превышает 15% общей установленной мощности трехфазных и однофазных, равномерно распределенных по фазам:

(1.4).

Включаем по одной сварочной машине и трансформатору на каждое линейное напряжение, получим равномерно распределенные однофазные приемники. Неравномерно распределенными однофазными приемниками будут 2 стыковые сварочные машины мощностью 150 кВА, 1 сварочный трансформатор дуговой сварки мощностью 30 кВА и 2 сварочных трансформатора дуговой сварки мощностью 10 кВА. Определим их суммарную мощность:

кВт Определим суммарную мощность трехфазных и симметрично распределенных однофазных приемников:

Погрешность составляет менее 15%, поэтому можно считать, что нагрузка равномерно распределена по фазам.

1.7 Определение расчетной нагрузки группы неавтоматизированных электропечей Печи относятся к потребителям с кратковременным режимом работы. Подставляя в (1.2) данные, определим установленную мощность группы:

Pн = кВт.

Используя формулу (1.3) определим эффективное число приемников для группы насосов:

.

По справочнику определим коэффициент использования и найдем среднюю активную и реактивную нагрузки за наиболее загруженную смену:

;

кВАр.

По справочнику определяем коэффициент максимума активной мощности при данном коэффициенте использования и эффективном числе электроприемников, тогда максимальная активная мощность равна:

кВт.

нагрузка электрический конденсаторный трансформатор Максимальное значение реактивной мощности:

кВАр.

Определяем полную мощность группы металлорежущих станков:

кВА.

1.8 Определение суммарных нагрузок цеха Найдем активную, реактивную и полную мощность, потребляемую всем цехом:

кВт;

кВАр;

кВА.

2. РАЦИОНАЛЬНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ КОНДЕНСАТОРНЫХ БАТАРЕЙ В РАДИАЛЬНОЙ СЕТИ Определим реактивную мощность, текущую в радиальную сеть 0,4 кВ через понизительную подстанцию. Составим баланс реактивной мощности:

(2.1).

где — суммарная реактивная мощность, генерируемая конденсаторными установками; - реактивная мощность, текущая с подстанции; - суммарная реактивная мощность, потребляемая нагрузками.

кВАр.

Найдем из (2.1):

кВар.

Эквивалентное сопротивление сети:

Ом.

Определим распределение реактивная мощность по ветвям радиальной сети:

(2.2).

где QCj — часть реактивной мощности подстанции, текущая в j-ую ветвь радиальной сети; rj — сопротивление j-ой ветви.

Найдем реактивные мощности по формуле (2.2):

кВар;

кВар;

кВар;

кВар.

В каждую ветвь необходимо включить источник, генерируемой реактивной мощности, которая определяется по формуле:

(2.3).

где — мощность дополнительного источника реактивной мощности; - реактивная нагрузка j-ой ветви.

Производя расчет по формуле (2.3), получим:

кВАр;

кВАр;

кВАр;

кВАр.

Округляя полученные значения до ближайших стандартных, включим в первую ветвь конденсаторную установку УК-0,38−130У3 мощностью 130 кВАр, во вторую ветвь конденсаторную установку УК-0,38−140У3 мощностью 130 кВАр, в третью — УК-0,38−100У3 мощностью 100 кВАр, в четвертую ветвь включим параллельно нагрузке конденсаторную установку УКБ-0,38−160У3 мощностью 160 кВАр.

Суммарная мощность компенсирующих устройств:

кВАр, Перекомпенсация реактивной мощности составляет: кВАр, что в относительной погрешности составляет 4%.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ БАТАРЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ Определим диапазон регулирования напряжения:

.

где U= -5% - предельно допустимое по ГОСТ 13 109–67 для двигателей значение отрицательного отклонения напряжения; UBотклонение напряжения у наиболее удаленного двигателя по заданию, %.

Мощность батареи конденсаторов, достаточная для обеспечения данного диапазона регулирования:

(3.1).

где Qк — мощность батареи конденсаторов, кВар; Uн — номинальное напряжение сети, кВ; dр — диапазон регулирования напряжения, %; хс — эквивалентное реактивное сопротивление до точки С, Ом; Uс — относительная величина напряжения в точке присоединения батареи конденсаторов, %.

Подставляя в (3.1) значения, получим:

кВАр.

Учитывая, что мощность одной секции конденсаторных батарей равна 120 кВАр, выбираем четыре подобных батареи с суммарной мощностью 480 кВАр. Уточняем фактический диапазон регулирования:

.

Диапазон регулирования в точке A найдем по формуле:

(3.2).

где dрАдиапазон регулирования в точке А, %; dрф — фактический диапазон регулирования, %; ха — эквивалентное реактивное сопротивление до точки А, Ом; хс — эквивалентное реактивное сопротивление до точки С, Ом.

Подставляя численные значения в (3.2), получаем:

.

Наибольшее возможное отклонение напряжения на зажимах ближайшего электродвигателя:

(3.3).

где UА, макс — наибольшее возможное отклонение напряжения, %; UА — отклонение напряжения у ближайшего к трансформатору приемника в режиме максимальных нагрузок, %; - величина зоны нечувствительности регулировочного устройства на ГПП, от которого получает питание подстанция цеха, %.

Подставляя численные значения в (3.3), получаем:

.

Полученное значение не превышает предельно допустимого по ГОСТ 13 109– — 67 = +10%, следовательно, расчет проведен верно.

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ ПИТАНИЯ ЦЕХОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ.

4.1 Выбор сечения жил кабеля для магистральной схемы электроснабжения цеховых подстанций Ток в нормальном режиме определяется по следующей формуле:

А, (4.1).

где кВА — номинальная мощность трансформатора, согласно условию; - коэффициент загрузки трансформатора; кВ — напряжение, согласно условию задачи.

Так как подстанции двух трансформаторные, то токовая нагрузка каждой будет определяться из следующего выражения:

А.

Согласно схеме, изображенной на рисунке 6, токораспределение по участкам сети будет следующим:

А;

А.

Так как каждый участок сети выполняется двумя кабелями, поэтому рабочий ток каждого из кабеля будет равен половине тока соответствующего участка сети:

Рисунок 6 — Схема магистральной сети Рисунок 7 — Схема радиальной сети.

А;

А.

Определим экономически выгодные сечения кабелей, используемых на каждом из участков сети:

мм2;

мм2,.

где, — экономическая плотность тока.

Полученные сечения округляем до ближайших стандартных:

мм2;

мм2.

Выбранные сечения проверяем по длительно допустимому току нагрузки в нормальном и аварийном режиме (обрыв одного из двух кабелей на участке), а также термической стойкости при протекании сквозного тока короткого замыкания:

А,.

А.

По данным справочника длительно допустимый ток для кабелей 10 кВ с бумажной изоляцией, в свинцовой оболочке, прокладываемых в земле при температуре почвы 15 оС с сечением жилы 50 мм² равен 140 А, а с сечением жилы 25 мм² равен 90 А. В нашем случае < 140 А и < 90 А, поэтому по условиям нагрева выбранные сечения подходят.

Минимально допустимое сечение жилы кабеля, термически устойчивое при протекании сквозного тока короткого замыкания определяется по следующей формуле:

(4.2).

где — расчетный коэффициент, определяемый ограничением допустимой температуры жил кабеля; кА — установившееся значение тока короткого замыкания; с — приведенное время короткого замыкания.

Производя расчет по формуле (4.2), получим:

мм2.

В нашем случае и .

Выбранные сечения жил кабелей не удовлетворяют требованиям термической стойкости при прохождении сквозного тока короткого замыкания. Для выхода из сложившейся ситуации можно увеличить сечения жил до 70 мм², либо защитить кабель плавкими токоограничивающим предохранителями, что будет экономически оправдано по сравнению с увеличением сечения жил кабеля. На участке от ГПП до ТП 1 устанавливаем предохранители типа ПК-10/150 (6 штук), а на участке от ТП 1 до ТП 2 будем использовать предохранители типа ПК-10/75 (6 штук). Номинальный ток отключения предохранителей 12 кА.

4.2 Выбор сечения жил кабеля для радиальной схемы электроснабжения цеховых подстанций Согласно схеме, изображенной на рисунке 7, токораспределение по участкам радиальной сети будет следующим:

А;

А.

В соответствии с расчетами, приведенными в пункте 4.1 при токе участка сети равном 69,2 А, экономически выгодным будет являться сечение жилы 25 мм². Это сечение удовлетворяет нормальному и аварийному режиму работы сети, но не подходит по условию термической стойкости при протекании сквозного тока короткого замыкания. В каждую радиальную ветку сети установим 12 предохранителей ПК-10/75.

4.3 Сравнение приведенных затрат Цены на кабель и строительные работы по его укладке приведены в таблице 6.

Таблица 6 — Цены на кабель АСБ.

Цена одного предохранителя типа ПК-10/75 составляет 129 руб., а предохранителя типа ПК-10/150 равна 203 руб.

Рассчитаем приведенные затраты при осуществлении электроснабжения цеховых подстанций по магистральной схеме. Капиталовложения определим по формуле:

(4.3).

где и — цена 1 м кабеля соответствующего сечения, руб/м; м — длина участка линии от ГПП до ТП 1; м — длина участка линии от ТП 1 до ТП 2; и — цены на предохранители соответствующих типов, руб.

Подставляя значения в формулу (4.3), получим:

руб Стоимость годовых потерь электроэнергии определим по формуле:

(4.4).

где Ом/м — сопротивление 1 метра кабеля сечением 50 мм²; Ом/м — сопротивление 1 метра кабеля сечением 25 мм²; - время максимальных потерь, ч/год; руб/ кВтч — стоимость потерь 1 кВтч электроэнергии, руб/ кВтч.

Подставив значения в (4.4), получим:

Приведенные затраты, руб/год, определяются по формуле:

(4.5).

где — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; - издержки на амортизацию, ремонт и обслуживание кабельных линий 10 кВ со свинцовой оболочкой, проложенных в земле.

С учетом подстановки найденных значений в (4.5), получим:

руб/год Рассчитаем приведенные затраты при осуществлении электроснабжения цеховых подстанций по радиальной схеме.

Капиталовложения определим по формуле:

(4.6).

где м — длина участка линии от ГПП до ТП 1; м — длина участка линии от ГПП до ТП 2.

Производя расчет по формуле (4.6) получим:

руб Стоимость годовых потерь электроэнергии определим по формуле:

руб Приведенные годовые затраты рассчитаем по формуле (4.5):

руб/год.

По результатам сравнения можно видеть, что магистральная схема является более экономически выгодной. Однако радиальная схема является более надежной, что покрывает дополнительные расходы. Её следует использовать при питании потребителей первой и второй категории.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОМ СИМЕТРИЧНОМ ТОКОПРОВОДЕ Для нахождения активного сопротивление токопровода необходимо найти площадь сечения одной фазы:

мм2.

где, и — размеры сечения токопровода по заданию.

Активное сопротивление токопровода:

(5.1).

где Ом. мм2/м — удельное сопротивление алюминия при температуре 20 оС; м — длина токопровода; 1/оС — температурный коэффициент сопротивления; оС — температура окружающей среды.

Производя расчет по формуле (5.1), получим:

Ом Сопротивление токопровода переменному току с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости:

Ом Индуктивное сопротивление токопровода:

(5.2).

где мм — среднее геометрическое расстояние между площадями двух фаз; мм — среднее геометрическое расстояние площади сечения до самой себя.

Производя вычисления по формуле (5.2), получим:

Ом Определим потери активной и реактивной мощности в токопроводе:

кВт;

кВАр.

Определим потерю напряжения в токопроводе:

(5.3).

где — активная мощность, передаваемая по токопроводу, кВт. Определяется из:

кВт;

— реактивная мощность, передаваемая по токопроводу, кВАр. Определяется из:

кВАр.

Подставляя значения в (5.3), получим:

%.

Отклонение напряжения в конце токопровода найдем по формуле:

%.

где % - отклонение напряжения в начале токопровода.

Легко видеть, что отклонение напряжения в конце токопровода полностью удовлетворяют требования ГОСТ 13 109–67.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выполненном расчетно-графическом задании были произведены расчеты силовых электрических нагрузок цеха промышленного предприятия. Были найдены активные, реактивные и полные мощности для каждой группы приемников и всего цеха. Таким образом, были получены данные, которые являются определяющими для выбора количества, типа и мощности трансформатора. Кроме того, была рассчитана осветительная нагрузка данного цеха, которая питается от отдельного трансформатора.

При распределении конденсаторных батарей в радиальной схеме энергоснабжения предприятия были получены навыки по решению задач данного типа.

При выборе схем электроснабжения можно сделать ряд выводов. Преимущества радиальных схем: простота выполнения и надежность эксплуатации электрической сети, возможность применения быстродействующей защиты и автоматики. Недостатком же является то, что при аварийном отключении питающих радиальных линий, идущих от РП, нарушается электроснабжение нескольких цеховых трансформаторных подстанций, применение радиальные схем электроснабжения увеличивает количество используемой высоковольтной аппаратуры, что в свою очередь, удорожает строительную часть РУ и увеличивает капитальные затраты.

Магистральная схема электроснабжения дает возможность снизить капитальные затраты за счет уменьшения длины питающих линий, снижения количества используемых высоковольтных частей подстанций. Основным же недостатком магистральных схем является меньшая надежность электроснабжения, так как повреждение магистрали ведет к отключению всех потребителей, питающихся от нее.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.

1. Шпиганович, А. Н. Электроснабжение: Учебное пособие [Текст] / А. Н. Шпиганович, С. И. Гамазин, В. Ф. Калинин. — Елец: ЕГУ им. И. А. Бунина, Липецк: ЛГТУ, 2005. — 90 с.

2. Федоров, А. А. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий [Текст] / А. А. Федоров, Г. В. Сербиновский. — М.: Энергия, 1980. — 576 с.

3. Шпиганович, А. Н. Методические указания к оформлению учебно-технической документации [Текст] / А. Н. Шпиганович, В. И. Бойчевский. — Липецк: ЛГТУ, 1997. — 32 с.

4. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические сети. 2-е изд., перераб. и доп./ Под общ. Ред. А. А. Федорова и Г. В. Сербиновского. — М.: Энергия, 1980. — 576 с.