Электроснабжение механического цеха

Снижение потери активной энергии:

(7.5)

Снижение потери напряжения в сети:

(7.6)

Снижение потери напряжения приводит к повышению напряжения в сети и дополнительному снижению потерь активной и реактивной мощности.

Поэтому важное значение имеет компенсация реактивных нагрузок и повышения коэффициента мощности в системах электроснабжения предприятия.

Под компенсацией подразумевается установка местных источников реактивной мощности, благодаря которой повышается пропускная способность сетей и трансформаторов, а также уменьшаются потери электроэнергии.

Тангенс угла сдвига фаз до компенсации реактивной мощности:



(7.7)

Где Рр.ц. и Qр.ц - активная и реактивная мощности цеха (таблица 6.1)

Суммарная мощность компенсирующего устройства:

(7.8)

где - коэффициент мощности, заданный системой, о. е

7.2 Выбор компенсационного оборудования и его размещение в цеховой сети

В качестве источников реактивной мощности используем комплектные конденсаторные установки. Размещаем их на магистральных шинопроводах, по одной ККУ на каждый ШМА.

Выбираем в качестве конденсаторной установки УКМ - 0,4-360-40

- конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности

- номинальное рабочее напряжение: 0,4 кВ

- номинальная мощность компенсации: 360 квар

- число батарей: 9 шт.

- мощность одной батареи: 40 квар

- климатическое исполнение: У3

Суммарная мощность компенсирующих устройств: = 2360 = 720 квар.

Таким образом коэффициент мощности после компенсации:

(7.9)



8. Уточнение расчетных нагрузок и мощности трансформаторов с учетом компенсации реактивной мощности

Расчётная реактивная нагрузка после установки комплектных конденсаторных установок:

(8.1)

Пересчитываем полную расчётную мощность:

Определяем расчётную мощность трансформатора:

,5

Таким образом, окончательно принимаем к установки два трансформатора ТМЗ - 1000/10/0,4.

Реальный (фактический) коэффициент загрузки:

Распределим нагрузку между двумя трансформаторами таким образом, чтобы оба трансформатора были загружены примерно одинаково.

Результаты расчета нагрузки для каждого отдельного трансформатора приведены в таблицах 8.1, 8.2.

Таблица 8.1 - Нагрузка на трансформатор Т-1 (Sном = 1000 кВА)

Исходные данные	Расчетные величины	Эффективное число ЭП nЭ, ед.	Коэффициент максимума КМ,о.е.	Расчетная мощность	Расчетный ток, А
по заданию технологов	по справочным данным	, кВт	, квар	, кВт	, квар	о.е.			Активная, кВт	Реактивная, квар	Полная, кВА
Наименование ЭП	Количество ЭП, n, ед.	Номинальная (установленная) мощность, кВт	Коэффициент использования, Ки,о.е.	, о.е.
		одного ЭП Рном, кВт	Суммарная Рсум, кВт
Станки токарные	11	18	198	0,17	1,73	33,66	58,23	183,77	224,419	0,256	25	1,481	272,18	224,42	352,77	535,98
Станки фрезерные	4	15	60	0,17	1,73	10,2	17,64
Автоматическая линия 1	2	45	90	0,4	1,02	36	36,72
Вентиляторы	5	11	55	0,6	0,75	33	24,75
Насосы	2	11	22	0,7	0,62	15,4	9,55
Транс-портеры	1	11	11	0,7	1,17	7,7	9,01
Автоматическая линия 2	1	55	55	0.4	1,02	22	22,44
Пресс	6	37	222	0,26	0,33	57,72	19,05

9. Выбор проводников питающей и распределительной сети

9.1 Выбор кабелей 10 кВ

Кабельные линии, по которой трансформаторные подстанции получают питание, прокладываются в земле. Выбираем кабели на напряжение 10кВ марки ААШв кабель с алюминиевыми жилами, с бумажной пропитанной изоляцией, в алюминиевой оболочке с защитным шлангом из ПВХ (ГОСТ 18410-73).

Выбор сечений жил кабелей 10кВ производится по следующим критериям:

- По нагреву длительно допустимым током;

- По экономической плотности тока;

- По термической стойкости к токам КЗ.

По нагреву длительно допустимым током:

Основное условие выбора кабеля по нагреву

(9.1)

где I_д.д - длительно допустимая токовая нагрузка на кабель, А;

I_max - максимально возможный ток, А.

Согласно ПУЭ проводники должны удовлетворять требованиям в отношении предельно допустимого нагрева с учётом не только нормальных, но и послеаварийных режимов, режимов после ремонта. Т. к. цеховая двухтрансформаторная подстанция получает питание по двум кабелям, и при отключении одного из них (в ремонтном или послеаварийном режимах) нагрузка другого возрастает, то



Выбираем ближайшее стандартное сечение кабеля ААШв (35мм²) с большим I_Д.Д. (110 А).

Таким образом:

I_Д.Д.= 110 А >I_MAX = 76,9 А

По экономической плотности тока:

Определяем экономическую плотность тока для кабеля ААШв в зависимости от продолжительности использования максимума нагрузки в соответствии со справочными данными. При Тм от 1000 до 3000 ч/год для предприятия, jэк = 1,6 А/мм².

Экономически выгодное сечение:

(9.2)

где Iр - расчётный ток линии, который принимается из условий нормальной работы и при его определении не учитывается увеличение тока в линии при авариях или ремонтах в каком-либо элементе сети.

(9.3)

Ближайшее большее сечение кабеля ААШв:35 мм²: I_Д.Д. = 110 А

По термической стойкости к токам КЗ:

Сечение, обеспечивающее термическую устойчивость проводника к току короткого замыкания, определяется по выражению:

(9.4)



где - расчетный коэффициент, зависящий от типа выбранного проводника. Для кабеля с алюминиевыми многопроволочными жилами и бумажной изоляцией

- значение тока короткого замыкания на шинах ИП, кА (в соответствии с заданным вариантом Iк = 17 кА)

где - фиктивное время действия тока короткого замыкания:

,

Где c - времени действия релейной защиты (в соответствии с заданным вариантом);

c - собственное время отключения высоковольтного выключателя (т.к. в данной работе выбор АВ на РП-10кВ не предусмотрен, принимаем значение для вакуумного АВ);

- время затухания апериодической составляющей (для распределительных сетей с напряжением 10 кВ).

Ближайшее большее сечение кабеля ААШв: 185 мм²: I_Д.Д. = 310 А.

По итогам расчета принимаем наибольшее из полученных сечений.

Таким образом для питания цеховых однотрансформаторных подстанций принимаем трехжильные кабели ААШв 3х185 мм² с Iд.д = 310 А.

9.2 Выбор проводников питающей сети

Выбор ШМА

Так как шинопроводы несут большую токовую нагрузку, то при их выборе требуется специальный подход к выбору их сечения, взаимного расположения фаз, прокладке по цеху, так как при неправильном учете этих факторов могут получиться большие фазные сопротивления, что скажется на потерях электроэнергии, падении напряжения и несимметрии. Поэтому взаимное расположение фаз для ШМА применяем попарно спаренные, прокладка по цеху: ШМА - под потолком на расстоянии 1 м от поверхности потолка - таким образом мостовые краны при работе не могут каким-либо образом повредить шинопроводы;

Условия выбора шинопроводов:

(9.5)

где - номинальный ток шинопровода, А;

- расчетный ток нагрузки, протекающий по шинопроводу, А;

- номинальный ток трансформатора на стороне низкого напряжения, А.

Магистральные шинопроводы выбираем по номинальному току трансформатора на стороне низкого напряжения.

В соответствии со справочными данными принимаем шинопровод ШМА-4 с номинальным током 1600 А.

Активное сопротивление фазы: 0,030 Ом/км

Индуктивное сопротивление фазы: 0,014 Ом/км

Выбор кабеля питающего ЩУ

Участок окраски получает питание от ЩУ. Соответственно необходим расчет кабеля, питающего ЩУ от шин ТП. Данный расчет сведен в таблицу 9.1.



9.3 Выбор проводников распределительной сети

Выбор распределительных шинопроводов (ШРА)

ШРА прокладываем по цеху на высоте 3 м над уровнем пола. Питание к ЭПподводится проводами, проложенными в трубах.

Пример расчета (ШРА-1):

По формуле (6.5) определяет средний коэффициент использования цеха (значения Рср.см., Qср.см. и рассчитаны в программе «Excel»):

По формуле (6.6) определим эффективное число электроприемников:

Следовательно примем эффективное число электроприемников n_эф=13

Так как n_эф>10 по формуле (6.7) коэффициент максимума:

Расчётные максимумы активной и реактивной нагрузки:



Расчётный ток первой группы электроприёмников равен

Выбираем распределительный шинопровод ШРА-4 с номинальным током I_ном=400А.

I_ном = 400 А >I_р = 263,39 А

Условие выполняется, следовательно, шинопровод ШРА-4 выбран правильно.

Выбор ШРА по току сведен в таблицу 9.1.

Результаты выбора ШРА представлены в таблице 9.2.

Таблица 9.1. Выбор проводников распределительных сетей

ШРА / ШТР	Исходные данные	Расчетные величины	Эффективное число ЭП nЭ, ед.	Коэффициент максимума КМ,о.е.	Расчетная мощность	Расчетный ток, А
	по заданию технологов	по справочным данным	, кВт	, квар	, кВт	, квар	, о.е.			Активная, кВт	Реактивная, квар	Полная, кВА
	Наименование ЭП	Количество ЭП, n, ед.	Номинальная (установленная) мощность, кВт	Коэффициент использования, Ки,о.е.	, о.е.
			одного ЭП Рном, кВт	Суммарная Рсум, кВт
Механический участок
ШРА-1	Станок токарный	4	18	72	0,17	1,73	12,24	21,17	85,89	91,065	0,245	13	1,717	147,51	91,065	173,36	263,39
	Станок фрезерный	4	15	60	0,17	1,73	10,2	17,64
	Вентилятор	2	11	22	0,6	0,75	13,2	9,9
	Насос	1	11	11	0,7	0,62	7,7	4,77
	Пресс	5	37	185	0,26	0,33	48,1	15,87
ШРА-2	Станок токарный	1	18	18	0,17	1,73	3,06	5,29	65,3	73,23	0,299	10,32	1,684	109,647	73,23	131,85	200,33
	Вентилятор	4	11	44	0,6	0,75	26,4	19,8
	Насос	1	11	11	0,7	0,62	7,7	4,77
	Транспортер	1	11	11	0,7	1,17	7,7	9,01
	Пресс	1	37	37	0,26	0,33	9,62	3,17

Выбор троллейных шинопроводов (ШТР)

Выбираем троллейную линию для мостового крана со средним режимом работы грузоподъёмностью 5 т. На кране установлено 3 двигателя серии МТН: МТН311-6, номинальной мощностью 11 кВт, МТН012-6 - 2,2 кВт и МТН211- 6 -7,5 кВт.

Условие выбора троллеи:

, (9.6)

Расчетный ток определяем исходя из условия, что одновременно могут работать только 2 двигателя мостового крана, соответственно выбираем два наиболее мощных двигателя. Ранее по формуле (6.14) паспортная нагрузка мостового крана уже была приведена к нагрузке продолжительного режима:

Тогда максимальный расчетный ток троллеи:

(9.7)

Таким образом, для питания двух мостовых кранов выбираем два троллейных шинопровода ШТА-76 с I_НОМ = 100 А.

Результаты выбора ШТР представлены в таблице 9.2.



Таблица 9.2. Результаты выбора проводников распределительных сетей.

Группы электроприёмников	I р, А	Тип шинопровода / кабеля	I ном, А	Сопротивление фазы, Ом/км
				R	X
ШМА1 / ШМА2	1519,4	ШМА-4	1600	0,030	0,014
ШРА1	263,39	ШРА-4	400	0,15	0,17
ШРА2	200,33	ШРА-4	250	0,21	0,21
ШРА3	281,54	ШРА-4	400	0,15	0,17
ШТР1 / ШТР2/ШТР3	17,79	ШТА-76	100	-	-
Кабель к ЩУ	201,12	АВВГнг (4х150)	235	0,2	-
Технологическое оборудование	1064,97	4хВВГнг(4х185)	270	0,16	-

9.4 Выбор кабелей ШМА-ШРА

ШМА и ШРА соединяем 4-х жильным кабелем АВВГнг.

Выбор кабелей выполняется по условию:

(9.9)

где - длительно-допустимый ток кабеля, А;

- номинальный ток ШРА, А.

Для соединения ШМА с ШРА1 и ШРА3 принимаем два 4-хжильных кабеля: 2хАВВГнг (4х120), I_Д.Д. = 200 А.

А

Для соединения ШМА с ШРА2 принимаем 4-хжильный кабель: АВВГнг (4х185), I_Д.Д. = 270 А



Для соединения ШМА с ШТР1 и ШТР2 принимаем 4-хжильный кабель: АВВГнг(4х50), I_Д.Д. = 110 А.

9.5 Выбор ответвлений к электроприемникам

Часть электроприемников с большей нагрузкой (машина дуговой сварки, индукционная печь, электрическая печь сопротивления, автоматическая линия) запитываются через ответвления непосредственно от магистрального шинопровода.

Другие ЭП (станки, прессы, вентиляторы, насосы, транспортеры и т.д.) питаются от распределительных шинопроводов (ШРА).

Мостовой кран запитан напрямую от троллей (ШТР).

Участок электросети, питающий отдельный приёмник электроэнергии, называется ответвлением. Ответвления к ЭП от шинопроводов выполняем 4-х жильными кабелями АВВГнг.

Способ прокладки в коробах, в целях экономичности проекта. Прокладка кабеля в коробах не занимает много времени и средств. Размер кабельканала подбирается в соответствии с количеством закладываемых в него проводов. К удобствам эксплуатации коробов можно отнести возможность быстрого добавления в них дополнительных линий и беспрепятственного ремонта кабеля.

Сечение кабелей выбираем по условию допустимого нагрева:

Iр < Iд.д., (9.8)

где I_Д.Д. - допустимая длительная токовая нагрузка на кабель, А

Для ответвлений к отдельным ЭП с длительными режимами работы в качестве расчетного тока принимаем номинальный ток электроприемника.

Номинальный ток таких ЭП, как индукционные печи и электропечи сопротивления рассчитывается согласно формуле (4.3).

Номинальный ток машины дуговой сваркирассчитывается согласно формуле (4.4).

Пример расчета:

Электрическая печь сопротивления:

Принимаем: 4-хжильный кабель АВВГнг (4х50), Iд.д.=110 А.

Машина дуговой сварки:

Принимаем: 4-хжильный кабель АВВГнг (4х25), Iд.д.=75 А.

Выбранные кабели сводим в таблицу 9.3

Таблица 9.3. Результаты выбора кабелей к электроприемникам

№ЭП по плану	Тип электроприемников	Установленная мощность ЭД или ЭП	Iном, А	Марка кабеля	Iд.д. кабеля, А	Источник питания
		кВт	кВА
Механический участок
1	Станок токарный	18	-	36,9	АВВГнг (4х10)	42	ШРА
2	Станок фрезерный	15	-	30	АВВГнг (4х6)	32	ШРА
3	Автоматическая линия 1	45	-	84	АВВГнг (4х35)	90	ШМА
4	Вентилятор	11	-	21,1	АВВГнг (4х4)	27	ШРА
5	Насос	11	-	21,1	АВВГнг (4х4)	27	ШРА
6	Автоматическая линия 2	55	-	99,3	АВВГнг (4х50)	110	ШМА
9	Машина дуговой сварки	-	85	64,59	АВВГнг (4х25)	75	ШМА
11	Эл. печь сопротивления	64	-	103,22	АВВГнг (4х50)	110	ШМА
13	Транспортер	11	-	21,1	АВВГнг (4х4)	27	ШРА
14	Пресс	37	-	71	АВВГнг (4х25)	75	ШРА
Участок окраски
4	Вентилятор	11	-	21	АВВГнг (4х4)	27	ЩСУ
5	Насос	11	-	21	АВВГнг (4х4)	27	ЩСУ
15	Окрасочная камера	30	-	56	АВВГнг (4х16)	60	ЩСУ
16	Компрессор	30	-	56	АВВГнг (4х16)	60	ЩСУ



10. Выбор защитных аппаратов и построение карты селективной защиты

10.1 Выбор защитных аппаратов

Выбор автоматических выключателей для ШМА, ШРА и ШТР, а также выбор вводных и секционного АВ ТП 0,4 кВ представлен в таблице 10.1.

Выбор вводных и секционного АВ ТП 0,4 кВ

Вводные АВ выбираем в количестве 2х единиц на каждую секцию шин ТП 0,4 кВ.

Выбор вводного АВ осуществляем исходя из условия:

(10.1)

где - номинальный ток трансформатора на стороне низкого напряжения, А;

- номинальный ток расцепителя вводного АВ, А.

(10.2)

Принимаем АВ: ВА55-43, с Iном = 1600 А, Iн.р. = 1600 А.

Секционный АВ на шинах ТП 0,4 кВ выбираем в количестве 1 ед. Выбор осуществляем по условию:

(10.3)

(10.4)



Принимаем АВ: ВА55-41, с Iном = 1000А, Iн.р. = 1000 А.

Таблица 10.1. Выбор защитных аппаратов

Группа электроприемников (тип шинопровода)	Расчетный ток, А	Тип АВ	Номинальный ток АВ, А	Ток уставки расцепителя, А
Вводной АВ (1 сек. шин ТП 0,4 кВ)	1600	ВА55-43	1600	1600
Вводной АВ (2 сек. шин ТП 0,4 кВ)	1600	ВА55-43	1600	1600
Секционный АВ на шинах ТП 0,4 кВ	800	ВА55-41	1000	1000
ШМА1 (ШМА-4)	1519,4	ВА55-43	1600	1600
ШМА2 (ШМА-4)	1519,4	ВА55-43	1600	1600
ШРА1 (ШРА-4)	263,39	ВА55-37	400	400
ШРА2 (ШРА-4)	200,33	ВА55-37	250	250
ШРА3 (ШРА-4)	281,54	ВА55-37	400	400
ШТР1 (ШТА-76)	17,79	ВА51-31	100	20
ШТР2 (ШТА-76)	17,79	ВА51-31	100	20

Примечания:

1. В качестве АВ на присоединения ШМА и ШРА выбираем селективные АВ серии ВА55.

2. В качестве АВ на присоединения ШТР выбираем неселективные АВ серии ВА51.

3. Выбор защитных аппаратов ЭП представлен в п. 4 табл. 4.2, 4.3.

Карту селективной защиты строим для наименее удаленного от источника питания электроприемника - станок фрезерный (номер по плану: №2, колонна: Б1) мощностью 15 кВА.



Рисунок 10.1. Схема для расчета токов КЗ и построения карты селективности

Рисунок 10.2. Схема замещения для расчета тока КЗ

10.2 Расчет токов трехфазного короткого замыкания

Определяем сопротивления элементов схемы.

1. Определяем индуктивное сопротивление системы, приведенное к стороне 0,4 кВ:

(10.1)

Где Iк = 17 кА - ток К.З. на шинах источника питания, в соответствии с заданием.

2. Определяем активное и индуктивное сопротивления высоковольтной кабельной линии 10 кВ, питающей ТП (ААШв длиной L = 130 м и S = 3х185 мм²):

3.

(10.2)

(10.3)

где R₀ - удельное активное сопротивление кабеля ААШв 3х185, мОм/м;

Х₀ - удельное реактивное сопротивление кабеля ААШв 3х185, мОм/м;

L - длина высоковольтной кабельной линии, м.

4. Определяем сопротивление трансформатора ТМ-1000/10:

- активное:

(10.4)

- полное:

(10.5)

- реактивное:

(10.6)

5. Определяем активное и индуктивное сопротивление магистрального шинопроводаШМА1 (ШМА-4, 1600 А):



(10.7)

(10.8)

где R₀ - удельное активное сопротивление проводника, мОм/м;

Х₀ - удельное реактивное сопротивление проводника, мОм/м;

Lшма1 - длина участка ШМА1: от шин ТП до присоединения ШМА1, от которого запитан выбранный ЭП (станок фрезерный, по плану: №2 в квадрате Б1), м. В данном случае согласно заданному плану цеха принимаем Lшма1 равное шагу колонны (6 м).

6. Определяем активное и индуктивное сопротивление распределительного шинопровода ШРА1 (ШРА-4, 400 А):

(10.9)

(10.10)

гдеLшра1 - длина участка ШРА1: от ШМА1 до присоединения кабеля, питающего выбранный ЭП (станок фрезерный, по плану: №2 в квадрате Б1), м. В данном случае согласно заданному плану цеха принимаем Lшра1 равное одной трети шага колонны (2 м).

7. Определяем активное и индуктивное сопротивление питающего кабеля 0,4 кВ АВВГнг(4х6):

(10.11)

(10.12)

где Lкл - длина питающего кабеля, м.

В данном случае согласно заданному плану цеха принимаем Lкл равное половине шага колонны (4 м).

8. Переходные сопротивления согласно справочным данным принимаются равными:

R_П1 = 0,03 Ом - переходное сопротивление для точки К1;

R_П2 = 0,025 Ом - переходное сопротивление для точки К2;

R_П3 = 0,015 Ом - переходное сопротивление для точки К3.

Расчёт начального действующего значения периодической составляющей тока трёхфазного металлического КЗ (без учета сопротивления электрической дуги):

(10.13)

Где Uном - среднее номинальное линейное напряжение в сети, кВ;

R_У, Х_У - суммарные активное и индуктивное сопротивления до точки КЗ с учётом переходного сопротивления, мОм.

Сопротивление дуги Rд в месте КЗ принимается активным и его определяют по выражению:

(10.14)

где - падение напряжения на дуге, В;

- напряжение в стволе дуги, В. Принимаем

- длина дуги, мм;

Длина дуги определяется в зависимости от расстояния (а) между фазами проводников в месте КЗ:

, при: a<3 мм;

, при: 3 мм<a<30 мм; (10.15)



, при: a>30 мм

Ток КЗ с учётом сопротивления дуги определяется по выражению

(10.16)

Расчёт тока КЗ в точке К-3

Суммарное активное сопротивление до точки КЗ:

(10.17)

Суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ:

(10.18)

Определим ток металлического КЗ (без учета сопротивления дуги) по формуле (10.13):

Расстояние между фазами проводников в месте короткого замыкания, согласно справочным данным: а = 10 мм (ШМА)

Определяем активное сопротивление дуги по формуле (10.14):

Ток КЗ с учётом сопротивления дуги определяем по формуле (10.16):

Расчёт тока КЗ в точке К-2

Суммарное активное сопротивление до точки К2:

(10.19)

Суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ:

(10.20)

Определим ток металлического КЗ (без учета сопротивления дуги) по формуле (10.13):

Расстояние между фазами проводников в месте короткого замыкания, согласно справочным данным: а = 45 мм (ШРА)

Определяем активное сопротивление дуги по формуле (10.14):

Ток КЗ с учётом сопротивления дуги определяем по формуле (10.16):

Расчёт тока КЗ в точке К-1

Суммарное активное сопротивление до точки К1:

(10.21)

Суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ:

(10.22)

Определим ток металлического КЗ (без учета сопротивления дуги) по формуле (10.13):

Расстояние между фазами проводников в месте короткого замыкания, согласно справочным данным: а = 1,6 мм (кабель сечением 6 мм²).

Определяем активное сопротивление дуги по формуле (10.14):

Ток КЗ с учётом сопротивления дуги определяем по формуле (10.16):

10.3 Расчёт токов однофазного короткого замыкания

В электрической сети напряжением до 1000 В под однофазным коротким замыканием подразумевается замыкание между фазным и нулевым проводниками в схеме электроснабжения. Поэтому величина тока однофазного замыкания зависит от величины фазного напряжения и сопротивления петли «фаза - ноль» от цехового трансформатора до расчётной точки КЗ.

Расчёт однофазных токов КЗ проводим по выражению:

(10.23)

где U_ф = 230 В-номинальное напряжение сети;

R_т.ф-0, Х_т.ф-0 - сопротивления понижающих трансформаторов току однофазного КЗ, мОм;

R_нс.ф-0, Х_нс.ф-0 - суммарные сопротивления низковольтной сети току однофазного КЗ, мОм;

R_п - переходное сопротивление.

Определение сопротивления элементов схемы:

- сопротивление стороны 10 кВ не учитывается;

- сопротивления силового трансформатора ТМ-1000/10 току однофазного короткого замыкания, согласно справочным данным:

R_т.ф-0 = 5,7 мОм;

Х_т.ф-0 = 25,8 мОм.

- удельное сопротивления магистрального шинопровода ШМА-4-1600 току однофазного короткого замыкания, согласно справочным данным:

R_уд.ф-0 = 0,083 мОм/м;

Х_уд.ф-0 = 0,026 мОм/м;

Тогда сопротивления ШМА рассчитываем по формулам:

R_{шма ф-0} = R_уд.ф-0 ·Lшма1 = 0,083· 6 = 0,498 мОм (10.24)

Х_{шма ф-0} = Х_уд.ф-0 · Lшма1 = 0,026· 6 = 0,156 мОм (10.25)

- сопротивления распределительного шинопровода ШРА-4-400 току однофазного короткого замыкания, согласно справочным данным:

R_уд.ф-0 = 0,30 мОм/м;

Х_уд.ф-0 = 0,24 мОм/м;

Тогда сопротивления ШРА рассчитываем по формулам:

R_{шра ф-0} = R_уд.ф-0 ·Lшра1 = 0,3· 2 = 0,6 мОм (10.26)

Х_{шра ф-0} = Х_уд.ф-0 · Lшра1 = 0,24· 2 = 0,48 мОм (10.27)

- сопротивления четырёхжильного кабеля АВВГнг 4х6 току однофазного короткого замыкания:

R_уд.ф-0 = 10,42 мОм/м

Х_уд.ф-0 = 0,2 мОм/м;

Тогда сопротивления кабеля рассчитываем по формулам:

R_{кл ф-0} = R_уд.ф-0 ·Lкл = 10,42·2 = 20,84 мОм (10.28)

Х_{кл ф-0} = Х_уд.ф-0 · Lкл = 0,2·2 = 0,4 мОм (10.29)

Расчет однофазного тока КЗ в точке К-3

Определим суммарное активное сопротивление до точки КЗ:

(10.30)

Определим суммарное индуктивное сопротивление до точки К-3:

(10.31)

Определим ток КЗ в точке К-3:

Расчет однофазного тока КЗ в точке К-2

Суммарное активное сопротивление до точки К2:

(10.32)

Суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ:

(10.33)

Определим ток КЗ в точке К-2:

Расчет однофазного тока КЗ в точке К-1

Суммарное активное сопротивление до точки КЗ:

(10.34)

Суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ:

(10.35)



Определим ток КЗ в точке К-1:

Результаты расчетов токов однофазного и трехфазного КЗ для расчетной схемы приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2. Результаты расчетов токов короткого замыкания

Точка КЗ	, кА	, кА	, кА
К-1	5,740	5,281	4,20
К-2	6,17	8,010	7,801
К-3	10,785	12,116	12,129

10.4 Построение карты селективной защиты

Данные ЭП (станок фрезерный):

Для указанного ЭП ранее был выбран асинхронный двигатель АИР160S6 с номинальной мощностью и током: Р_ном = 15 кВт, I_ном = 30 А (табл. 4.1).

Данные АВ:

1. QF6 (присоединение ЭП)

ВА51-31, I_{ном. АВ} = 100 А; I_н.р. = 31,5 А;

2. QF5 (присоединение ШРА-4-400)

ВА55-37, I_{ном. АВ} = 400 А; I_н.р. = 400 А;

3. QF4 (присоединение ШМА-4-1600)

ВА55-43, I_{ном. АВ} = 1600 А; I_н.р. = 1600 А;

Выполним предварительный расчет:

Автоматический выключатель QF6 (ВА51-31-100-31,5):

а) Номинальный ток расцепителя: I_Н.Р. = 31,5 А.

б) Ток срабатывания при перегрузке, I_С.П.:

Согласно справочным данным для ВА51-31:

Тогда ток срабатывания отсечки определяется по формуле:

I_С.П. = 1,35 · I_Н.Р.= 1,35 ·31,5= 42,52 А;

t_С.П. = 1200 c

в) Ток срабатывания отсечки, I_С.О.:

Согласно справочным данным для ВА51-31:

Тогда ток срабатывания отсечки определяется по формуле:

I_С.О. = 10 · I_Н.Р. = 10 · 31,5 = 315 А;

I_С.О.<I_К1⁽³⁾, I_С.О.<I_К1⁽¹⁾

t_С.О. = 0,02 c

г) Шестикратный ток, I₆:

I₆ = 6 · I_Н.Р. = 6·31,5 = 189 А;

t_С.П.6= 4 c

где I_ном.АВ - номинальный ток выключателя, А;

I_Н.Р. - номинальный ток расцепителя, А;

I_С.П. - ток срабатывания выключателя в зоне перегрузки, А;

t_С.П. - время срабатывания выключателя в зоне перегрузки (справочные данные), с;

I_С.О. - ток срабатывания отсечки, А;

t_С.О. - время срабатывания отсечки, с. На селективных АВ выставляется при установки АВ (0,1; 0,2; 0,3 с). На неселективных АВ устанавливается заводом-изготовителем и заносится в паспортные данные.

Заносим рассчитанные характеристики АВ в таблицу 10.3.

Автоматический выключатель QF5 (ВА55-37-400-400):

а) Номинальный ток расцепителя: I_Н.Р. = 400 А.

б) Ток срабатывания при перегрузке, I_С.П.:

Согласно справочным данным для ВА55-37:

Тогда ток срабатывания отсечки определяется по формуле:

I_С.П. = 1,25 · I_Н.Р.= 1,25 ·400= 500 А;

t_С.П. = 200 c

в) Ток срабатывания отсечки, I_С.О.:

Согласно справочным данным для ВА55-37:

Тогда ток срабатывания отсечки определяется по формуле:

I_С.О. = 5 · I_Н.Р. = 5 · 400 = 2000А;

I_С.О.<I_К1⁽³⁾, I_С.О.<I_К1⁽¹⁾

t_С.О. = 0,1 c

г) Шестикратный ток, I₆:

I₆ = 6 · I_Н.Р. = 6· 400 = 2400 А;



t_С,П.6= 8 c

д) Ток срабатывания при однофазном КЗ, I_С.З.:

Согласно справочным данным для ВА55-37:

,

Тогда ток срабатывания защиты при однофазных КЗ определяется по формуле:

I_С.З. = 0,5 · I_Н.Р.= 0,5 · 400 = 200 А;

t_С.О. = 0,1 c

Ток срабатывания третьей ступени защиты: I_c.мгн = 20 кА (справочные данные).

Автоматический выключатель QF4 (ВА55-43-1600-1600):

а) Номинальный ток расцепителя: I_Н.Р. = 1600 А.

б) Ток срабатывания при перегрузке, I_С.П.:

Согласно справочным данным для ВА55-43:

Тогда ток срабатывания отсечки определяется по формуле:

I_С.П. = 1,25 · I_Н.Р.= 1,25 ·1600=2000 А;

t_С.П. = 200 c

в) Ток срабатывания отсечки, I_С.О.:

Согласно справочным данным для ВА55-43:

Тогда ток срабатывания отсечки определяется по формуле:

I_С.О. = 2 · I_Н.Р. = 2 · 1600 = 3200 А;



I_С.О.<I_К1⁽³⁾, I_С.О.<I_К1⁽¹⁾

t_С.О. = 0,2 c

г) Шестикратный ток, I₆:

I₆ = 6 · I_Н.Р. = 6· 1600 = 9600 А;

t_С,П. = 8 c

д) Ток срабатывания при однофазном КЗ, I_С.З.:

Согласно справочным данным для ВА55-43:

,

Тогда ток срабатывания защиты при однофазных КЗ определяется по формуле:

I_С.З. = 0,5 · I_Н.Р.= 0,5 · 1600 = 800 А;

t_С.О. = 0,2 c.

Ток срабатывания третьей ступени защиты: I_c.мгн= 31 кА (справочные данные).

Заносим рассчитанные характеристики АВ в таблицу 10.3.

Таблица 10.3. Данные для построения карты селективности.

№ в схеме	Тип выключателя	IНОМ, А	IН.Р. А	Зона срабатывания при перегрузке	Зона шестикратного тока	Зона отсечки	Iс.мгн., кА
				IС.П., А	tС.П., с	I6, А	tС.П.6, с	IС.О., А	tС.О., с
1	ВА51-31	100	31,5	42,52	1200	189	4	315	0,02	-
2	ВА55-37	400	160	500	200	2400	8	2000	0,1	20
3	ВА55-43	1600	1600	2000	200	9600	8	3200	0,2	31



По данным таблицы строим карту селективности (Рисунок10.3).

Рисунок 10.3. Карта селективности защиты



11. Расчет показателей качества электрической энергии

11.1 Расчет отклонения напряжения. Общие сведения

Отклонения напряжения создают при своей работе любые электроприемники, т.к. изменение группового графика нагрузки в течение суток приводит к изменению потерь напряжения элементов электрических сетей. Отклонение напряжения может привести к изменению производительности данной установки или агрегата, к браку продукции в данной установке или агрегате, к изменению потребления активной и реактивной мощности, к изменению потерь активной мощности, а так же к изменению срока службы самого электроприемника и изоляции проводников, питающих его.

Отклонение напряжения рассчитывается для промышленных предприятий как основной показатель качества электроэнергии (ПКЭ) независимо от видов и состава электроприемников. Важно правильно рассчитать отклонение напряжения в периоды максимума и минимума нагрузок сети, и принять меры по его уменьшению, в случаях несоответствия значению номинального напряжения.

Для нормальной эксплуатации двигателей, необходимо чтобы напряжение на зажимах ЭП не выходило за пределы 95-105% от номинального.

Влияние электроприемников на отклонение напряжения:

- с увеличением мощности нагрузки - увеличивается падение напряжение в элементах сети, и, соответственно, увеличивается отклонение напряжения, что в свою очередь приводит к еще большему падению.

Влияние отклонения напряжения на электроприемники:

- влияние на электродвигатели: повышенный износ изоляции, изменение частоты вращения;

- влияние на электротехнологические установки: изменение производительности ЭТУ, изменение удельного расхода электроэнергии, уменьшение срока службы;

- влияние на осветительные установки: увеличение потребляемой мощности и электроэнергии, уменьшение светового потока.

Для упрощения расчета принимаем следующий порядок расчета отклонения напряжения:

- рассчитываем отклонения напряжения в период максимума нагрузки для наиболее мощного электрически удаленного электроприемника (в нашем случае - машина дуговой сварки 85 кВА, запитанная от ШМА-1) и регулируем напряжения таким образом, чтобы отклонение соответствовало ГОСТу - это режим максимума сети;

- рассчитываем отклонения напряжения в период минимума нагрузки для наименее электрически удаленного и наименее мощного электроприемника (в нашем случае - станок фрезерный мощностью 15 кВт, расположенный на ШРА1) и сравниваем отклонение с ГОСТом - это режим минимума сети.

Если в одном из случаев не проходит значения по ГОСТу, то следует применять дополнительные средства регулирования уровня напряжение.

Примечание: для всех далее рассматриваемых случаев расстояние от ШМА до ШРА, которое соединяется кабелем определенного сечения марки АВВГнг, достаточно малы (10 м), поэтому оказать большого влияния на величину падения напряжения в сети они не могут. Тогда в соответствии с допустимой инженерной погрешностью (не более 10%) исключаем из расчетной схемы эти участки сети для упрощения дальнейших расчетов.

11.2 Расчет отклонения напряжения в период максимума нагрузки

Наиболее мощный и одновременно удаленный от источника питания электроприемник цеха - машина дуговой сварки (по плану: №9, колонна: Г-12) мощностью 85 кВА, которая запитана кабелем АВВГнг (4х25), подключенного к ШМА1.

Рисунок 11.1. Схема для расчета отклонения напряжения в период максимума нагрузки

Уровень напряжения для наиболее мощного и удаленного от подстанции ЭП в период максимума нагрузки (U₂) определяется по выражению:

(11.1)

где: =4% - уровень напряжения на шинах 10 кВ РП, питающего цех в период максимума нагрузки (согласно заданию);

- потери напряжения в высоковольтном кабеле от РП-10кВ до цеховой ТП;

- потери напряжения в цеховом понижающем трансформаторе;

- потери напряжения в ШМА;

- потери напряжения в кабеле, питающем ЭП;

- добавка напряжения, которая устанавливается ПБВ цехового трансформатора (сначала ПБВ устанавливают в положение «0», при котором = 4%).

1. Расчет потерь напряжения в высоковольтной кабельной линии.

Согласно проведенным ранее расчетам (п. 10.2), сопротивление высоковольтной кабельной линии:

R_ВС = 0,030 мОм;

Х_ВС = 0,018 мОм.

где I_Р1 - максимальный расчетный ток в фазе трансформатора Т-1 (ТМ-1000/10), от которого получает питание выбранный ЭП, приведенный к стороне низкого напряжения, А;

S_Р.Т.1 - полная расчетная нагрузка трансформатора Т-1 (табл. 8.2), кВА;

Р_Р.Т.1 - активная расчетная нагрузка трансформатора Т-1 (табл. 8.2), кВт;

Q_Р.Т.1 - реактивная расчетная нагрузка трансформатора Т-1 (табл. 8.2), квар;

2. Расчет потерь напряжения в цеховом трансформаторе Т-1 (ТМ-1000/10).

Согласно проведенным ранее расчетам (п. 10.2), сопротивление трансформатора:

R_Т = 1,68 мОм;

Х_Т = 8,63 мОм;

(11.3)

3. Расчет потерь напряжения в ШМА.

Сопротивление ШМА1:

где R₀ - удельное активное сопротивление проводника, мОм/м;

Х₀ - удельное реактивное сопротивление проводника, мОм/м;

Lшма1 - длина участка ШМА2: от шин ТП до присоединения кабеля АВВГнг, от которого запитан выбранный ЭП (индукционная печь, по плану: №10 в квадрате А-1), м. В данном случае согласно заданному плану цеха принимаем Lшма2 равное 4/3 шагу колонны (8 м).

(11.4)



где: I_Р.ШМА = 1519,4А - расчетный ток ШМА (п. 9.2).

4. Расчет потерь напряжения в кабеле, питающем ЭП.

Сопротивление кабеля АВВГнг (4х25):

где Lкл - длина питающего кабеля, м. В данном случае согласно заданному плану цеха принимаем Lкл равное 13 и 1\3 шага колонны (80 м).

;

;

(11.5)

где: I_Р.КЛ = 100,35 А - расчетный ток кабеля (табл. 9.3).

Уровень напряжения для наиболее мощного и удаленного от подстанции ЭП в период максимума нагрузки (U₂) по формуле (1.11):

< 5%

Отклонение напряжения в период максимума нагрузок не превышает допустимого значения.



11.3 Расчет отклонения напряжения в период минимума нагрузки

Наименее удаленный от источника питания электроприемник цеха - вентилятор (по плану: №4, колонна: А-10) мощностью 11 кВт, который запитан кабелем АВВГнг (4х16), подключенного к ШРА1 и ШМА1.

Уровень напряжения для наименее удаленного от подстанции ЭП в период минимума нагрузки (U₂'') определяется по выражению:

(11.6)

где: = 6% - уровень напряжения на шинах 10 кВ РП, питающего цех в период минимума нагрузки (согласно заданию);

Минимальная нагрузкав соответствии с заданным вариантом равна 38% от расчётной нагрузки (Р_min/Р_max).

Рисунок 11.2. Схема для расчета отклонения напряжения в период минимума нагрузки

1. Расчет потерь напряжения в высоковольтной кабельной линии:

Согласно проведенным ранее расчетам (п. 10.2), сопротивление высоковольтной кабельной линии:

R_ВС = 0,030 мОм;

Х_ВС = 0,018 мОм.

(11.7)

где I_Р2 - максимальный расчетный ток в фазе трансформатора Т-2 (ТМ-1000/10), от которого получает питание выбранный ЭП (вентилятор), приведенный к стороне низкого напряжения, А;

S_Р.Т2 - полная расчетная нагрузка трансформатора Т-2 (табл. 8.1), кВА;

Р_Р.Т.2 - активная расчетная нагрузка трансформатора Т-2 (табл. 8.1), кВт;

Q_Р.Т.2 - реактивная расчетная нагрузка трансформатора Т-2 (табл. 8.1), квар;

2. Расчет потерь напряжения в цеховом трансформаторе Т-2 (ТМ-1000/10).

Согласно проведенным ранее расчетам (п. 10.2), сопротивление трансформатора:

R_Т = 8,68 мОм;

Х_Т = 8,63 мОм;

(11.8)



3. Расчет потерь напряжения в ШМА.

Согласно проведенному ранее расчету (п. 10.2) сопротивление участка ШМА2, питающего выбранный ЭП (вентилятор):

(11.9)

4. Расчет потерь напряжения в ШРА.

Сопротивление участка ШРА3, питающего через кабель АВВГнгвыбранный ЭП (станок фрезерный):

Рассчитаем для ШРА3:

(11.10)



где: I_Р3 = 263,39 А - расчетный ток ШРА3 (табл. 9.1);

S_р.шра = 173,36 кВА - полная расчетная нагрузка ШРА3 (табл. 9.1);

Р_р.шра = 147,51 кВт - активная расчетная нагрузка ШРА3 (табл. 9.1);

Q_р.шра = 91,065 квар - реактивная расчетная нагрузка ШРА3 (табл. 9.1).

5. Расчет потерь напряжения в кабеле, питающем ЭП.

Сопротивление кабеля АВВГнг (4х6), питающего выбранный ЭП (станок фрезерный):

;

;

(11.11)

где: I_Р.КЛ = 32 А - расчетный ток кабеля (табл. 9.3).

Уровень напряжения для наименее удаленного от подстанции ЭП в период минимума нагрузки (U₂'') по формуле (11.6):

Так как отклонение напряжения в период минимума нагрузки превышает допустимое значение 5%, напряжение необходимо регулировать за счет переключения ПБВ трансформатора в положение «-2», где дU_ДОБ» = 0%. Тогда:

- в режиме наименьших нагрузок:

- в режиме наибольших нагрузок:

Переключив регулятор ПБВ трансформатора в положение «-1», где дU_ДОБ» = 2,5%, для наиболее мощного и удаленного ЭПU₂> 95% от U_НОМ, а для наиболее приближенного к источнику питания ЭПU₂< 105% от U_НОМ.

Таким образом, отклонения напряжения не превышают рекомендуемого для надежной работы ЭП значения +5%.



12. Расчет заземления

Согласно заданию удельное сопротивление грунта: с= 83 Омм

В сетях напряжением 380/220 В применяется зануление электроприемников. Подстанция имеет два напряжения 10 кВ и 380/220 В. Поэтому для нее необходимо применять заземление.

Сопротивление заземляющего устройства для сети 10 кВ определяется по формуле:

(12.1)

где I_З - емкостной ток замыкания на землю сети выше 1000 В. Согласно заданию I_З =9 А.

Сопротивление заземляющего устройства для сети 380/220 В:

R_ЗУ 4 Ом. (12.2)

За расчетное должно быть принято наименьшее из этих двух значений, обеспечивающее безопасность. Таким образом, определяющим для расчета является требование R_ЗУ < 4 Ом.

Определяем расчетное удельное сопротивление земли:

(12.3)

где - коэффициент сезонности (принимаем в интервале: = 1,1-1,35).

Определяем конфигурацию заземляющего контура подстанции.

В качестве вертикальных заземлителей берем арматурный пруток диаметром 12 мм, длиной 5 м.

Определяем сопротивление вертикального заземлителя:

(12.4)

где Кв.з. = 0,228 - коэффициент для расчета сопротивления вертикального заземлителя.

Определяем ориентировочное число вертикальных заземлителей:

(12.5)

где - коэффициент использования вертикальных электродов (выбираем из диапазона: 0,4 - 0,5; принимаем: = 0,4).

Определяем сопротивление полосы, соединяющей горизонтальные электроды:

(12.6)

Где - коэффициент использования горизонтальных электродов (выбираем из диапазона: 0,3 - 0,4; принимаем: = 0,3);

- сопротивление горизонтальной полосы, Ом. Рассчитывается по формуле:

(12.7)



где - длина соединительной полосы, м. Рассчитывается по формуле:

(12.7)

где - расстояние между заземлителями, м (выбираем из диапазона: 4 - 8 м; принимаем: а = 5 м).

Определяем необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом горизонтальной полосы:

(12.8)

Определяем уточненное число вертикальных электродов:

(12.9)

Заземляющее устройство выполняем в виде контура из горизонтальных и вертикальных заземлителей. В качестве вертикальных электродов используем арматурный пруток диаметром 12 мм и длиной L = 5 м, в качестве горизонтальных заземлителей - стальные полосы. Верхний конец электрода находится ниже уровня земли на 0,7 м.

Схема заземляющего устройства показана на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1. Конструкция заземляющего устройства

13. Основные технические показатели курсового проекта

Основные технические показатели курсового проекта «Проектирование электроснабжения и электрооборудования механического цеха» сведены в таблицу 13.1.

Таблица 13.1. Основные технические показатели курсового проекта

Показатель	Значение	Единицы измерения
Напряжение питания цеховых подстанций	10	кВ
Напряжение цеховой электрической сети	380/220	В
Установленная мощность цеха (таблица 1.1)	1214	кВт
Число электроприёмников переменного тока (таблица 1.1)	70	ед.
Расчетная мощность (максимальная) (таблица 6.1)	1579	кВА
Коэффициент мощности (п. 7):	до компенсации,	0,792	о.е.
	после компенсации,	0,176
Тип, число и мощность трансформаторов цеховой подстанции	2хТМ-1000/10	-
Фактический коэффициент загрузки трансформаторов, Кз (п. 8)	0,63	о.е.
Расход активной электрической энергии за год, WА	WА = РТг = 557,512000 = 1 115 020	кВтч
Удельная плотность нагрузки, РУД (таблица 6.1, 1.1)	РУД = Р/F = 557,57/35528 = 0,158	кВт/м2



Заключение

электроснабжение цех потребитель механический

В данной пояснительной записке произведен расчет системы электроснабжения механического цеха, целью которого является выбор наиболее оптимального варианта схемы, параметров электросети и ее элементов, позволяющих обеспечить необходимую надежность электропитания и бесперебойной работы цеха.

В ходе выполнения курсового проекта был произведен расчет электрических нагрузок; определено количество и мощность трансформаторов с учетом оптимального коэффициента их загрузки и категории питающихся электроприемников; был выбран наиболее надежный вариант сечения проводов и кабелей питающих и распределительных линий; произведен расчет токов короткого замыкания, а также расчет оптимального количества и сопротивления заземляющих устройств.

На основе произведенных расчетов можно сделать вывод, что выбран наиболее оптимальный и рациональный вариант электроснабжения участков механического цеха.



Список использованных источников

1. Библия электрика: Правило устройства электроустановок (шестое и седьмое издание, все действующие разделы). - МПОТ ПТЭ. - Новосибирск: Сиб.унив. изд-во, 2015.

2. Г.Я. Вагин, Е.Н. Соснина. Системы электроснабжения. - Комплекс учебно-методических материалов. Ученый Совет НГТУ. - Нижний Новгород: НГТУ, 2006.

3. Г.Я. Вагин. Пособие по дипломному проектированию. - Комплекс учебно-методических материалов. Ученый Совет НГТУ. - Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009.

4. Л.А. Плащанский. Основы электроснабжения. Раздел «Релейная защита электроустановок». - Московский государственный горный университет. - 3-е изд., стер. - М.: Изд-во МГГУ, 2005.

5. Г.Н. Ополева. Схемы и подстанции электроснабжения. - Справочник. - М.: ФОРУМ; ИНФРА-М, 2009.

6. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования. / Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. Справочная книга по светотехнике. / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. - М.: Энергоатомиздат, 2000.

8. Методические указания к выполнению графической части курсовых и дипломных проектов. - Нижний Новгород: НГТУ, 2002.

9. Электроснабжение и электрооборудование цеха. Методические указания к курсовому проектированию. Н. Новгород: НГТУ, 2002.

10. Гардин А.И. Электрические аппараты: комплекс учебно-методических материалов / А.И. Гардин; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2008. -172 с

11. Козулин В.С., Рожкова Л.Д. Электроснабжение - М.: Энергоатомиздат, 1993.

12. Герасименко А.А, Федин Ф.Т. Передача и распределение электрической энергии- Изд.2-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2008 г.

Размещено на Allbest.ru