Технико-экономическое сравнение двух схем электроснабжения

Задание

1. 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 рис. 4 и рис. 5. Необходимые значения для технико-экономического сравнения схем приведены в табл. 1.

Таблица 1. Данные расчета двухтрансформаторных подстанций

2. По данным для каждого варианта следует 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 рис. 3. Необходимые параметры для решения задачи приведены в табл. 2.

Рис. 1. Двухтрансформаторные подстанции с магистральной схемой

Рис. 2. Радиальная схема питания двухтрансформаторной подстанции Таблица 2. Расчетные параметры к выбору схем питания подстанций

Рис. 3. Сечение токопровода, состоящее из швеллеров

Схемы электроснабжения, обеспечивающие питание предприятия на его территории, ввиду большой разветвленности электрической сети и большого количества аппаратов должны обладать в значительно большей степени, чем схемы внешнего снабжения, дешевизной и надежностью одновременно. Это положение обеспечивается тем, что в зависимости от конкретных требований обеспечения приемников и потребителей применяются различные схемы питания.

В настоящее время проводится работа по проектированию новых схем электроснабжения различных электропотребителей. Кроме того проходит расширение уже работающих электрических сетей. Одним из важных показателей при расчете является экономичность выбираемой схемы.

В связи с увеличением мощности и плотности электрических нагрузок появилась необходимость передавать токи 5000 А и более при напряжении 6 — 20 кВ. В этих случаях целесообразно применять специальные мощные шинопроводы (токопроводы). При протекании электрического тока происходят потери электрической энергии. Для расчета параметров электрических сетей необходимо учитывать потери мощности и напряжения в пассивных элементах. Кроме того, электропотребители должны обеспечиваться электроэнергией необходимого качества, поэтому необходимо учитывать то, что отклонение напряжения не должно превышать предельно допустимого.

Данной работе будет рассмотрено технико-экономическое сравнение двух схем электроснабжения, а также определены потери мощности и напряжения в токопроводе швеллерного сечения.

1. Технико-экономическое сравнение различных схем электроснабжения

Схемы внутреннего или внешнего электроснабжения выполняются с учетом особенностей режима работы потребителей, возможностей дальнейшего расширения производства, удобства обслуживания и т. д.

Сравнение радиальной и магистральной схемы питания цеховой подстанции проведем на основе анализа приведенных затрат на сооружение каждой схемы. При определение приведенных затрат будем учитывать только те элементы, которыми эти схемы различаются между собой. Так марка кабеля указана в условии, то для выбора сечения необходимо определить токи нагрузки в нормальном и аварийном режимах, а также при коротком замыкании.

Мощность трансформатора и напряжение заданы по условию, указана загрузка трансформаторов. На основании этих данных легко можно определить ток в нормальном режиме по следующей формуле:

А, (1)

где кВА — номинальная мощность трансформатора, согласно условию задания;

— коэффициент загрузки трансформатора, согласно табл. 1;

кВ — напряжение, согласно условию задачи.

Для данной марки кабеля аварийный ток можно определить на основании тока в нормальном режиме, с учетом поправочного коэффициента:

А, (2)

где — поправочный коэффициент [1., с. 149].

Зная ток в нормальном режиме, можно определить по экономической плотности тока экономическое сечение кабеля. По [3, табл. 6.1] определяем экономическую плотность тока равную 2,5 так как годовое число используемой нагрузки, согласно условию, равно 4850 часов, значит экономически выгодное сечение кабеля определится из выражения (3), используя результаты, полученные в выражении (2):

. (3)

Зная экономически выгодное сечение кабеля, необходимо из стандартного ряда подобрать сечение кабеля, которое удовлетворяло бы заданным параметрам. Но прежде, чем сделать этот выбор необходимо определить сечение кабеля, которое подходило бы по нагреву в режиме короткого замыкания так как данные для расчета уже известны из условия задания (см. табл. 1). Определение сечения по нагреву в режиме короткого замыкания производится по формуле (4):

, (4)

где — расчетный коэффициент, определяемый ограничением допустимой температуры нагрева жил кабеля [2. табл. 8.1].

В нормальном режиме кабель всегда работает с некоторой недогрузкой, поэтому при выборе кабеля по термической стойкости следует принимать ближайшее меньшее, а не большее стандартное сечение. Из приведенного расчета видно, что по условию нагрева в режиме короткого замыкания сечение кабеля не должно быть меньше значения. В тоже время в экономически выгодное сечение кабеля равно 15, поэтому необходимо выбрать кабель марки АСБ-325. Проверим подходит ли этот кабель. Из справочных данных [3. табл. П. 3.1] находим, что максимальный допустимый ток для данного кабеля равен 90 А. Но с учетом поправочного коэффициента это значение изменится и принимает вид:

А, (5)

где — поправочный коэффициент для определения допустимых токов [3. табл. П. 3−3].

Как видно из выражения (5), имеющийся кабель подходит как в нормальном (1), так и в аварийном режимах (2). Значение 78,3 А значительно превышает ток в нормальном режиме равном 37,5 А и превышает ток в аварийном режиме — 75 А.

Для технико-экономического сравнения необходимо знать стоимость 1 км кабеля и стоимость потерь 1 кВтч энергии. Стоимость 1 км кабеля АСБ-325 составляет 29 000 руб., согласно цен 1986 года с учетом поправочного коэффициента для 2000 года. Стоимость потерь энергии равна 1,6 руб./кВтч, согласно условию задания (см. табл. 1). Определим приведенные затраты для радиальной и магистральной сетей.

Для радиальной сети:

(6)

где — нормативный коэффициент эффективности;

— отчисления на амортизацию [4. табл. П. 5.27];

— капитальные затраты, руб./км, [4. табл. П. 5.56];

— удельное активное сопротивление кабеля, Ом/км [4. табл. П. 5.3];

— время максимальных потерь, ч [4. рис. 4.1.10];

— стоимость потерь электроэнергии, согласно табл. 1.

(7)

Для магистральной сети, подставляя аналогичные значения, получим, с учетом длинны:

;

(8)

Сравнивая результаты полученные в выражениях (7) и (8) видно, что магистральная схема предпочтительней, так как она дешевле в 1,5 раза, но при питании от подстанции потребителей первой или второй категории рекомендуется выбирать радиальную схему. При более высоких затратах она является более надежной по сравнению с магистральной схемой.

2. Определение потерь мощности и напряжения в токопроводе

В связи с увеличением мощности и плотности электрических нагрузок появилась необходимость передавать токи 5000 А и более при напряжении 6−20 кВ. В этих случаях целесообразно применять специальные мощные шинопроводы (токопроводы), которые имеют преимущества перед линиями, выполненными из большого числа параллельно проложенных кабелей. Преимущества эти следующие: большая надежность, возможность индустриализации электромонтажных работ, а также доступность наблюдения и осмотра в условиях эксплуатации. При протекании электрического тока происходят потери электрической энергии. Для расчета параметров электрических сетей необходимо учитывать потери мощности и напряжения в пассивных элементах. Кроме того, электропотребители должны обеспечиваться электроэнергией необходимого качества, поэтому необходимо учитывать то, что отклонение напряжения не должно превышать предельно допустимого.

Для определения потерь мощности и напряжения в токопроводе необходимо знать активное и реактивное сопротивление токопровода.

Сечение швеллерного токопровода:

. (9)

Активное сопротивление проводника:

Ом, (10)

где — удельное сопротивление алюминиевого проводника при температуре 20 С;

км — длина проводника, согласно табл. 2;

— сечение проводника, согласно (9);

— температурный коэффициент электрического сопротивления [1, с. 264];

C — температура токопровода, согласно табл. 2.

Определим активное сопротивление токопровода, с учетом (10), и того, что коэффициент добавочных потерь равен 1,09 согласно табл. 2:

Ом. (11)

Среднее геометрическое расстояние площади сечения фаз от самой себя:

мм. (12)

Найдем индуктивное погонное сопротивление токопровода, учитывая (12) и значениями из табл. 2:

. (13)

Индуктивное сопротивление токопровода, с учетом (13):

Ом. (14)

Потери активной мощности в алюминиевом токопроводе:

кВт.

Потери реактивной мощности в токопроводе:

кВАр.

Определим теперь потерю напряжения в алюминиевом токопроводе. Для этого необходимо определить мощность передаваемую по данному токопроводу, учитывая исходные данные из табл. 2, имеем:

кВА. (15)

Из формулы для определения потери напряжения видно, что необходимо знать отдельно активную и реактивную мощность передаваемую по токопроводу, используя (15) и табл. 2.

кВт; (16)

кВАр. (17)

Зная (16) и (17) теперь легко можно определить потерю напряжения в алюминиевом токопроводе длиной 3500 м.

%.

Определим отклонение напряжения в конце токопровода:

%,

где % - отклонение напряжения от номинального в начале токопровода, согласно табл. 2.

Из полученного результата видно, что отклонение напряжения в конце токопровода не выходит за пределы допустимые ГОСТ 13 109–87.

Заключение

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.

В связи с увеличением мощности и плотности электрических нагрузок появилась необходимость передавать токи 5000 А и более при напряжении 6−20 кВ. В этих случаях целесообразно применять специальные мощные шинопроводы (токопроводы). При протекании электрического тока происходят потери электрической энергии. Для расчета параметров электрических сетей необходимо учитывать потери мощности и напряжения в пассивных элементах. Кроме того, электропотребители должны обеспечиваться электроэнергией необходимого качества, поэтому необходимо учитывать то, что отклонение напряжения не должны превышать предельно допустимое.

Библиографический список

1. 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.

2. Федоров А. А., Старкова Л. Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: Учеб. Пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 368 с.

3. Шпиганович А. Н., Шпиганович А. А. Электроснабжение: Учебное пособие. Липецк: ЛГТУ, 1998.

4. Федоров А. А., Каменева В. В. Основы электроснабжения промышленных предприятий: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984.

5. Шпиганович А. Н., Бойчевский В. И. Методические указания к оформлению учебно-технической документации. Липецк: ЛГТУ, 1997.