Системой электроснабжения называют совокупность взаимосвязанных
электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией. Проект системы электроснабжения – это изображение (модель) будущей системы, представленное в схемах, чертежах, таблицах и описаниях, созданное в результате логического анализа исходных данных на основе расчетов и составлений вариантов. Проектирование системы электроснабжения любого объекта является определяющим фактором, обуславливающем его хозяйственную деятельность, нормальные условия функционирования и развитие на долгосрочную перспективу.
Актуальность темы: эксплуатация промышленных цехов, как правило, требует их обязательного электроснабжения. Производственное оборудование включает электроприводы с асинхронными электродвигателями и другие потребители электроэнергии. То есть важно и актуально уметь проектировать качественное электроснабжение цехов.
Объект исследования: механический цех промышленного предприятия.
Цель работы: расчет электроснабжения цеха согласно требованиям ПУЭ и других нормативных документов.
Задачи:
определить нагрузки потребителей, выбрать трансформаторы цеховой ТП;
выбрать компенсирующие установки;
рассчитать линии электроснабжения, выбрать кабели и аппараты защиты;
определить токи КЗ
выполнить проверку правильности выбора защитной аппаратуры.
1 Исходные данные
В курсовой работе требуется разработать систему электроснабжения механического цеха промышленного предприятия. Механический цех получает электроснабжение (ЭСН) от главной понизительной подстанции (ГПП) завода. Расстояние от ГПП до цеховой трансформаторной подстанции (ТП) - 1,2 км. Напряжение 10 кВ. Потребители цеха относятся ко 2 и 3 категории надежности электроснабжения, работают в нормальной окружающей среде. Каркас здания механического цеха смонтирован из блоков - секций длиной 6 метров каждый. Размеры цеха ABH= 48309 метров. Вспомогательные, бытовые и служебные помещения – двухэтажные, высотой 4 м. Перечень электрооборудования цеха представлен в таблице 2.
Перечень электрооборудования цеха
Мощность электропотребления (Pэп) указана для одного электроприемника. В механическом цехе все электроустановки работают только в длительном режиме. Расположение основного оборудования показано на плане, представленном на рисунке 2.
Расположение основного оборудования цеха
2 Краткая характеристика потребителей цеха
Механический цех предназначен для серийного производства изделий. Он является крупным вспомогательным цехом завода машиностроения и выполняет заказы основных цехов. Станочное отделение выполняет подготовительные операции (обдирку) изделий, для дальнейшей обработки их на анодно-механических станках.
Для этой цели в цехе установлено основное оборудование: обдирочные, шлифовальные, анодно-механические станки и др.
Все электроприёмники цеха относятся к потребителям 2 и 3 категории надежности по электроснабжению.
Электроприёмники 2 категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
Электроприёмники 3 категории - все остальные электроприемники, не подходящие под определения 1 и 2 категорий.
Классифицируют электроприёмники по напряжению, роду тока, мощности, режиму работы.
По напряжению электроприёмники различают на низковольтные и высоковольтные. Низковольтные – напряжение их составляет до 1000 В, и высоковольтные – напряжением более 1000 В.
Всё электрооборудование в механическом цехе относится к потребителям низкого напряжения, так как все установки работают от сети 220/380В.
По роду тока различают электроприёмники, работающие от:
а) сети переменного тока промышленной частоты 50Гц;
б) сети переменного тока повышенной или пониженной частоты;
в) сети постоянного тока.
В механическом цехе все электроприёмники работают от сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц.
По мощности электроприёмники различают: малой мощности – до 10кВт; средней мощности – до 100 кВт, большой мощности – свыше 100 кВт.
В цехе всё электрооборудование является электроприёмниками средней мощности.
По режиму работы электроприёмники делят на три группы:
а) длительный режим – это режим, в котором электрические машины работают длительное время, при этом не перегреваясь;
б) повторно-кратковременный режим – это режим, в котором рабочие периоды работы чередуются с периодами пауз, а длительность всего цикла не превышает десяти минут;
в) кратковременный режим – это режим, в котором рабочий период не столько длителен, чтобы температуры отдельных частей машины могли достигнуть установившегося значения, период же остановки машины настолько длителен, что машина успевает охладиться до температуры окружающей среды.
В механическом цехе все электроустановки работают только в длительном режиме.
3 Схема электрической сети
Вид схемы электроснабжения зависит от расположения электроприемников:
а) Если электроприемники расположены упорядоченно, то выбирается магистральная схема, которая выполняется шинопроводами. Количество трансформаторов зависит от категории электроприемников:
1) первая категория – n ≥ 2;
2) вторая категория – n ≤ 2;
3) третья категория – n = 1.
Если подстанция двухтрансформаторная, то нагрузка на трансформаторы должна быть равномерной.
б) Если электроприемники расположены неупорядоченно, то выбирается радиальная схема, которая выполняется кабелями, идущими от распределительных пунктов.
в) Также существует смешанная схема – это когда часть электроприемников запитывается от распределительных пунктов, а другая часть – от шинопровода.
Так как в механическом цехе электроприемники расположены упорядочено, то для проектирования выбираем магистральную схему электроснабжения.
Электроприемники механического цеха относятся ко 2 и 3 категории надежности, следовательно, для проектирования выбираем однотрансформаторную цеховую ТП с вводом резерва на секцию шин низкого напряжения (НН) от цеховой ТП другого цеха.
Принципиальная схема электрической сети цеха представлена на рисунке 3.
Принципиальная схема электрической сети
4 Расчёт электрических нагрузок цеха. Выбор числа и мощности питающих трансформаторов
Расчет электрических нагрузок в цехе ведется методом коэффициента максимума. Это основной метод расчета электрических нагрузок, который сводится к определению максимальных расчетных нагрузок группы электроприемников.
Например, расчет для шлифовальных станков.
Среднесменная активная мощность определяется по формуле:
где – коэффициент использования активной мощности;
– номинальная активная мощность электроприемника, кВт.
Среднесменная реактивная мощность определяется по формуле:
Для остальных ЭП расчеты проводятся аналогично, результаты сведены в таблицу 3. Для ШРА-1 далее проводится расчет.
Средневзвешенный коэффициент использования активной нагрузки:
(11)
Средневзвешенный коэффициент мощности:
Для этих значений nэ = 3 и = 0,14 коэффициент максимума расчетной активной нагрузки для ШРА-1 равен =3,22. Расчетная активная мощность электроприемников ШРА-1 определяется по формуле:
Расчетная реактивная мощность электроприемников ШРА-1 определяется по формуле:
где – коэффициент максимума расчетной реактивной нагрузки.
Так как nэ<10, то коэффициент максимума расчетной реактивной нагрузки для ШРА-1 равен .
Расчетная полная мощность электроприемников ШРА-1:
Расчетный ток для ШРА-1:
Для других электроприемников и ШРА расчеты проводятся аналогично, результаты сведены в таблицу 3.
Сводная ведомость нагрузок по цеху
5 Расчет и выбор компенсирующего устройства
Компенсация реактивной мощности (КРМ) является неотъемлемой частью задачи электроснабжения. КРМ не только улучшает качество электроэнергии в сетях, но и является одним из основных способов сокращения электроэнергии.
Расчетную реактивную мощность компенсирующего устройства (КУ) можно определить из соотношения:
где – расчетная мощность КУ, квар;
– коэффициент реактивной мощности до компенсации;
– нормативное значение, соответствующее нормативному = 0,95 после компенсации.
Выбирается автоматическая установка АУКРМ-0,38-92,5 максимальной мощностью 92,5 квар, устанавливается на секцию шин 0,4 кВ ТП.
Тогда после установки КУ, фактические значения:
6 Расчет и выбор силового трансформатора
На основании расчетов, произведенных в разделах 4 и 5, для выбора трансформаторов составляем таблицу 4.
Сводная ведомость нагрузок
Как было установлено в разделе 2, в соответствии с категорией электроснабжения цеховая ТП является однотрансформаторной.
Определяем потери мощности в трансформаторе в соответствии с соотношениями [17]:
Определяется расчетная мощность трансформатора с учетом КУ:
Выбирается трансформатор типа ТМ 630-10/0,4.
Коэффициент загрузки силового трансформатора:
Силовой трансформатор не будет перегружен, будет иметься достаточный резерв мощности.
7 Расчет и выбор предохранителей
В сетях напряжением до 1кВ широко распространены предохранители типов ПР-2, ПН-2, НПН.
ПР-2 – предохранитель трубчатый, разборный, с закрытым фибровым корпусом без наполнения. Гашение дуги в среде газа, выделяемого фиброй при высокой температуре. Разрывная способность небольшая.
ПН-2 – предохранитель насыпной разборный, заполнен кварцевым песком, который способствует гашению дуги.
НПН – предохранитель насыпной неразборный, аналогичен по своим характеристикам ПН-2.
В промышленности широкое применение нашли предохранители типа ПН-2, и, исходя из этого, в данной работе для защиты электроприемников цеха принимаем к установке предохранители данного типа.
Расчет и выбор предохранителей производится по току его плавкой вставки [17].
Для линии без электродвигателей (ЭД)
,
где – ток плавкой вставки, А;
– длительный ток в линии, А.
Для линии с ЭД
,
где Iп – пусковой ток ЭД, А;
α – коэффициент тяжести пуска.
α = 1,6 – для линии с ЭД и тяжелым пуском, α = 2,5 – для линии с ЭД и легким пуском. Пусковой ток ЭД
Iп Кп Iн.д ,
где Кп – коэффициент кратности пускового тока ЭД;
Iн.д – номинальный ток ЭД, А.
Коэффициент кратности пускового тока принимается равным: Кп = 5…7 – для асинхронных ЭД;
Кп = 2…3 – для синхронных ЭД и машин постоянного тока.
Номинальный ток ЭД:
,
где Рд – мощность ЭД, кВт;
Uн.д – номинальное напряжение ЭД, кВ.
Исходя из расчета тока плавких вставок выбираются предохранители
Iн.п Iвс
где Iн.п – номинальный ток предохранителя, А.
Выбранные предохранители проверяются по селективности срабатывания защиты и надежности.
Селективность характеризуется предельным током. Предельный ток селективности - это предельное значение тока, ниже которого при наличии двух последовательно соединенных аппаратов защиты от сверхтоков аппарат со стороны нагрузки успевает завершить процесс отключения до того, как его начнет второй аппарат, установленный со стороны питания.
Произведем расчет по формулам (14…18) и выполним выбор предохранителей для схемы, представленной на рисунке 3 по справочному пособию [18].
Пример расчетов выбора предохранителей для шлифовальных станков , по (14-18):
Выбираются предохранители ПН-2 600 с плавкими вставками на 600 А.
Для остальных ЭП расчеты и выбор предохранителей аналогичны, результаты сведены в таблицу 5.
Выбор предохранителей
8 Расчет и выбор автоматических выключателей
Автоматические выключатели (АВ) являются наиболее совершенными аппаратами защиты, надежными, срабатывающими при перегрузках и КЗ в защищаемой линии.
Наиболее современными автоматическими выключателями являются выключатели серии «ВА». Они предназначены для замены устаревших А37, АЕ, АВМ, «Электрон» и имеют уменьшенные габариты, более совершенные конструктивные узлы и элементы.
В связи с выше изложенным, в данной работе принимаем к установке автоматические выключатели серии ВА88. Данные автоматические выключатели предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при КЗ, перегрузках, недопустимых снижениях напряжения в трехфазных электрических сетях переменного тока напряжением 400 В и частотой 50 Гц.
Для выбора автоматического выключателя нужно знать ток в линии, где он установлен. В данной работе автоматические выключатели установлены для защиты секционного оборудования ТП, защиты шинопроводов и компенсирующего устройства (см. рисунок 3).
Ток сразу после трансформатора [17]
,
где SТ – номинальная мощность трансформатора, кВА;
UН.Т – номинальное напряжение трансформатора, кВ.
Принимается UН.Т = 0,4кВ.
Ток в линии к распределительному устройству (РУ) (РП или шинопроводу):
,
где Sм.РУ – максимальная расчетная мощность РУ, кВА;
Uн.РУ – номинальное напряжение РУ, кВ.
Принимается Uн.РУ = 0,38 кВ.
Выбор автоматических выключателей производится по тепловому и электромагнитному расцепителям.
По тепловому расцепителю автоматические выключатели выбираются согласно условиям [17]:
Uн.а Uс,
Iн.а Iн.р,
Iн.р 1,1Iм,
где Uн.а – номинальное напряжение автомата, В;
Uс – номинальное напряжение сети, В;
Iн.а – номинальный ток автомата, А;
Iн.р – номинальный ток расцепителя, А;
Iм – максимальный ток в линии, А.
По электромагнитному расцепителю автоматические выключатели выбираются согласно току отсечки [5]:
Iо 1,25Iпик,
где Iпик. – пиковый ток, А.
Iпик Iп.нб Iм Iн.нб,
где Iп.нб – пусковой ток наибольшего по мощности ЭД, А;
Iм – максимальный ток на группу, А;
Iн.нб – номинальный ток наибольшего в группе ЭД, А.
При выборе автоматических выключателей, устанавливаемых в линиях с КУ, должно выполняться условие [17]:
,
где Qк.у – мощность конденсаторной установки, квар;
Uл – напряжение в линии, кВ.
Для секции шин НН ТП, по (19,23):
,
Iн.р 1,1Iм = 1,1∙909,4 = 1000,3 А
Принимаются к установки АВ марки ВА88-43 на номинальный ток 1250 А, уставка теплового расцепителя принимается равной 0,9 (1125 А).
Результаты расчета и выбор автоматических выключателей для рисунка 3 представлены в таблице 6.
Выбор автоматических выключателей
9 Расчет линий электроснабжения и выбор кабелей
Силовые линии электроснабжения цеха подразделяются на провода, кабельные линии (кабели) и шинопроводы.
Провода классифицируются по материалу, из которого они изготовлены, сечению, виду изоляции, механической прочности и так далее. В электротехнике применяют главным образом провода из меди и алюминия, реже из латуни и бронзы.
Кабели подразделяют по материалу, из которого изготовлены их токопроводящие жилы (медь, алюминий), изоляции и материалов, из которых она изготовлена, степени герметичности и защищенности кабелей от механических повреждений и так далее.
Шинопроводы подразделяют на магистральные (ШМА) и распределительные (ШРА). Шинопроводы предназначены для распределения электроэнергии напряжением до 1кВ внутри производственных помещений; магистральные рассчитаны на токи более 1000А, распределительные - на токи менее 1000 А.
Проводники для линий электроснабжения выбираются с учетом соответствия аппарату защиты.
Для линии, защищенной автоматом с комбинированным расцепителем, условие выбора проводника [17]:
Iдоп Кзщ Iу(П) Кзщ Ку(ТР) Iн.р.,
где Iдоп - допустимый ток проводника, А;
Кзщ - коэффициент защиты;
Ку(ТР) - кратность уставки теплового расцепителя;
Iн.р. - номинальный ток расцепителя автоматического выключателя, А.
Для линии, защищенной предохранителем:
Iдоп Кзщ Iвс ,
где Iвс - ток плавкой вставки предохранителя, А.
Коэффициент защиты Кзщ принимается равным [17]:
а) для взрыво- и пожароопасных помещений Кзщ 1,25;
б) для нормальных (неопасных) помещений Кзщ 1;
в) для предохранителей без тепловых реле в линии Кзщ 0,33.
Помещения проектируемого механического цеха являются сухими помещениями с нормальной зоной опасности и отсутствием механических повреждений, в связи с чем в курсовой работе принимаются следующие решения:
а) для электроснабжения шинопроводов и КУ использовать кабель марки АВВГ, способ прокладки – в воздухе, коэффициент защиты Кзщ 1;
б) для электроснабжения электроприемников цеха использовать провод марки АПВ, способ прокладки – скрыто, в стальных трубах, коэффициент защиты Кзщ 0,33.
Выбор сечения проводников производится на основании расчета рабочего тока линии и согласно ПУЭ [10]. Произведем расчет и выбор проводников для схемы электроснабжения, представленной на рисунке 3.
Для линии QF1 - ШРА1:
Iдоп =1,0 ∙1,25 ∙ 211,2 = 264,0 А
Выбирается кабель АВВГ 4х240, допустимый ток 330 А [10].
Для линий к шлифовальным станкам:
Iдоп =0,33 ∙ 600 = 198 А
Выбираются провода 4хАПВ (1х150), допустимый ток 225 А [10].
Для других линий расчеты и выбор проводников аналогичны, результаты сведены в таблице 7.
Выбор проводников
Расчет шинопроводов производится с учетом одновременности работы всех электроприемников, подключенных к данному шинопроводу, откуда формула для расчета имеет вид:
,
где Iр.ш. – расчетный ток шинопровода, А;
Рн.– суммарная активная мощность всех электроприемников, кВт;
Uс – напряжение сети, кВ, Uс = 0,38 кВ;
– коэффициент мощности на шинопроводе.
Производим расчет рабочих токов и выбираем шинопроводы по справочному пособию [18]. Данные для расчета берем из таблицы 2.
Для ШРА1:
Выбирается шинопровод ШРА 4-1000-44-У3, допустимый ток 1000 А [18].
Результаты расчета и выбор шинопроводов сводим в таблицу 8.
Выбор шинопроводов
10 Расчет токов короткого замыкания
Расчет токов короткого замыкания производится для наиболее мощных и удаленных электроприемников. Исходя из плана расположения электрооборудования (см. рисунок 1) определяем, что наиболее мощным и удаленным от цеховой ТП электроприемником является шлифовальный станок № 1, и, соответственно, для него и производим расчет токов КЗ. Расчетная схема участка сети и схема замещения приведены на рисунке 4.
Расчетная схема участка сети и схема замещения
Для составления схемы электроснабжения шлифовального станка № 1 исходя из размеров цеха определяем длины проводников линий электроснабжения станка:
- длина линии QF1 – ШРА1: l1 = 5м;
- длина шинопровода ШРА1: lш = 54м;
- длина линии ШРА1 – шлифовальный станок № 1: l2 = 10м.
Сопротивления схемы замещения.
- сопротивления трансформатора ТМ-630/10/0,4 [18]:
RТ 3,1 мОм; ХТ 13,6 мОм; ZТ 13.95 мОм; Z(1)128,0 мОм;
- сопротивления автоматических выключателей [18]:
QF9 – 1250 А; RQF9 0,14 мОм; ХQF9 0,08 мОм;
0,16 мОм.
QF7 – 1250 А; RQF7 0,14 мОм; ХQF7 0,08м Ом;
0,16 мОм.
QF1 –250 А; RQF1 0,65мОм; ХQF1 0,17мОм;
0,67 мОм.
- сопротивления линии l1 (QF1 – ШРА1) [18]: r0л1 0,13 мОм/ м;
х0л1 0,077 мОм/ м;
R0л1 rол1 l1 0,135 0,65 мОм;
Хл1 х0л1 l1 0,0775 0,39 мОм;
0,76 мОм.
- сопротивления шинопровода ШРА1 [18]:
r0ш 0,037 мОм/ м; х0ш 0,017 мОм/ м;
Rш r0ш lш 0,03754 2 мОм
Хш х0ш lш 0,01754 0,92 мОм;
2.2 мОм;
- сопротивление предохранителя FU1 [18]: RFU1 ZFU10,15 мОм;
- сопротивления линии l2 [18]: r0л2 0,208 мОм/ м; х0л2 0,079 мОм/ м;
Rл2 r0л2 l2 0,20810 2,08 мОм;
Хл2 х0л2 l2 0,07910 0,79 мОм;
2,22 мОм.
Расчет токов трехфазного короткого замыкания.
а) Вычисляем сопротивление до точки короткого замыкания К1:
ZК1 ZТ ZQF9 ZQF7 13.95 0,16 0,16 14,27 мОм;
б) Вычисляем сопротивление до точки короткого замыкания К2:
ZК2 ZК1 ZQF1 ZЛ1 ZШ 14.27 0,67 0,76 2,2 мОм;
в) Вычисляем сопротивление до точки короткого замыкания К3:
ZК3 ZК2 ZFU1 ZЛ2 17,90,152,22 мОм;
г) Вычисляем токи трехфазного КЗ в точках К1, К2, К3:
16,18 кА;
12,26 кА;
10,82 кА.
Расчет токов двухфазного короткого замыкания
Произведем расчет токов двухфазного КЗ в точках К1, К2, К3:
14,01 кА;
10,62 кА;
9,37 кА.
Расчет токов однофазного короткого замыкания.
а) Сопротивление петли «фаза-нуль» в точке К1:
ZП1 ZТ ZQF9 ZQF7 13,950,160,16 14,27 мОм;
б) Сопротивление петли «фаза-нуль» в точке К2:
1) сопротивление линии l1 и шинопровода:
2 л1 2 0,76 мОм;
2 ш 2 2,2 ,4 мОм;
2) полное сопротивление в точке К2
14,27 + 1,51 + 4,4 = 20,18 мОм.
в) Сопротивление петли «фаза-нуль» в точке К3:
1) сопротивление линии l2:
FU1 2л2 0,1522,2 4.6 мОм;
2) полное сопротивление в точке К3:
20,18 + 4,6 = 24,78 мОм.
г) Вычисляем токи однофазного КЗ в точках К1, К2, К3:
4,04 кА;
3,5 кА;
3,26 кА.
Расчет ударных токов короткого замыкания
Для расчета ударных токов КЗ необходимо определить ударные коэффициенты. Согласно справочному пособию [17], ударные коэффициенты определяются по графику [17] как функция [17]:
где kу - ударный коэффициент.
Определяем ударные коэффициенты в точках К1, К2, К3:
0,25; 1,43;
0,44; 1,24;
0,56; 1,16.
Ударные токи КЗ определяются по формуле [17]:
,
где - ток трехфазного КЗ, кА;
- ударный ток КЗ, кА.
Определим ударные токи КЗ в точках К1, К2, К3 :
32,72 кА;
21,49 кА;
17,75 кА.
11 Проверка правильности выбора защитной аппаратуры
Выполним проверку правильности выбора автоматических выключателей, установленных на цеховой ТП, и предохранителей, установленных на ШРА1. Для этого сведем рассчитанные токи короткого замыкания в таблицу 9.
Сводная ведомость токов КЗ
Правильность выбора предохранителей определяется согласно условию (29): ; ; .
Производим проверку выбранных к установке на ШРА1 предохранителей:
Правильность выбора автоматических выключателей выполняется по условиям: Iоткл.авт. ; Iоткл.авт. ; Iоткл.авт. iуд; 3Iн.р.
Производим проверку выбранных к установке на цеховой ТП автоматических выключателей:
а) автоматический выключатель QF1 типа ВА-52-39 250/250 А на линию l1 и шинопровод ШРА1:
Iоткл.(QF1) = 35 кА = 12,26 кА;
Iоткл.(QF1) = 35 кА = 10,62 кА;
Iоткл.(QF1) = 35 кА iуд.2 = 21,49 кА;
= 3,5 кА = 3500 А 3 Iн.р. = 3 250 = 750 А,
Автоматический выключатель выбран верно;
б) автоматические выключатели QF7, QF9 типа ВА88-43 1250/1125А на
секцию шин НН цеховой ТП:
Iоткл.(QF7, QF9) = 50 кА = 16,18 кА;
Iоткл.(QF7, QF9) = 50 кА = 14,01 кА;
Iоткл.(QF7, QF9) = 50 кА iуд.1 = 32,72 кА;
= 4,04 кА = 4040 А 3 Iн.р. = 3 1125 = 3375 А,
Автоматические выключатели выбраны верно.
