Электроснабжение текстильного комбината

6.6 Выбор схемы распределительного устройства низшего напряжения с учетом надежности

Учитывая выбор силового трансформатора с расщепленной вторичной обмоткой мощностью 40 МВА с вторичным напряжением 6-10 кВ, выбирают схему РУ НН, изображенную на рис.8. Преимущество схемы состоит в том, что она позволяет значительно уменьшить отрицательное влияние нагрузок одной ветви на качество напряжения питания нагрузок другой ветви.

Рисунок 8 - Схема РУ НН

Компенсация реактивной мощности

При реальном проектировании энергосистема задаёт экономически выгодную величину перетока реактивной мощности (Q_экон), в часы максимальных активных нагрузок системы, передаваемой в сеть потребителю.

В дипломном проектировании Q_экон рассчитывается по формуле, где tg_ном находится из выражения:

где _б -базовый коэффициент реактивной мощности принимаемый для сетей 6-10 кВ присоединенных к шинам подстанций с высшим напряжения 110 кВ, _б= =0,5;

k-коэффициент учитывающий отличие стоимости электроэнергии в различных энергосистемах, для Омской энергосистемы: к = 0,8;

d_м-это отношение потребления активной мощности потребителем в квартале max нагрузок энергосистемы к потреблению в квартале max нагрузок потребителя, для Омской энергосистемы: dм = 0,7;

Q_экон. = Р_р· tg_э = 36279,91·0,625=22675,94кВар,

Мощность компенсирующих устройств, которые необходимо установить на предприятии, рассчитываем по выражению:

34092,74- 22675,94 = 11417,8 кВар; (18)

При наличии компенсирующих устройств полная мощность предприятия будет равна:

42783, кВА . (19)

7. Выбор системы питания

Системы электроснабжения промышленного предприятия условно разделена на две подсистемы - систему питания и систему распределения энергии внутри предприятия.

В систему питания входят питающие линии электропередачи (ЛЭП) и пункт приема электроэнергии (ППЭ), состоящий из устройства высшего напряжения (УВН), силовых трансформаторов и распределительного устройства низшего напряжения (РУНН).

ППЭ называется электроустановка, служащая для приема электроэнергии от источника питания (ИП) и распределяющая её между электроприемниками предприятия непосредственно или с помощью других электроустановок.

Предприятие потребляет значительную мощность, а ИП удален, то прием электроэнергии производится либо на узловых распределительных подстанциях (УРП), либо на главных понизительных подстанциях (ГПП), либо на подстанциях глубокого ввода (ПГВ).

Так как у ПГВ первичное напряжение 35-220 кВ и выполняется по упрощенным схемам коммуникации на первичном напряжении, то в качестве ППЭ выбираем унифицированную комплектную подстанцию блочного исполнения типа КТПБ - 110/6 - 104.

7.1 Выбор устройства высшего напряжения ППЭ

Схемы электрических соединений подстанций и распределительных устройств должны выбираться из общей схемы электроснабжения предприятия и удовлетворять следующим требованиям:

- Обеспечивать надежность электроснабжения потребителей;

- Учитывать перспективу развития;

- Допускать возможность поэтапного расширения;

- Учитывать широкое применение элементов автоматизации и требования противоаварийной автоматики;

- Обеспечивать возможность проведения ремонтных и эксплуатационных работ на отдельных элементах схемы без отключения соседних присоединений.

На всех ступенях системы электроснабжения следует широко применять простейшие схемы электрических соединений с минимальным количеством аппаратуры на стороне высшего напряжения, так называемые блочные схемы подстанций без сборных шин.

При выполнении блочных схем подстанции напряжением 35 - 220 кВ следует применить:

1. Схемы "отделитель-короткозамыкатель" при питании предприятия по магистральной линии и "разъединитель-короткозамыкатель" при питании по радиальной линии. В данной схеме отключающий импульс от релейной защиты подается на короткозамыкатель, который создает искусственное короткое замыкание, что приводит к отключению головного выключателя линии. При питании по магистральной линии отделитель во время бестоковой паузы срабатывает, отделяя УВН от линии, и через выдержку времени устройство АПВ на головном выключателе подает на него включающий импульс и линия вновь включается, обеспечивая электроснабжение оставшихся потребителей. При радиальной схеме устройство АПВ на головном выключателе не устанавливается, следовательно, отдельной схемы, при малых расстояниях от подстанции до короткозамыкателя (до 5 км), не рекомендуется из-за возникновения километрического эффекта.

2. Схемы глухого присоединения линии к трансформатору через разъединитель является более дешевой по сравнению с предыдущей, при малых расстояниях. Отключающий импульс в данной схеме подается по контрольному кабелю на головной выключатель.

3. Схемы с выключением на стороне высокого напряжения.

Выбор вида УВН осуществляется на основании технико-экономического расчета (ТЭР).

Наиболее экономичный вариант электроустановки требует наименьшего значения полных при приведенных затрат, которые определяются по выражению:

где Е_Н = 0,12 нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, руб.

К - капиталовложения в электроустановку, руб.

И - годовые издержки производства, руб/год.

На основании вышеизложенного наметим два варианта и по результатам ТЭР выберем вариант с наименьшими затратами.

Вариант 1 Схема "разъединитель-короткозамыкатель" рис.6.

Вариант 2 Схема "Выключатель" рис. 7.

Вариант 1.

Капиталовложения

Разъединитель РНД3-1б-110/1000

К_раз = 4,6 тыс. руб. согласно [7]

Короткозамыкатель КЗ-110У-У1(Т1)

К_КЗ = 10,6 тыс. руб. согласно [7].

Стоимость монтажа и материалов 1 км контрольного кабеля в траншее с алюминиевыми жилами сечением 10х2,5 мм², К_КК = 11,3 тыс. руб.

Суммарные капиталовложения:

тыс. руб.

Вариант 2.

Капиталовложения ВВЭ-110Б-16/1000 УХЛ1

К_В = 90 тыс. руб. согласно [7]

Разъединитель РНД3-1б-110/1000

К_раз = 4,6 тыс. руб. согласно [7]

Суммарные капиталовложения:

тыс. руб.

2. Издержки на амортизацию и обслуживание.

где Р_а - амортизационное отчисление, руб. Р₀ - затраты на электроэнергию, руб. Р_Р - расходы на эксплуатацию, руб.

Вариант 1

тыс. руб.

Вариант 2

тыс. руб.

3. Полные приведенные затраты

Вариант 1.

 тыс. руб.

Вариант 2

тыс. руб.

Окончательно выбираем наиболее экономичную схему УВН ППЭ, т.е. схему "Выключатель" вариант 2.

7.2 Выбор трансформаторов ППЭ

Выбор трансформаторов ППЭ производится по ГОСТ 14209-85, т.е. по расчетному максимуму нагрузки S_Р, по заводу намечаются два стандартных трансформатора, намечаемые трансформаторы проверяются на эксплуатационную перегрузку.

По суточному графику определяем среднеквадратичную мощность

кВА

Намечаемая мощность трансформатора

В соответствии с тем, что S_СК = 37948,94 кВА предварительно намечаем трансформатор марки ТРДН - 40000 кВА.

Так как S_СР.КВ = 37948,94 кВА < 2S_Н.Т = 80000 кВА, то проверки на эксплуатационную перегрузку не требуется.

По полной мощности подстанции приблизительно выбираем трансформатор ТРДН-40000/110.

Определяется коэффициент первоначальной загрузки.

Проверяется трансформатор на аварийную перегрузку, т.е. когда один трансформатор на ППЭ выведен из строя.

Определяем коэффициент загрузки в ПАР

Сравним значение и К_М. Так как , то принимается

По табл. 2 [4] находим К_{2 доп}

Для n = 12 и К = 0,943; К_{2 доп} = 1,5

К₂ =0,8 < К_{2 доп} = 1,5, следовательно трансформаторы ТДН-25000/110 удовлетворяют условиям выбора.

Для ТДН-40000/110:

Р_Р = 170 кВт; Р_ХХ = 34 кВт; I_ХХ% = 0,55%; U_КЗ% = 10,5%

7.3 Выбор ВЛЭП

Питание завода осуществляется по двухцепной воздушной линии так как завод состоит из потребителей электроэнергии 2 и 3 категории. При этом выбирается марка проводов и площадь их сечения. При выборе необходимо учесть потери в трансформаторах.

Для трансформатора ТРДН-40000/110

Р_Р = 170 кВт; Р_ХХ = 34 кВт; I_ХХ% = 0,55%; U_КЗ% = 10,5%

Потери в трансформаторе:

;

кВт;

кВар.

Расчетная полная мощность с учетом потерь в трансформаторах

кВА.

Принимаются к установке провода марки АС.

Расчетный ток в ПАР

А

Расчетный ток в нормальном режиме.

А

Предварительно принимаем провод сечением F_Р = 120 мм² с I_доп = 390 А табл.1.3.29 [5].

Проверяется выбранное сечение провода по экономической плотности тока:

где I_Р - расчетный ток в нормальном режиме.

j_ЭК - экономическая плотность тока. j_ЭК = 1 А/мм² по табл. 1.3.36 [5] для Т_max > 5000 ч.

мм²

Выбираем F_Р = 120 мм² с I_доп = 390 А по табл. 1.3.29 [5].

По условиям короны минимальное сечение провода на напряжение 110 кВ составляет 120 мм², данное условие выполняется.

Проверка по потерям напряжения:

Потери напряжения в линии.

,

где , кВт

, кВар

Сопротивление линии:

Ом

Ом

По потерям напряжения данное сечение также удовлетворяет условиям проверки. Выбранные провода ЛЭП-110 сечением 120 мм² и I_доп = 390 А удовлетворяет всем условиям проверки. Окончательно принимаем провода марки АС-120/19 с I_доп = 390 А. Опоры железобетонные двухцепные.

8. Выбор системы распределения

В системе распределения завода входят распределительные устройства низшего напряжения ППЭ, комплектные трансформаторные (цеховые) подстанции (КТП), распределительные пункты (РП) напряжением 6-10 кВ и линии электропередач (кабели, токопроводы), связывающие их с ППЭ.

Выбор системы распределения включает в себя решение следующих вопросов:

1. Выбор рационального напряжения системы распределения.

2. Выбор типа и числа КТП, РП и мест их расположения.

3. Выбор схемы РУ НН ППЭ.

4. Выбор сечения кабельных линий и способ канализации электроэнергии.

8.1 Выбор рационального напряжения распределения

Рациональное напряжение распределения определяется на основании ТЭР и для вновь проектируемых предприятий в основном зависит от наличия и значения мощности ЭП напряжением 6кВ, 10 кВ, наличия соответственной ТЭЦ и величины ее генераторного напряжения, а так же U_рац системы питания. ТЭР не проводится в случаях:

Суммарная мощность электроприемников 6 кВ равна или превышает 40% общей мощности предприятия - тогда напряжение распределения принимается 6 кВ.

Суммарная мощность электроприемников 6 кВ не превышает 15% общей мощности предприятия - тогда напряжения распределения принимается 10 кВ.

Суммарная мощность 6 кВ

 кВА

На основании этого принимаем напряжение распределения классом

U_Р = 6 кВ.

8.2 Выбор числа и мощности цеховых ТП

Число КТП и мощность трансформаторов на них определяется средней мощностью за смену (S_СМ) цеха, удельной плотностью нагрузки и требованиями надежности электроснабжения. Если нагрузки цеха (S_СМi)на напряжении до 1000 В не превышает 150 - 200 кВА, то на данном цехе ТП не предусматривается, и ЭП цеха запитывается с шин ТП ближайшего цеха кабельными ЛЭП. Число трансформаторов в цехе определяются по:

где S_СМ - сменная нагрузка цеха; S_Н.Т. - номинальная мощность трансформатора, кВА; - экономически целесообразный коэффициент загрузки.

для 1 - трансформаторной КТП (3 категория) = 0,95-1,0

для 2 - трансформаторной КТП (2 категория) = 0,9-0,95

для 3 - трансформаторной КТП (1 категория) = 0,65-0,75

Коэффициент максимума для определения средней нагрузки за спину находим по:

Средняя нагрузка за смену равна:

Так как выбор мощности цеховых трансформаторов производится с учетом установки компенсирующих устройств, то найдем мощность компенсации и выберем комплектные компенсирующие устройства.

Мощность компенсации:

Средняя реактивная мощность заводского цеха определяется из выражения:

Если нет необходимости устанавливать компенсирующие устройства, то выражение принимает вид:

Полная мощность, приходящаяся на КТП с учетом компенсации реактивной мощности:

Цеховые трансформаторы выбираются по S_СМ с учетом S_уд

Удельная мощность цеха:

где F - площадь объекта, м²

При определении мощности трансформаторов следует учесть, что если S_уд не превышает 0,2 (кВА/м²), то при любой мощности цеха мощность трансформаторов не должна быть более 1000 кВА. Если S_уд находится в пределах 0,2-0,3 кВА/м², то единичная мощность трансформаторов принимается равной 1600 кВА.

Если S_уд более 0,3 кВА/м², то на ТП устанавливается трансформаторы 2500 кВА.

После предварительного выбора трансформатора в НР и ПАР, а там где есть необходимость с учетом отключения потребителей 3 категории.

Для примера определяется средняя нагрузка ремонтно-строительного цеха(№21). Коэффициент использования для цеха №21 К_И = 0,25. Коэффициент максимума определяется по формуле.

Средняя нагрузка за максимально нагруженную смену определяется по формулам:

кВт кВа

Определяем полную мощность.

кВА

Поскольку < 200250 кВА, то на этом объекте КТП не предусматривается, а ЭП будут запитаны с шин ТП ближайшего цеха по кабельной ЛЭП.

Результаты расчетов средних нагрузок за наиболее загруженную смену остальных цехов сведем в табл. 5.

Согласно [6] для компенсации реактивной мощности используются только низковольтные БСК (напряжением до

где Q_Э - реактивная мощность, 1000 В) при выполнении следующего условия:

передаваемое из энергосистемы в сеть потребителя, кВар.

Q_сд - реактивная мощность, выдаваемая в электрическую сеть синхронными двигателями. кВар.

Q_a - мощность потребителей реактивной мощности на шинах 6 кВ, кВар.

кВар > кВар

Следовательно будем использовать БСК только на 0,4 кВ. Размещение БСК будем производить пропорционально реактивной мощности узлов нагрузки. БСК не следует устанавливать на силовых пунктах, на подстанциях, где мощность нагрузки менее 200 кВар (это экономически нецелесообразно). Величина мощности БСК в том узле нагрузки определяется по выражению (6.2.

где Q_М - реактивная нагрузка в i-том узле, кВар;

- сумма реактивных нагрузок всех узлов, кВар.

Таблица 5

кВар; кВар

Затем полученные расчетным путем Q_Кi округляются до ближайшего стандартного значения БСК Q_i стандартные взятые из [3]. Результаты сведем в табл.6. Типы используемых стандартных БСК приводятся в табл.7.

Таблица 6

Примечание 1. Для обеспечения наилучшей в данных условиях взаимозаменяемости будем использовать только три типоразмера трансформаторов КТП.

Таблица 7 Стандартные БСК

На предприятиях средней и малой мощности для разгрузки кабельных каналов от отходящих линий (от ПГВ до цеховых трансформаторных подстанций) предусматриваются РП.

В данном проекте ЭП на 6 кВ расположены в цехах вместе с ЭП ниже 1000 В, образуя, таким образом, энергоемкий объект, который имеет определенное количество подходящих питающих линий. Учитывая этот фактор, установлен РП на 6 кВ.

8.3 Расчет потерь в трансформаторах цеховых КТП

Для проведения данного расчета в табл. 8 внесем каталожные данные трансформаторов КТП, которые взяты из [3].

Таблица 8

Расчет проводится в следующей последовательности:

- определяются реактивные потери холостого хода.

где I_ХХ - ток холостого хода, %

S_НОМ - номинальная мощность трансформатора , кВА.

Р_ХХ - активные потери холостого хода, кВт

- рассчитываются активные потери мощности в трансформаторах

где n - число параллельно работающих трансформаторов, шт; Р_КЗ - активные потери короткого замыкания, кВт; - мощность, проходящая через трансформатор, кВА.

- находится реактивные потери мощности в трансформаторах;

где U_КЗ% - напряжение короткого замыкания, %;

Расчет для КТП цеха №5

кВар

кВА

кВт

кВар

кВар

Результаты расчета для остальных КТП сведем в табл. 9.

Таблица 9

8.4 Выбор способа канализации электроэнергии

Так как передаваемое в одном направлении мощности незначительны, то для канализации электроэнергии будем применять КЛЭП. Выбор сечения КЛЭП производится в соответствии с требованиями [5] с учетом нормальных и послеаварийных режимов работы электросети и перегрузочной способности КЛЭП различной конструкции. Кабели будем прокладывать в земле, время перегрузки принимаем равным 5 часам. Допускаемая в течении 5 суток на время ликвидации аварии перегрузка для КЛЭП с бумажной изоляцией составляет 25% [5]. План канализации электроэнергии был намечен ранее и представлен на рис.8.

Кабель выбирается по следующим условиям:

1) По номинальному напряжению.

2) По току в номинальном режиме.

3) По экономическому сечению.

Кабель проверяется по следующим условиям:

1) По току в послеаварийном режиме.

2) По потерям напряжения.

3) На термическую стойкость к токам КЗ.

Выберем кабель от ПГВ до ТП8.

Максимальная активная мощность

кВт

Максимальная реактивная мощность

кВар

Полная мощность

кВА

Расчетный ток кабеля в нормальном режиме

А

Расчетный ток кабеля в послеаварийном режиме

А

Экономическое сечение:

мм²

где экономическая плотность тока j_Э для кабелей с бумажной изоляцией с алюминиевыми жилами при числе часов использования максимума нагрузки в год более 5000 (Т_max = 6220ч) согласно [5] равны 1,2 А/мм².

Предварительно принимаем кабель марки ААШ в сечении 20 мм² с допустимым током I_доп = 105 А.

Допустимый ток при прокладке кабеля в земле определяется по выражению:

где К₁ - поправочный коэффициент для кабеля, учитывающий фактическое тепловое сопротивление земли, нормальной почвы и песка влажностью 7-9%, для песчано-глинистой почвы влажностью 12-14% согласно [5] К₁ = 1,0.

К₂ - поправочный коэффициент, учитывающий количество параллельно проложенных кабелей в одной траншее из [5].

К₃ - поправочный коэффициент, учитывающий допустимую нагрузку кабелей на период ликвидации послеаварийного режима, для кабелей напряжением до 10 кВ с бумажной изоляцией при коэффициенте предварительной нагрузки 0,6 и длительности максимума перегрузки 5 часов согласно [5] К₃ = 1,3.

А

А

Перегрузка кабеля:

Проверку на термическую стойкость и по потерям напряжения проводить не будем, так кА не известны ток короткого замыкания и допустимые потери напряжения.

Выбор остальных кабелей сведем в табл.10.

Таблица 10 Выбор кабелей

Выбор кабелей для потребителей напряжением 6 кВ рассмотрим на примере ЭД 6 кВ цеха №19. Принимаем, что в цехе установлены два ЭД, тогда мощность одного электродвигателя:

кВт

Из [7] выбираем стандартный ЭД:

СДН32-19-39-16 со следующими параметрами: S_Н = 1680 кВА; Р_Н = 1600кВт; U_Н = 6 кВ; =0,953. Для остальных цехов выбранные стандартные ЭД представленные в табл. 11.

Расчетный ток нормального режима:

А

Экономическое сечение:

мм²

Выбираем кабель марки ААШ с сечением 185 мм² с I_доп = 420 А.

В компрессорной (цех № 17) устанавливаем двигатели марки СДН32-20-49-20, в количестве двух штук.

Таблица 11

9. Расчет токов короткого замыкания

Токи КЗ рассчитываются на линейных вводах высшего напряжения трансформатора ППЭ (К-1), на секциях шин 6 кВ ППЭ (К-2), на шинах 0,4 кВ ТП4 (К-3). Исходная схема для расчета токов КЗ представлена на рис.9, а схемы замещения на рис.10 для расчета токов КЗ выше 1000 В, на рис. 11 для расчетов КЗ ниже 1000 В.

Расчет токов КЗ в точке К-1 и К-2 проводим в относительных единицах. Для точки К-3 расчет будем проводить в именованных единицах без учета системы, так как система большой мощности и её можно считать источником питания с неизменной ЭДС и нулевым внутренним сопротивлением. Для точки К-2 будем учитывать подпитку от электродвигателей.

Расчет тока КЗ в точке К-1.

За базисную мощность принимаем мощность системы: S = S_C = 800 МВА;

Базисное напряжение: U₁ = 115 кВ;

Базисный ток:

; кА, (9.1)

Параметры схемы замещения.

Х_С = 0,6 о.е. согласно исходных данных;

, (9.2)

о.е.

где Х₀ = 0,42- удельное сопротивление ВЛЭП, Ом/км

l - длина ВЛЭП, км.

Сопротивление петли КЗ в точке К-1

, (9.3)

о.е.

Периодическая составляющая тока трехфазного КЗ в точке К-1

, (9.4)

кА

Периодическая составляющая тока двухфазного КЗ в точке К-1

кА, (9.5)

Постоянная времени цепи КЗ Т_а = 0,028 с, ударный коэффициент К_уд = 1,7 [3]

Ударный ток в точке К-1

, (9.6)

кА

Расчет тока КЗ в точке К-2. Базисное напряжение: U₂ = 6,3 кВ;

Базисный ток:

; (9.7)

кА

Точка К-2 расположена на шинах РУНН ПГВ. Сопротивление силового трансформатора на ППЭ :

Трансформатор типа ТРДН-40000/110 без расщепленной обмотки Н.Н.

, (9.8)

, (9.9)

, (9.10)

К сопротивлениям до точки К-1 прибавляется сопротивление трансформатора.

Х_К-2=Х_К-1+Х_В +Х_Н1 =0,678+3,67+0,262=4,61. (9.11)

Ток короткого замыкания от системы:

кА, (9.12)

В этой точке необходимо учитывать подпитку тока КЗ от синхронных двигателей.Определяется сопротивление подпитывающей цепочки. Сопротивление двигателей и кабельной линии от двигателей цеха № 17 до шин РУНН ПГВ (для двиг-й мощностью P=540 кВт СДН32-20-49-20):

l=0,01 км; Х₀=0,083 Ом/км; r₀=0,62 Ом/км.

;

;

;

где Х"_d- сверхпереходное индуктивное сопротивление двигателя.

. (9.13)

кА., (9.14)

Сопротивление двигателей и кабельной линии от двигателей цеха №19 до шин РУНН ПГВ (для двиг-й мощностью P=1600 кВт СД32-19-39-16):

l=0,29 км; Х₀=0,073 Ом/км; r₀=0,167 Ом/км.

;

;

;

где Х"_d- сверхпереходное индуктивное сопротивление двигателя.

.

кА.

Тогда значение ударного тока:

кА.

Расчет тока КЗ в точке К-3. Расчет токов КЗ в точке К-3 проведем в именованных единицах. Определим схемы замещения.

Сопротивления трансформатора ТМЗ-630:

R_Т = 3,4 мОм; Х_Т = 13,5 мОм [3].

где - загрузка трансформатора в послеаварийном режиме.

А

Выбираем трансформаторы тока типа ТШЛП-10УЗ с n_Т = 1000/5

Сопротивления трансформаторов тока: