Проектирование низковольтной распределительной сети

Министерство образования и науки Российской Федерации Новосибирский Государственный Технический Университет Курсовая работа по предмету «Системы электроснабжения»

Проектирование низковольтной распределительной сети Вариант 24

Факультет: Энергетики Группа: ЭН1−11

Выполнил: Гладышев М.В.

Проверил: Гужов Н.П.

Дата сдачи:

Отметка о защите:

Новосибирск 2014

Содержание ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ

2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

3. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

1. Выбор мощности трансформатора

2. Расчет сечения проводников линий электропередачи

3. Выбор электрических аппаратов

4. Проверка оборудования на действия токов коротких замыканий

5. Проверка условия срабатывания защиты от однофазных токов коротких замыканий в электрической сети до 1000 В

4. РАСЧЕТ И РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

1. Расчет отклонения напряжения в узлах электрической сети, выбор наилучшей отпайки ПБВ трансформатора ТП

2. Оценка диапазона отклонений напряжения на шинах 0,4 кВ ТП с доверительной вероятностью 0,95

3. Расчет отклонения напряжения в максимальном режиме на зажимах АД

5. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1. Расчет максимальных потерь мощности во всех элементах расчетной схемы

2. Расчет потери электроэнергии за сутки в линии Л1 и трансформаторе

3. Оценка потерь мощности в элементах сети, обусловленных передачей реактивной составляющей СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Введение Электроснабжение — это процесс производства, преобразования, передачи и распределения электрической энергии среди электроприемников в электрифицированной жизнедеятельности человека, т. е. по сути это процесс обеспечения электроприемников электрической энергией. Получая электрическую энергию, электроприемники преобразуют её в другие виды энергии, необходимые для жизнедеятельности человека в различных сферах. В настоящее время, когда электрическая энергия проникла во все сферы жизни человека и появилась потребность в огромных её количествах, в большинстве случаев её производство осуществляется централизованно электроэнергетической системой, которая, по сути, обеспечивает потенциальную возможность получения потребителем электрической энергии. В этих условиях задача электроснабжения — это передача, преобразование и распределение электрической энергии, которая реализуется так называемой системой электроснабжения.

Целью данной курсовой работы является решение ряда проектных задач, таких как, проектирование низковольтной распределительной сети 0,4кВ и конкретной подстанции, расчёт электрических нагрузок как по объекту в целом, так и по отдельным группам электроприёмников, приобретение навыков по контролю распределения электрической энергии между потребителями.

Характеристика расчетной схемы На рис. 1 представлен фрагмент типовой схемы системы электроснабжения, включающий следующие элементы: ЦП — центр электрического питания, например РУ 10 кВ главной понизительной подстанции (ГПП); Л1 — кабельная линия 10 кВ, одна из высоковольтной распределительной сети (ВВРС), питающая подстанцию ТП 10/0,4 кВ. Способ прокладки кабеля — в траншее (в земле);

Рис. 1. Расчетная схема ТП — трансформаторная понизительная подстанция; Л2 — одна из кабельных линий низковольтной распределительной сети (НВРС) номинальным напряжением 380 В, питающая РП. Способ прокладки — в кабельном канале; РП — распределительный пункт с автоматами, служащими для защиты ответвлений силовой распределительной сети; Л3 — ответвление от РП к электроприемнику (асинхронному двигателю АД). Способ прокладки — изолированными проводами в трубе; АД — асинхронный двигатель, необходимые паспортные данные которого приведены в таблице исходных данных.

1. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ Схема компоновки цеха представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема компоновки цеха Участок № 1

Рис. 3 Участок металлопокрытий МПК Участок № 2

Рис. 4 Участок токарный № 3

Установленную активную и реактивную мощности элетроприемников цеха рассчитываем по выражениям:

где P_н — номинальная мощность электроприемников; ПВ — продолжительность включения (по умолчанию 100%); tgц — коэффициент реактивной мощности электроприемников.

Таблица 1.1

Характеристики электроприемников

2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

2.1 Для линии 1

Расчет электрической нагрузки производится по методу упорядоченных диаграмм, при этом все электроприемники делятся на две группы по коэффициенту использования (K_и>0.6 и K_и<0.6).

Электрическая нагрузка для электропиемников с K_и>0.6 рассчитывается в следующей последовательности:

· рассчитываются среднесменные мощности:

где n_i — количество соответствующих электроприемников.

· рассчитываются суммарные среднесменные мощности:

· определяются расчетные нагрузки:

Таким образом, выделим из двух участков цеха электроприемники, у которых K_и>0.6.

Таблица 2.1

Электрическая нагрузка для электроприемников с K_и<0.6 рассчитывается в следующей последовательности:

· рассчитываются среднесменные мощности:

· рассчитываются суммарные среднесменные мощности:

· определяется суммарная установленная мощность где n_i — количество соответствующих электроприемников.

· рассчитывается средневзвешенный коэффициент использования

· определяется эффективное число электроприемников

· оценивается значение коэффициента максимума

· определяются расчетные нагрузки Таким образом, выделим из двух участков цеха электроприемники, у которых K_и<0.6.

Таблица 2.2

· Средневзвешенный коэффициент использования:

· Эквивалентное число ЭП:

·

· Коэффициент максимума:

· Активная и реактивная мощности группы с K_и<0.6:

· Кроме электроприемников, в цехе имеется осветительная нагрузка Таким образом, полная нагрузка для линии Л1

2.2 Для линии 2

Вычислим расчетную мощность 6 электроприемников наиболее удаленных от ТП. Пусть это станки под номерами 2, 3, 17, (электроприемники № 2 и № 3 входят в это множество дважды, электроприемник № 17 входит в это множество трижды), находящиеся на токарном участке.

Таблица 2.3

Расчет соответствующих мощностей.

Таблица 2.4

трансформатор электропередача линия замыкание

· Средневзвешенный коэффициент использования:

· Эквивалентное число ЭП:

· Коэффициент максимума:

· Расчетная полная мощность для Л2:

2.3 Для линии 3

В качестве нагрузки линии Л3 в данной работе примем один из наиболее удаленных электроприемников, например ЭП номер 2.3:

где з=0,9 — коэффицент полезного действия данной электроустановки.

3. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

3.1 Выбор мощности трансформатора В основе выбора мощности трансформаторов лежит их перегрузочная способность, которая заключается в том, что трансформатор, работая в часы минимальных нагрузок и имея температуру перегрева ниже длительно допустимой, может быть перегружен в часы максимальных нагрузок, т.к. обладает большой тепловой инерционностью. Но при этом величина перегрузки и длительность её действия не должны привести трансформатор к перегреву свыше длительно допустимой температуры.

Существует методика выбора мощности трансформаторов по перегрузочной способности, отраженная в ГОСТ 14 209–97 (Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов). В этом стандарте для трансформаторов с соответствующими системами охлаждения взаимоувязаны между собой: коэффициент загрузки трансформатора в часы минимальных нагрузок; коэффициент перегрузки в часы максимальных нагрузок; допустимая длительность перегрузки. При этом суточный график нагрузки перестраивается в эквивалентный двухступенчатый.

Для наиболее распространенных потребителей, работающих по односменному режиму работы, в практике проектирования систем электроснабжения часто пользуются упрощенной методикой выбора мощности трансформаторов, которая выработана на основе оценки мощности по перегрузочной способности. Так для однотрансформаторных подстанций номинальная мощность трансформатора оценивается по условию.

где S_см — средняя за наиболее загруженную смену мощность нагрузки, (для указанного выше графика нагрузки это период с 8 до 16 часов).

Таблица 3.1

Рис. 5. График суточной нагрузки

S_см=(S₉₋₁₀ + S₁₁₋₁₂+ S₁₃₋₁₄+ S₁₅₋₁₆)/4=(90+100+80+95)/4=91,25%

S_см= S_см*S_р=0,9125*402,95=367,69 кВА Выбираем трансформатор типа ТМ-400/10 с паспортными характеристиками:

S_{ном тр} = 400 кВА, ДP_КЗ=5,5 кВт, ДP_ХХ=0,83 кВт, U_k=4,5%.

Найдем сопротивления обмоток трансформатора:

3.2.1 Выбор сечения линии Л1

Выбор сечения производим по допустимой токовой нагрузке:

В соответствии с полученным значением допустимого тока и условий прокладки кабеля для линии № 1(в земле) выбираем кабель марки ААБ 3×16 мм², I_доп=70 А, r₀₁=1,25Ом/км, x₀₁=0,0675 Ом/км, l₁=0,5 км.

Сопротивления линии:

R₁=r₀₁•l₁=1,25•0,5=0,625 Ом

X₁=x₀₁•l₁=0,0675•0,5=0.3 375 Ом

3.2.2 Выбор сечения линии Л2

Выбор сечения производим по допустимой токовой нагрузке:

В соответствии с полученным значением допустимого тока и условий прокладки кабеля для линии № 2(в кабельном канале) выбираем кабель марки АВВГ 4×6 мм², I_доп=90А, r₀₂=5,21Ом/км, x₀₂=0,09Ом/км, l₂=0,04 км.

Сопротивления линии:

R₂=r₀₂•l₂=5,21•0,04=0,2084Ом

X₂=x₀₂•l₂=0,09•0,04=0,0036 Ом

3.2.3 Выбор сечения линии Л3

Выбор сечения производим по допустимой токовой нагрузке В соответствии с полученным значением допустимого тока и условий прокладки кабеля для линии № 3(изолированными проводами в трубе) выбираем кабель 5АПВ 3×2,5 мм², I_доп=19А, r₀₃=12,5Ом/км, x₀₃=0,116Ом/км, l₃=0,01 км.

Сопротивления линии:

R₃=r₀₃•l₃=12,5•0,01=0,125 Ом

X₃=x₀₃•l₃=0,116•0,01=0,116 Ом

3.2.4 Расчет потерь напряжения Потеря напряжения для линий с подключенной в конце нагрузкой рассчитывается по выражению:

?U = ,% ,

где — активная и реактивная составляющие электрической нагрузки (кВт, квар); - активное и реактивное сопротивление линии (Ом), — номинальное напряжение сети (кВ).

Потеря напряжения до удаленного потребителя, подключенного к распределительной сети 0,38 кВ не должно превышать 4−6%. Если это условие не соблюдается, то необходимо увеличить сечение, что приводит к уменьшению активного сопротивления, и соответственно, к уменьшению потери напряжения.

Таблица 3.2

?U?=?U1+?U2+?U3=0,142+3,09+0,362=3,594%<5%

Суммарные потери напряжения не превышают допустимые.

3.2.5 Расчет сечения по экономической плотности тока Расчет сечения линии 1 по экономической плотности тока производится для электрических сетей выше 1000 В (для систем электроснабжения это сети 10 кВ).

Экономическое сечение линии 1 электропередачи определяется по выражению:

где j_Э — экономическая плотность тока.

3.3 Выбор электрических аппаратов

3.3.1 Выбор автомата QF для отключения Л1

Выбираем защитно-коммутационный автомат QF1(линейный выключатель в РУ 10 кВ ГПП) по следующим условиям:

1. По номинальному напряжению U_ном.а?10 кВ

2. По номинальному току I_ном.а?I₁=22А Выбираем ВМП-10 с I_ном.а=630 А.

3.3.2 Выбор автомата QF2 и QF3(вводной автомат в РУ 0,4 кВ) Выбираем защитно-коммутационный автомат QF2 и QF3 по следующим условиям:

1. По номинальному напряжению U_ном.а?0,4 кВ

2. По номинальному току I_ном.а?1,25•I₂=87,25А Выбираем ВА47−100 с I_ном.а=100 А.

3.3.3 Выбор автомата QF4 для защиты Л3

Выбираем защитно-коммутационный автомат QF4 по следующим условиям:

1. по условию нагрева максимальным рабочим током: I_нр?1,25•I₃=19,4А;

2. по несрабатыванию при пусковых токах асинхронного двигателя (принять 7-и кратным от номинального тока): I_эм?1,25•I_пуск=135,6А.

Для того чтобы было возможным определить защитную характеристику модульного автомата, рассчитаем ток срабатывания электромагнитного расцепителя. Принимая кратность пускового тока равным 7:

I_пуск=7•I₃=7•15,5=108,5А Рассчитаем кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току теплового расцепителя:

В соответствии с требуемыми условиями в качестве защитно-коммутационного аппарата для присоединения линии Л3, идущей к электроприемнику, выбираем автомат серии ВА27−29 с характеристикой В.

3.4 Проверка оборудования на действия токов коротких замыканий Рис. 6. Схема замещения Расчет токов КЗ необходим для проверки электрических аппаратов по условиям динамического действия токов КЗ, а также для проверки проводников и аппаратов по условиям нагрева при КЗ.

Результирующее эквивалентное сопротивление Xc определяется по выражению:

где Uном номинальное напряжение 10,5 кВ, I_К1 примем равным 9кА.

При расчете токов КЗ принято считать, что максимальное значение тока короткого замыкания наступает через 0,01 с от момента возникновения КЗ. Такой ток, вызывающий в этом случае наибольшие электродинамические усилия, называется ударным и используется для проверки электрических аппаратов и проводников электродинамических и термических действиях токов короткого замыкания.

где Kуд — ударный коэффициент.

Для электрических аппаратов в качестве справочной информации приводятся значения предельного тока электродинамической стойкости. Аппарат пригоден для установки в данной цепи, если выполняется соотношение:

i_дин=50кА? i_уд,

где i_дин — амплитудное значение тока электродинамической стойкости.

Проверка на отключающую способность, т. е. на способность отключить ток КЗ. Эта способность характеризуется номинальным током отключения. Для правильного выбора должно быть выполнено соотношение:

I_{ном откл}=20кА? I_К1

где I_{ном откл} — номинальный ток отключения защитного аппарата.

Степень термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты определяет тепловой импульс, выделяемый при протекании тока КЗ. Для определения теплового импульса в электрических сетях систем электроснабжения можно воспользоваться следующим выражением:

где t_КЗ — время протекания тока КЗ (время с момента возникновения КЗ до полного его отключения).

В справочных данных электрического аппарата приводятся значения тока и времени термической стойкости:

где I_ТС — ток термической стойкости; t_ТС — время термической стойкости.

Выбранный выключатель ВМП соответствует всем требованиям.

Определяем минимальное сечение проводника по условию термической стойкости:

3.5 Проверка условия срабатывания защиты при однофазном коротком замыкании в сети до 1000 В В соответствии с требованиями ПУЭ однофазное короткое замыкание на электроприемниках должно быть отключено за время не более 0,4 с.

Проверим, обеспечит ли автомат с выбранной защитной характеристикой отключение токов короткого замыкания за требуемое время.

По табл.9, табл.11 определим расчетное сопротивление трансформатора и удельные сопротивления петли фаза-ноль для выбранных марок кабелей:

Расчетная формула токов короткого замыкания:

Кратность этого тока к номинальному току теплового расцепителя автомата QF4 определяется по выражению:

.

Выбранный модульный автомат с соответствующей защитной характеристикой обеспечит отключение однофазного короткого замыкания на электроприемнике за 0,4 с.

4. РАСЧЕТ И РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ При проектировании и управлении системами электроснабжения, когда отсутствует информация о графиках электрических нагрузок, оценить качество напряжения можно по двум предельным режимам нагрузки: максимальному и минимальному. Эти предельные значения электрической нагрузки определяются на основании гипотезы о распределении её по нормальному закону распределения вероятностей.

При совместном расчете режима распределительных сетей 10 и 0,38кВ оценки напряжений и потерь напряжений будем представлять в процентах от номинального напряжения, причем учитываем только продольную составляющую потери напряжения.

Рассчитаем среднесуточное отклонение активной и реактивной мощностей, приняв среднеквадратическое отклонение мощности 15% от расчетной:

Считая, что нагрузка распределена по нормальному закону, найдем значения средней и минимальной мощностей:

На шинах ГПП в течение суток поддерживается постоянное напряжение равное 10,5 кВ. Рассчитаем отклонения напряжения на шинах ГПП:

4.1 Расчет отклонения напряжения в узлах электрической сети, выбор наилучшей отпайки ПБВ трансформатора ТП Определим отклонения напряжений в заданной сети:

· рассчитывается потеря напряжения в линии Л1:

· определяется отклонение напряжения в узле 2 (перед трансформатором)

· рассчитывается потеря напряжения в трансформаторе:

· определяется отклонение напряжения в узле 3 (за трансформатором) Определим отклонения напряжений в заданной сети в режиме передачи максимальной мощностей:

· рассчитывается потеря напряжения в линии Л1:

· определяется отклонение напряжения в узле 2 (перед трансформатором)

· рассчитывается потеря напряжения в трансформаторе:

· определяется отклонение напряжения в узле 3 (за трансформатором) Определим значения отклонения напряжения в режиме передачи минимальной мощности:

· рассчитывается потеря напряжения в линии Л1:

· определяется отклонение напряжения в узле 2 (перед трансформатором)

· рассчитывается потеря напряжения в трансформаторе:

·

· определяется отклонение напряжения в узле 3 (за трансформатором)

4.2 Оценка диапазона отклонений напряжения на шинах 0,4 кВ ТП Требуется рассчитать отклонения напряжения в узле 4:

Максимальный режим (Л2):

P_max= 21,2 кВт

Q_max= 15,3 квар

· потеря напряжения в линии Л2

· отклонение напряжения в узле 4 (РП 0,4 кВ):

4.3 Расчет отклонения напряжения в максимальном режиме на зажимах АД Определим отклонения напряжений на зажимах асинхронного двигателя в режиме передачи максимальной мощности:

Максимальный режим (Л3):

P_max= 4,1 кВт

Q_max= 9,3 квар

· Потеря напряжения в линии Л3

· Отклонение напряжения на зажимах АД Потери напряжения до самого удаленного потребителя в распределительной сети 0,38 кВ не должны превышать 5%. Рассчитав отклонение напряжения на зажимах электроприемника в режиме максимальных нагрузок, получили приемлемое значение отклонения напряжения. Построим эпюры падений напряжения на каждом участке цепи.

Рис. 7. Эпюры отклонений напряжений

5. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

5.1 Расчет максимальных потерь мощности во всех элементах расчетной схемы Потери мощности в линии 1:

Потери мощности в трансформаторе:

Потери мощности в линии 2:

Потери мощности в линии 3:

Доля потерь активной мощности на каждом участке цепи:

5.2 Расчет потерь электроэнергии за сутки в линии 1 и трансформаторе Расчет потерь электроэнергии в линии 1:

где =0,8 — коэффициент корреляции.

Разобьем формулу расчета потерь электроэнергии в линии 1 на 2 части и произведем отдельный расчет для каждой части:

Расчет потерь электроэнергии в трансформаторе:

Разобьем формулу расчета потерь электроэнергии в трансформаторе на части и произведем отдельный расчет для каждой части:

Полная переданная мощность за сутки:

Оценим долю потерь по отношению к передаваемой по линии электроэнергии:

5.3 Расчет потерь мощности в элементах сети, обусловленные передачей реактивной мощности Потери мощности в линии 1:

— доля потерь мощности, обусловленных передачей реактивной мощности, от полных потерь мощности в линии 1.

Потери мощности в трансформаторе:

— доля потерь мощности, обусловленных передачей реактивной мощности, от полных потерь мощности в трансформаторе.

Потери мощности в линии 2:

— доля потерь мощности, обусловленных передачей реактивной мощности, от полных потерь мощности в линии 2.

Потери мощности в линии 3:

— доля потерь мощности, обусловленных передачей реактивной мощности, от полных потерь мощности в линии 3.

Заключение

В процессе выполнения курсовой работы произведён расчет для заданного участка СЭС, а именно определена расчётная нагрузка, выбраны марки проводов и их сечения. Для линий подобраны автоматические выключатели. Выбран трансформатор для однотрансформаторной подстанции. Рассчитано отклонение напряжения в НВРС и установлено, что оно оказалось в пределах допустимых. Производился расчет потерь мощности и электроэнергии в элементах схемы. Также были оценены потери от передачи реактивной мощности и вследствие неравномерности графика потребления. Доля потерь вызванных передачей реактивной мощности достаточно велика (60−90%), целесообразна компенсация реактивной мощности.

Закреплены, систематизированы и расширены теоретические знания и практические навыки с помощью решения комплексных инженерных задач электроснабжения промышленного объекта.

Список использованных источников

1. Системы электроснабжения: учебник / Н. П. Гужов, В. Я. Ольховский, Д. А. Павлюченко. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. — 258 с.

2. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. Ю. Г. Барыбина и др. — М: Энергоатомиздат, 1991. — 464 с.: ил. — (Электроустановки промышленных предприятий / Под общ. ред. Ю. Н. Тищенко и др.)

3. Электроснабжение: Задание и методические указания по выполнению контрольной работы для студентов заочного отделения / НГТУ; Сост.: Н. П. Гужов. — Новосибирск, 2007.

4. Документы кафедры СЭСП.