Реферат: Электроснабжение электромеханического цеха

2.7 Релейная защита

2.7.1 Назначение релейной защиты

В процессе эксплуатации системы электроснабжения возникают повреждения отдельных её элементов. Наиболее опасными и частыми видами повреждений являются КЗ между фазами электрооборудования и однофазные КЗ на землю в сетях с большими токами замыкания на землю. В электрических машинах и трансформаторах могут возникать также витковые замыкания. Вследствие возникновения КЗ нарушается нормальная работа системы электроснабжения, что создает ущерб для промышленного предприятия.

При протекании токов КЗ элементы системы электроснабжения подвергаются термическому и динамическому действию. Для уменьшения размеров повреждения и предотвращения развития аварии устанавливают совокупность автоматических устройств, называемых релейной защитой.

2.8.2 Классификация реле

Реле делятся на основные и вспомогательные. Основные реле реагируют на возникновения повреждения или ненормального режима, а вспомогательные по команде первых производят отключение выключателя или другие операции, возложенные на данную защиту. Для защиты от не нормальных режимов и КЗ используют реле тока и напряжения. К числу вспомогательных реле относятся: реле времени, для замедления времени защиты; реле указательные для сигнализации действия защиты; промежуточные реле, передающие действие основных реле на отключение выключателя.

Также реле подразделяют на первичные и вторичные. Обмотка первичных реле включается непосредственно в защищаемую цепь, а обмотка вторичных – через измерительный трансформатор.

Также подразделяют на реле прямого и косвенного действия. В реле прямого действия, используемом в устройстве защиты, подвижная система механически связана с отключающим устройством выключателя. Реле косвенного действия не имеет механической связи с отключающим устройством выключателя.

2.8.3 Составление схемы релейной защиты

Схема изображенная на рисунке 2.8. имеет реле типа РТМ токовой отсечки и реле МТЗ типа РТВ прямого действия на ВН. Для защиты от междуфазных КЗ принимается схема соединения ТТ и вторичной нагрузки (реле) – на разность токов двух фаз. Замыкание одной фазы на землю контролирует УКИ с включением сигнализации при нарушении.

2.8.4 Выбор токового трансформатора

1) Определяем ток в линии ЭСН

,

где S_т – мощность силового трансформатора, МВА; U₁ – напряжение на высокой стороне силового трансформатора.

Принимаем к установке в РЗ трансформаторы тока типа ТПЛ-10 с I₁=10 А и I₂=5 А в количестве 2-х штук

2) Определяем коэффициент трансформации

3) Выбираем реле ТО типа РТМ.

Определяем ток срабатывания реле на токовую отсечку при КЗ

,

где I_мах – максимальный ток нагрузки, k_сх – коэффициент схемы, k_в – коэффициент возврата реле. Выбираем реле типа РТМ с номинальным током срабатывания I_ср=40 А.

4) Определяем надежность срабатывания реле токовой отсечки.

Реле токовой отсечки будет работать надежно, если коэффициент чувствительности его будет больше 1,2

,

где I_кз⁽²⁾ – ток 2-х фазного короткого замыкания, k_I – коэффициент трансформации токового трансформатора.

K_ч > 1,2 – защита будет работать надежно.

5) Для защиты трансформатора от перегрузок выбираем реле МТЗ типа РТВ.

Определяем ток срабатывания реле

,

где k_зап – коэффициент самозапуска ЭД, k_н – коэффициент надежности отстройки, учитывающий погрешности реле и ТТ

Выбираем реле типа РТВ – II с номинальным током срабатывания I _ср=12,5 А.

6) Определяем k_ч(мтз) и надежность срабатывания МТЗ

Условие надежности выполнено (k_ч(мтз)> 1,2)

2.8.5 Схема защиты трансформатора приведена на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 Схема защиты трансформатора:

КА1, КТ1 – МТЗ от перегрузок; КА2, КА3 – МТЗ от междуфазных КЗ; КА4, КА5, КА6, КТ2 – МТЗ от внешних КЗ; КА7, КТ3 – МТЗ нулевой последовательности от однофазных КЗ; 1 – на сигнал; 2 – к приборам.

2.8 Расчет заземляющих устройств

2.8.1 Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение какой- либо части электроустановки с заземляющим устройством для обеспечения электробезопасности. Задачей защитного заземления является снижение до безопасной величины напряжений заземления, прикосновения и шаговое.

Заземляющее устройство состоит из заземления заземляющих проводников. В качестве заземлений используются естественные заземлители: водопроводные трубы, стальная броня и свинцовые оболочки силовых кабелей, проложенных в земле, металлические конструкции зданий и сооружений. Если естественных недостаточно, применяют искусственные заземлители: заглубление в землю вертикальных электродов из труб, уголков или прутков стали и горизонтально проложенных в земле на глубину не менее 0,5 полосы.

В электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом.

2.8.2 Расчет заземлителей

1) Определяем расчетное сопротивление одного электрода

где ρ – удельное сопротивление грунта (для чернозема 50 Ом·м), К_сез – коэффициент сезонности.

2) Предельное сопротивление совмещенного ЗУ. На низкое напряжение

, принимаем R_ЗУ = 4 Ом.

3) Определяем количество вертикальных электродов

Принимаем N^/_в.р = 5.

С учетом экранирования

где η – коэффициент использования вертикальных электродов

4) Определяем длину полосы заземляющего устройства

L_п=2∙5=10 м

5) Определяем уточненные значения сопротивлений вертикальных и горизонтальных электродов

где b – ширина полосы, для круглого горизонтального заземлителя b = 40, t – глубина заложения

5) Определяем фактическое сопротивление заземляющего устройства

Фактическое сопротивление заземляющего устройства (2,7 Ом) меньше допустимого сопротивления, значит заземляющее устройство будет эффективным.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

В.П. Шеховцов “Расчет и проектирование схем электроснабжения”. Методическое пособие М:Форум – 2003.

Б.Ю. Липкин “Электроснабжение промышленных предприятий и установок” М. Высшая школа 1975.

А.А. Федоров, Л.Е. Старкова Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий. М. Энергоатомиздат 1987.

Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин “Электрооборудование станций и подстанций”
М. Энергоатомиздат 1987.

Конюхова Е.А. " Электроснабжение объектов" Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Издательство "Мастерство", 2002.

2.9 Молниезащита

2.9.1 Наиболее опасным проявлением молнии с точки зрения поражения зданий и сооружений является прямой удар.

2.9.2 Ожидаемое число поражений молнией в год зданий и сооружений высотой не более 60 м, не оборудованных молниезащитой, определяют по формуле:

Где B – ширина защищаемого объекта, м; L – длина защищаемого объекта, м; - высота объекта по его боковым сторонам, м; n – среднее число поражений молнией 1 км² земной поверхности в год, значения которого приведены в таблицах (ПУЭ) в зависимости от интенсивности грозовой деятельности, n=40ч60.

N=

Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависимости от их назначения, а также интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения выделены в категории по степени устройства молниезащиты.

По рекомендации для промышленных предприятий и технологических объектов категория устройства молниезащиты и тип зоны защиты берем: категория устройства молниезащиты ΙΙΙ, тип зоны защиты Б.

Под зоной защиты молниеотвода понимают часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Различают зону защиты типа А, где степень надежности составляет 99,5% и выше, и зону защиты типа Б со степенью надежности 95% и выше.

В практике для защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии наибольшее распространение получили стержневые и тросовые молниеотводы.

Принимаем исполнение защиты двойным металлическим молниеотводом стержневого типа высотой 30 м. Определяем параметры зоны защиты.

1) Определяем высоту вершины конуса стержневого молниеотвода

h₀= 0,92∙h=0,92∙28=25,76 м

где h – полная высота стержневого молниеотвода

2) Определяем радиус защиты на уровне земли

r₀=1,5∙h₀=1,5∙28=42 м

3) Определяем радиус защиты на уровне защищаемого сооружения

r_х=1,5(h-1,1∙h_x)=1,5(28-1,1∙8)=28,8 м

где h_x – высота защищаемого сооружения

4) Определяем высоту средней части двойного стержневого молниеотвода

h_c=h₀-0,14(L-h)=23-0,14(48-28,8)=20 м

где L – расстояние между двумя стержневыми молниеотводами, м

r_c=r₀=42

5) Определяем радиус защиты двух стержневых молниеотводов

r_cx=r₀(h_c-h_x)=42(20-8)=25,4 м

2.9.3 Принцип защиты двойного стержневого молниеотвода равной длины представлен на рисунке 2.9

Рисунок 2.9 Зона защиты двойного стержневого молниеотвода равной длины.

ВВЕДЕНИЕ

Первое место по количеству потребляемой электроэнергии принадлежит промышленности, на долю которого приходится более 60% вырабатываемой в стране энергии. С помощью электрической энергии приводятся в движение миллионы станков и механизмов, освещение помещений, осуществляется автоматическое управление технологическими процессами и др. Существуют технологии, где электроэнергия является единственным энергоносителем.

В связи с ускорением научно-технологического прогресса потребление электроэнергии в промышленности значительно увеличилось благодаря созданию гибких автоматизированных производств.

Энергетической программой предусмотрено создание мощных территориально-производственных комплексов (ТПК) в тех регионах, где сосредоточены крупные запасы минеральных и водных ресурсов. Такие комплекс добывают, перерабатывают, транспортируют энергоресурсы, используя в своей деятельности различные электроустановки по производству, передаче и распределению электрической и тепловой энергии.

Объединение региональных ОЭС в более мощную систему образовало Единую энергетическую систему (ЕЭС) Российской Федерации. ЕЭС позволило снизить необходимую генераторную мощность по сравнению с изолированно работающими электростанциями и осуществлять более оперативное управление перетоками энергетических мощностей с Востока, где находиться около 80% топливных и гидроресурсов, на Запад страны, так как в европейской части страны размещается 80% всех потребителей энергии. Для электрической связи между ОЭС служат сверхдальние линии электропередач напряжением 330; 500; 750 и 1150 кВ и выше.

Управление ЕЭС РФ ведется из центрального диспетчерского управления (ЦДУ ЕЭС РФ) в Москве. Задачей ЦДУ ЕЭС РФ является обеспечение руководства региональными ОЭС, расчет и внедрение наиболее рациональных режимов работы управляемых электростанций, ликвидация аварий в энергосистемах.

Энергетическая политика РФ предусматривает дальнейшее развитие энергосберегающей программы. Экономия энергетических ресурсов должна осуществляться путем: перехода на энергосберегающие технологии производства; совершенствование энергетического оборудования, реконструкция устаревшего оборудования; сокращение всех видов энергетических потерь и повышение уровня использования вторичных энергетических ресурсов. Предусматривается также замещение органического топлива другими энергоносителями, в первую очередь ядерной и гидравлической энергией.

Кроме прямого энерго- и ресурсосбережения существует целый ряд актуальных задач, решение которых в конечном итоге приводит к тому же эффекту в самих производственных установках, в производстве в целом. Сюда, в первую очередь относится повышение надежности электроснабжения, так как внезапное, иногда даже весьма кратковременное прекращение подачи электропитания может привести к большим убыткам в производстве.

Но повышение надежности связано с увеличением стоимости системы электроснабжения, поэтому важной задачей должно считаться определение оптимальных показателей надежности, выбор оптимальной по надежности структуры системы электроснабжения.

Также важной задачей является обеспечение требуемого качества электроэнергии. Низкое качество электроэнергии приводит помимо прочих нежелательных явлений к увеличению потерь электроэнергии как в электроприемниках, так и в сети. Важное значение приобрело измерение показателей качества электроэнергии.

За последние десятилетия достигнуты значительные успехи не только в микроэлектронике, но и в электроаппаратостроении, в разработке новых электрических и конструкционных материалов, в кабельной технике. Эти достижения открывают новые возможности в способах канализации электроэнергии и в конструкции распределительных устройств (РУ). В частности, применение новых комплектных легко заменяемых узлов электрических сетей и сетевых устройств может потребоваться в быстро изменяющихся производственных условиях современных предприятий.

Важней задачей энергетики в последнее время является решение проблем экологии. Особую опасность представляет выделения углекислого газа СО₂, так как это может привести к ощутимому изменению энергобаланса и климата Земли.

Кроме СО₂ в воздух выбрасываются и другие продукты горения, из которых наибольшую опасность представляют диоксид серы (SO₂) и оксиды азота, вызывающие выпадение кислых дождей, окисление и постепенное умирание водоемов, заболевание и умирание лесов. Выделяющиеся при сжигании топлива (а также при использовании атомной энергии) тепло уже сегодня настолько велико, что дальнейший его рост может вызвать опасение нежелательного изменения теплового баланса Земли или отдельных ее регионов.

1 ОПИСАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Общие требования к электроснабжению объекта

При проектировании системы электроснабжения и реконструкции электрических установок должны рассматриваться следующие вопросы:

1) Перспективы развития энергосистем и систем электроснабжения с учетом рационального сочетания вновь сооружаемых электрических сетей с действующими и вновь сооружаемыми сетями других классов напряжений;

2) Обеспечение комплексного централизованного электроснабжения всех потребителей, расположенных в зоне действия электрических сетей, независимо от их ведомственной принадлежности;

3) Снижение потерь электрической энергии;

4) Ограничение токов короткого замыкания предельными уровнями, определенными на перспективу.

При этом должны рассматриваться в комплексе внешнее и внутреннее электроснабжение с учетом возможностей и экономической целесообразности технологического резервирования.

При решении вопросов развития системы электроснабжения следует учитывать ремонтные, аварийные и послеаварийные режимы. При выборе независимых взаимно резервирующих источников питания, являющихся объектами энергосистемы, следует учитывать вероятность одновременного зависимого кратковременного снижения и полного исчезновения напряжения на время действия релейной защиты, а также полного длительного во время тяжелых системных аварий.

Качество электроэнергии определяется совокупностью ее характеристик, при которых приемники могут нормально работать и выполнять заложенные в них функции. Качество электроэнергии в значительной степени влияет на технологический процесс промышленного производства и качества выпускаемой продукции, на расход электроэнергии и зависит от питающей ЭС и от потребителей снижающих качество электроэнергии.

Из всех показателей качества электроэнергии наибольшее влияние на режимы работы электроприемников оказывает отклонение и колебание напряжения.

Под отклонением напряжения понимают разность между фактическим и номинальным значением напряжения. В условиях нормальной работы приемников электроэнергии отклонение напряжения от номинального значения допускается в пределах -5ч+10% на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления; -2,5ч+5% на зажимах приборов рабочего освещения; -5ч+5 на зажимах другого оборудования.

Отклонение напряжения вызывает наибольший ущерб среди всех показателей качества. Колебания напряжения оцениваются размахом изменения напряжения и частотой изменения напряжения. Колебания напряжения обусловлены резкими толчками потребляемой мощности при работе приемников с ударной нагрузкой (сварочные аппараты, электрические печи, двигатели прокатных станков и др.). Ограничить колебания напряжения можно построением рациональных схем электроснабжения, применение специальных технических устройств и агрегатов с минимальным влиянием на систему электроснабжения.

Несиметрия напряжений и токов. Это неравенство фазных или линейных напряжений (токов) по амплитуде и углом сдвига между ними. Различают аварийные и эксплуатационные, вызванные применением потребителей (индукционные печи, сварочные аппараты). Для симметрирования напряжения и токов применяют равномерное распределение однофазных нагрузок по фазам, нагрузки подключают на отдельный трансформатор.

Отклонения и колебания частоты. Величину равную разности между действующим значением и заданным значением частоты называют отклонением частоты. В нормальном режиме работы допускается отклонение частоты в пределах ±0,1 Гц. Кратковременные отклонения частоты могут достигать ±0,2 Гц. Причиной изменения частоты в системе электроснабжения является дефицит активной мощности. Характеристикой колебаний частоты является размах колебаний, который не должен превышать 0,2 Гц. Основной причиной возникновения колебаний частоты являются мощные приемники электроэнергии с радиопеременной активной нагрузкой, теристорные преобразователи главных приводов прокатных станов.

Несинусоидальность кривой тока и напряжения. Источником является: синхронные генераторы, силовые трансформаторы, работающие при повышенных значениях магнитной индукции в сердечнике (повышенном напряжении на выходах), преобразователи переменного тока в постоянный ток и потребители с нелинейно ВАХ.

Несинусоидальные токи перегружают конденсаторные батареи, емкостные сопротивления которых обратно пропорциональны порядку гармоник. Наличие высших гармоник в напряжении и токах неблагоприятно действует на изоляцию электрической машины, трансформаторов, конденсаторов и кабелей. Коэффициент искажения кривой напряжения не должен превышать 5% на зажимах любого приемника электрической энергии.

Потери электроэнергии в трансформаторах, электродвигателях и другом оборудовании неизбежны, что связано с принципом работы этих электроустановок. Однако за счет мероприятий по экономии электроэнергии потери должны быть сведены к минимуму.

2. Описание объекта электроснабжения

Цеховые сети промышленных предприятий выполняют на напряжение до 1 кВ (наиболее распространенным является напряжение 380 В). На выбор схемы и конструктивное исполнение цехов сетей оказывают влияние такие факторы, как степень ответственности приемников электроэнергии, режимы их работы и размещении по территории цеха, номинальные токи и напряжения.

Инструментальный цех предназначен для изготовления и сборки различного измерительного, режущего, вспомогательного инструмента, а также штампов и приспособлений для горячей и холодной штамповки. Поэтому его непрерывная работа должна быть полностью обеспечена системой электроснабжения. Этот цех является вспомогательным цехом завода по изготовлению механического оборудования и станков. Инструментальный цех имеет станочное отделение, в котором установлено штатное оборудование: поперечно-строгальные, токарно-револьверные, горизонтально-фрезерные, алмазно-расточные, наждачные, заточные станки. Также имеется другое электрооборудование: кран-балки, токарные автоматы и одношпиндельные автоматы токарные.

В цехе предусмотрены две рабочие смены. По категории надежности электроснабжения (ЭСН) разделяются на 2 и 3 категории:

1) приемники 2 категории – перерыв электроснабжения, которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовому простою рабочих, механизмов. Приемники 2 категории рекомендуется обеспечивать электроснабжением от двух независимых источников питания;

2) приемники 3 категории – остальные приемники, неподходящие под определение 1и 2 категории. Перерыв электроснабжения этих приемников не приводит к существенным последствиям, простоям и другим неблагоприятным последствиям. Для таких электроприемников достаточного источника питания при условии, что перерыв электроснабжения, необходимый для замены поврежденного элемента СЭС, не превышает 1 суток.

Все электроприемники электромеханического цеха можно отнести ко 2 категории надежности электроснабжения, кроме точильно-шлифовальных станков, которые относятся к 3 категории.

При проектировании системы электроснабжения необходимо правильно установить характер среды, которая оказывает влияние на степень защиты применяемого оборудования.

Электрооборудование работает при нормальных условиях окружающей среды, грунт в районе цеха – чернозем с температурой +10° С.

В помещениях с нормальной средой электрооборудование должно быть защищено от механических повреждений, а также от случайных прикосновений к голым токоведущим частям.

Инструментальный цех по степени взрыво- и пожаробезопасности можно отнести к безопасному, так как он не имеет помещений, где бы содержались опасные вещества.

По электробезопасности цех относится к классу ПО (повышенной опасности), так как в цехе очень много токоведущих частиц (пыли, стружки и т.д.) металла, которые оседают на ЭО. Также возможно соприкосновение обслуживающего персонала одновременно с корпусом ЭО и конструкциями, связанными с землей.

Все приемники по режиму работы разделяются на 3 основных типа: продолжительный, кратковременный и повторнократковременный.

Продолжительный режим является основным для большинства ЭО. Это режим, при котором превышение температуры нагрева электроприемника над температурой окружающей среды достигает определенной величины τ_уст. Установившаяся температура считается такой, если она в течение часа не изменялась. В этом режиме работают все станки, печи, насосы, компрессоры и вентиляторы.

Кратковременный режим работы характеризуется небольшими включениями и длительными паузами. В этом режиме работают вспомогательные механизмы станков и другого оборудования.

Повторнократковременный режим – это кратковременные периоды работы, чередующиеся с паузами, при этом периоды включения не на столько велики, чтобы температура превысила установившееся значение, но и при паузах не успевает остыть, в конечном итоге достигая средней величины.

В этом режиме работают грузоподъемные механизмы, прокатные станы и сварочные аппараты.

Электроприводы в повторнократковременном режиме характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ)

где t_в – время включения, t_ц – время цикла.

3. Система автоматического включения резерва

Системы автоматического резерва бывают: линий, трансформаторов, электродвигателей, секционных выключателей. В основном применяются на ЛЭП и двухтрансформаторных подстанциях, где необходимо постоянное электроснабжение. Оперативный ток управления АВР может быть как постоянным, так и переменным.

Основные требования, предъявляемые к АВР:

1. минимальное время включения;

2. однократность действия, чтобы исключить включение на неустраненное короткое замыкание;

3. срабатывание обязательно, при исчезновении напряжения по любой причине;

4. контроль неисправности цепи включения.

Принцип действия АВР.

В нормальном режиме работы выключатели Q₁ и Q₃ включены, а Q₂ отключен. При аварии на первой секции исчезает напряжение, срабатывает реле напряжения

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет электрических нагрузок

2.1.1. Создание любого промышленного объекта начинается с его проектирования. Не простое суммирование установленных (номинальных) мощностей ЭП предприятия, а определение ожидаемых (расчетных) значений электрических нагрузок является первым и основополагающим этапам проектированием СЭС. Расчетная максимальная мощность, потребляемая электрприемниками предприятия, всегда меньше суммы номинальных мощностей этих ЭП.

Завышение ожидаемых нагрузок приводит к удорожанию строительства, перерасходу проводникового материала и неоправданному увеличению мощности трансформаторов и прочего оборудования. Занижение может привести к уменьшению пропускной способности электросети, к лишним потерям мощности, перегреву проводов, кабелей и трансформаторов, а следовательно, к сокращению срока их службы.

Существующие методы определения расчетных нагрузок основаны на обработке экспериментальных и практических данных об электрических нагрузках действующих промышленных предприятий.

При определении расчетных нагрузок предприятия в основном производят методом упорядоченных диаграмм (метод коэффициента максимума). Метод применяется в тех случаях, когда известны номинальные данные всех ЭП предприятия и их расположения на плане цеха.

2.1.2. Для расчета нагрузок разделим все ЭП цеха на 6 групп распределенных по силовым шкафам.

2.1.3. Расчет нагрузок.

.1.3.1. Силовой шкаф №1.

1) Данные по приемникам

Р_1,2 = 5,5 кВт, k_и = 0,14, cosφ = 0,5; tgφ = 1,73

Р_3,5-7 = 4,8 кВт, k_и = 0,14, cosφ = 0,5; tgφ = 1,73

Р₄=1,8 кВт, k_и = 0,17, cosφ = 0,65; tgφ = 1,17

2) Определяем активную номинальную групповую мощность приемников, приведенных к длительному режиму

3) Определяем активную среднюю мощность за наиболее нагруженную смену

4) Определяем средний коэффициент использования группы электроприемников

по таблице выбираем к_max=2,64

5) Определяем среднюю реактивную мощность за наиболее нагруженную смену

6) Определяем средневзвешенный tg φ

7) Определяем показатель силовой сборки в группе

8) Так как m > 3 и k_и < 0,2 то расчет мощности производим через относительные единицы

где n₁ – число наибольших приемников группы, n_ном – общее число приемников группы.

где Р₁ – мощность наибольших приемников группы.

В зависимости от n_* и P_* по таблице определяем n_э* = 0,83.

Находим эффективное число приемников группы

9) Определяем расчетную мощность через к_max

P_р= к_max·P_см=2,64·4,54=12 кВт

10) Определяем общую расчетную мощность для группы приемников

11) Определяем расчетный ток для группы приемников

2.1.3.2. Расчет остальных групп электроприемников производим аналогично первой группе. Результаты расчетов заносим в сводную таблицу нагрузок 2.1.

2.2 Выбор трансформаторов

2.2.1 Правильный выбор числа и мощности трансформаторов на цеховых трансформаторных подстанциях является одним из основных вопросов рационального построения СЭС.

Двухтрансформаторные подстанции применяют при значительном числе потребителей 1 и 2-й категории. Целесообразно применение двухтрансформаторной подстанции при неравномерном суточном и годовом графиках нагрузки предприятия, при сезонном режиме работы. Как правило, предусматривается раздельная работа трансформаторов для уменьшения токов КЗ.

Выбор мощности трансформаторов производится исходя из расчетной нагрузки объекта электроснабжения, числа часов использования максимума нагрузки, темпов роста нагрузок, стоимости электроэнергии, допустимой перегрузки трансформаторов и их экономической загрузки.

Наивыгоднейшая (экономическая) загрузка цеховых трансформаторов зависит от категории ЭП, от числа трансформаторов и способов резервирования.

Совокупность допустимых нагрузок, систематических и аварийных перегрузок определяет нагрузочную способность трансформаторов, в основу расчета которой положен тепловой износ изоляции трансформатора. Допустимые систематические нагрузки и аварийные перегрузки не приводят к заметному старению изоляции и существенному сокращению нормальных сроков службы.

Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов при выборе их номинальной мощности зависят от продолжительности перегрузки в течении суток, от температуры окружающей среды и системы охлаждения трансформатора.

2.2.2 Расчет номинальной мощности трансформаторов.

1) Так как в цехе преобладают приемники 2-й категории, то целесообразно выбрать 2 трансформатора для установки на цеховую трансформаторную подстанцию.

2) Номинальную мощность трансформаторов определяем по условию

S_р=S+S^/, где S^/=кВА

S_р=136,3+13,9=150,2 кВА

,

где β_т – коэффициент загрузки трансформатора, для приемников второй категории принимается 0,7-0,8; S_р – расчетная максимальная мощность объекта.

Принимаем к установке трансформатор с номинальной мощностью 160 кВА.

3) Проверяем перегрузочную способность трансформатора в аварийном режиме по условию

k_ав.п. < 1,4 – коэффициент аварийной перегрузки.

Такая перегрузка трансформатора по условию допускается в течение 6 часов 5 суток.

4) По условию коэффициент загрузки трансформатора β питающего приемники 2 и 3-й категории надежности электроснабжения должен составлять 0,5 – 0,7

Условие по загрузке трансформатора выполняется.

2.2.4 Таким образом, принимаем к установке на цеховую трансформаторную подстанцию 2 трансформатора мощностью 160 кВА марки ТМЧ160/10.

2.3 Компенсация реактивной мощности

2.3.1 Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели и индукционные печи. Прохождение в электрических сетях реактивных токов обуславливает добавочные потери активной мощности в линиях, трансформаторах, генераторах электростанций, дополнительные потери напряжения, требует увеличение номинальной мощности или числа трансформаторов, снижает пропускную способность всей системы электроснабжения.

Меры по снижению реактивной мощности: естественная компенсация без применения специальных компенсирующих устройств; исскуственные меры с применением компенсирующих устройств.

К естественной компенсации относятся: упорядочение и автоматизация технологического процесса, ведущие к выравниванию графика нагрузки; создание рациональной схемы электроснабжения за счет уменьшения количества ступеней трансформации; замена малозагруженных трансформаторов и двигателей трансформаторами и двигателями меньшей мощности и их полная загрузка; применение синхронных двигателей вместо асинхронных; ограничение продолжительности холостого ход двигателей и сварочных аппаратов.

К техническим средствам компенсации реактивной мощности относятся: конденсаторные батареи, синхронные двигатели, вентильные статические источники реактивной мощности.

2.3.2 Выбор компенсирующих устройств

1) Определяем мощность компенсирующего устройства

где tgφ_k – находится в зависимости от cosφ_k=0,92, который необходимо получить после установки КУ, Р_м – общая активная мощность системы электроснабжения;

Выбираем две комплектные конденсаторные установки КУ – УКН-0,38-75УЗ мощностью Q_к.ст = 75 квар;

2) Определяем фактический tgφ

3) Определяем cosφ в зависимости от tgφ

cosφ_ф = cos (arctg φ_ф) = 0,97

Полученный cosφ_ф удовлетворяет условию, поэтому выбранные компенсирующие устройства можно принять к установке.

2.4 Расчет распределительных линий

2.4.1 Проводники электросетей от проходящего по ним тока согласно закону Джоуля-Ленца нагреваются. Количество выделенной тепловой энергии пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени протекания тока Q = I²Rt. Нарастание температуры проводника происходит до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие между теплом, выделяемым в проводнике с током и отдачей в окружающую среду.

Чрезмерно высокая температура нагрева проводника может привести к преждевременному износу изоляции, ухудшению контактных соединений и пожарной опасности. Поэтому устанавливаются предельнодопустимые значения температуры нагрева проводников в зависимости от марки и материала изоляции проводника в различных режимах.

Длительнопротекающий по проводнику ток, при котором устанавливается наибольшая длительно-допустимая температура нагрева проводника, называется предельно допустимым током по нагреву.

Значение допустимых длительных токовых нагрузок составляем для нормальных условий прокладки проводников: температура воздуха +25°С, температура земли +15°С и при условии, что в траншее уложен только один кабель. Если условие прокладки проводников отличается от идеальных, то допустимый ток нагрузки определяется с поправкой на температуру (k_п1) и количество прокладываемых кабелей в одной траншее (k_п2)

2.4.2 Определяем сечение кабеля для силового шкафа №1.

1) Расчетный ток СШ1 равен I_р = 22,5 А

По рекомендации выбираем кабель сечением S = 10 мм² и допустимым током I_д = 85 А;

2) Проверяем выбранный кабель по условию нагрева

По условию I_д>= I_д^/, следовательно, условие выполняется;

3) Проверяем кабель по потере напряжения

где l – длина кабельной линии, км;

r₀ – активное сопротивление кабеля, Ом/км (принимается в зависимости от сечения кабеля);

х₀ – индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км.

К остальным силовым шкафам расчет сечения кабелей ведется аналогично.

Расчетные данные заносим в таблицу 2.4.1

где l – длина кабельной линии, км;

r₀ – активное сопротивление кабеля, Ом/км (принимается в зависимости от сечения кабеля);

х₀ – индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км.

К остальным силовым шкафам расчет сечения кабелей ведется аналогично.

Расчетные данные заносим в таблицу 2.4.1

Таблица 2.4.1

2.4.3 По рассчитанным токам для групп электроприемников распределительные силовые шкафы

1) Для СШ1, I_р = 22,5 А выбираем силовой шкаф серии СПУ62-5/1 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

2) для СШ2, I_р = 27 А выбираем силовой шкаф серии СПУ62-5/1 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

3) для СШ3, I_р = 34,8 А выбираем силовой шкаф серии ШРС1-53У3 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

4) для СШ4, I_р = 38,6 А выбираем силовой шкаф серии ШРС1-53У3 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

5) для СШ5, I_р = 26,3 А выбираем силовой шкаф серии СПУ62-5/1 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

6) для СШ6, I_р = 38,3 А выбираем силовой шкаф серии ШРС1-53У3 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

7) для СШ6, I_р = 21 А выбираем силовой шкаф серии СПУ62-5/1 с номинальным током 280 А, трехполюсный, с 8 отходящими линиями с предохранителями типа НПН-60.

2.4.3 Выбор проводников и расчет токов к электроприемникам

Расчет производится исходя из мощности электроприемников к которым подводятся кабеля. Исходя из экономии применение кабелей с алюминиевыми жилами целесообразнее, чем применение кабелей с медными жилами. Условия окружающей среды не требуют применения кабелей с медными жилами, так как помещение взрыво- и пожаробезопасно.

1) Определяем расчетный ток группы станков 3,5,6,7 – токарно-револьверные станки

где Р – мощность установки, кВт;

η – КПД установки (0,82ч0,87);

Выбираем провод серии АПВ четырехжильный с алюминиевыми жилами сечением 2,5 мм² и допустимым током 19 А;

2) Проверяем выбранный кабель по потере напряжения для самого дальнего приемника в группе

3)Определяем расчетный ток автомата 4 – одношпиндельный автомат токарный

Выбираем провод серии АПВ четырехжильный с алюминиевыми жилами сечением 2,5 мм² и допустимым током 19 А;

4) Проверяем выбранный кабель по потере напряжения для автомата

5) Для приемников других групп расчет ведется аналогично первой группе. Результаты расчетов заносятся в таблицу 2.4.2.

Таблиц 2.4.2

Наименование ЭО	Рэп, кВт	Iр, А	Cos φ	КПД	ΔU, %	S, мм2
Кран-балки	5	14	0,5	0,85	0,24	2,5
Токарно-револьверные станки	4,8	17,2	0,5	0,85	0,75	2,5
Горизонтально-фрезерные станки	10	35,7	0,5	0,85	0,6	8
одношпиндельный автомат	1,8	6,4	0,5	0,85	0,3	2,5
Токарные автоматы	4,5	12,4	0,5	0,85	0,64	2,5
Н Продолжение таблицы 2.4.2. аименование ЭО	Рэп, кВт	Iр, А	Cos φ	КПД	ΔU, %	S, мм2
Наждачные станки	1,5	9,3	0,5	0,85	0,16	2,5
Заточные станки	2,3	14,24	0,5	0,85	0,24	2,5
Поперечно-строгальные станки	5,5	19,67	0,5	0,85	0,34	4
Алмазно-расточные станки	2,8	10	0,5	0,85	0,2	2,5

2.5 Выбор аппаратов защиты

2.5.1 Согласно ПУЭ от перегрузок необходимо защищать силовые и осветительные сети, выполненные внутри помещений открыто проложенными изолированными незащищенными проводниками с горючей изоляцией; силовые сети, когда по условию технолотческого процесса или режима их работы могут возникать длительные перегрузки; сети взрывоопасных помещений или взрывоопасных наружных установок независимо от условий технологического процесса или режима работы сети.

Для защиты электрических сетей напряжением до 1 кВ применяют плавкие предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле магнитных пускателей.

Для защиты электрических сетей от токов КЗ служат плавкие предохранители. Они являются простейшими аппаратами токовой защиты, действие которых основано на перегорании плавкой вставки. Предохранители являются токоограничивающими аппаратами, так как в них обеспечивается околодуговое пространство и отключение цепи настолько быстро, что при больших кратностях тока в предохранителе ток не успевает достигнуть предельного значения.

Магнитные пускатели предназначены главным образом для дистанционного управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором до 100 кВт; для пуска непосредственным подключением к сети и останова электродвигателя и реверса. В исполнении с тепловым реле пускатели также защищают управляемый электродвигатель от перегрузки. Магнитный пускатель представляет собой трехполюсный контактор переменного тока с прямоходовой магнитной системой, в который дополнительно встроены два тепловых реле защиты, включенных последовательно в две фазы цепи ЭД.

Автоматические выключатели предназначены для автоматического размыкания электрических цепей при анормальных режимах (КЗ и перегрузки), для редких оперативных включений (3-5 в час) при нормальных режимах, а также для защиты цепей от недопустимых снижениях напряжения. Для защиты от токов КЗ в автоматическом выключателе применяется электромагнитный расцепитель мгновенного действия. Тепловой (обычно биметаллический) расцепитель предназначен для защиты от перегрузок, за счет изгибания биметаллической пластины. Расцепитель минимального напряжения срабатывает при недопустимом снижении напряжения в сети (30-50%). Такие расцепители применяют для ЭД, самозапуск которых нежелателен при самопроизвольном восстановлении питания.

2.5.2 Выбор аппаратов защиты

Произведем выбор аппаратов защиты устанавливаемых у силовых шкафов.

1) К силовым шкафам примем к установке автоматические выключатели, так как они защищают одновременно от токов КЗ и перегрузок одновременно

2) Произведем расчет для силового шкафа 4

I_р = 38,6 А – расчетный ток силового шкафа;

I_н.а.>=I_н.р.

I_н.р.>=I_р=38,6 А

Выбираем автоматический выключатель серии ВА51Г-31, I_н.а. = 100 А, I_н.р.= 31,5 U = 380 В

2.5.2 Аналогично выбираем автоматические выключатели ко всем силовым шкафам. Результаты расчетов заносим в таблицу 2.5.1.

Таблица 2.5.1

2.5.3 Для остальных приемников малой мощности целесообразно применить магнитные пускатели совместно с предохранителями.

Произведем выбор для токарных автоматов с I_ном = 12,4 А

1) Выбираем магнитный пускатель типа ПМЛ-2200 с I_ном = 25 А и номинальным током главных контактов I_{ном.гл.кон} = 25 А, номинальное напряжение U = 380В;

2) Выбор предохранителя. Определяем ток плавкой вставки

Выбираем предохранитель типа НПН-60М с номинальным током патрона I_ном= 60 А, и номинальным током плавкой вставки I_{ном.вст}= 60 А

2.5.6 Аналогично выбираем магнитные пускатели и предохранители к остальным приемникам. Результаты заносим в сводную таблицу 2.5.2.

Таблица 2.5.2

2.4 Расчет токов короткого замыкания

2.4.1 Общие сведения о КЗ

При проектировании СЭС учитываются не только нормальные, продолжительные режимы работы ЭУ, но и их аварийные режимы. Одним из аварийных режимов является короткое замыкание.

Коротким замыканием (КЗ) называют всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы, электрическое соединение различных точек ЭУ между собой или землей, при котором токи в ветвях ЭУ резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

В системе трехфазного переменного тока могут возникать замыкания между тремя фазами – трехфазные КЗ, между двумя фазами – двухфазное КЗ. Чаще всего возникают однофазные КЗ (60 – 92 % от общего числа КЗ).

Как правило, трехфазные КЗ вызывают в поврежденной цепи наибольшие токи, поэтому при выборе аппаратуры обычно за расчетный ток КЗ принимают ток трехфазного КЗ.

Причинами коротких замыканий могут быть механические повреждения изоляции, падение опор воздушных линий, старение изоляции, увлажнение изоляции и др.

Короткие замыкания могут быть устойчивыми и неустойчивыми, если причина КЗ самоликвидируется в течении безтоковой паузы коммутационного аппарата.

Последствием КЗ являются резкое увеличение тока в короткозамкнутой цепи и снижение напряжения в отдельных точках системы. Дуга, возникшая в месте КЗ, приводит к частичному или полному разрушению аппаратов, машин и других устройств. Увеличение тока в ветвях электроустановки, примыкающих к месту КЗ, приводит к значительным механическим воздействиям на токоведущие части и изоляторы, на обмотки электрических машин. Прохождение больших токов вызывает повышенный нагрев токоведущих частей и изоляции, что может привести к пожару.

Снижение напряжения приводит к нарушению нормальной работы механизмов, при напряжении ниже 70% номинального напряжения двигателя затормаживаются, работа механизмов прекращается.

Для уменьшения последствий КЗ необходимо как можно быстрее отключить поврежденный участок, что достигается применением быстродействующих выключателей и релейной защиты с минимальной выдержкой времени.

2.4.2 Расчет токов КЗ.

1) Для расчетов токов КЗ составляется расчетная схема – упрощенная однолинейная схема электроустановки, в которой учитываются все элементы линии. Расчетная схема представлена на рисунке 2.4.

2) По расчетной схеме составляется схема замещения, в которой указываются сопротивления всех элементов и намечаются точки для расчета КЗ (рис. 2.5.). Все сопротивления указаны в именованных единицах.

3) Определяем сопротивления элементов цепи расположенных на стороне высокого напряжения трансформатора

где L_c – длина линии до трансформатора, х₀ – удельное индуктивное сопротивление линии, r₀ – активное удельное сопротивление.

Сопротивления приводятся к НН:

4) Определяем сопротивления для трансформатора

R_т=16,6 мОм, Х_т=41,7 мОм

5) Определяем сопротивления для автоматических выключателей

1SF R_1SF= 0,4 мОм, X_1SF=0,17 мОм, R_п1SF=0,6 мОм

SF1 R_SF1= 1,3 мОм, X_SF1=1,2 мОм, R_пSF1=0,75 мОм

6) Определяем сопротивление кабельных линий

КЛ1 r₀^/=3,12 мОм, x₀=0,099 мОм

Так как в схеме 3 параллельных кабеля, то

КЛ2 r₀^/=4,16 мОм, x₀=0,08 мОм

7) Определяем сопротивления участков цепи до каждой точки КЗ

8) Определяем 3-фазные и 2-фазные токи КЗ

9) Определяем ударные токи КЗ

10) Определяем действующее значение ударного тока

где q – коэффициент действующего значения ударного тока

11) Результаты расчетов заносим в сводную ведомость токов КЗ таблица 2.4.

Таблица 2.4

12) Определяем 1-фазные токи КЗ

Результаты заносим в сводную ведомость токов КЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной пояснительной записке произведен расчет электроснабжение электромеханического 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 мы произвели расчет электрических нагрузок методом упорядоченных диаграмм. Выбрали количество и мощность трансформаторов, с учета оптимального коэффициента их загрузки и категории питающихся электроприемников. Выбрали наиболее надежный вариант сечения проводов и кабелей питающих и распределительных линий. Произвели расчет токов короткого замыкания. Определили мощность компенсирующих устройств. Произвели расчет релейной защиты, и рассчитали оптимальное количество и сопротивление заземляющих устройств.

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