Проектирование систем электроснабжения промышленных предприятий

Расчет нагрузок цехов

Расчет нагрузок по цехам отличается от расчета по ШС тем, что при отсутствии полного перечня мощностей ЭП, эффективное число n_Э определяем по упрощенному выражению:

; (12)

Расчетный коэффициент k_р по известным k_и и n_Э находим по таблице 2 [1] или по таблице 1 при P_ср<260 кВт.

Расчетные мощности определяем по формулам:

P_р = К_рK_иP_н = К_рP_с.р; (13)

Q_р = К_рК_иP_нtg = К_рQ_с.р= Р_рtg, при любом n_Э; (14)

Нагрузки от синхронных электродвигателей привода механизмов рассчитываем аналогично с учетом следующего: реактивная мощность определяется не по средневзвешенному tg, а по tg_н, соответствующему cos_н. При этом значения Q_p = Q_с.р. заносятся со знаком «минус», так как синхронные двигатели являются источниками реактивной мощности.

Расчет нагрузок по предприятию ведем в следующей последовательности.

Суммируем значения P_н, Р_cр, Q_cр. Определяем групповой коэффициент использования:

. (15)

Определяем число присоединений на сборных шинах ГПП. Так как схема электроснабжения еще не разработана, принимаем N в диапазоне 8-25 для ГПП. По найденному групповому k_и = 0,5 и числу присоединений N определяем значение коэффициента одновременности k_о = 0,9 по таблице А3 [4]. Расчетные мощности Р_р и Q_P определяем по выражениям:

(16)

(17)

(18)

;

;

кВА.

Результирующую нагрузку на стороне ВН по предприятию определяем с учетом средств компенсации реактивной мощности и потерь мощности в цеховых трансформаторах.

кВт; (19)

квар; (20)

кВА. (21)

кВт;

квар;

кВА.

Потери в трансформаторах определяем в целом по заводу. Расчёт ведем по упрощенным формулам:

Р_т^/ = 0,02S^/_р; (22)

Q_т^/ = 0,1S^/_p ; (23)

где S^/_р - расчетная мощность нагрузки , питающейся через трансформаторы.

Р_т^/ = 0,0210535= 210,7 кВт;

Q_т^/ = 0,110535= 1053,5 квар;

Активные и реактивные потери в трансформаторах суммируем со среднерасчётными и расчётными нагрузками по заводу.

P_p.пр = Р_р + Р = 9581 + 210,7 = 9791,7 кВт; (24)

Q_p.пр = Q_p + Q = 7342,5+ 1053,5 = 8396 квар; (25)

кВА. (26)

Результаты расчетов сводим в таблицу 5.

Таблица 5 - Расчет электрических нагрузок по предприятию

Картограмма

Центр электрических нагрузок (ЦЭН).

Картограмма нагрузок дает первое представление о распределении нагрузок по территории предприятия, а так же о структуре нагрузок. Интенсивность распределения нагрузок электроприемников изображается при помощи окружности. Радиус окружности связан с расчетной мощностью приемника электроэнергии:

(27)

где r - радиус круга;

Р_р - средняя активная мощность за наиболее загруженную смену (для цеха);

m - масштаб. Принимаем масштаб .

Каждый круг разделяем на секторы, центральные углы которых пропорциональны осветительной и силовой нагрузкам:

, (28)

где - центральный угол, пропорциональный осветительной нагрузке;

Р_0,4кВ - расчетная нагрузка на стороне низкого напряжения;

Р_р - расчетная активная мощность (для цеха).

В качестве центра круга выбираем центр электрической нагрузки приемника электроэнергии, соответствующей геометрическому центру цеха.

С целью определения наиболее эффективного места расположения главной понизительной подстанции предприятия, находим центр активных нагрузок нагрузок.

Центр активных электрических нагрузок определяем по формулам:

; (29)

; (30)

где X_А , Y_А - координаты центра активных электрических нагрузок, мм;

мм;

мм;

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6 - Расчет картограммы цехов

Подстанции максимально приближаем, насколько это позволяют производственные условия, к центру активных нагрузок соответствующих групп потребителей электроэнергии. Приближение подстанции позволяет построить экономичную и надежную систему электроснабжения, так как сокращается протяженность сетей вторичного напряжения, уменьшаются потери энергии и отклонения напряжения; уменьшается зона аварий; облегчается и удешевляется развитие электроснабжения.

3. Выбор напряжения электроснабжения

Выбор напряжения питания зависит от мощности, потребляемой предприятием, его удалённости от источника питания, напряжений, имеющихся на источнике питания, типа оборудования, установленного на предприятии, технико-экономических показателей.

Для приближённого определения рационального напряжения воспользуемся формулой Илларионова:

; (31)

где - расстояние до источника питания, км;

Р - передаваемая мощность, МВт.

По данным об источниках питания при МВт просчитываем два варианта:

1) кВ, кВ;

кВ.

1) кВ, км;

кВ

Принимаем напряжение источника питания 110 кВ - как более рациональное выгодное.

Напряжение внутризаводского электроснабжения принимаем 10 кВ, так как на предприятии присутствуют высоковольтные СД на 10 кВ.

Напряжение внутрицехового электроснабжения обусловлено типом основных электроприёмников предприятия и осветительной нагрузки. Поэтому принимаем наиболее выгодную систему напряжения 380/220В.

4. Выбор количества и мощности трансформаторов цеховых подстанций

Выбор места расположения, числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций (ТП) производим исходя из категории надёжности электроснабжения потребителей, расчётной нагрузки и условий окружающей среды. На выбор мощности трансформаторов также влияет удельная плотность нагрузки объекта (цеха). При проектировании ТП допускается объединять объекты с небольшими нагрузками и присоединять их на одну подстанцию, размещаемую у потребителя наибольшей мощности.

Целесообразность объединения проверяем условием:

кВА·м. (32)

где S_р - полная расчётная мощность объекта (цеха), кВА;

- расстояние от нагрузки до подстанции, м.

Расчёт числа и мощности трансформаторов в цеховых ТП сведен в таблицу 7. Расчётную полную мощность (S_р) берём из таблицы 5.

Удельную плотность нагрузки объекта (цеха) определяем по формуле:

. (33)

Для склада металла №1:

.

Номинальную мощность трансформатора определяем по формуле:

, (34)

где N - количество трансформаторов;

k_з - коэффициент загрузки трансформатора.

Для ТП №1:

.

Принимаем ТП 2Ч1600 кВА.

Затем просчитываем фактический коэффициент загрузки по формуле:

(35)

Затем просчитываем фактический коэффициент загрузки при аварийной перегрузке трансформатора по формуле:

(36)

где k_1,2 - доля электроприемников I и II категории в расчетной нагрузке;

Расчет трансформаторов других цехов производим аналогично, сводим в табл.7

Таблица 7 - Выбор трансформаторов цеховых подстанций

5. Компенсация реактивной мощности на предприятии

Компенсация реактивной мощности на предприятии является одним из основных способов сокращения потерь электроэнергии.

Для расчёта необходимой мощности компенсирующих устройств, необходимо знать полную расчётную мощность , и по предприятию с учётом потерь мощности в трансформаторах цеховых подстанций.

Потери мощности в трансформаторах ГПП можно определить по приближенным формулам:

P_т.гпп = 0,007S_p (37)

Q_т.гпп = 0,09S_p (38)

кВт;

квар;

Уточняем расчетную нагрузку завода на границе раздела между предприятием и энергоснабжающей организацией

; (39)

; (40)

= 7933 + 64,19 = 7997,19 кВт;

= 4600 + 825,31 = 5425,31 квар.

Определяем значения входной реактивной мощности, то есть разрешённой мощности передаваемой из сети энергосистемы в сеть предприятия в режиме наибольших активных нагрузок энергосистемы:

(41)

где - экономически нормативное значение коэффициента мощности (при питании на напряжении 35 кВ, ).

квар.

Вычисляем необходимую мощность компенсирующих устройств (КУ) в целом для предприятия:

 (42)

квар.

Производим распределение компенсирующих устройств (КУ) по подстанциям завода.

Поскольку высоковольтную нагрузку предприятия составляют только СД, то компенсацию производим только на стороне 0,4 кВ.

Распределяем конденсаторные батареи между цехами пропорционально потребляемой ими реактивной мощности:

; (43)

Расчет КУ на ТП 1:

квар;

Устанавливаются 2ЧУКМ-0,4-300.

Уточняем расчётную нагрузку ТП 1 и определяем фактический коэффициент загрузки трансформаторов:

; (44)

Результаты расчетов заносятся в таблицу 8.

Таблица 8 - Расчет компенсирующих устройств.

Суммарная мощность КУ установленных на ТП:

квар;

2300 > 2226,43 квар.

Параметры силовых трансформаторов ТП заносятся в таблицу9.

Таблица 9 - Параметры силовых трансформаторов ТП.

6. Выбор мощности трансформаторов ГПП

Выбор мощности трансформаторов ГПП производим на основании расчётной нагрузки предприятия.

Принимаем к установке на ГПП два силовых трансформатора, так как есть наличие цехов с электроприкмниками первой категории надежности. Мощность каждого из них определяем по формуле:

; (45)

Для потребителей I-II категории .

кВА.

Из ряда номинальных мощностей выбираем ближайшее стандартное значение мощности трансформатора: S_н.т = 6300 кВА.

Фактический коэффициент загрузки равняется:

.

Проверяем на допустимую перегрузку в послеаварийном режиме:

;

1,05 < 1,3.

Окончательно принимаем к исполнению одну двухтрансформаторную подстанцию с трансформаторами мощностью 6,3 МВА.

Из справочника [3] выбираем тип трансформаторов для ГПП. Их параметры заносим в таблицу 10.

Таблица 10 - Параметры трансформаторов ГПП.

7. Выбор схемы электроснабжения предприятия

Так как напряжения внешнего и внутреннего электроснабжения не совпадают, и завод находится в удалённости от источника питания, то на предприятии сооружаем одну главную понизительную подстанцию (ГПП). Питание ГПП от источника напряжением 35 кВ выполняем по схеме «два блока линия-трансформатор с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линии». На ГПП устанавливаем два двухобмоточных трансформатора. Распределение электроэнергии по заводу производим на одной рабочей секционированной системе шин по радиально-магистральной схеме. Двухтрансформаторные цеховые ТП запитываем от разных секций ГПП.

Цеховые ТП-3; ТП-4 и ТП-5; ТП-6 и СД 10 кВ запитаны от шин ГПП по радиальной схеме, ТП-1 и ТП-2 - по магистральной схеме.

8. Расчет токов короткого замыкания

Расчёт токов короткого замыкания (КЗ) необходим для выбора и проверки по отключающей способности и на динамическую стойкость коммутационных аппаратов, на стойкость к токам КЗ кабельных линий и измерительных трансформаторов, для расчёта токов срабатывания и коэффициентов чувствительности релейной защиты.

Расчёт токов трёхфазного КЗ производим в следующих характерных точках:

1. на вводах высшего напряжения трансформатора ГПП (точка К1);

2. на стороне низшего напряжения ГПП, за выключателем пассивного элемента (точка К2).

а) б)

Рисунок 2 - Схема для расчета токов короткого замыкания: а) расчетная схема, б) схема замещения.

Расчетные формулы для определения параметров схемы замещения различных элементов системы электроснабжения приведены в [2].

Данные для расчёта токов КЗ: км, МВА.

Выбираем базисные условия: МВА;

Расчитываем для каждой ступени базисное напряжение:

кВ;

кВ.

Определяем базисные токи:

 ; (46)

кА;

; (47)

.

Определяем сопротивления элементов схемы замещения в относительных единицах.

Сопротивление системы:

(48)

Сопротивление воздушной линии электропередач:

(49)

Сопротивление трансформатора:

(50)

.

Определяем ток КЗ в точке К1:

(51)

где ;

кА.

Определяем значение ударного тока короткого замыкания в точке К1:

(52)

где ударный коэффициент, принимаем по таблице Д1 [1]

кА.

Значения токов КЗ в точке К2 определяем с учётом подпитки от синхронных двигателей.

Определяем ток КЗ от энергосистемы:

(53)

кА.

Определяем ток подпитки от синхронных двигателей:

(54)

где

(55)

где число двигателей;

номинальная мощность двигателя, кВт.

А;

кА;

Действующее значение тока КЗ в точке К2:

(56)

кА.

Определяем значение ударного тока короткого замыкания в точке К2:

(57)

кА.

9. Выбор и проверка оборудования на ГПП

В соответствии с принятой схемой присоединения ГПП к питающим линиям, а также схемой распределительной сети, выбираем высоковольтное оборудование. Выбор оборудования производим по номинальным параметрам: напряжению и току, а его проверку осуществляем по току послеаварийного режима, по отключающей способности к токам короткого замыкания, по динамической и термической стойкости к токам КЗ. Каталожные данные берём из [3] и [5].

Выбор и проверка оборудования на стороне 35 кВ

Для выбора оборудования на стороне 35 кВ определяем максимальный рабочий ток силового трансформатора по формуле:

, (58)

А.

Данные выбора заносим в таблицу 11.

Таблица 11 - Выбор оборудования 35 кВ.

Выбор оборудования на стороне 10 кВ.

Выбор оборудования на стороне 10 кВ начинаем с выбора ячеек комплектного распределительного устройства (КРУ) по значениям рабочих максимальных токов, а также по номинальному напряжению. Проверяем КРУ на термическую и электродинамическую стойкость. Данные выбора заносим в таблицы 12, 13.

Определяем рабочий максимальный ток для:

ввода:

, (59)

А;

секционного выключателя:

А; (60)

отходящих линий:

ГПП - СД:

; (61)

А;

с наибольшей нагрузкой (ГПП - ТП-1):

А;

с наименьшей нагрузкой(ГПП - ТП-3):

А.

Таблица 12 - Выбор КРУ 10 кВ.

Таблица 13 - Выбор выключателей для КРУ.

Трансформаторы тока выбираем по номинальному току и напряжению и проверяем их на электродинамическую и термическую стойкость к токам КЗ.

Кроме того, для выбора трансформаторов тока рассчитываем мощность вторичной нагрузки. При определении этой нагрузки учитываем нагрузку от сопротивлений приборов (амперметров, счётчиков активной и реактивной мощности), соединительных проводов и переходного сопротивления контактов. Расчёт мощности нагрузки приборов сводим в таблицу 13.

Определяем номинальную мощность нагрузки вторичной обмотки:

(62)

где - суммарное расчётное сопротивление вторичной цепи;

(63)

где суммарное сопротивление приборов, Ом;

сопротивление проводов, Ом;

сопротивление контактов, Ом.

(64)

где суммарная мощность приборов, подключенных ко вторичной обмотке трансформаторов тока.

Таблица 14 - Расчёт мощности нагрузки приборов в вода.

Ом;

Для подключения приборов по условию механической прочности выбираем алюминиевый провод сечением , удельное сопротивление . Длина провода для вводных ячеек , для отходящих линий

Определяем сопротивления проводов:

 (65)

где длина провода, м;

сечение провода, мм².

Для ввода:

Ом;

для отходящих линий:

Ом;

Сопротивление контактов: Ом.

Тогда суммарное расчётное сопротивление и расчётная мощность нагрузки вторичной цепи трансформатора тока определятся:

для ввода:

Ом;

ВА;

для отходящих линий:

Ом;

ВА.

Результаты расчётов и выбора трансформаторов тока сводим в таблицу 15.

Таблица 15 - Выбор трансформаторов тока на стороне 10 кВ.

Выбор измерительных трансформаторов напряжения производим по номинальному напряжению, классу точности, исполнению, конструкции, схеме соединения обмоток и вторичной нагрузке, определяемой мощностью, потребляемой катушками электромагнитных приборов, подключенных к трансформатору (2 вольтметра, 2 реле напряжения, катушки напряжения счётчиков активной и реактивной мощности).

Расчёт суммарной вторичной нагрузки трансформаторов напряжения сводим в таблицу 16.

Таблица 16 - Расчёт мощности нагрузки приборов

С учётом рассчитанных суммарных нагрузок, напряжения сети и класса точности 0,5 выбираем трансформатор напряжения типа НАМИ-10. Параметры выбранного трансформатора напряжения заносим в таблицу 17.

Таблица 17 - Технические данные трансформатора напряжения.

Определяем потерю напряжения в соединительных проводах. Согласно ПУЭ для расчётных счётчиков она не должна превышать 0,25%.

(66)

(67)

(68)

где сопротивление провода, Ом;

удельное сопротивление провода, Ом·м;

длина провода, м;

площадь сечения провода, м²;

мощности приборов, включенных во вторичную цепь трансформаторов напряжения, ВА.

Для алюминиевых проводов:. Принимаем , тогда:

Ом;

А;

%;

Так как 0,115% < 0,25%, то трансформатор напряжения и сечение соединительных проводов выбраны правильно.

Для питания электроприемников собственных нужд ГПП принимаем трансформатор ТМ-25/10.

Для защиты от аварийных режимов трансформаторов собственных нужд и трансформаторов напряжения устанавливаем предохранители.

Используем предохранители ПКН 001-10У3 для трансформаторов напряжения.

Для ТСН рассчитываем значение максимального рабочего тока:

А.

Результаты выбора сводим в таблицу 18.

Таблица 18 - Выбор предохранителей на стороне 10 кВ.

Выбор выключателей нагрузки для цеховых трансформаторных подстанций S_т=1600 кВА.

Таблица 19 - Выбор выключателей нагрузки.

ВНР-10/400 10зУ3 - выключатель нагрузки с пружинным проводом и усиленной контактной системой.

10. Выбор сечения проводников питающих и распределительных сетей

Выбор осуществляем по экономической плотности тока, по нагреву длительным расчётным током, током послеаварийного режима и по нагреву от кратковременного выделения тепла током КЗ.

Определяем расчётные токи:

для линии (ГПП - ТП-1):

А; (69)

А;

Определяем ток послеаварийного режима для кабеля, питающего ТП-1:

А; (70)

Принимаем ближайшее большее стандартное значение тока допустимого А и сечением жил кабеля 95 мм²;.

По экономической плотности тока кабель выбираем по формуле:

(71)

где экономическая плотность тока.

для линии (ГПП - ТП-1):

мм²;

Принимаем ближайшее стандартное значение сечения жил кабеля 120 мм²

Определяем минимальное сечение кабеля по термической стойкости

(72)

где приведённое время действия тока КЗ, с;

с;

коэффициент теплового импульса;

для отходящих линий к ТП-1:

Принимаем ближайшее стандартное значение сечения жил кабеля 50 мм².

Окончательно принимаем: для линии (ГПП - ТП-1) два кабеля с сечением жил 3Ч120 мм² с А.

Кабели для остальных отходящих линий выбираем аналогично. Выбор кабелей сводим в таблицу 20.

Таблица 20 - Выбор сечения кабелей 10 кВ.

11. Выбор элементов силовой сети участка точного литья

Расчёт и выбор элементов силовой сети участка точного литья производим на основании выполненных расчётов нагрузок и выбранной схемы электроснабжения. Питание участка точного литья осуществляется от подстанции, которая является пристроенной к зданию участка точного литья. Питание ШС будем осуществлять от трансформаторной подстанции с помощью кабелей.

Выбираем провода и кабели, питающие электроприемники. Выбор производим по условию:

(73)

Определяем номинальный ток для кран балки (поз. 1)

, (74)

А.

По найденному номинальному току выбираем сечение провода: АПВ 4(1Ч10) с А. Диаметр стальных труб, в которых проложен провод: Т25.

Выбираем аппараты защиты. Так как в цехе электроприемники представлены преимущественно двигательной нагрузкой, то для защиты таких сетей предпочтение отдаём автоматическим выключателям с комбинированными расцепителями.

Определяем номинальный ток расцепителя по условию:

 (75)

Для автоматического выключателя круглошлифовального станка номинальный ток расцепителя определится:

А.

По шкале номинальных токов расцепителей принимаем ближайшее значение: 40 А. Допустимый ток провода должен быть согласован с номинальным током расцепителя автоматического выключателя по условию:

(76)

Получаем:

Условие не выполняется, поэтому окончательно принимаем провод АПВ 4(1Ч16) с и диаметр трубы Т32 автоматический выключатель А3710Б с номинальным током 160 А и номинальным током расцепителя 40 А. Выбор сечения проводов и автоматических выключателей сводим в таблицу 21.

Таблица 21 - Выбор проводников и аппаратов защиты.

Для проверки на динамическую стойкость выбранных аппаратов защиты, а также распределительных пунктов и шинопроводов, производим расчёт токов короткого трехфазного замыкания.

Расчет токов короткого замыкания начинаем с составления расчетной схемы до точки КЗ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для трансформатора мощностью 1600 кВА, питающего участок точного литья, определяем номинальный ток:

А. (77)

Принимаем трансформатор тока ТШЛ - 10, k_I = 3000/5.

Номинальный ток расцепителя автоматического выключателя определяем из условия:

(78)

А.

Принимаем ток автоматического выключателя А3790Б (QF1) 3000 A.

Условно принимается длина кабельной линии - 40 м, длина проводной линии от ШС до ЭП, с учетом, что ШС расположена на высоте 2,5 м принимаем 4 м.

Сопротивления элементов схемы замещения сводим в таблицу 22

Таблица 22 - Сопротивления элементов схемы.

Ток трёхфазного КЗ определяем по формуле:

(79)

кА.

Определяем ударный ток КЗ:

(80)

кА.

Проверяем на динамическую стойкость ШС:

(81)

Принимаем ШС1 и ШС2 - ШРА4-250-44-IУ с i_дин = 15 кА.

15 кА < 15,45 кА.

ШС не проходит по условию динамической стойкости.

Окончательно принимаем ШРА4-400-44-IУ с i_дин = 25 кА.

Далее для проверки коммутационно-защитной аппаратуры на надёжность срабатывания производим расчёт однофазного КЗ у наиболее мощного из наиболее удалённых ЭП. Для этого оставляем схему замещения (рисунок 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для расчёта тока однофазного КЗ определяем сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей элементов схемы замещения и сводим в таблицу 23.

Таблица 23 - Расчёт сопротивлений схемы замещения.

Находим ток однофазного КЗ:

(82)

кА.

Проверяем на надёжность срабатывания автоматический выключатель по следующему условию:

(83)

3•63 А ? 850 А;

Автоматический выключатель удовлетворяет условию надёжности срабатывания.

12. Выбор защит трансформаторов ГПП и расчёт отходящей линии

Защиты трансформаторов ГПП

Для силовых трансформаторов должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и ненормальных режимов работы:

многофазных замыканий в обмотках и на выводах;

однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью;

витковых замыканий в обмотках;

токов в обмотках, обусловленных внешними КЗ;

токов в обмотках, обусловленных перегрузками;

понижения уровня масла.

Применяем следующие виды защит:

Продольная дифференциальная защита. Эта защита предназначена для защиты от повреждений на выводах и от внутренний повреждений трансформатора.

Газовая защита. Эта защита защищает трансформатор от повреждений внутри кожуха и от понижений уровня масла в трансформаторе.

Максимальная токовая защита. Эта защита устанавливается со стороны основного питания, и она защищает трансформатор от токов, обусловленных внешними многофазными короткими замыканиями.

Специальная токовая защита нулевой последовательности. Она осуществляет защиту от однофазных КЗ.

Защита кабельной линии от ГПП до ТП6

Защита кабельной линии, питающей ТП6 выполняется двухступенчатой: первая ступень токовая отсечка (ТО), вторая - максимальная токовая защита (МТЗ) с зависимой от тока характеристикой выдержки времени. Дополнительно к токовым защитам устанавливается защита от замыканий на землю с действием на сигнал. Защита выполняется с использованием микропроцессорного устройства УЗА-10. Расчет ведем для кабельной линии ГПП-ТП6.

1) ток срабатывания отсечки определяется по большему из условий: