Электроснабжение подстанции электромеханического цеха

Как известно, Россия была, есть и будет одной из ведущих энергетических держав мира. И это не только потому, что в недрах страны находится 12% мировых запасов угля, 13% нефти и 36% мировых запасов природного газа, которых достаточно для полного обеспечения собственных потребностей и для экспорта в сопредельные государства. Россия вошла в число ведущих мировых энергетических держав, прежде всего, благодаря созданию уникального производственного, научно-технического и кадрового потенциала топливно-энергетического комплекса.

Электроэнергетика является ключевой отраслью экономики многих стран мира. Это немало для любой страны, а для российского климата и расстояний является достоянием, утратой которого рисковать непозволительно.

На сегодняшний день современному человеку трудно представить себе жизнь без электричества. Мы в прямом смысле слова зависим от поставок электроэнергии. Медицинские, учебные и другие социальные учреждения не могут обходится без электричества долгий период времени. Именно поэтому нам важно знать состояние электроэнергетического комплекса, и именно поэтому государство должно контролировать все процессы происходящие внутри него. Российская электроэнергетика, до распада СССР практически была изолирована от западноевропейского и мирового, экспорта электрооборудования и строительства электростанций в отдельных странах. Попытки восстановления единой энергосистемы с бывшими республиками СССР, а также подключения к энергообъединению восточно-европейских стран пока не увенчались успехом. Между тем вхождение России в мировую, прежде всего европейскую, энергосистему становится все более актуальным. Интеграция европейской энергосистемы России с существующими в Европе региональными энергообъединениями, создание в перспективе Трансевропейской энергетической системы могут дать значительный экономический выигрыш всем его участникам и прежде всего самой России. Такого рода акции откроют принципиально новые возможности для развития экспорта российской электроэнергии на европейский рынок, широкого привлечения в российскую энергетику западноевропейских инвестиций, позволят получить крупный синергетический эффект от интеграции национальных энергосистем и региональных объединений европейских стран. Очевидно, что Россия сможет интегрироваться в европейскую энергосистему лишь при условии радикальной реструктуризации отрасли, создания транспарентной, достаточно открытой энергосистемы, способной работать в условиях современного рынка.

1. Характеристика объекта проектирования

Электромеханический цех предназначен для подготовки заготовок из металла для электрических машин с последующей их обработкой различными способами.

Он является одним из цехов металлургического завода, выплавляющего и обрабатывающего металл. электромеханический цех имеет станочное отделение, в котором установлено штатное оборудование: слиткообдирочные, токарные, фрезерные, строгальные, анодно-механические станки и др.

В цехе предусмотрены помещения для цеховой тяговой подстанции, вентиляторной, инструментальной, для бытовых нужд и пр. электромеханический цех получает электроснабжение от подстанции глубокого ввода. Расстояние от подстанций глубокого ввода до цеховой тяговой подстанции — 0,5 км, а от электроснабжения до подстанции глубокого ввода — 10 км. Напряжение на подстанцию глубокого ввода — 10 кВ.

Количество рабочих смен — 2. Потребители ЭЭ цеха имеют 2 и 3 категорию надёжности электроснабжения.

Грунт в районе электромеханический цех песок с температурной +200С. Каркас здания цеха смонтирован из блоков-секций длиной 8 и 9 м каждый.

Размеры цеха, А * B * H = 48 * 30 * 9 м.

Вспомогательные помещения двухэтажные высотой 4 м.

Перечень оборудования Электромеханического цеха дан в таблице 3.3.

Мощность электропотребления (Pэп) указана для одного электроприемника.

Расположение основного оборудования показано на плане .

1.1 Категории потребителей электроснабжения

Электроприёмники третьей категории. Сюда принято относить электроприемники вспомогательного оборудования, несерийного производства и т. д. Электроприёмники второй категории обеспечиваются электропитанием от двух независимых источников. Перерыв в электроснабжении возможен, но на время, необходимое для включения резерва оперативным персоналом. Для питания электроприёмников третьей категории достаточно одного источника питания, при условии, что работы по ремонту или замене продлятся не более суток. Информацию о потребителях электроэнергии завершает градация по:

—по отношению к отраслям промышленности;

— по тарифной группе;

— категории энергетической службы.

1.2 Ведомость электрических нагрузок

Таблица 1 — Перечень электрооборудования электромеханического цеха

2. Расчет электрических нагрузок «методом коэффициента использования»

На основании ведомости электрических нагрузок производим расчёт в следующем порядке:

— записываем из ведомости электрических нагрузок электроприёмники, которые относятся к группе, А подводим по ней итог, затем по группе В подводим итог, затем всего по объекту;

— записываем количество на основании ведомости электрических нагрузок, по каждой группе отдельно и по всему объекту;

— записываем номинальную мощность одного электроприёмника;

— записываем номинальную установочную мощность, приведённую к ПВ—100%.

Номинальную установочную мощность для приемников, у которых ПВ—100%, Рну, кВт, рассчитывают по формуле Рну = Рн1n, (1)

где Рн1-номинальная мощность одного электроприёмника, кВт;

n — количество электроприёмников, шт.

Номинальную установочную мощность для приемников, у которых ПВ=100%, Рну, кВт, рассчитывают по формуле Рну = Рн1n, (2)

где ПВ — продолжительность включения, % ;

Рассчитываем модуль сборки, в целом для группы электроприёмников, m, по формуле

m =, (3)

где Рн1макс — максимальная мощность электроприёмника, кВт;

Рн1мин — минимальная мощность электроприёмника, кВт;

Рассчитываем активную мощность среднюю за максимально загруженную смену для каждого элемента, Рсм, кВт, по формуле Рсм = Рну Ки, (4)

где Рну— номинальная установочная мощность, кВт;

Ки — коэффициент использования [1ст262] ;

Рассчитываем реактивную мощность среднюю за максимально загруженную смену для каждого элемента, Q см, кВАр, по формуле

Qсм = Рсм tgц, (5)

где Рсм— активную мощность за максимально загруженную смену, кВт;

tgц — коэффициент реактивной мощности;

Рассчитываем средний коэффициент использования для каждой группы электроприемников, Киср, по формуле

(6)

где ?Рсм — суммарная активная средняя мощность за максимально загруженную смену для каждого элемента, кВт;

?Рну — суммарная номинальная установочная мощность, кВт;

Рассчитываем эффективное число электроприёмников.

Эффективное число электроприёмников — это такое число электроприёмников одинаковых по режиму работы и мощности, которые дают ту же величину расчётного максимума, что и электроприёмники различные по мощности и режиму работы.

Расчитываем эффективное число электроприёмников, nэ, при условии что m>3 и Ки ?0,2, по формуле

nэ =, (7)

где Рну — номинальная установочная мощность, кВт;

Рн1макс — максимальная мощность электроприёмника, кВт;

Записываем коэффициент максимума Км, который рассчитаем по [5ст90];

Записываем активную расчетную максимальную мощность, Ррас, кВт, которую рассчитываем по формуле Ррас = Км, (8)

где Рсм — активная мощность за максимально загруженную смену, кВт;

Км — коэффициент максимума [5ст90];

Записываем расчётную реактивную максимальную мощность, Qрас, кВАр, которую рассчитываем по формуле

Qрас = Qсм Км', (9)

где Qсм — реактивная мощность за максимально загруженную смену, кВАр;

Км' — коэффициент максимума приведённый для реактивной мощности, если nэ? 10 то Км' = 1.

Записываем полную расчётную максимальную мощность, Sрас, кВA, которую рассчитываем по формуле

Sрас =, (10)

где Рр — активная расчетная максимальная мощность, кВт;

Qр — расчётная реактивная максимальная мощность, кВАр;

Записываем расчётный ток для одного двигателя, Ір, А, который рассчитывается по формуле

Ір = Рн/Uнcosц, (11)

где Рн — номинальная мощность двигателя, кВт;

Uн — номинальное напряжение, кВ;

Cosц — коэффициент реактивной мощности;

Расчёты нагрузок сведены в таблицу 2.

2.1 Компенсация реактивной мощности

Физическая сущность Cos ц заключается в том, что он показывает какую часть активной мощности потребляет приемник или группа приемников от полной мощности, подводимой к ним.

Для объектов Cos ц рассчитывается по формуле

(8)

Где — Pp и Sp — рассчитывается по таблице 2;

Энергоснабжающая организация для всех объектов, предприятий задает нормативное значение Cos ц в пределах

определяем по [5ст90];

Источники реактивной мощности: конденсаторные батареи, синхронные двигатели, вентильные статические источники реактивной мощности, специальные быстродействующие источники реактивной мощности. Конденсаторные батареи устанавливают на секциях шин, вблизи ЭП.

Если Cos ц р < Cos ц норм, тогда необходимо рассчитать сколько реактивной мощности? Qку, кВАр нужно отдать в сеть, чтобы повысить его до нормативного значения, по формуле

энергетический цех реактивный мощность

(9)

где Рсм — активная средняя мощность за максимально загруженную смену, из табл. 2 итого по объекту;

Если Cos ц р= Cos ц норм Если Cos ц р>Cos ц норм Если Cos ц р? Cos ц норм, то? Qку незначительное число, то есть выбрать батареи не представляется возможным, тогда нужно воспользоваться естественной компенсацией.

Далее приступаем к выбору числа и мощности компенсирующих устройств.

Число компенсирующих батарей принимается равным или кратным числу источников питания.

Если на объекте I, II и III категории электроприборов, то nб принимается по наиболее ответственной категории

nб= 2,4,6, и т. д.

I, II, III к. электроприборы — nб Выбираю 4 батареи типа: КСТ—0,38—9,4У2 общей мощностью 37,6 кВар.

2.2 Расчет и выбор силового трансформатора

Мощность силовых трансформаторов выбирается по полной мощности средней за максимально загруженную смену с учетом компенсации реактивной мощности Sсм кВА, по формуле:

(10)

где — активная средняя мощность за максимально загруженную смену, кВт; Qсм — реактивная средняя мощность за максимально загруженную смену кВАр; — сумма номинальной реактивной мощности выбранных конденсаторных батарей; кВАр Определяем расчетную мощность Sт, кВА одного трансформатора по формуле

(11)

где — число силовых трансформаторов; шт По справочнику выбираем трансформатор, для сравнения и выбора более подходящего:

ТСЗП—100/6 —0,4

Оформляют таблицу с паспортными данными трансформатора по выбранной номинальной мощности.

Таблица 3 — Паспортные данные трансформатора.

Проверяют выбранные трансформаторы по коэффициенту загрузки в нормальном режиме работы, короткого замыкания, по формуле

(12)

где Nт — количество трансформаторов, шт;

Sнт — номинальная мощность трансформатора, кВА;

(13)

Учитывая перспективу развития производства данного объекта коэффициент загрузки в нормальном режиме работы, Кз, может увеличиваться. Коэффициент загрузки в аварийном режиме работы, Кзав, получился меньше 1,4, поэтому трансформатор может работать по 6 часов в течение 5 суток.

Рассчитывают потери реактивной мощности при холостом ходе в трансформаторе, ?Qхх, кВАр, по формуле

(14)

где Iхх — ток холостого хода в трансформаторе, %, таблица 2;

кВАр Рассчитывают потери реактивной мощности при коротком замыкании в трансформаторе, ?Qкз, кВАр, по формуле

(15)

где Uкз — напряжение короткого замыкания в трансформаторе, %, таблица 2;

кВАр Рассчитывают приведенные потери активной мощности при коротком замыкании в трансформаторе, ?Р'кз, кВт, по формуле

(16)

где ?Ркз — потери мощности при коротком замыкании в трансформаторе, кВт;

Кэп — коэффициент эквивалентных потерь;

Кэп=0,01? 0,12, [2ст702]

кВт Рассчитывают приведенные потери активной мощности при холостом ходе в трансформаторе, ?Р'хх, кВт, по формуле

(17)

где ?Рхх — потери мощности при холостом ходе в трансформаторе, кВт;

Кэп — коэффициент эквивалентных потерь;

кВт Рассчитывают полные приведенные потери активной мощности в трансформаторе, ?Р'т, кВт, по формуле

(18)

где Кз — коэффициент загрузки трансформатора;

Nт — количество трансформаторов, шт;

кВт Рассчитывают капитальные затраты на приобретение и эксплуатацию трансформатора, К, руб, по формуле К=Ц ?Nт, (19)

где Ц — стоимость трансформатора, руб;

Nт — количество трансформаторов, шт;

К = 230 300 = 60 600руб Рассчитывают потерянную электроэнергию в трансформаторе, Ип, ээ, руб по формуле Ип, ээ = ?Р'т ?Тг ?Со, (20)

где ?Р'т — полные приведенные потери активной мощности в трансформаторе, кВт;

Тг — число часов работы трансформатора в год;

Со — стоимость одного кВт энергии, руб;

4,1 543 684 =72 508,8 руб Рассчитывают издержки на амортизацию при эксплуатации трансформатора, Иа, руб, по формуле Иа = Na? К/100, (21)

где К — капитальные затраты на приобретение и эксплуатацию трансформатора, руб;

Nа — норма амортизации трансформатора, %;

Nа=10%

Иа =860 600/100 =4848 руб Рассчитывают затраты на приобретение и эксплуатацию трансформатора, З, руб, по формуле З=N+Рн ?К, (22)

где N — издержки при эксплуатации трансформатора, руб;

К — капитальные затраты на приобретение и эксплуатацию трансформатора, руб;

Рн — нормативный коэффициент эффективного внедрения новой техники;

З = 77 356,8+0,1 560 600 =86 446,8 руб На основание выбора силового трансформатора выбираю КТП—100 со следующими данными.

Таблица 4 технико—экономическое сравнение трансформаторов

Выбираем вариант 1 как экономически более выгодный.

2.3 Выбор типа контрольной трансформаторной подстанции

Выбор трансформатора контрольной трансформаторной подстанции представлен в таблице 4

Таблица 4 — Выбор трансформатора контрольной трансформаторной подстанции

Трансформаторные подстанции являются одним из основных элементов СЭС. Они служат для приема, преобразования и распределения электроэнергии.

Подстанции и распределительные пункты классифицируются: по назначению: УРП, ГПП, ПГВ, ТП, ПП, ЦРП, РП; по конструктивному выполнению: открытые (с оборудованием для наружной установки) и закрытые (с оборудованием для установки в помещениях); по количеству трансформаторов: однои двухтрансформаторная; по расположению на территории предприятия.

Схема контрольной трансформаторной подстанции представлена на рисунке 1

Рисунок 1— Схема контрольной трансформаторной подстанции

2.4 Расчет центра электрических нагрузок и выбор схемы электроснабжения

Определение центр электрических нагрузок участка электрооборудования учебных мастерских. Координаты центра электрических нагрузок рассчитывают по формулам:

x?= ,

где хi — координаты электроприёмника по горизонтали, м;

Pi — мощность электроприёмника, кВт;

x?=4,3 см

y? = ,

где yi — координаты электроприёмника по вертикали, м;

Pi — мощность электроприёмника, кВт;

y? =12,8 см Данные по расчету цеха приведены в таблице 5

Таблица 5— Расчёт центра электрических нагрузок

Центр электрических нагрузок располагается в точке с координатами: (4,3;12,2) в том же месте располагается и контрольно тяговая подстанция На практике для электроснабжения цеховых электроприборов радиальные или магистральные схемы редко встречаются в чистом виде наибольшее распространение имеют смешанные (комбинированные) схемы, сочетающие в себе элементы радиальных и магистральных схем и пригодные для любой категории электроснабжения. такие схемы применяются в прокатных и мартеновских цехах металлургической промышленности, в кузнечных, котельных и механосборочных цехах, на обогатительных фабриках и т. п. В смешанных схемах от главных питающих магистралей и их ответвлений электроприемники питаются через распределительные шкафы или шинопровод в зависимости от расположения оборудования в цехе. на участках с малой нагрузкой, где прокладка распределительных шинопроводов нецелесообразна, устанавливаются распределительные шкафы, присоединяемые к ближайшим шинопроводам (распределительным или магистральным) устанавливаются вблизи места расположения электроприборов при среднем радиусе отходящих от распределительных шкафов линии 10−30 м.

2.5 Расчет и выбор токоведущих частей

Проводники электрических сетей от проходящего по ним тока согласно закону Джоуля—Ленца нагреваются. Количество выделенной тепловой энергии пропорциональна квадрату тока, сопротивлению и времени протекания тока Рассчитывают ток расчётный по формуле:

Iр =, (25)

где P — мощность электрооборудования, Вт;

U — фазное напряжение, В;

Ток расчётный — максимальный рассчитывается по формуле:

Ip.max = Ip1.25, (26)

где Iр — ток расчётный;

Ток длительно-допустимый (ПУЭ) рассчитывают по формуле:

Iд.доп Ip. max, (27)

где Ip. max — ток расчётный максимальный;

Потери напряжения рассчитывают по формуле:

?U =, (28)

где P — мощность электрооборудования, кВт;

l — длина кабеля, м;

U — фазное напряжение, В;

S — сечение жилы кабеля (ПУЭ), мм;

y — удельная проводимость = 54;

Потери напряжения в % рассчитывают по формуле:

?U% =, (29)

где ?U — потери напряжения, В;

U — фазное напряжение, В;

Расчет и выбор сечения токоведущих частей сводим в таблицу

2.6 Выбор оборудования напряжением ниже 1000 В

Выбор распределительных пунктов РП и силовых щитов, производительность по току номинальному с учетом числа отходящих линий. При проверке выполнения условия

где Ip — расчетный ток аппарата ;

Iном. а — номинальный ток по справочнику;

Выбор силовых щитов сводятся в таблице 7

Таблица 7— Выбор щитов силовых

2.7 Расчет токов трехфазного короткого замыкания

Производится методом именованных единиц т. е. учитываются активные и индуктивные сопротивления всех элементов схемы от источника питания до точки короткого замыкания, а для этого чертится расчетная схема токов короткого замыкания с указанием всех параметров элементов схемы.

Токи короткого замыкания рассчитывается в соответствии с рисунком 2

Рисунок 2 — Схема замещения для токов короткого замыкания Рассчитываем активное и индуктивное сопротивление трансформатора по формуле:

(32)

где Uк% — напряжение к.з.;%

Uб2 — напряжение на высокой стороне трансформатора; кВт

Sном — мощность трансформатора; кВА Ом

(33)

где Uб2 — напряжение на высокой стороне трансформатора; кВт

Sном — мощность трансформатора; кВА

Pк — потери к. з; кВт Ом Рассчитывают активное индуктивное сопротивление автомата:

rа= 0,12 мОм

xа=0,094мОм Точка КЗ1

Рассчитываем суммарное активное сопротивление до точки КЗ1? r1, мОм

? r1= rт + rа, (34)

где rт — активное сопротивление трансформатора;

rа — активное сопротивление автомата;

? r1= 0,02+0,12=0,14, мОм Рассчитываем суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ1? x1, мОм

? x1= xт + xа, (35)

где xТ — индуктивное сопротивление трансформатора;

xа — индуктивное сопротивление автомата;

? x1= 4,5+0,094=4,594, мОм Рассчитываем полное сопротивление Z, мОм

(36)

где — суммарное активное сопротивление;

— суммарное индуктивное сопротивление;

мОм Рассчитываем ток КЗ в начальный момент времени, по формуле:

(37)

где Uн — номинальное напряжение;

z1 — общее сопротивление;

кА Рассчитываем значение ударного тока в точке КЗ1, iу1, кА по формуле:

(38)

где Ку — коэффициент ударный;

Iк.з1— ток короткого замыкания; А

кА Рассчитываем значение установившегося тока КЗ в точке КЗ1 Iу, кА по формуле:

(39)

где — ток КЗ в начальный момент времени;

кА Точка КЗ2

Рассчитываем активное и индуктивное сопротивление кабеля 1

(40)

где R0 — активное сопротивление кабеля;

l — длина кабеля;

Ом

энергетический цех реактивный мощность

(41)

где x0 — индуктивное сопротивление кабеля;

Ом Рассчитываем активное и индуктивное сопротивление кабеля 2

Ом Ом Рассчитываем суммарное активное сопротивление до точки КЗ2? r2, мОм

? r2=? r1 + rа1 + rк1 + rщ + rк2+ rа2, (42)

где ra1 — активное сопротивление автомата 1;

rк1 — активное сопротивление кабеля 1;

rщ — активное сопротивление щитка;

rк2 — активное сопротивление кабеля 2;

ra2 — активное сопротивление автомата 2;

? r2=0,14+0,12+50,9+0,36+52,58+0,12=104,22, мОм Рассчитываем суммарное индуктивное сопротивление до точки КЗ2? x2, мОм

? x2=? x1 + xа2 + xк1 + xщ+ xк2+ xа2, (43)

где xa1 — индуктивное сопротивление автомата 1;

xк1 — индуктивное сопротивление кабеля 1;

xщ — индуктивное сопротивление щитка;

xк2 — индуктивное сопротивление кабеля 2;

xa2 — индуктивное сопротивление автомата 2;

? x2= 4,594+0,094+5,551+0,28+0+0,094=10,613, мОм Рассчитываем полное сопротивление? Z2, мОм

(44)

где — активное суммарное сопротивление;

— индуктивное суммарное сопротивление;

мОм Рассчитываем ток короткого замыкания в начальный момент времени Iк. з2, кА по формуле

(45)

где Uн — номинальное напряжение;

z2 — общее сопротивление;

кА Рассчитываем значение ударного тока в точке КЗ2, iу2, кА по формуле

(46)

где Ку — коэффициент ударный;

Iк.з2 — ток короткого замыкания; А

кА Рассчитываем значение установившегося тока КЗ в точке КЗ2 Iу, кА по формуле:

(47)

кА Данные расчётов токов трехфазного короткого замыкания в сетях, сведены в таблице 8

Таблица 8 — Расчётные данные

2.8 Выбор высоковольтного электрооборудования

Выбор разъединителей и предохранителей учитывается по следующим условиям:

по напряжению установки: Uуст? Uном по длительному току: Iнорм? I, ном

Iмаx? I, ном по электродинамической стойкости: iу? iдин Выбор высоковольтного электрооборудования сводится в таблицу 9

Таблица 9 — Выбор высоковольтного электрооборудования