Целью раздела "Электроснабжение и электрооборудование промышленного предприятия" выпускной квалификационной работы является систематизация, расширение и закрепление теоретических знаний по электротехнике, электрическим машинам, электроприводу и электроснабжению промышленных предприятий, а также приобретение практических навыков по решению задач, необходимых будущему специалисту.

Система электроснабжения промышленного предприятия должна обеспечивать бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией при удовлетворении требований по экономичности, надежности, безопасности, качеству электроэнергии, наличию резерва и т.п.

Выбор современного электрооборудования, проработка схемы управления, защиты, автоматизации, сигнализации электроприемников, разработка схемы электроснабжения цеха и (или) всего предприятия с использованием прогрессивных технических решений являются задачей раздела "Электроснабжение и электрооборудование промышленного предприятия" выпускной квалификационной работы.

Раздел "Электроснабжение и электрооборудование промышленного предприятия" выпускной квалификационной работы включает в себя рассмотрение следующих вопросов:

1) рассчитать нагрузку силового шкафа цеха и выбрать питающие линии к электроприемникам;

2) рассчитать нагрузку цеха, выбрать трансформаторы цеховой ТП и защитную аппаратуру;

3) рассчитать токи короткого замыкания сети 0,4 кВ;

4) рассчитать токи короткого замыкания сети 10 кВ;

5) выбрать количество и тип цеховых трансформаторов 10/0,4 кВ;

6) выбрать коммутационную аппаратуру сети 0,4 кВ и сети 10 кВ;

7) произвести расчет затрат на сооружение сети электроснабжения;

8) произвести расчет контура заземления ТП;

9) рассмотреть вопрос об применении и эксплуатации изолированных систем шин.

Исходными данными электрической части выпускной квалификационной работы являются производственное (энергетическое) оборудование и механизмы, необходимые для обеспечения технологических процессов, заданных техническим заданием, а также площадь производственных помещений цеха (предприятия), параметры установленных электроприемников, существующие схемы системы электроснабжения и т.п. Указывается объект автоматизации.

В пояснительной записке выпускной квалификационной работы электрическая часть оформляется отдельной главой. Объём и содержание графической части определяются заданием на проектирование. Графическая часть содержит схему электроснабжения предприятия (цеха).

По рекомендации руководителя выпускной квалификационной работы выполняются чертежи на листах стандартного формата А1:

электроснабжение электрооборудование управление защита

1. Расчет сети электроснабжения цеха

1.1 Исходные данные для проектирования

Таблица 4 - Исходные данные по четвертому этапу.

Первым и основным этапом проектирования системы электроснабжения промышленного предприятия является определение расчетных значений электрических нагрузок. Они не являются простой суммой установленных мощностей электроприемников. Это обусловлено неполной загрузкой некоторых ЭП, неодновременностью их работы, вероятностным случайным характером включения и отключения ЭП и т.п.

Понятие "расчетная нагрузка" следует из определения расчетного тока, по которому выбираются все элементы сети и электрооборудование.

Расчетный ток - это такой неизменный средний на 30-ти минутном интервале времени ток, который приводит к такому же максимальному нагреву проводника или вызывает тот же тепловой износ изоляции, что и реальная переменная нагрузка.

1.2.1 Расчет электрических нагрузок методом упорядоченных диаграмм

На многих предприятиях не все оборудование работает одновременно, многие станки задействованы всего несколько часов в день. Поэтому индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением, при большом количестве оборудования и соответственно большом числе устанавливаемых конденсаторов. Большинство этих конденсаторов не будут задействованы долгий период времени. Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени.

Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому использование автоматических конденсаторных установок предпочтительнее, чем нерегулируемых.

Перерасчет нагрузки

В графу 13 записывается максимальная реактивная нагрузка от силовых

ЭП узла Qрасч, кВар:

так как nэ < 10, то

Суммарные максимальные активные и реактивные нагрузки по расчетному узлу в целом для ЭП с переменным и постоянным графиком нагрузки определяются сложением нагрузок групп ЭП по формулам:

,

,

Определяется максимальная полная нагрузка силовых ЭП Sрасч. уч, кВА:

Определяется расчетный ток Iрасч, А:

Произведем расчет токов и полной мощности до установки КУ и после установки КУ.

Таблица 9 - Сводная ведомость до и после установки КУ на шинах ТП

Как видно из ведомости результат на лицо, установка КУ нам позволила:

Таблица 9 - Изменение реактивной мощности в ШС после установки КУ на ТП

Таблица 10 - Перерасчет нагрузки ШС-1

1.2.2 Расчет пиковых нагрузок ЭП

В качестве пикового режима ЭП для проверки на просадку напряжения на электроприемнике и выбора автоматических выключателей рассматривается режим пуска наиболее мощного электродвигателя и определяется пиковый ток по кабельной линии Iпик, питающей трансформаторной подстанции. Пиковый ток для группы ЭП находится как сумма токов максимального рабочего тока группы безучета тока самого мощного двигателя и пускового тока этого двигателя по формуле:

где IномАД - номинальный ток самого мощного АД, А;

Кп - кратность пускового тока самого мощного АД.

Рассчитывается ток наиболее мощного двигателя среди электроприемников ШС-1. Продольно-строгательный станок Pном = 14 кВт и после компенсаций cosц = 0,96.

Пиковый ток будет равен:

1.3 Выбор кабельных линий 0,4 кВ

Для правильного выбора для каждого помещения соответствующего исполнения сети и электрооборудование, необходимо определить, к какой категории относится данное помещение. Затем, согласно ПУЭ, выбрать для каждого помещения соответствующую марку проводов и кабелей, способ их прокладки, исполнение аппаратуры и электрооборудования.

1.3.1 Характеристика помещения

Помещение токарного цеха относят к сухим, так как относительная влажность воздуха не превышает 60% п.1.1.6 в [1]. Токарный цех - объект с сильной запыленностью, поэтому помещения относят к пыльным, в них по условиям производства выделяется технологическая пыль в таком количестве, что она может оседать на проводах, проникать внутрь машин - п.1.1.11 в [1]. Помещения невзрывоопасны, так как в них не находятся и не используются в работе вещества, образующие с воздухом взрывоопасные смеси гл.1.3 в [1]. По пожароопасности помещения токарного цеха относят к непожароопасным, так как в них отсутствуют условия, приведенные в гл.1.4 в [1].

1.3.2 Выбор способа прокладки кабельных линий в помещении цеха

Согласно [6], внутри зданий кабельные линии можно прокладывать непосредственно по конструкции зданий (открыто, в коробах и трубах), в каналах, блоках, туннелях, по фундаментам машин, шахтах, кабельных этажах и двойных полах.

Для кабельной линии от шин 0,4 кВ ТП-10/0,4 до ШС-1 выбирается способ прокладки кабеля в лотках на консолях, прикрепленными к стенам цеха, для защиты кабеля от горячей стружки при обработке деталей на станках. Данный способ прокладки отвечает перечисленным выше условиям и является наиболее оптимальным. Распределительная сеть от ШС-1 до электроприемников выполняется в стальных трубах.

1.3.3 Разработка трассы кабельной линии

Трассы кабельной линии должны выбираться с учетом наименьшего расхода кабеля и обеспечения его сохранности от механических повреждений, коррозии, вибрации. Следует избегать перекрещивания кабеля друг с другом и другими инженерными сооружениями. Вдоль стен кабели прокладываются на отметке +2,5 метра. На участке, где

возможны механические повреждения, в местах пересечения кабелями проходовони должны быть защищены по высоте на 2,0 метра от уровня пола, следовательно, прокладка кабеля в таких местах на отметке +6,2 метра. Длина кабельной линии от шин ТП 0,4 кВ до ШС-1 составляет 24 метров.

Длины от ШС-1 до зажимов ЭП приведены в таблице 1.

1.3.4 Выбор марки кабелей 0,4 кВ

На основе анализа прокладки кабеля и характеристики среды помещения цеха делается вывод о возможности использования для питания ШС 1-8 и электроприемников кабеля ВВГнг (а) - Ls-0,66 (медная токопроводящая жила, изоляция из ПВХ пластика пониженной пожароопасности, оболочка из ПВХ композиции пониженной горючести) Кабели данной марки предназначены для вертикальных, наклонных и горизонтальных трасс. Небронированные кабели могут использоваться в местах подверженных вибрации. Не распространяют горения при прокладке в пучках (нормы ГОСТ Р МЭК 332-2 категории А). Эксплуатируются в кабельных сооружениях и помещениях. Допустимый нагрев токопроводящей жилы в аварийном режиме не должен превышать +80єC c продолжительностью работы не более 8 часов в сутки и не более 1000 часов за срок службы.

Срок службы - 30 лет.

1.3.5 Выбор сечения кабелей 0,4 кВ

Выбор сечения кабелей выполняется по наибольшему длительно допустимому току нагрузки Iдоп, А

Сечение кабеля выбирается по допустимому току из условий нагрева. При прокладке в кабельном канале нескольких кабелей следует учесть их взаимное температурное влияние при определении допустимого тока.

Допустимый длительный ток вычисляется по соотношению:

где К1 - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение температуры окружающей среды от нормированной для данного кабеля (таб. П.3.5 [16]);

К2 = 0,8 понижающий коэффициент, учитывающий количество параллельно проложенных кабелей (в одном лотке проложены 4 кабеля питающие ШС-1, ШС-4, ШС-6, ШС-7).

При выборе кабеля принимается допущение о несущественном влиянии на выбор сечения температуры окружающей среды.

Допустимый длительный ток до установки КУ определяется по соотношению:

По справочным данным находится ближайшее большее сечение, выдерживающее в длительном (получасовом) режиме ток больше Iдоп.

Согласно таблице [www.ruscable.ru табл.1] это кабель сечением 50 ммІ с длительно допустимым током равным 185 А

Следует, что кабель для питания ШС-1 от ТП-10/0,4 ВВГнг (а) - Ls-0,66-3х70-1х35.

Выбор и расчет параметров кабельных линий от ТП до ШС1-8 представлен в таблице 6.

Имеется 8 шкафов, для более удобной прокладки кабельных линий разделим их на 2 группы:

· 1 группа: ШС-1, ШС-4, ШС-6, ШС-7

· 2 группа: ШС-2, ШС-3, ШС-5, ШС-8

Таблица 11 - Выбор кабельных линий от ТП до ШС для цеха №4 до установки КУ

Таблица 12 - Выбор кабельных линий от ТП до ШС для цеха №4 после установки КУ на шины ТП

1.3.6 Выбор сечения кабелей питающих электроприемники 0,4 кВ

Сечения кабеля, питающего отдельный электроприемник, выбирается по номинальному току электроприемников, исходя из условия:

Iном ? Iдоп

Ток линии, питающей отдельные электроприемники, выбираем для наиболее мощного электроприемника:

Поскольку расположение электроприемников в цехе неизвестно, предполагается, что кабели от ШС-1 до электроприемников проложены отдельно друг от друга в своей трубе.

По таблице 1.3.6 в [1] находим сечение кабеля, выдерживающего в длительном режиме ток больше А. Это кабель сечением 10 ммІ.

Аналогично произведен расчет для выбора кабелей остальных электроприемников от ШС-1. Результаты представлены в таблице 12.

Таблица 13 - Выбор кабеля от ШС-1 до ЭП

1.3.7 Проверка кабельных линий по допустимой потере напряжения

Проверка в нормальном эксплуатационном режиме.

Для определения потери напряжения на участке сети используется формула:

где Iрасч - расчетный ток получасового максимума с учетом нагрузки ШС-1, А

zкл2 - сопротивление кабеля от шин ТП-10/0,4 до ШС-1, Ом;

zкл1 - сопротивление кабеля от ШС-1 до электроприемника, Ом;

Iном. АД - номинальный ток электроприемника, А.

В качестве допущения примем напряжение на шинах ТП-10/0,4 Uном тр = 400 В.

Потеря напряжения на участке от шин 0,4 кВ ТП-10/0,4 до зажимов самого мощного электроприемника:

Допустимая величина потери напряжения:

,

Условие проверки выбранного кабеля по допустимой потере напряжения:

2,99 ? 39 В

Величина потери напряжения не выходит за допустимые пределы, следовательно, выбранные сечения кабелей соответствуют условию проверки допустимой потери напряжения в нормальном эксплуатационном режиме.

Аналогично выполняется проверка остальных кабелей 0,4 кВ. Результаты представлены в таблицах 8 и 9.

Таблица 14 - Проверка кабельных линий КЛ1 в нормальном режиме

Таблица 15 - Проверка кабельных линий КЛ2 в нормальном режиме

1.3.8 Проверка по допустимой потере напряжения при пуске наиболее мощного двигателя

Для определения потерь напряжения на участке сети в режиме пиковых нагрузок воспользуемся формулой:

где Iпик ? пиковый ток А;

zкл2 - сопротивление кабеля от шин ТП-10/0,4 до ШС-1;

Iпуск - пусковой ток электроприемника;

zкл1 - сопротивление кабеля от ШС-1 до электроприемника.

В качестве допущения примем напряжение на шинах ТП-10/0,4 Uном тр =400 В.

Предельно допустимая величина напряжения на зажимах ЭП в режиме пиковых токов:

Пуски электродвигателей бывают:

1. Тяжелый. Длительность 10-12 сек., необходимо поддерживать напряжение на зажимах электроприемника (0,95-0,9) Uном эп

2. Средний. Длительность 6-8 сек., необходимо поддерживать напряжение на зажимах электроприемника (0,85-0,9) Uном эп

3. Легкий. Длительность 2-4 сек., необходимо поддерживать напряжение на зажимах электроприемника (0,8-0,85) Uном эп

Не сблокированный конвейер имеет тяжелый пуск, следовательно на зажимах электроприемника необходимо поддерживать напряжение не ниже 0,9• Uном эп

Потеря напряжения на участке сети от шин 0,4 кВ ТП-10/0,4 до зажимов электроприемника:

Допустимая величина потери напряжения в кабельной линии:

Условие проверки:

?

9,73 В ? 58 В.

Величина потери напряжения не выходит за предельно допустимую величину.

Для остальных электроприемников проверка приведена в таблице 10.

Таблица 16 - Проверка потерь напряжения в пиковом режиме

1.4.3 Расчет нагрузочного тока КТП-10/0,4 и секции шин РУ-0,4 кВ

Рассчитаем суммарный нагрузочный ток ТП-10/0,4 на стороне низшего напряжения подстанции 0,4 кВ:

где Uнн - номинальное вторичное напряжение трансформатора, кВ.

На стороне высокого напряжения ТП 10/0,4 значение нагрузочного тока равняется:

Где Uвн - номинальное первичное напряжение трансформатора, кВ.

Общую нагрузку по трансформаторной подстанции требуется разделить двумя секциями шин так, чтобы оба трансформатора были равномерно загружены.

Разделим суммарный нагрузочный ток ТП-10/0,4, пополам:

С учетом коэффициента неравномерности = 1,2 определим нагрузочные тока для секций шин РУ 0,4 кВ.

Секция шин 1и 2:

,

Одним из главных элементов КТП являются шины, которые делятся на главные (сборные) и ответвительные и изготовляются из меди, алюминия или его сплавов и стали. Шины выполняются плоскими и устанавливаются плашмя или на ребро. Сечение шин выбирают в зависимости от тока нагрузки с проверкой устойчивости по току КЗ.

Установившаяся температура нагрева контактных и цельнометаллических соединений выводов аппаратов с внешними проводниками из меди, алюминия и их сплавов при номинальном режиме работы не должна превышать 95є С в установках на напряжение до 1 кВ.

Электрическое сопротивление сварных и паяных контактных соединений должно оставаться неизменным; для разборного контакта в условиях эксплуатации допускается увеличение сопротивления в 1,5 раза по сравнению с начальным.

Согласно полученному рабочему току А выбирается по АД31-Т однополюсные шины, выполненные из алюминия сечением 80х6 с длительно допустимым током равным 1150 А.

где - ток КУ номинальный, указан в таблице

- номинальная полная мощность трансформатора, кВА.

Таким образом, максимальный рабочий ток в случае временной допустимой перегрузки трансформатора, c подсоединенным КУ к шинам, составляет на 1 секции 1042,83 А и на 2 секции 902,1 А, и теперь, нам необходимо выбрать алюминиевые шины большего сечения. Выбираем шины на обе секции АД31-Т с сечением 80х6 с длительно-допустимым током равным 1150 А.

1.4.4 Выбор защитной аппаратуры КТП - 10/0,4 кВ.

Комплектация КТП определяется заводом изготовителем и при проектировании системы электроснабжения приходиться проверять возможность их применения в конкретной схеме и при заданных режимах работы.

Электрические аппараты работают в трех основных режимах: длительном номинальном режиме, в режиме перегрузки (с повышенной нагрузкой, которая для некоторых аппаратов достигает значений до 1,4 номинальной) и в режиме короткого замыкания.

При выборе аппаратов следует обязательно учитывать род установки, температуру окружающей среды, влажность и загрязненность, высоту установки аппаратов над уровнем моря. Произведем выбор следующих автоматических выключателей: АВ1 - вводные автоматические выключатели к секциям шин 1 и 2. АВ2 - секционный выключатель, АВ3 - автоматический выключатель на отходящую линию от КТП до ШС-1.

Номинальное напряжение выключателя не должно быть ниже напряжения сети:

где - номинальное напряжение автоматического выключателя, В;

- номинальное напряжение установки, В.

где - номинальный ток автоматического выключателя, А;

- расчетный ток установки, А.

Номинальный ток расцепителя должен быть больше пикового тока нагрузки, длительно протекающего по защищаемому элементу.

Результат выбора автоматических выключателей представлен в таблице 16.

Таблица 16 - Выбор автоматических выключателей 0,4 кВ

Паспортное значение тока срабатывания отсечки Iс. о=10Iном авт

1.4.5 Выбор защитной аппаратуры линий потребителей 0,4 кВ

Силовые шкафы цеха выполненные на базе ШРС-1 предназначены для приема и распределения электрической энергии в трехфазных сетях переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 380 В. Шкафы рассчитаны на номинальный ток до 400 А и обеспечивают защиту отходящих линий автоматическими выключателями серии ВА.

Автоматические выключатели выбираются по параметрам нормального режима и проверяются из условия пиковых режимов и режимов коротких замыканий Соответствие номинального напряжения автоматического выключателя номинальному напряжению сети:

где - номинальное напряжение автоматического выключателя согласно таблице П.6.2 в [16], В; - номинальное напряжение сети, В.

Соответствие номинального тока автоматического выключателя расчетному току защищаемой цепи:

где - номинальный ток автоматического выключателя, А;

- максимальный расчетный ток цепи, защищаемой автоматом, А.

Тепловой расцепитель автоматического выключателя выбирают из условия отстройки от рабочих и пиковых токов электроприемников.

Для электрических цепей электродвигателей и смешанной нагрузки:

где - пиковый ток одного электродвигателя, группы электродвигателей или смешанной нагрузки, А.

Электрический расцепитель автоматического выключателя выбирают из условий отстройки от пиковых токов электроприемников:

где - ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А;

- коэффициент надежности отстройки.

где 1,05 - коэффициент, учитывающий отклонение номинального напряжения электроприемника на 5% выше в нормальном режиме;

- коэффициент запаса, принимается равным 1,1 [16];

- коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей в пиковом токе электроприемника равный 1,4;

- коэффициент, учитывающий возможный разброс тока срабатывания отсечки относительно уставки. Принимается по каталожным данным. Для автоматических выключателей общего применения серий ВА равняется 1,4-1,5 [16].

Следовательно, для защиты цепей с двигательной нагрузкой:

Проверка эффективности защиты электрических цепей от перегрузки.

Защита от перегрузки будет эффективна, если выполняются условия:

где - ток срабатывания от перегрузки, А;

- длительно допустимая электрическая нагрузка проводников электрической цепи, А. [1].

Ток срабатывания от перегрузки определяется по каталожным данным автоматических выключателей.

Расчет и выбор автоматических выключателей представлен в таблице 17.

Таблица 17 - Выбор автоматических выключателей ЭП

Основные соотношения при выборе Iпик /К

Iпд - пусковой ток двигателя

К - коэффициент, равный для двигателей с легким пуском 2,5

Iпик /К

К - коэффициент, равный для двигателей с тяжелым пуском 1,6…2.

Iпд - определяется по паспорту, каталогам или непосредственным измерением

118,5/1,6=74,06А

Автоматы имеют несколько характеристик, самыми распространенными из которых являются:

Тип B - величина тока срабатывания электромагнитного расцепителя кратности k = 3 - 6. Для бытового применения, где ток нагрузки невысокий и ток КЗ может попасть в зону работы теплового, а не электромагнитного расцепителя.

Тип C - величина тока срабатывания электромагнитного расцепителя кратности k = 5 - 10. Для бытового и промышленного применения: для двигателей со временем пуска до 1 с, нагрузок с малыми индуктивными токами (холодильных машин и кондиционеров).

Тип D - величина тока срабатывания электромагнитного расцепителя кратности k > 10. Применяется для мощных двигателей с затяжным временем пуска.

1.5 Расчет токов коротких замыканий на стороне 0,4 кВ

Значительные по амплитуде токи короткого замыкания представляют большую опасность для всех элементов электрической системы, так как вызывают чрезмерный нагрев токоведущих частей и создают большие механические усилия.

Последствия воздействия токов короткого замыкания проявляются:

в резком увеличении токов в ветвях системы, особенно в месте КЗ;

в значительном снижении напряжения в узлах ЭС;

в искажении симметрии напряжений и токов при несимметричных коротких замыканиях, в результате которого увеличивается электромагнитное и электростатическое влияние линий электропередачи на линии связи и другие объекты;

в тепловом действии токов КЗ, приводящим к повреждению изоляции;

в динамическом действии токов КЗ, в появлении механических усилий, повреждающих конструкцию машин и аппаратов.

Для расчета составим однолинейную схему электроснабжения цеха, со всеми приведенными элементами, участвующими в снабжении электроприемника.

Рисунок - 2 Схема сети с точками КЗ

1.5.1 Схема замещения и определение параметров цепи

Составим эквивалентную схему замещения и определим ее параметры.

Рисунок 3 - Схема замещения сети 0,4 кВ

Точки расчета короткого замыкания:

К1 - для проверки кабельной линии КЛ1 и автоматов приемников;

К2 - для проверки кабельной линии КЛ2 и автомата отходящей линии;

К3 - для проверки вводного автомата секции.

Параметры элементов.

Трансформатор ТП-10/0,4:

В КТП установлен трансформатор ТМГ-400/10 со схемой соединения обмоток ?/Y0. Параметры трансформатора приведены к классу напряжения 0,4 кВ и взяты из таблиц П.4.2 в [5].

= =5,6 Ом = 55,6 мОм

= =17,1Ом =148,7 мОм

Сборные шины:

Шины щитовой цеха выполнены из шин типа АД-31Т 80x6с небольшим запасом по допустимому току. Их параметры взяты из http://www.websor.ru/shina.html.

= 0,029 мОм

= 0,014 мОм

= 0,077 мОм

= 0,182 мОм

Эквивалентные сопротивления сборных шин

= = • l

где l - общая длина шин, м.

= = 0,029 • 5 = 0,145мОм

= = • l

= = 0,014 • 5 = 0,075 мОм

= • l

= 0,077 • 5 = 0,385 мОм

= • l

= 0,182 • 5 = 0,91мОм

Автоматические выключатели:

Параметры выбранных выключателей определены согласно [8] и приведены в таблице 18.

Таблица 18 - Значения активных и индуктивных сопротивлений выключателей.

Расчет параметров кабельных линий КЛ1 и КЛ был произведен ранее при выборе кабеля и проверки его по потере напряжения.

Выбор сопротивления автоматических выключателей взят http://forca.ru/info/spravka/soprotivlenie-avtomaticheskih-vyklyuchatelei.html

1.5.2 Расчет токов короткого замыкания в точке К3

Ток металлического трехфазного короткого замыкания в точке К3:

где = 0,4 кВ - номинальное напряжение на зажимах НН трансформаторов;