Электрификация участка механического цеха завода

В системах цехового распределения электроэнергии предусмотрено широкое использование комплектных распределительных устройств и подстанций, что обеспечивает гибкую, экономичную и надёжную систему распределения электроэнергии. При этом широко используются современные системы автоматики, простые и надёжные устройства защиты элементов системы электроснабжения и источников питания.

Проектирование электроустановок осуществляется с использованием нормативно — технической документации, в частности положений правил устройства электроустановок (ПУЭ), межотраслевых правил по охране труда, строительных норм и правил (СНиП), других информационно-справочных материалов.

Главная цель курсового проекта (КП) — научиться грамотно проводить расчёты по проектированию силового электрооборудования.

В соответствии с поставленной целью в КП решаются следующие задачи:

— определяется сущность и назначение силового электрооборудования;

— проводится расчёт участка цеховой электрической сети промышленного предприятия;

— рассматриваются вопросы электрообеспечения КТП — ВЦ;

— проводится расчёт заземляющего устройства.

1. Силовое электрооборудование участка механического цеха

1.1 Основные показатели проекта

Основными показателями проекта являются:

а) производственная площадь: 2016 м²;

б) напряжение сети6 220/380 В;

в) установленная мощность металлообрабатывающих станков далее по тексту (электроприёмников ЭП): 733,53 кВт;

г) общее количество ЭП, 55 шт;

в) том числе:

1) номинальная активная мощность ЭП: 733,53 кВт;

2) количество ЭП: 55 шт;

д) установленная мощность электрического освещения: 28,20 кВт;

е) удельная установленная мощность: 0,36 кВт/м²;

Расчетные нагрузки цеха:

— активная: 77,02 кВт;

— реактивная: 133,24 квар;

— полная: 153,90 кВ•А.

1.2 Краткие сведения о технологическом процессе

Участок механического цеха — это участок по обработке тяжелых чугунных деталей, поступающих из литейного цеха. В основном на участке изготавливаются станины и корпусные части металлообрабатывающих станков. Тип производства на участке — мелкосерийный, т.к. изделия выпускаются небольшими партиями.

Металлообрабатывающие станки на участке размещены группами по видам обработки: токарная, фрезерная, расточная и шлифовальная.

1.3 Описание строительной части и характеристика окружающей среды

Участок цеха размещен в одноэтажном кирпичном здании и занимает три пролета шириной по 12 метров. Площадь цеха 56Ч36 квадратных метров. Перекрытие цеха поддерживается железобетонными колоннами квадратного сечения с шагом 6 метров. Строительная высота цеха от уровня пола до балок перекрытия 8,5 метров. Перекрытие выполнено по железобетонной ферме и имеет световые фонари.

Обработка чугунных деталей на участке цеха связана с выделением большого количества токопроводящей пыли, но наличие естественной и искусственной вентиляции обеспечивает нормальные условия окружающей среды. В отношении опасности поражения электрическим током участок цеха относится к помещениям с повышенной электроопасностью, в связи с наличием токопроводящей пыли и возможностью одновременного прикосновения к металлическим корпусам электрооборудования и заземленным металлическим массам технологических машин, т. е. относится к зоне ПО [5, А.4].

1.4 Характеристики ЭП

Основными ЭП на участке цеха являются металлообрабатывающие станки с асинхронными электродвигателями (ЭД) с короткозамкнутым ротором напряжением 380 В, номинальной мощностью от 0,75 до 18,50 кВт. Большинство станков имеет многодвигательный электропривод с автоматизированным управлением.

ЭД и пускорегулирующая аппаратура поставляются комплектно со станками и выбор их в данном проекте не проводится. Характеристики ЭП приводятся в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Ведомость ЭП

1.5 Выбор схемы питающей и распределительной сетей и ее элементов

Намечается выполнение питающей и распределительной сети участка цеха от распределительного устройства со стороны низшего напряжения (РУНН) цеховой комплектной трансформаторной подстанции (КТП-ВЦ, далее по тексту КТП), при помощи магистрального шинопровода (М) прокладываемого вдоль цеха. От М при помощи кабелей происходит питание силовых шкафов (пунктов распределительных ПР), а к последующим по радиальной схеме проводами в трубах подключаются ЭП.

По [5, глава 1.7] принимается система заземления электроустановок типа TN-S.

1.6 Расчет распределительной сети

От М типа ШМА5 получают питание ПР типа ПР8501 с выключателями автоматическими (ВА) серии ВА51−31 на отходящих линиях к ЭД станков.

Станки, ПР и пусковая аппаратура установлены в помещении с нормальной средой. Режим работы ЭД исключает возможность длительных перегрузок, условия пуска легкие, самозапуск наибольших по мощности ЭД исключен.

В ответвлениях к станкам в системе TN-S используются пять одножильных проводников. Сечение проводников выбирается по [6, 1.3.10].

Сечение четвертого N-проводника принимается равным фазному, а пятого PE-проводника в соответствии с [6, таблица 1.7.5].

Проводится расчет ответвления к горизонтально-фрезерному станку номер 16. Станок имеет три ЭД. Технические данные ЭД определяются из ведомости ЭП (таблица 1.1) и заносятся в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 — Ведомость ЭП станка номер 16

Определяется пусковой ток наибольшего по мощности ЭД по формуле

где I_н1 — номинальный ток первого ЭД, А;

К_пуск1 — кратность пускового тока первого ЭД (I_пуск./I_н).

Определяется длительный расчетный ток ответвления по формуле

где I_н — сумма номинальных токов ЭД, А.

Определяется пиковый ток в ответвлении при пуске ЭД по формуле

где I_н2; I_н3 — номинальные токи второго и третьего ЭД, А.

Сечения проводников по условию нагрева определяются по [5, таблица К.5] в соответствии с соотношением

где I_{норм.доп} — допустимый ток провода в нормальном режиме, А.

Выбираются провода ПВ 5 (11,5) с I_{норм.доп}=17 А, тогда 17 А15,5 А, условие выполняется.

Провода прокладываются в пластмассовых трубах в полу [5, таблица К.14].

По [5, таблица К.15] определяется условный проход трубы равный 15 мм.

По [5, таблица Г.1] выбирается ВА серии ВА51−31 и проверяется в соответствии с условиями

I_н.р1,25•I_дл.р,

I_у.э.р1,2•I_пик,

где I_н.р — номинальный ток расцепителя, А;

I_у.э.р — ток уставки электромагнитного расцепителя, А.

По [5, таблица Г.1] выбирается номинальный ток расцепителя I_н.р = 20 А и проверяется по условию (1.5)

20 А > 1,25•15,5=19,38 А, условие выполняется.

Определяется уставка электромагнитного расцепителя I_у.э.р с учетом I_н.р равного 20 А и кратности срабатывания равной 7 по [5, таблица Г.1] и проверяется по (1.6)

7· 20=140 А > 1,2· 85,05=102,06 А, условие выполняется.

Принимается к установке ВА серии ВА51−31 100/20/140.

Проверяется соответствие выбранного сечения проводов требуемому коэффициенту защиты К_з по условию

I_{норм.доп}? К_з•I_з; 17 А >1,0•20=20 А, где К_з=1,0 по [5, таблица К.30];

I_з = I_н.р=20 А, условие (1.7) не выполняется, поэтому принимается провод ПВ 5 (12) с I_{норм.доп}=22 А, тогда

22 А 20 А, условие выполняется.

1.7 Расчет питающей сети

Расчет питающей сети проводится по коэффициенту расчетной активной мощности [2, глава 9; 11].

Расчет нагрузки ПР1

Определяется групповая номинальная (установленная) активная мощность ЭП, подключённых к ПР1 по формуле

Р_{н.с ПР1}=? p_н= p_н1+p_н7+p_н15+p_н16=1,50+4,40+1,85+7,35=15,10 кВт, (1.8)

где p_н1, p_н7, p_н15, p_н16 — номинальная (установленная) активная мощность ЭП 1,7,15,16 (по данным таблицы 1.1), кВт.

Определяются средние активные и реактивные нагрузки ПР1 по формулам

Р_с ПР1=К_и•P_{н.с ПР1}=0,14•15,10=2,11 кВт, (1.9)

Q_с ПР1 = Р_с ПР1•tg=2,11•1,73=3,65 квар.

По [5, таблица А.1] К_и=0,14, tgц=1,73 для ЭП (металлообрабатывающих станков мелкосерийного производства).

Определяется эффективное число ЭП ПР1 по формуле

n_эПР1=(? p_н)²/ У (p_н)² =(P_н.сПР1)² /У (p_н)² = (1.11)

=15,10²/(1,50²+4,40²+1,85²+7,35²)=228,00/79,05=2,88

где p_н — номинальная мощность ЭП одного станка, кВт.

Принимается n_эПР1=3.

По [5, таблица 1.3] принимается коэффициент расчетной активной мощности К_рПР1=2,89.

Определяется расчетная активная нагрузка ПР1 по формуле

Р_рПР1=К_рПР1•Р_сПР1=2,89· 2,11=6,10 кВт.

Согласно [11, п. 3.2.7] принимается

P_рПР1= p_{р maxПР1}=p_н16=7,35 кВт, (1.13)

где p_{р maxПР1} — наибольшая номинальная активная мощность ЭП, подключённого к ПР1, кВт.

Определяется расчетная реактивная нагрузка ПР1 по формуле

Q_рПР1=L_р· К_и· P_н· tgц= L_р· Q_сПР1 = 1,1· 3,65 = 4,02 квар, (1.14)

где L_р =1,1 при n_э?10.

Определяется полная расчетная нагрузка ПР1 по формуле кВ•А.

Определяется расчетный ток ПР1 по формуле

I_рПР1=S_рПР1 /(•U_н) =8,38/(1,73•0,38)= 12,73 А. (1.16)

Определяется пиковый ток ПР1 по формуле

I_пикПР1=I_{пуск.нб}+(I_рПР1-К_и· I_нПР1)=80,25+(12,73−0,14·10,70)=91,48 А, (1.17)

где I_{пуск.нб} — пусковой ток наибольшего по мощности ЭД в группе, А (по данным таблицы 1.1);

I_нПР1 — номинальный ток наибольшего по мощности ЭД в группе, А (по данным таблицы 1.1).

Аналогично проводятся расчеты нагрузок остальных ПР. Данные расчётов питающей сети заносятся в таблицу 1.4.

Выбор ВА, установленного в ответвлении М и защищающего питающий кабель ПР1

По [5, таблица Г.1] выбирается ВА серии ВА51−33 по условиям

I_{н.р ПР1 ?} 1,1 I_рПР1, (1.18)

I_{у.э.р ПР1 ?} 1,2 I_{пик ПР1,} (1.19)

где I_{н.р ПР1} — номинальный ток расцепителя ВА по данным [5, таблица Г.1], А;

I_{у.э.р ПР1} — уставка электромагнитного расцепителя ВА по данным [5, таблица Г.1], А.

По [5, таблица Г.1] выбирается ток срабатывания расцепителя, равный 80 А и проверяется по условию (1.18)

80 А > 1,1•12,37=14,00 А, условие выполняется По [5, таблица Г.1] выбирается уставка электромагнитного расцепителя I_у.э.р с учётом I_н.р равного 80 А и кратности срабатывания равной 10 и проверяется по формуле (1.19)

10· 80=800 А > 1,2· 91,48=109,78 А, условие выполняется.

Принимается к установке ВА51−33 160/80/800.

Сечение кабеля по условию нагрева определяется по [5, таблица К7] в соответствии с соотношением (1.4).

Выбирается кабель ВВГЗНГ 51,5−0,66 с I_{норм.доп}=19 А, тогда

19 А12,73 А.

где 12,73 А расчетный ток ПР1 из формулы (1.16)

условие выполняется.

Проверяется соответствие выбранного сечения кабеля требуемому коэффициенту защиты К_з по условию (1.7)

19 А > 1,0· 80=80 А, условие не выполняется, поэтому следует принять большее сечение кабеля.

Выбирается кабель ВВГЗНГ 425+116−0,66 с I_{норм.доп}= 95 А, тогда

95 А>1,0· 80 А, условие выполняется.

Аналогично проводится выбор ВА, защищающих питающие кабели к остальным ПР.

Данные расчетов заносятся в таблицу 1.5

Расчет нагрузок магистрального шинопровода Определяется групповая номинальная (установленная) активная мощность ЭП (станков), подключенных к М по формуле

P_{н.с М}=? P_н.сПР = P_н.сПР1 + … + P_н.сПР10 =

=15,10+80,83+52,30+76,45+64,25+53,70+

+106,80+55,55+114,50+114,05=733,53 кВт, где P_н.сПР1,…, P_н.сПР10 -групповая номинальная (установленная) активная мощность ПР1… ПР10, кВт.

Вычисляются средние активные и реактивные мощности ЭП, подключенных к М по формулам (1.9, 1.10)

Р_с.М=0,14•733,53=102,69 кВт,

Q_с.М=102,69•1,73=177,66 квар.

Определяется эффективное число ЭП М по формуле

n_эМ1 = 2УP_н.с.ПР/p_н.c.max= 2•P_{н.с М}/ p_н.c.max =2· 733,53/33,50=43,79, (1.21)

где p_н.c.max — номинальная (установленная) активная мощность из таблицы 1.3 наиболее мощного ЭП, подключённого к М, которым является продольно-фрезерный станок, номер станка на плане 3.

Принимается n_эМ=44.

По [5, таблица 1.4] принимается коэффициент расчетной мощности К_рМ=0,75.

Определяется расчетная активная мощность М по формуле

Р_рМ=К_рМ•Р_сМ=0,75· 102,69=77,02 кВт.

Определяется расчетная реактивная мощность М по формуле

Q_рМ =Р_рМ.tgц=77,02· 1,73=133,24 квар. (1.23)

Определяется полная расчетная мощность М по формуле

кВ•А. (1.24)

Определяется расчетный ток М по формуле

I_рМ=S_рМ /(•U_н) =153,90/(1,73•0,38)=234,10 А.

Расчёт нагрузок РУНН КТП Нагрузка РУНН (без учёта компенсации реактивной мощности) включает в себя:

— силовую участка цеха;

— осветительных ЭП того же участка;

— дополнительную соседних участков.

Силовая нагрузка участка цеха принимается по данным таблицы 1.4.

Нагрузка осветительных ЭП участка цеха определяется по методу коэффициента спроса и по удельным нормам.

Определяется установленная мощность ЭП освещения по формуле

Р_н.осв=Р_уд•S•10^-3=14•2016•10^-3=28,22 кВт, где Р_уд — удельная норма установленной мощности ЭП освещения, Вт/м²;

S — площадь участка цеха, м²; S = 2016 м² определяется из чертежа «Участок цеха. План прокладки силовых сетей»;

Р_уд= 14 Вт/м² по [9, таблица 5.40];

Определяется расчётная активная нагрузка освещения по формуле

Р_р.осв=К_с•Р_н.осв = 0,95•28,22=26,81 кВт, (1.27)

где К_с-коэффициент спроса осветительной нагрузки. К_с=0,95 по [5, таблица А.2].

Определяется расчётная реактивная нагрузка освещения по формуле

Q_р.осв.=Р_р.осв• tg =26,81•0,32=8,58 квар, (1.28)

где tg=0,32 по [5, таблица А.1].

Определяется расчётная полная мощность на шинах РУНН КТП

(1.29)

кВ•А, где Р_рМ = 77,02 кВт; Q_рМ=133,24 квар из таблицы (1.4);

Р_доп =360,00 кВт, Q_доп =520,00 квар, согласно задания на проект.

1.8 Определение мощности компенсирующего устройства (УК) на стороне РУНН КТП и определение нагрузки трансформатора (Т) КТП

Определение мощности УК проводится в соответствии с.

Определяются активные и реактивные нагрузки Т по формулам

Р_н.т=Р_рМ+Р_р.осв+Р_доп=77,02+26,81+360,00=463,83 кВт, (1.30)

Q_н.т=Q_рМ+Q_р.осв+Q_доп=133,24+8,58+520,00=661,82 квар. (1.31)

Согласно [5, формула1.45] и условиям задания, для потребителей второй категории при возможности использования централизованного резерва предусматривается установка одного Т (N=1) с коэффициентом загрузки _т=0,7 … 0,8 [5, 1.13.2].

Определяется полная мощность Т по условию

S_т>Р_н.т/(_т•N)=463,83/(0,8•1)=579,79 кВ•А. (1.32)

Принимается Т мощностью S_т = 630 кВ•А.

Определяется реактивная мощность, которую можно передать через Т

квар, (1.33)

где N_т.э — экономически оптимальное число Т на подстанции, при N?3, N_т.э=1.

Определяется мощность УК по первому этапу расчета по формуле

Q_н.к1=Q_н.т - Q_т = 661,82 — 197,17=464,60 квар. (1.34)

Положительное значение означает, что установка УК требуется.

Определяется дополнительная мощность УК по условию снижения потерь

Q_н.к2=Q_н.т - Q_н.к1? •N_т.э S_т = 661,82? 464,60?0,5•1•630 = ?117,78 квар, (1.35)

где =0,5 в соответствии с К₁ и К₂ по [5, рисунок 1.9]; К₁=12, К₂=2 определяются по [5, таблицы1.10, 1.11].

Отрицательное значение Q_н.к2 означает, что по второму этапу установка УК не требуется, т. е. Q_н.к2=0.

Определяется мощность УК по формуле

Q_н.к=Q_н.к1+Q_н.к2=464,60+0 =464,60 квар. (1.36)

По [5, таблица Л.4] выбирается УК типа УКМ 58−04−603−67 мощностью

Q_к.у=603 квар. УК подключается к шинам РУНН КТП [5, с. 60].

Согласно техническим условиям ОАО «ВЛАДИМИРЭНЕРГО»

коэффициент реактивной мощности tgц на вторичной стороне Т должен находиться в пределах до 0,2.

Определяется коэффициент реактивной мощности на вторичной стороне Т по формуле

(1.37)

технические условия выполняется.

Определяется нагрузка Т с учетом компенсации реактивной мощности по формуле

кВ· А. (1.38)

Определяется фактический коэффициент загрузки Т по формуле

К_з.т=S_р.п/ст/S_т=467,54/630,00=0,74,

где S_т — номинальная полная мощность Т, кВ· А.

Величина К_з.т=0,74 соответствует допустимому значению [5, 1.12.2].

Определяется нагрузка РУНН КТП по формуле

(1.40)

кВ· А.

Определяется расчетный ток на шинах РУНН КТП по формуле

I_р=S_р /(•U_н) =467,54/(1,73•0,38)=710,67 А. (1.41)

Определяется расчетный ток на вторичной стороне Т по формуле

I_р2=S_н.т/(•U_н)=630/(1,73•0,38)=958,32 А. (1.42)

По [5, таблица Б.9] выбирается ШМА5 на номинальный ток 1600 А.

1.9 Характеристика монтажа силовой сети

М прокладывается в цехе с использованием элементов крепления в виде стандартных кронштейнов, закрепленных на опорных поверхностях здания (на колоннах и на нижних поясах ферм перекрытия) на высоте 8 м над уровнем пола, а так же на подвесах. Расстояние между точками крепления не более 6 м, кабели ВВГЗНГ от М до ПР прокладываются по колоннам и балкам перекрытия. ПР серии ПР8501 навесного исполнения.

Внутри ПР устанавливаются две шины: нулевая рабочая N и нулевая защитная PE, электрически связанная с корпусом ПР.

Ответвления к станкам выполняются проводом ПВ в комбинированных трубах:

— в полу, в бетоне прокладываются трубы из самозатухающего ПВХ-пластиката;

— выходы из пола трубной части электропроводки выполняются стальными тонкостенными трубами.

1.10 Проверка силовой сети на потерю напряжения

Проверка заключается в определении расчетной величины потери напряжения ?U_расч от РУНН КТП до наиболее удаленного ЭП (станка 55) на участке цеха и сравнение ее с величиной допустимой потери напряжения ?U_доп.

Все длины участков в расчетах определены из чертежа «Участок цеха. План прокладки силовых сетей».

Определяется потеря напряжения в М по [5, формула 1.56]

?U_М =•I_р•(L₀+L/2)•(r₀ •cos_р+x₀•sin_р)/(U_н•10) = (1.43)

=1,73•710,67•(37+44/2)•(0,03•0,992+0,014•0,141)/(380•10)=0,60%,

где I_р — расчетный рабочий ток М из таблицы 1.4, А;

L₀ — длина М до первого ответвления от М, м

L_c — длина М от первого до последнего ответвлений от М, м;

r₀ — фазное активное сопротивление М, Ом/км;

x₀ — фазное индуктивное сопротивление М, Ом/км;

Для М по [5, таблица Б.1] r₀ = 0,030 Ом/км; x₀=0,014 Ом/км.

сos_p с учетом компенсации реактивной мощности определяется по формуле

сos_p =P_р/S_р =463,83/467,54= 0,992,

где Р_Р и S_Р — из таблицы 1.4, из строки — с учетом дополнительной нагрузки и компенсирующего устройства.

По значению cos_p определяется sin_p по [5, таблица Ф. 1] sin_p= 0,141.

Определяется потеря напряжения в кабеле от М до самого удаленного от КТП ПР (ПР8) по [5, формула 1.57]

ДU_к =((•I_р•cпsц•L_кл8)/(г•S_кл8•U_н))•100=

=((1,73•40,92•0,5•35)/(57•25•380))•100=0,23%,

где — удельная проводимость для меди, м / Ом· мм²; =57 м/(Ом· мм²) [5, с. 66];

S_кл8 =25мм² — сечение кабеля из таблицы 1.3;

L_кл8=35 м — длина кабельной линии к ПР8;

I_р = 40,92 А из таблицы 1.4;

cos=0,5 [5, таблица А.1].

Определяется потеря напряжения в наиболее длинном ответвлении от ПР8 к станку 55 по [5, формула 1.57]

ДU_отв=((•I_р•сosц•L₅₅)/(г•S•U_н))•100 = (1.46)

=((1,73•4,98•0,8•7)/(57•1,5•380))•100 =0,15%,

где I_р=4,98 А, (из таблицы 1.3); cos =0,8 (рекомендованное значение в ответвлениях к ЭП); L₅₅ — длина ответвления к станку 55 (из таблицы 1.3), м.

Определяется потеря напряжения от КТП до самого удаленного ЭП по формуле

U_расч=U_м+U_к+U_отв=0,60+0,23+0,15=0,98%, тогда (1.47)

U_доп >U_расч,

что соответствует требованиям ГОСТ 13.109−99.

1.11 Расчет токов однофазного короткого замыкания (КЗ)

В целях электробезопасности при косвенном прикосновении к электроустановке проектом предусматривается автоматическое отключение питания, которое должно соответствовать требованиям ПУЭ [7, 1.7.78].

Проверяется выполнение требования расчетом для наиболее удаленного от КТП ЭП (станка 55), подключенного к ПР8.

Определяется ток однофазного КЗ между фазным и нулевым

PE — проводниками по формуле

I_к.з = U_ф / (Z_п + Z_т/3),

где U_ф — фазное напряжение сети, В;

Z_т/3 — расчетное сопротивление Т, равное 0,043 Ом по [5, таблица К.16];

Z_п — полное сопротивление цепи «фаза — нуль», Ом.

Определяются сопротивление отдельных участков цепи «фаза-нуль».

Определяется активное сопротивление провода ответвления по формуле

r_пр=L₅₅/(г•S) =7/(57•1,5)=0,08 Ом, Определяется полное сопротивление цепи «фаза — нуль» ответвления по формуле (индуктивная составляющая не учитывается ввиду её малого значения)

Z_отв?2· r_пр = 2· 0,08=0,16 Ом.

Определяется полное сопротивление цепи «фаза-нуль» кабеля КЛ8 по формуле

Z_к=Z_к.о•L_кл8=1,776· 0,035=0,062 Ом, где L_кл8 — длина кабеля КЛ8, км;

Z_к.о — полное расчетное сопротивление цепи «фаза-нуль» Z_ц для кабеля КЛ8, равное 1,776 Ом/км по [5, таблица К.21].

Определяется полное сопротивление цепи «фаза-нуль» М по формуле

Z_М=Z_ш.о•L_М =0,095•0,081=0,008 Ом, где Z_ш.о — полное удельное сопротивление цепи «фаза-нуль» для М равное 0,095 Ом /км по [5, таблица Б.1];

L_М — длина М, км.

Определяется полное сопротивление цепи «фаза-нуль» при замыкании в точке К1 по формуле

Z_п1=Z_отв+Z_к+Z_М=0,16+0,062+0,008=0,230 Ом По [7, таблица 1.7.1] наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения питания для системы TN не должно превышать 0,4 с при номинальном фазном напряжении 220 В.

По [5, Г.1] полное время защитного автоматического отключения электрической цепи ВА серии ВА55−43, ВА51−35; ВА51−33; ВА51−31 в зоне токов КЗ не превышает 0,04 с.

Определяется ток однофазного КЗ в точке К1 по формуле

I_кз1=U_ф /(Z_п1+Z_т/3)=220/(0,230+0,043)=806 А.

Проверяется условие срабатывания QF4

I_кз1 > I_{у.э.р QF4}, 806 А >56 А где I_{у.э.р QF4} — ток уставки электромагнитного расцепителя в зоне токов КЗ QF4, А, условие выполняется.

Определяется ток однофазного КЗ в точке К2 по формуле

I_кз2=U_ф /(Z_п2+Z_т/3), =220/(0,070 +0,043)=1946 А, где Z_п2=Z_к+Z_М=0,062+0,008=0,070 Ом.

Проверяется срабатывание QF2 по условию

I_кз2> I_{у.э.р QF2}, 1486 А>800 А где I_{у.э.р QF2} — ток уставки в зоне токов КЗ QF2, А, условие выполняется.

Определяется ток однофазного КЗ в точке К3 по формуле

I_кз3=U_ф /(Z_п3+Z_т/3) =220/(0,008+0,043)=4314 А, где Z_п3=Z_м=0,008 Ом.

Определяется срабатывание QF1 по условию

I_кз2>I_{с.пп.р QF1}, 4314 А>2000 А, где I_{с.пп.р QF1} — ток срабатывания полупроводникового расцепителя в зоне токов КЗ QF1, А.

Условия выполняются, следовательно, требование [7, п. 1.7.79] по времени защитного автоматического отключения питания обеспечивается.

2. Электрооборудование цеховой подстанции

2.1 Выбор типа и схемы соединения цеховой подстанции

По степени надежности электроснабжения цех относится к потребителям второй категории, допускающим перерыв электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания.

Исходя из расчетной мощности, в проекте принята к установке комплектная трансформаторная внутрицеховая подстанция мощностью 630 кВ· А КТП-ВЦ-630/10/0,4 (в дальнейшем — КТП).

В состав КТП входят:

— устройство ввода со стороны высшего напряжения — УВН;

— силовой трансформатор;

— распределительное устройство со стороны низшего напряжения РУНН.

Особенностью конструкции силового трансформатора ТМЗ-630 является его герметичность, которая создается избыточным давлением в баке за счет «азотной подушки». Бак повышенной прочности выдерживает избыточное давление 80 кПа и вакуум 40 кПа. Напряжение регулируется при отключенном от сети трансформаторе.

Трансформатор снабжается электроконтактным мановакуумметром для контроля внутреннего давления. Для защиты трансформатора при повышении давления внутри бака в результате бурного газообразования, вызванного внутренними повреждениями, служит реле давления. Трансформатор также снабжается термосигнализатором для измерения температуры верхних слоев масла. Уровень масла в баке контролируется маслоуказателем.

По [5, таблица К.18] определяются технические данные силового трансформатора ТМЗ-630 и заносятся в таблицу 2.1.

Подстанция подключается кабелем к РУ 10 кВ завода, вся коммутационная аппаратура трансформатора устанавливается в ячейке РУ 10 кВ.

Таблица 2.1 — Технические данные трансформатора

На подстанции питающей кабель к трансформатору подсоединяется через шкаф высшего напряжения типа ВВ-1.

РУ низшего напряжения состоит из двух шкафов:

— шкафа ввода типа ШНВ-2У3;

— шкафа отходящих линий типа ШНЛ-6У3.

Шкаф ввода ШНВ-2У3 укомплектован ВА ввода серии ВА55−41 и двумя ВА серии ВА51−37 на отходящие линии. В шкафу предусмотрен выход на М. Шкаф отходящих линий ШНЛ-6У3 укомплектован пятью ВА серии ВА51−37. Подключение силовых нагрузок цеха предусматривается к М. Подключение комплектной УК производится к шинам цеховой подстанции.

Для отключения подстанции в выходные дни и для резервирования электроснабжения предусматривается связь магистрального шинопровода через разъединитель с магистральным шинопроводом прессового цеха, размещенного в том же корпусе.

2.2 Выбор типа и номера схемы первичных и вторичных соединений ячейки для подключения подстанции к распределительному устройству РУ 10 кВ завода

РУ 10 кВ завода комплектуется из сборных камер одностороннего обслуживания серии КСО2 (98)-1ВВп-600 [5, таблица Н.1], укомплектованных вакуумным выключателем, шинным и линейными разъединителями, трансформаторами тока ТПОЛ в двух фазах.

2.3 Выбор сечения кабеля напряжением 10 кВ для подключения подстанции к РУ 10 кВ завода

Сечение кабеля выбирается по экономической плотности тока. При числе часов использования максимума нагрузки в год 3700 ч (машиностроение, двухсменная работа) [5, таблица К.11], нормированное значение экономической плотности тока кабелей с бумажной изоляцией с алюминиевыми жилами J_эк=1,4 А/мм².

Определяется номинальный первичный ток Т по формуле

I_1 т.ном= А, (2.1)

где S_т.ном — номинальная мощность трансформатора, кВ· А;

U_1ном — номинальное первичное напряжение, кВ.

Определяется экономически целесообразное сечение кабеля по формуле

S_эк=I_1 т.ном/J_эк=36,41/1,4=26 мм². (2.2)

Выбирается кабель ААШв 3Ч35 — 10, I_доп=115,00 А по [5, таблица К.9].

Выбранное сечение кабеля проверяется по соотношению

I_доп? I_max, (2.3)

где I_max — максимальный длительный ток нагрузки цепи, А.

Определяется максимальный длительный ток исходя из условий возможной перегрузки по формуле

I_max=1,4· I_т.ном =1,4· 36,41=50,97 А. (2.4)

Проверяется условие перегрузки

115,00 А > 50,97 А, условие выполняется.

2.4 Расчет токов трехфазного короткого замыкания (КЗ)

Проектируемая подстанция к РУ 10 кВ завода подключается кабельной линией длиной 100 м. На РУ 10 кВ завода напряжение подается по двум кабелям ААБ2 (3Ч185) — 10 от районной подстанции, находящейся на расстоянии 2 км.

Согласно задания, установившийся ток трехфазного КЗ на шинах 10 кВ районной подстанции I_к = 13 кА.

Расчет токов КЗ в точках К1 и К2 на стороне 10 кВ Для выполнения расчетов составляется расчетная схема и схема замещения, изображенные на рисунке 2.1.

а) расчетная схема б) схема замещения Рисунок 2.1 — Схемы для расчетов токов КЗ

Исходные параметры:

С — электрическая система;

Т — трансформатор типа ТМЗ-630;

КЛ1, КЛ2 — две кабельные линии ААБ 3×185 — 10, l₁=2 км;

КЛ3 — кабельная линия ААШв 3×35 — 10, l₂=100 м.

Расчет проводится в именованных единицах.

Определяется индуктивное сопротивление системы по формуле

X_с==10,5/(1,73· 13)=0,466 Ом, (2.5)

где U_ср.ном — среднее номинальное напряжение на шинах РУ 10 кВ районной подстанции, кВ.

Определяются эквивалентные активные и индуктивные сопротивления кабелей, соединяющих РУ районной подстанции с РУ завода по формулам

R_{эКЛ1, КЛ2}=l₁/(г· S·2)=2000/(32·185·2)=0,169 Ом, (2.6)

X_{эКЛ1, КЛ2}=(x₀/2)· l₁=(0,08/2)·2=0,08 Ом, (2.7)

где l₁ — из расчетной схемы, м;

г — удельная проводимость, м / Ом· мм², для алюминия г=32 м / Ом· мм²;

S - сечение кабеля, мм²;

x₀ — индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км.

В практических расчетах для кабельных линий принимается x₀=0,08 Ом/км.

Определяется полное расчетное сопротивление кабеля в точке К1 по формуле

Z_к1===0,57 Ом. (2.8)

Определяется установившийся ток КЗ в точке К1 по формуле

I_к1==10,5/(1,73· 0,57)=10,60 кА, (2.9)

где U_ср.ном — среднее номинальное напряжение на шинах РУ 10 кВ районной подстанции, кВ.

Определяется ударный ток КЗ в точке К1 по формуле

i_уд1=К_уд кА, (2.10)

где К_уд — ударный коэффициент;

К_уд=1,4 по [5, рисунок К.1] в зависимости от соотношения X/R.

X=X_c+X_{э.КЛ1, КЛ2}=0,466+0,08=0,546 Ом,

R=R_{э.КЛ1, КЛ2}=0,169 Ом; X/R=0,546/0,169=3,231.

Определяются активные и индуктивные сопротивления кабеля от РУ 10 кВ завода до КТП по формулам

R_КЛ3=l₂/(г· S)=100/(32·35)=0,089 Ом, (2.11)

X_КЛ3=x₀· l₂=0,08·0,1=0,008 Ом. (2.12)

Определяется полное расчетное сопротивление в точке К2 по формуле

Z_к2==

==0,610 Ом. (2.13)

Определяется установившийся ток КЗ в точке К2 по формуле

I_к2==10,5/(1,73· 0,610)=9,913 кА. (2.14)

Определяется ударный ток КЗ в точке К2 по формуле

i_уд2=К_уд· ·I_к2=1,23·1,41·9,91=17,240 кА. (2.15)

где К_уд=1,23 по [5, рисунок К.1] в зависимости от соотношения X'/R'.

X'=X_с+X_{э.КЛ1,КЛ2}+X_КЛ3=0,466+0,08+0,008=0,554 Ом,

R'=R_{э.КЛ1,КЛ2}+R_КЛ3=0,169+0,089=0,258 Ом; X'/R'=0,554/0,258=2,15.

Расчет токов КЗ в точке К3 на стороне 0,4 кВ КТП Расчет проводится в именованных единицах.

Для выполнения расчетов составляется расчетная схема электрической сети и схема замещения, изображенные на рисунке 2.2.

Определяется индуктивное сопротивление системы по формуле

X_c=X₁=

=400²/(1,73· 9,91·10 500)=0,89 мОм, (2.16)

где U_cр.НН — среднее номинальное напряжение сети, подключенной к обмотке низшего напряжения Т, В;

I_k.ВН — действующие значение периодической составляющей тока при трехфазном КЗ у выводов обмотки высшего напряжения T,

I_{k.ВН =} I_k2, кА I_квн = I_к2 из формулы 2.14.

U_cp.ВН — среднее номинальное напряжение сети, к которой подключена обмотка высшего напряжения T, В;

а) расчетная схема б) схема замещения Рисунок 2.2 — Схемы для расчетов токов КЗ в точке К3

Т — трансформатор типа ТМЗ-630;

Ш — алюминиевые шины;

QF — ВА ВА55−43.

Определяется полное сопротивление Т по формуле

Z_т=((u_к·)/S_т.ном)·10⁴=((5,5·0,4²)/630)·10⁴=13,97 мОм. (2.17)

Определяется активное сопротивление Т по формуле

R_т=R₂=((P_к.ном·)/S²_т.ном)·10⁶=((8,5·0,4²)/630²)·10⁶=3,43 мОм, (2.18)

где U_нн.ном — номинальное напряжение обмотки низшего напряжении Т, кВ.

Определяется индуктивное сопротивление трансформатора по формуле

мОм. (2.19)

Определяются активные и индуктивные сопротивления катушек расцепителей максимального тока ВА по [5, таблица К.2]

R_кв=R₃=0,14 мОм, X_кв=X₃=0,08 мОм.

Определяются размеры алюминиевых шин по [5, таблица Б.12] 100Ч10 мм, I_доп=1820 А.

Определяются активное и индуктивное сопротивления шин по [5, таблица К.3] при среднем расстоянии между осями смежных фаз равном 100 мм

R_ш=R₄=0,035 мОм, X_ш=X₄=0,09 мОм.

Определяются суммарные сопротивления цепи КЗ по формулам

R_У=R₂+R₃+R₄+R_перУ=3,43+0,14+0,035+15=18,60 мОм, (2.20)

X_У=X₁+X₂+X₃+X₄=0,89+13,54+0,08+0,09=14,60 мОм, (2.21)

Z_У= мОм, (2.22)

где R_перУ=15 мОм по [5, К.1].

Определяются токи КЗ на стороне 0,4 кВ по формулам

I_к3=U_ср.НН /(· Z_У)=400/(1,73·23,64)=9,78 кА, (2.23)

i_уд3=К_уд· ·I_к3=1,0·1,41·9,78=13,79 кА, (2.24)

где К_уд=1,0 по [5, таблица К.34]. X_У/R_У=14,60/18,60=0,78.

Определяются токи КЗ, приведенные к стороне 10 кВ

I_к3ВН=I_к.3· (U_НН/U_ВН)=9,78·(0,4/10,5)=0,372 кА, (2.25)

i_уд3ВН=i_уд3· (U_НН/U_ВН)=13,79·(0,4/10,5)=0,525 кА. (2.26)

2.5 Проверка кабеля, соединяющего РУ 10 кВ завода с КТП на термическую устойчивость при КЗ

Проверка проводится сравнением выбранного сечения кабеля с минимально допустимым S_min, мм².

Для выполнения расчетов составляется расчетная схема, изображенная на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Расчетная схема

Q — выключатель вакуумный типа ВБМ-10−2;

КЛ3 — кабельная линия ААШв 3Ч95 — 10, l₂=100 м;

Т — трансформатор типа ТМЗ-630;

Определяется минимальное сечение жил кабеля, отвечающее условию термической стойкости при КЗ по формуле

S_тер.min== мм², (2.27)

где В_к — интеграл Джоуля, определяется по формуле

В_к=(t_откл+T_а.эк)=10,6²· (0,6+0,045)=63,4·10⁶ А²· с, (2.28)

где I_п.с= I_п.t=I_к1 — периодическая составляющая тока КЗ в момент времени t;

t_откл — расчетная продолжительность КЗ, согласно задания t_откл=0,6 с;

T_а.эк — эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, T_а.эк=0,045 с по [1, таблица 7.1];

С_т — коэффициент, зависящий от допустимой температуры при КЗ и материала проводника, С_т=90 А· с^½/мм по [5, таблица К.3.1].

Выбирается кабель по [5, таблица П. 29.1], ААШв 3Ч95 — 10, I_доп=205 А.

Таким образом, минимальное сечение кабеля, при котором он будет термически устойчив при КЗ составит 95 мм².

2.6 Выбор защиты кабельной линии напряжением 10 кВ от РУ 10 кВ завода до КТП и защиты Т КТП

Для защиты кабельной линии и Т предусматривается установка микропроцессорного устройства серии СИРИУС — 2Л в камеру КСО2 (85) — 1 ПВ — 600, которое выдает сигнал на управление вакуумным выключателем ВБМ — 10 — 20.

Микропроцессорное устройство релейной защиты «СИРИУС — 2Л» (далее по тексту устройство) предназначено для работы в качестве защиты кабельных линий напряжением 6−35 кВ и Т мощностью до 1 МВ· А с изолированной нейтралью (имеются выходы для подключения газовой защиты и сигнала газовой защиты).

Устройство подключается к измерительным трансформаторам тока фаз, А и С с номинальным вторичным током 5 А.

Устройство обеспечивает трехступенчатую максимальную токовую ненаправленную защиту от трехфазных и межфазных замыканий.

Предусмотрена возможность отключения линии и сигнализации при обрыве одного из фазных проводов по наличию тока обратной последовательности.

В устройстве реализована функция резервирования отказа выключателя с выдачей сигналов отключения на выключатели ввода и секции.

2.7 Выбор измерительных приборов

Все установки срабатывания защиты и времена выдержек времени регулируются в широком диапазоне значений и хранятся в энергонезависимой памяти устройства.

КТП-ВЦ — 630/10/0,4 поставляется заводом изготовителем со следующими измерительными приборами:

— амперметр и вольтметр на стороне 0,4 кВ силового трансформатора:

— амперметр в одной фазе всех отходящих линий;

— для установки счетчиков активной и реактивной электроэнергии предназначен релейный шкаф.

В камере КСО2 (98)-1ПВ-600 предусмотрен амперметр для контроля нагрузки Т.

2.8 Проверка аппаратов высокого напряжения на устойчивость при КЗ

Проверка проводится в соответствии с Руководящими указаниями.

В камере КСО2 (98) -1ПВ-600 на РУ 10 кВ завода установлены:

— вакуумный выключатель ВБМ — 10 — 20 со встроенным приводом;

— шинный и линейный разъединители РВФЗ;

— трансформаторы тока ТПОЛ-10;

Допустимые величины аппаратов определяются по [5, таблицы М.2, М3, М.6].

Таблица 2.3 — Проверка разъединителя РВФЗ-10/630

Таблица 2.4 — Проверка измерительного трансформатора тока ТПОЛ-10

Таким образом, выбранные аппараты удовлетворяют всем расчетным условиям.

3. Охрана труда и техника безопасности

3.1 Выбор конструктивного выполнения и расчет заземляющего устройства (ЗУ) КТП

В соответствии с 7, 1.7.98 КТП должна иметь глухое заземление нейтрали Т на стороне 0,4 кВ. Одновременно это заземление используется, как защитное для оборудования 10 кВ. Необходимо определить число электродов ЗУ КТП. Расчёт проводится без учёта сопротивления протяженного заземлителя в виде горизонтальных металлических полос.

Определяется сопротивление ЗУ для сети 10 кВ при общем заземлении

R₃ = U₃ / I₃ = 125 / 17 = 1,35 Ом, (3.1)

где U₃ = 125 В, если ЗУ одновременно используется для установок напряжением до 1 кВ и выше;

I₃ — емкостный ток однофазного замыкания на землю в сети 10 кВ;

I₃ = 17A по данным энергосистемы.

Для сети 380/220 В сопротивление ЗУ должно быть не большее 4 Ом, поэтому принимается наибольшее сопротивление ЗУ равным 4 Ом.

Измерение грунта показали значение удельного сопротивления с _изм = 1· 10⁴ Ом· см (при средней влажности), что соответствует грунту суглинок.

Определяется расчетное удельное сопротивление грунта по 3, формула 7.7

с = с_{изм• 2}=1•10⁴•1,5 = 1,5•10⁴ Омсм, где ₂ — коэффициент повышения сопротивления. По 3, формула 7.3 ₂ = 1,5.

В качестве заземлителей выбираются прутковые стальные электроды диаметром 14 мм и длиной l=5 м с глубиной заложения от поверхности земли до верхнего конца электрода 0,2 м.

Благодаря проникновению электродов в глубокие слои грунта снижается удельное сопротивление грунта, что позволяет уменьшить число заземлителей.

Определяется сопротивление одиночного пруткового заземлителя по 5, формула 2.53.

R_ОПР = 0,227•с = 0,227•1,5•10⁴ = 34,05 Ом, (3.3)

где с — расчетное удельное сопротивление грунта, Омсм.

Принимается размещение заземлителей в ряд с расстоянием между ними равным 5 м 3, стр. 262, а=5 м.

Определяется число заземлителей

n = R_ОПР/•R₃ =34,05/0,55•4=15,47 шт., (3.4)

где — коэффициент экранирования, = 0,55, при а/l = 5/5=1 3, таблица 7.1.

Принимается к установке 16 прутковых стальных заземлителей, которые обеспечивают R_з 4 Ом, что удовлетворяет требованиям [7,1.7.100].

Заключение

В курсовом проекте освещены вопросы электроснабжения участка механического цеха завода.

Выбран вариант силовой сети.

Приведены расчёты по выбору сечений проводников питающей и распределительной сети с последующей проверкой на потерю напряжения. Приведены расчёты электрических нагрузок, компенсирующего устройства (КУ).

Рассмотрена конструкция и схема цеховой трансформаторной подстанции типа КТП — ВЦ.

Произведён расчёт токов КЗ и выбор основного высоковольтного оборудования с учётом действия токов КЗ.

Рассмотрены вопросы микропроцессорной (цифровой) защиты высоковольтного оборудования.

Проведён расчёт заземляющего устройства КТП — ВЦ из условия выполнения общего заземляющего устройства для напряжений 6 и 0,4 кВ.

1 Коновалова Л. Л., Рожкова Л. Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 528 с.

2 Конюхова Е. А. Электроснабжение объектов. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 320 с.

3 Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. — М.: Высш. шк., 1990. — 366 с.

4 Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. — 216 с.

5 Методическое пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий и установок. — Владимир: Владимирский авиамеханический колледж, 2009. — 300 с.

6 Правила устройства электроустановок. Шестое издание. — М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. — 608 с.

7 Правила устройства электроустановок. Глава 1.7, 7-е изд. — М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2006. — 552 с.

8 РД153 — 34.0 — 20.527 — 98. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Н.Б.

Неклепаева. — М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2002. — 152 с.

9 Справочная книга для проектирования электрического освещения/ Под ред. Г. Н. Кнорринга. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 384 с.

10 Указания по проектированию компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

11 Указания по расчету электрических нагрузок. РТМ 36.18.32.4. — 92. — М.:

Тяжпромэлектропроект, 1993. — 16 с.

12 Электрооборудование, шинопроводы, электромонтажные изделия, 2005 — 256 с.