Электроснабжение трансформаторной подстанции ремонтно-механического цеха металлургического предприятии

В процессе эксплуатации техническое оборудование металлургических предприятий подвергается физическому и моральному износу и требует постоянного технического обслуживания. Работоспособность технического обслуживания и ремонта технологического оборудования является основной функцией ремонтного хозяйства в производственной инфраструктуре предприятия.

Экономической основой существования ремонта является неравнопрочность деталей и узлов техники. Действительно, экономически необоснованно и технологически невозможно изготовить машину, механизмы, агрегат с деталями и узлами с одинаковой прочностью, равномерностью износа, с примерно равными сроками службы. Поэтому и возникает потребность в ремонте техники, чтобы обеспечить её нормальное функционирование на весь период службы.

Весь комплекс работ, связанных с надлежащим и своевременным обслуживанием, как правило, на больших производственных предприятиях осуществляет ремонтное хозяйство. На крупномасштабных предприятиях оно является одной из структурных, а иногда и самостоятельных единиц, которое имеет свою иерархию связей. К примеру, на предприятиях таких отраслей как: машиностроение, металлургия, пищевая, легкая промышленности, где в производственном процессе используются агрегаты, станки, приспособления, которые при поломке могут нарушить весь цикл производства, где необходима оперативная реакция на такую ситуацию.

Грамотное осуществление ремонта и организация ремонтного хозяйства на производственном предприятии занимает весомую часть на пути к достижению поставленных целей предприятия, так, как эта система предназначена для поддержания надлежащего состояния производственных фондов, от которых зависит производительность, рентабельность и, как следствие, прибыльность деятельности хозяйствующего субъекта. Это особенно важно для металлургических предприятий, которые имеют в своем составе мощное и разнообразное оборудование, работающее в сложных и тяжелых условиях, беспрерывно.

Объектами ремонтного обслуживания являются здания, сооружения, металлургические агрегаты, нагревательные устройства и термические печи, подъемно-транспортное, механическое и энергетическое оборудование все виды коммуникаций. Ремонтное обслуживание указанных объектов требует наличие достаточно мощной ремонтной базы. Поэтому в условиях современного металлургического предприятия ремонтное хозяйство включает ряд крупных ремонтных цехов и служб, осуществляющих как собственно ремонты, так и изготовление сменного оборудования, специальных металлоконструкций, запасных частей и так названного нестандартного оборудования.

В процессе ремонта устраняются дефекты и отклонения, которые препятствуют нормальной работе оборудования. Поэтому различают следующие виды ремонта:

а) текущий ремонт осуществляется для гарантированного обеспечения нормального функционирования оборудования и других средств работы. Это есть минимальный по объему работ ремонт, в походке которого заменяют, быстро изнашиваемые детали, узлы, проводят техническое обслуживание и регулирование механизмов;

б) средний ремонт состоит в частичной разработке механизмов, замене изношенных деталей, узлов, складывания, регулирования и испытания под нагрузкой;

в) капитальный ремонт это наиболее сложный за объемами и затратами ремонт.

Он предусматривает полную замену всех изношенных частей деталей узловую сборку механизмов; складывание механизмов, их регулирование и испытание в отдельности и в целом всего оборудования. Капитальный ремонт имеет за цель восстановить все первоначальные показатели оборудования в максимально возможной степени.

Актуальность темы

Известно, что производственное оборудование в основных фондах предприятия занимает половину зданий и сооружений, а значит, оно является наиболее дорогостоящей частью основных фондов. Соответственно предприятия должно уделять надлежащее внимание поддержанию целостности, работоспособности оборудования, взаимозаменяемости деталей и сооружению трансформаторных подстанций ремонтно-механических цехов предприятия.

Цель курсового проекта: спроектировать схему электроснабжения трансформаторной подстанции ремонтно-механического цеха металлургического предприятии для надежного обеспечения электроэнергией основных потребителей цеха.

Задачи курсового проекта

1. Привести характеристику производства и потребителей цеха

2. Привести теоретические основы к расчету и выбору электрооборудования мостового крана и цеховой трансформаторной подстанции металлургического предприятия.

3. Провести расчет и выбор двигателей мостового крана для привода подъема груза и электрических нагрузок цеха.

4. Выбрать основное электрооборудование цеховой трансформаторной подстанции и описать спроектированную схему электроснабжения подстанции.

1. Теоретическая часть

1.1 Характеристика производства и потребителей цеха

Ремонтно-механические цеха промышленных предприятий осуществляют различные виды деятельности. Ряд ремонтно-механических цехов предназначен в, основном, для ремонта и настройки электромеханических приборов, электрических аппаратов напряжением до 1000 В, электрических машин, устройств и арматуры осветительных установок. В других — осуществляют ремонт электрооборудования металлургических агрегатов и устройств. В структуре металлургических предприятий ремонтно-механический цех выполняет, в основном, ремонт технологического оборудования, поступающего из электросталеплавильного цеха, кислородно-конверторного цеха и кислородных станций. В РМЦ выполняют ремонт котлоагрегатов, турбогенераторов, турбовоздуходувок; воздухоразделительных установок; компрессоров, насосов; теплоизоляции энергооборудования и трубопроводов и другие устройства.

В ремонтно-механических цехах для проведения ремонтных работ, изготовления запасных частей установлено следующее оборудование: токарные, строгальные, фрезерные, сверлильные станки и другое электрооборудование. В цехе предусмотрены помещения для трансформаторной подстанции (ТП), вентиляторной, инструментальной, складов, сварочных постов, администрации и прочие помещения. Для транспортировки материалов, аппаратов в цехе имеются мостовые краны.

В металлургической промышленности принято два вида ремонтов оборудования, которые осуществляют ремонтно-механические цеха:

1) Текущие ремонты. Текущий ремонт непродолжителен. Он должен быть закончен в течение небольшого промежутка времени, отведенного по графику (ремонтная смена, ремонтные сутки и т. д.).

В объем текущего ремонта входит:

— разборка отдельных узлов механизма в пределах отведенного времени для ремонта;

— замена отдельных быстро изнашивающихся узлов и деталей;

— промывка и чистка отдельных узлов механизма, требующих небольшого объема работ;

— замена масла, регулировка механизмов, устранение повышенных зазоров, крепеж всего агрегата и т. п.

Текущие ремонты могут проводиться, в зависимости от установленного в цехе порядка, по ремонтным ведомостям, или по записям в агрегатном журнале. Для проведения текущих ремонтов руководством цеха в разрезе годового графика ремонтов составляется месячный график, который должен быть согласован с главным механиком.

Обычно для однотипных машин и механизмов составляют типовые бланки проектов организации работ, в которых указываются постоянно действующие положения, соблюдение которых необходимо при ремонтах данного типа машин, а также имеются разделы (графы) для записи положений, меняющихся при отдельных ремонтах. Наличие типовых бланков для составления планов организации ремонтов облегчает оперативное составление этих планов. Планы организации работ, как правило, рассматриваются с ремонтными бригадами не позднее, чем за сутки до остановки агрегатов на ремонт. Работа на непринятом после ремонта оборудовании запрещается.

2) Капитальные ремонты. Капитальный ремонт имеет назначением полное восстановление работоспособности машин.

В объем капитального ремонта входит:

— полная разборка механизма;

— замена всех изношенных узлов и деталей,

— ремонт, замена или ремонт станин, основных рам, основных валов и деталей, на которых смонтированы все узлы машины;

— выверка и регулировка всего агрегата;

— совершенствование оборудования (замена валов более усиленными, замена ременной передачи редукторной и т. п.);

— доведение состояния машины до требований, предъявляемых к новой машине: производительность, точность, работоспособность.

При проведении капитальных ремонтов составляются соответствующие планы и графики, учитывается инструкции из «Основных правил безопасности при проведении ремонтных работ». План организации работ и руководитель капитального ремонта, как правило, утверждаются главным инженером предприятия или цеха.

Планирование капитальных ремонтов оборудования осуществляется двумя методами, принципа отличающимися друг от друга, а именно:

1) методом разового проведения всего комплекса капитального ремонта, при котором капитальные ремонты выполняются в период единовременной длительной остановки оборудования цеха;

2) методом проведения ремонтов по рассредоточенному графику, при котором общий объем капитального ремонта расчленяется на более мелкие объемы, выполняемые в дни плановых остановок цеха для проведения текущего ремонта.

На большинстве промышленных предприятий капитальные ремонты оборудования осуществляются по первому методу, причем длительность остановок цехов при этом составляет от 5 до 25 суток. Обычно такой ремонт совмещается с капитальным ремонтом печей, производится в прокатных цехах один раз в год, в доменных — один раз в 2−3 года.

Перечень установленного основного электрооборудования цеха и их номинальные данные приведены в таблицах 1.1. и 1.2 и на листе 1 графической части курсового проекта.

Электрооборудование РМЦ относятся ко 2 и 3 категории по надежности электроснабжения. Количество рабочих смен в цехе — 2. Каркас здания цеха смонтирован из блоков — секций длиной 6 м каждый. Перечень оборудования, мощность электропотребления и режим его работы указаны в таблице 1.2 для одного электроприемника. Удельная мощность освещения цеха — 9 Вт/м².

Цеховая трансформаторная подстанция в РМЦ является двухтрансформаторной, так как работа цеха имеет характерный неравномерный суточный и годовой график нагрузок, со значительной разницей загрузки смен [9],.

При проектировании трансформаторной подстанции учитываем, что электроприемники цеха имеют различный режим работы. Так, например, крановое оборудование и сварочные аппараты работают в повторно-кратковременном режиме, а электродвигатели станочного парка — в длительном или кратковременном.

В курсовом проекте для повышения коэффициента мощности цеховой подстанции выбираем конденсаторные установки, их устанавливаем на РУ 0,4 кВ.

Основным электрооборудованием трансформаторной подстанции (ТП), проектирование которой приводится в данном проекте, являются: силовые трансформаторы, высоковольтные выключатели и предохранители, автоматические выключатели 0,4 кВ. В проекте также выбираются кабельные линии, подводящие питание 10 кВ к силовым трансформаторам.

цех электрооборудование кран трансформаторный

1.2 Теоретические основы к расчету и выбору электрооборудования мостового крана

Кранами называются грузоподъемные устройства, служащие для вертикального и горизонтального перемещения грузов на небольшие расстояния.

По особенностям конструкции, связанным с назначением и условиями работы, краны разделяются на мостовые, портальные, козловые, башенные.

В цехах промышленных предприятий наибольшее распространение получили мостовые краны, с помощью которых производится подъем и опускание тяжелых заготовок, деталей и узлов машин, а также их перемещение вдоль и поперек цеха. Вид мостового крана в основном определяется спецификой цеха и его технологией, однако многие узлы кранового оборудования, например, механизмы подъема и передвижения, выполняются однотипными для различных разновидностей кранов.

Управление работой механизмов крана производится из кабины оператора-крановщика, в которой установлены контроллеры или командоконтроллеры. Электроаппаратура управления приводами размещается в шкафах, установленных на мосту крана. Здесь же располагаются ящики резисторов. Для проведения операций обслуживания механизмов и электрооборудования предусмотрен выход на мост из кабины через люк.

Электроэнергия к крану подводится при помощи скользящих токосъемников от главных троллеев, уложенных вдоль подкранового пути. Для подвода питания к электрооборудованию, размещенному на тележке, служат вспомогательные троллей идущие вдоль моста.

В зависимости от вида транспортируемых грузов на мостовых кранах используют различные грузозахватывающие устройства: крюки, магниты, грейферы, клещи и т. п. Наибольшее распространение получили краны с крюковой подвеской или с подъемным электромагнитом, служащим для транспортировки стальных листов, скрапа, стружки и других ферримагнитных материалов.

У всех типов кранов основными механизмами для перемещения грузов являются подъемные лебедки и механизмы передвижения. Это позволяет выделить ряд общих вопросов электропривода кранов: расчет статических нагрузок, выбор двигателей по мощности, анализ режимов работы, выбор системы электропривода кранов: расчет статических нагрузок, выбор двигателей по мощности, анализ режимов работы, выбор системы электропривода и другое.

Двигатели на кранах обычно имеют значительно большую угловую скорость, чем скорость подъемного барабана или ходовых колес моста (тележки), то движение к рабочим органам механизмов крана передается через редукторы.

Для механизмов подъема наибольшее применение получили схемы с полиспастом, при помощи которого движение от барабана передаются крюку. У полиспаста передача движения к ходовым колесам концевых балок от двигателя, установленного на мосту, осуществляется через редуктор, расположенный в средней части моста, широко применяется также схема механизма передвижения моста с раздельным приводом ходовых колес. Каждый механизм крана имеет механический тормоз, который устанавливается на соединительной муфте между двигателем и редуктором или на тормозном шкиве, на противоположном конце вала двигателя.

Согласно действующим стандартам все краны по режимам работы механического и электрического оборудования делятся на четыре категории, определяющие степень их использования, характер нагрузки и условия работы: Л — легкий режим работы, С — средний, Т — тяжелый и ВТ — весьма тяжелый. Основными показателями, по которым судят о режимах работы, являются продолжительность включения двигателя механизма ПВ.

Помимо тяжелых условий работы при большом числе включений в час электрооборудование мостовых кранов обычно находится в условиях тряски, высокой влажности воздуха, резких колебаний температуры и запыленность помещений. В связи с этим на кранах применяется специальное электрооборудование, приспособленное к условиям работы кранов и отличающееся повышенной надежностью.

Основное крановое электрооборудование: электродвигатели, силовые, магнитные и командные контроллеры, пускорегулировочные резисторы, тормозные электромагниты, конечные выключатели и другие — в значительной степени стандартизировано. Поэтому различные по конструкции краны комплектуются обычно таким электрооборудованиям по типовым схемам.

Для защиты питающих проводов и электродвигателей от токов к.з. и значительных перегрузок на кранах предусматривается максимальная токовая защита. Плавкие предохранители используют только для цепей управления. Для предотвращения само запуска двигателей, т. е. самопроизвольного пуска их при восстановлении напряжения сети после перерыва в электроснабжении, в электрических схемах кранов используют совместно с «нулевой» защитой блокировку нулевой позиции контроллеров.

Обязательным является наличие конечных выключателей для автоматической остановки механизмов при подходе их к крайним положениям. Для безопасности обслуживания электрооборудования люк для выхода из кабины на мост снабжается конечным выключателем, снимающим напряжение со вспомогательных троллеев при открывании люка. Все токоведущие части в кабине крана полностью ограждаются.

Механизмы кранов оснащаются тормозами замкнутого типа с электромагнитами, которые могут оказаться под напряжением из-за порчи изоляции, должны быть заземлены. Соединение с контуром заземления цеха осуществляется через подкрановые пути.

1.3 Требования, предъявляемые к электроприводам крана

Крановый электропривод работает в специфичных условиях, определяемых условиями работы крановых механизмов, к которым относятся: работа в повторно-кратковременном режиме при большом числе включений в час, различные внешние воздействия на оборудование крана.

Выбранная схема электропривода должна удовлетворять следующим требованиям:

— обеспечить надежность работы всех элементов и узлов механизма электропривода;

— осуществить пуск, реверс, торможение привода, создание необходимых диапазонов регулирования скорости;

— обеспечить надежность защиты электрооборудования от токов короткого замыкания и перегрузок, т. е. схема должна иметь все виды защиты, предусмотренные в ПУЭ.

Наиболее распространенный на кранах электропривод асинхронный с фазным ротором, со ступенчатым регулированием угловой скорости, путем изменения величины сопротивления в цепи ротора. Такой привод достаточно прост, надежен, допускает большое число включений в час и применяется при средних и больших мощностях. С помощью резисторов в цепи ротора можно в широких пределах изменять токи и потери энергии в двигателе при переходных процессах, а также получить понижение угловой скорости.

Выбираем тип электропривода для механизмов крана — электропривод переменного тока: асинхронный двигатель с фазным ротором, управляемый командоконтроллером с пускорегулирующим сопротивлением в цепи ротора. Выбор типа электропривода проведем на основании технических и экономических условий, а также требований, предъявляемых к электроприводу крана. Однако этот привод неэкономичен из-за значительных потерь энергии в пускорегулирующих сопротивлениях, кроме того, имеет повышенный износ двигателя и контактной аппаратуры управления. Несмотря на это электропривод переменного напряжения остается более выгодным по сравнению с приводом на постоянном токе.

При выборе двигателей для кранового оборудования наиболее сложным считается расчет мощности по условиям теплового режима работы. Специфические способности крановых машин характеризуются повышенными, постоянными потерями и изменяющимися условиями вентиляции при регулировании, что приводит к большим погрешностям при расчете теплового режима работы двигателя по общепринятым методам эквивалентного тока или момента. Эти методы являются достоверными только тогда, когда фактическая продолжительность включения равна номинальной, а число включений и энергия постоянных потерь в цикле соответствует номинальным расчетным параметрам.

Достоинствами оборудования крана переменного тока является:

1. Меньшая стоимость асинхронных двигателей по сравнению с двигателями постоянного тока.

2. Простота обслуживания и ремонт асинхронных двигателей. Если эксплуатационные затраты для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором принять за I, то для двигателей с фазным ротором эти затраты составят 5, а для двигателей постоянного тока -10.

3. Отсутствие необходимости в преобразователях переменного тока в постоянный, что так же удешевляет электрооборудование.

Недостатками оборудования крана переменного тока является:

1. Невозможность простыми способами получения жестких характеристик при подъеме и, особенно при спуске груза на малых скоростях, т.к. невозможно предсказать, какую скорость будет иметь двигатель на каждом из положений контроллера, при подъеме и опускании разных по весу грузов.

2. Практическая независимость скорости АД, работающего на естественной характеристике, от величины поднимаемого груза (механическая характеристика — жесткая). В результате время подъема грузозахватного устройства (холостой ход для механизма подъема) такое же, как и время подъема груза.

3. Электроаппаратура с катушками на переменном токе и тормозные электромагниты переменного тока работают менее надежно, чем на постоянном токе (катушки при частных отключениях перегреваются из-за больших токов включения, при витковом замыкании хотя бы одного витка катушки перегревается и выходит из строя; при недовключении тормоза или аппарата катушка потребляет большой ток и перегревается)

4. Электрооборудование на переменном токе чаще выходит из строя в результате однофазных замыканий на землю, т.к. в системе с глухозаземленной нейтралью каждое такое замыкание сопровождается выгоранием места замыкания и немедленным выходом из строя электрооборудования. На постоянном токе этого нет, и краны с замыканием одного полюса на землю могут некоторое время работать, представляя электрикам время для поисков места замыкания на землю. Опасным на постоянном токе, с точки зрения выгорания, является лишь одновременное замыкание на землю обоих полюсов.

Для переменного тока выбираются двигатели с фазным ротором серий МТF, МТ, МТН или МТМ. Следует сразу же выписать технические данные трех двигателей: ближайшего по мощности к расчетной., а также ближайшего меньшего и ближайшего большего двигателей, т.к. при проверке по нагреву может возникнуть необходимость произвести расчеты с этими двигателями.

Выбор системы электропривода крана определяется в значительной мере требованиями к его механическим характеристикам, а эти требования изменяются в зависимости от рода технологических операций, выполняемые краном. Так, для монтажных кранов необходимы жесткие механические характеристики и большом диапазон регулирования в то время, как для магнитных кранов, транспортирующих скрап, стружки и т. п. указанные требования не играют роли. В настоящее время для кранового привода переменного тока применяются следующие системы:

1. Схемы с силовыми контроллерами на переменном токе (ККТ60А, ККТ61А, ККТ62А, ККТ63А, ККТ65А, ККТ66А, ККТ68А).

2. Схемы с магнитными контроллерами (ТА, ТА3, ДТА, ТСА, ТСА3, ДТСА).

3. Схемы с асинхронными двигателями с фазным ротором и тиристорным управлением в цепи роторами.

4. Схемы с асинхронными двигателями с фазным ротором и тиристорным управлением в цепи статора.

Для большинства кранов, работающих в цехах, применяют системы по п. 1 и п. 2. Таким образом, необходимо выбрать для проектируемого крана схему либо силового, либо магнитного контроллера. Силовой контроллер требует меньше затрат на эксплуатацию, имеет небольшую массу и габариты. Недостатком его является зависимость пусковых характеристик двигателя от скорости перевода рукоятки контроллера с положения на положение. При быстром переводе рукоятки могут возникнуть чрезмерные пусковые токи. Требовать же от машиниста перевода рукоятки с задержкой времени между положениями можно только при небольшом числе переключений в час и при небольшом числе управляемых механизмов. Другим недостатком силовых контроллеров являются довольно большие усилия, требуемые от машиниста для перевода рукоятки, что при большом числе включений в час приводит к усталости машиниста и снижению производительности труда.

Силовые контроллеры могут быть применены лишь для двигателей малой мощности: — для асинхронных двигателей с фазным ротором без применения реверсоров — до 30 кВт, при напряжении 380. В, с применением реверсоров до

75 кВт при напряжении 380 В. Применение магнитных контроллеров позволяет автоматизировать процессы пуска и торможения, при этом машинист рукоятку командоконтроллера может переводить в любом направлении с любой скоростью. Усилие воздействия на контроллер меньше, чем на силовой, что также облегчает труд машиниста.

Мощность двигателей управляемых магнитными контроллерами достигает 150 кВт. Недостатками магнитных контроллеров являются: большие габариты и масса, высокая первоначальная стоимость, более высокие эксплуатационные расходы ввиду необходимости обслуживать большое число электроаппаратов. Затруднен также и поиск неисправностей, который требует более высокой квалификации обслуживающего персонала. Для того чтобы сделать выбор схемы нужно знать мощность двигателя и режим работа крана, мощность двигателя определяется расчетами, а режим работы по таблице Госгортехнадзора. Зная мощность двигателя и режим работы механизма, выбирают систему управления. После того, как определена схема управления силовой или магнитный контроллер, необходимо по каталогам выбрать конкретный тип силового или магнитного контроллера.

Для регулирования скорости вращения двигателей крана необходимо произвести расчет величин сопротивлений ступеней, выбрать стандартные ящики и составить монтажную схему соединений. Для определения величин сопротивлений ступеней существуют графические, аналитические и графо-аналитические методы расчета. В настоящее время для крановых электроприводов применяют как правило стандартные ящики сопротивлений с использованием фехралевых элементов (F_e-80%, C_r-15%, AL-5%) имеют следующие достоинства: большое удельное сопротивление (1,18 0 ммм²/м), малый температурный коэффициент (0,8), высокую допустимую температуру нагрева (850°С), достаточную механическую прочность.

Рекомендуется выбирать ящики резисторов на длительно допустимые токи 215 А и выше типов НФ-1 (нормализованный фехралевый) и БРФ, БРП, БК, БФК, КФ (блок резисторов крановый фехралевый). Необходимо четко помнить разницу между элементами и ступенью сопротивления. В каждом ящике 6 элементов и 5−7 ступеней. Элемент состоит из стального остова, на котором установлены фарфоровые сегментные держатели с желобками для наматываемой на ребро фехралевой ленты. К концам фехралевой ленты приварены медные пластинки, служащие для соединения элементов между собой. Для ящиков на токи 215+124 A (4 типа) сделаны также от пайки от середины элементов. Ступени же ящиков на большие токи представляют эквивалентное сопротивление двух половин элементов, включенных параллельно. В этом случае сопротивление ступени в четыре раза меньше, чем сопротивление элемента. Для рассмотренных ящиков характерно то, что сопротивления нельзя изменять плавно, а можно подбирать, включая последовательно, параллельно и комбинированно только те части элементов, от которых сделаны отпайки на заводе. Ящики обычно монтируются на стеллажах, изготовленных из стального уголка. Допускается установка один над другим до шести ящиков. Соединение между отдельными ящиками и в пределах одного ящика производятся голыми медными проводами или шинами.

1.4 Теоретические основы к проектированию цеховых трансформаторных подстанций

Трансформаторные подстанции являются основным звеном системы электроснабжения, предназначенные для обеспечения электроприемников заданными показателями и качеством электрической энергией.

На территории промышленных предприятий размещают трансформаторные подстанции: заводские и цеховые. По расположению цеховые и заводские подстанции бывают: встроенные, пристроенные к основным производственным зданиям и отдельно стоящие. В зависимости от способа комплектации трансформаторные подстанции бывают в полностью собранном виде или в подготовленном для сборки виде. Электроэнергия к цеховым подстанциям может поступать как по воздушным, так и по кабельным линиям от главных понизительных подстанций (ГПП), расположенных на территории промышленных предприятий, а также в черте города или района.

Основными конструктивными частям цеховых подстанций являются:

1. Распределительное устройство высокого напряжения (РУ ВН). В него входит электрооборудование напряжением 6−10 кВ: высоковольтные выключатели, разъединители, предохранители, измерительные трансформаторы тока и напряжения, устройства защиты и сигнализации, средства измерений.

2. Силовые трехфазные трансформаторы.

3. Распределительное устройство низкого напряжения (РУ НН). В него входит оборудование напряжением 0,4/0,23 кВ: автоматические выключатели, рубильники, предохранители, средства измерения.

В курсовом проекте следует спроектировать трансформаторную подстанцию, встроенную в помещение цеха. Подача электрической энергии к трансформаторной подстанции осуществляется по кабельной линии. Для коммутации оборудования подстанции с высшей стороны в РУ 10 кВ будут устанавливаться выключатели нагрузки и высоковольтные предохранители. С учетом категории надежности электроснабжения будут выбраны силовые трансформаторы для понижения переменного трехфазного напряжения с 10 кВ до 0,4 кВ. Для коммутации цепи со стороны 0,4 кВ будут выбраны автоматические выключатели. В самом начале работы над построением системы выбора оборудования цеховой подстанции цеха, на основе данных электрических нагрузок потребителей цеха произведем расчет общей полной мощности потребителей цеха, выбирая один из методов расчета нагрузок с разным режимом работы и коэффициентом использования мощности в течение смены.

Теоретические основы выбора компенсирующих устройств Повышение коэффициента мощности электроустановок промышленных предприятий имеет большой народнохозяйственное значение и является частью общей проблемы повышения КПД работы систем электроснабжения и улучшения качества отпускаемой потребителю электроэнергии. Повышение коэффициента мощности на 0,01 в масштабе страны дает возможность дополнительного отпуска электроэнергии в 500 млн. кВт часов энергии в год. [3]

Потребители электроэнергии нуждаются как в активной, так и в реактивной мощностях. Увеличение потребления реактивной мощности за счет включения потребителей с реактивным (индуктивным) сопротивлением (асинхронные двигатели станков, кранов, сварочных трансформаторов) приводит к снижению коэффициента мощности в сети, увеличению потерь активной мощности, росту потребляемого тока, снижению напряжения на потребителях. Этот процесс сказывается на чрезмерном нагреве токоведущих частей, просадке напряжения на нагрузках, и как следствие, срабатыванию релейной защиты на отключение схемы. Говорят, «схема разобралась». В этом случае происходит простой электрооборудования, технико-экономические показатели работы предприятия снижаются. Поэтому необходимо повышать коэффициент мощности. В случае если мероприятия, не требующие применения компенсирующих устройств, не дают повышения коэффициента мощности до нормативной величины от 0,92 до 0,95, то применяют автоматическое или ручное регулирование коэффициента мощности с применением компенсирующих устройств. Если необходимо скомпенсировать реактивной мощности до 200 квар, то применяется ручное управление, если свыше 200 квар — автоматическое.

Размещение компенсирующих устройств в сетях до 1000 В и выше должно удовлетворять условию наибольшего снижения потерь активной мощности от реактивных нагрузок. При этом возможна компенсация: [3]

1) индивидуальная — с размещением конденсаторов непосредственно у токоприемников;

2) групповая — с размещением конденсаторов у силовых шкафов и шинопроводов в цехах;

3) централизованная — с подключением конденсаторов на шины 0,4кВ и на шины 6−10 кВ.

В нашем проекте применяется централизованная компенсация реактивной мощности на шинах 0,4 кВ.

Компенсацию реактивной мощности по опыту эксплуатации производим до получения значения. [9]

Теоретические основы выбора силовых трансформаторов Для внутрицеховых подстанций рекомендуется применять сухие трансформаторы, а масляные — при условии выкатки их на улицу. Мощность цеховых трансформаторов следует выбирать исходя из средней нагрузки в наиболее загруженную смену. При этом надо учитывать перегрузочную способность, которая зависит от характера графика нагрузки и от предшествующей послеаварийному режиму загрузки трансформатора. Число трансформаторов определяется с учетом категории надежности электроснабжения, коэффициента загрузки трансформатора. [9]

По Правилам устройства электроустановок электроприемники систем электроснабжения распределяются по категориям надежности [6]:

а) электроприемники I категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству; повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования;

б) электроприемники II категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемники II категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Для электроприемников II категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Допускается питание электроприемников II категории по одной ВЛ, в том числе с кабельной вставкой, если обеспечена возможность проведения аварийного ремонта этой линии за время не более 1 сутки. Кабельные вставки этой линии должны выполняться двумя кабелями, каждый из которых выбирается по наибольшему длительному току ВЛ. Допускается питание электроприемников II категории по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному общему аппарату.

При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены повредившегося трансформатора за время не более 1 суток допускается питание электроприемников II категории от одного трансформатора;

в) электроприемники III категории — все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий.

Для электроприемников III категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 сутки.

По ПУЭ рекомендуется применять допустимые коэффициенты загрузки трансформатора в нормальном режиме: [6]

а) К_З = 0,65 — 0,7 при преобладании нагрузок I категории двухтрансформаторной подстанции;

б) К_З = 0,7 — 0,8 при преобладании нагрузок II категории для однотрансформаторной подстанции или двухтрансформаторной подстанции с неравномерным графиком нагрузок;

в) К_З = 0,9 — 0,95 при преобладании нагрузок II категории однотрансформаторной подстанции, при наличии складского резерва; при нагрузках III категории.

Номинальная мощность трансформаторов двухтрансформаторной подстанции принимается равной 70% от общей расчетной нагрузки цеха. Тогда при выходе из строя одного из трансформаторов, второй на время ликвидации аварии оказывается загруженным не более чем на 140%, что допустимо в аварийных условиях в течение 5 суток не более 6 часов в сутки. Из требований к проектированию системы электроснабжения цеха цеховая подстанция должна иметь два трансформатора, т.к. в цехе преобладают электроприемники II категории по надежности с неравномерным суточным графиком нагрузок. Для указанных условий принимаем коэффициент загрузки трансформатора К_З = 0,7.

Теоретические основы выбора силовых кабелей Силовые кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии. По типу изоляции различают: силовые кабели с бумажной изоляцией, в том числе пропитанные и маслонаполненные; силовые кабели с пластмассовой изоляцией; силовые кабели с резиновой изоляцией. Приведенная классификация в известной мере условна, однако позволяет систематически представить сведения о части кабелей, насчитывающей более 1000 марок и конструкций.

Силовые кабели состоят из одной, трех или четырех одноили многопроволочных медных или алюминиевых жил. Жилы изолированы друг от друга и окружающей среды бумажно-пропитанной, резиновой или пластмассовой изоляцией, герметизированы свинцовыми, алюминиевыми, пластмассовыми или резиновыми оболочками. Защита представлена, как правило, броней из стальных лент или оцинкованной стальной проволоки, а также защитными антикоррозийными покровами.

При выборе сечения кабеля руководствуемся требованиями ПУЭ. Выбираем и проверяем кабель с учетом следующих условий:

1) по допустимому току нагрева;

2) по экономической плотности тока;

3) по допустимой потере напряжения;

4) по термической устойчивости в режиме короткого замыкания.

Жилы кабелей, токоведущие части коммутационных аппаратов, первичные обмотки измерительных трансформаторов тока при коротких замыканиях в электрической цепи могут нагреваться до температуры, значительно большей, чем при нормальном режиме. Повышенная температура нагрева приводит к перегреву изоляции, ее перегоранию, а также значительным потерям качества электроснабжения. Следовательно, при проектировании электроснабжения подстанций и выборе электрооборудования необходимо проверить выбранное оборудование на допустимую температуру нагрева (тепловой эквивалент) в режиме короткого замыкания в схеме. Если предварительно выбранное оборудование, кабели и шины будут не устойчивы в режиме короткого замыкания, то необходимо выбрать оборудование с большими номинальными данными и вновь проверить его устойчивость к токам короткого замыкания.

Распределительное устройство низкого напряжения трансформаторной подстанции цеха представляет собой распределительный щит напряжением 0,4 кВ. Трансформаторы на стороне напряжением 0,4 кВ подключены к шинам распределительного щита на панели автоматическими выключателями. Шины напряжением 0,4 кВ секционированы воздушным автоматом.

Распределительный щит имеет на отходящих фидерах рубильники с предохранителями или установочные автоматы в зависимости от назначения электроприемников. Кроме того, имеется присоединение для питания сети наружного освещения. По принципиальной схеме можно проследить взаимодействие всех элементов установки. При исчезновении напряжения на одной секции шин напряжением 10 кВ силовой трансформатор автоматически отключается на стороне напряжения 0,4 кВ. Включается автомат АВР и обе секции распределительного щита 0,4 кВ получают питание от одного из трансформаторов.

Отпущенная потребителям электроэнергия при необходимости может учитываться и на стороне напряжения 0,4−0,23 кВ трехфазным счетчиком, включенным через трансформаторы тока.

На предприятиях различных отраслей промышленности для внутрицеховой передачи и распределения энергии переменного тока к электроприемникам широко распространены магистральные и распределительные токопроводы.

Теоретические основы выбора коммутационных аппаратов напряжением до и выше 1000 В В целях снижения стоимости распределительного устройства 10 кВ подстанции вместо силовых выключателей небольшой и средней мощности можно применять выключатели нагрузки, способные отключать рабочие токи линий, трансформаторов и других электроприемников. Для отключения токов короткого замыкания, превышающих допустимые значения для выключателей нагрузки, последние комплектуются кварцевыми предохранителями ПК. Номинальные токи плавких вставок предохранителей ПК следует выбирать так, чтобы не возникало ложное срабатывание предохранителя вследствие толчков тока при включении трансформатора на небольшую нагрузку. По ПУЭ для выполнения этого условия ток плавкой вставки выбирается в 1,4 — 2,5 раза больше номинального тока защищаемого электроприемника.

По ПУЭ условия выбора предохранителей напряжением выше 1 кВ: [6]

1) по номинальному напряжению;

2) по максимальному расчетному току защищаемой цепи;

3) по периодической составляющей тока короткого замыкания.

При эксплуатации электрических сетей длительные перегрузки проводов, кабелей, шин, а также возможные короткие замыкания, вызывают повышение температуры токопроводящих жил больше допустимой. Это приводит к преждевременному износу их изоляции, последствием чего может быть пожар, взрыв, поражение персонала. Для предотвращения этого линия электроснабжения имеет аппараты защиты, отключающие поврежденный участок: автоматические выключатели, предохранители, тепловые реле, встраиваемые в магнитные пускатели.

Автоматические выключатели являются наиболее совершенными аппаратами защиты, надежными, срабатывающими при перегрузках и коротких замыканиях в защищаемой линии. Чувствительными элементами автоматов являются расцепители: тепловые, электромагнитные и полупроводниковые. Тепловые расцепители (ТР) срабатывают при перегрузках, электромагнитные (ЭМР) — при коротких замыканиях, полупроводниковые (ППР) — как при перегрузках, так и при коротких замыканиях.

Наиболее современными автоматические выключатели ВА предназначены для замены устаревших серии, А 37, АЕ, АВМ и «Электрон». Автоматы серии ВА имеют уменьшенные габариты, совершенные конструктивные узлы и элементы. Работают в сетях постоянного и переменного напряжения до 690 В. Автоматически выключатели выбираются по номинальному напряжению, номинальному току и коммутационной способности.

Вывод. В первой части курсового проекта приведены основные теоретические положения, лежащие в основе методики выбора основного оборудования цеховых подстанций, а именно: рассмотрены требования нормативных документов по выбору электрооборудования мостового крана, силовых трансформаторов, питающих линий и коммутационной аппаратуры напряжением до и выше 1000 В.

2. Практическая часть

2.1 Исходные данные проектирования электродвигателей моста крана

Мостовой кран грузоподъемностью 380 тонн на переменном токе находится в производственном цехе, он осуществляет работу по переносу и установке частей оборудования агрегата и вспомогательного оборудования при капитальном и текущем ремонте. Основные технические данные моста крана приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Технические данные моста крана

В практической части дипломного проекта проведем расчет и выбор асинхронных двигателей для привода подъема груза (главного подъема) и для привода передвижения самого моста.

2.2 Расчет и выбор двигателей для привода подъема груза

1. Определяем КПД подъемного механизма (двигателя) крана без груза, а так же при опускании механизма крана без груза по графику зависимости

= f ([9]

В нашем случае: = 0,1

при = 0,9 и

В нашем случае: = = 0,65…0,7 для червячной передачи.

2. Определяем статическую мощность на валу электродвигателя при подъеме без груза

(2.1)

где — КПД подъемного механизма без груза, отн. ед;

— масса грузозахватывающего устройства, кг;

— ускорение свободного падения, м/с²;

— скорость подъема (опускания) груза, м/с

P_спо= 0,80 9,81 0,17 10^-3 = 19 кВт

3. Определяем статическую мощность на валу электродвигателя при опускании без груза

(2.2)

кВт

4. Определяем статическую мощность на валу электродвигателя при опускании груза

(2.3)

кВт

5. Определяем статическую мощность на валу электродвигателя при подъеме груза

(2.4)

(80+0,80) 9,81 0,17 10^-3 = 192,5 кВт

6. Определяем статическую эквивалентную мощность на валу электродвигателя за рабочий цикл

(2.5)

=0.5 = 104 кВт

7. Определяем расчетную мощность электродвигателя механизма подъема мостового крана

(2.6)

кВт

8. Определяем расчетную синхронную скорость электродвигателей крана

(2.7)

= 961,5 об/мин

9. Принимаем ближайшую синхронную скорость двигателя 960 об/мин

10. По справочной таблице выбираем ближайший асинхронный двигатель с фазным ротором типа МТН 613 — 6.

11. Справочные данные механизма (двигателя) для подъема (опускания) груза приводим в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Каталожные данные механизма подъема груза

12. Условие проверки двигателя: уточняем соотношение

=

295,5 ~ 296

Условие выполняется

13. Определяем номинальный статический момент на валу двигателя

(2.8)

М_ном=9550= 1173,9 Hм.

14. Определяем эквивалентный статический момент на валу двигателя

(2.9)

М_сэ== = 1033,8 H м.

15. Проверяем выбранный двигатель по нагреву Условие проверки: (2.10)

1173,9Н•м>1033,8 Н•м Условие выполняется

16. Проверяем выбранный двигатель по допустимой перегрузки Условие проверки: (2.11)

3728 Нм1240,6 НHм Условие выполняется

17. Проверяем выбранный двигатель по надежности пуска и разгона Первое условие проверки:

(2.12)

Условие выполняется Второе условие проверки:

(2.13)

Условие выполняется Вывод. Для привода механизма подъема мостового крана грузоподъемностью 80 тонн переменного тока выбран асинхронный двигатель с фазным ротором марки МТН 613−6, с номинальной мощностью 118 кВт и частотой вращения 960 об/мин, который проходит по условиям нагрева, по перегрузке и по надежности при пуске и разгоне.

2.3 Исходные данные для проектирования цеховой подстанции

Основные данные, необходимые для проектирования цеховой трансформаторной подстанции цеха систематизированы и приведены в таблицах 2.3 и 2.4.

Таблица 2.3 — Справочные и исходные данные

Таблица 2.4 — Номинальные данные электроприемников цеха

2.4 Расчет электрических нагрузок ремонтно-механического цеха

Для расчета электрических нагрузок составляем таблицу данных по каждому виду электроприемников, установленных в ремонтно-механическом цехе с учетом исходных данных, выданных к проекту (таблица 2.5). Расчет электрических нагрузок (основного силового электрооборудования) цеха производим методом коэффициента максимума (упорядоченных диаграмм), осветительной нагрузки — методом коэффициента спроса.

Таблица 2.4 — Исходные и справочные данные для расчета электрических нагрузок цеха

Общая номинальная активная мощность электроприемников с длительным режимом работы определяется по формуле

, (2.14)

где количество однородных электроприемников;

Р_Н1 — номинальная мощность одного электроприемника, кВт.

Номинальная активная мощность электроприемников с повторно-кратковременным режимом работы (например, мостовые краны) определяется по формуле

(2.15)

где Р_ПАСП — паспортная мощность электроприемника, кВт Активная мощность осветительной нагрузки определяется по формуле Р_О=), , (2.16)

где — удельная мощность нагрузок, Вт/м²;

S — площадь цеха, м²;

K_C — коэффициент спроса.

Активная мощность сварочного аппарата определяется по формуле

, (2.17)

где S_Н — номинальная полная мощность сварочного аппарата, кВА;

— коэффициент мощности сварочного аппарата.

Средняя активная мощность нагрузок за максимально загруженную смену определяется по формуле

(2.18)

Средняя реактивная мощность нагрузок за максимально загруженную смену определяется по формуле

_СМtg,, (2.19)

К_И — коэффициент использования;

tg — тангенс угла (от коэффициента мощности).

Максимальная активная мощность нагрузок (расчетная) определяется по формуле

(2.20)

где К_М — коэффициент максимума нагрузок Коэффициент максимума нагрузок определяется по зависимости:

[3]

Эффективное число электроприемников при условии: т 5 и К_И 0,2 при Р_Нconst, определяется по формуле

. (2.21)

Коэффициент силовой сборки определяется по формуле

(2.22)

где Р_МАКС1 — максимальная мощность одного ЭП, кВт Р_МИН1 — минимальная мощность одного ЭП, кВт Коэффициент использования мощности всех нагрузок определяется по формуле

[3] (2.23)

Максимальная реактивная мощность нагрузок (расчетная) определяется по формуле

_М, , (2.24)

При условии =1,0; при условии =1,1; [3]

Расчетная активная мощность нагрузок определяется по формуле Р_Р = Р_М + Р_О,. (2.25)

Полная мощность нагрузок (расчетная) определяется по формуле

. (2.26)

Коэффициент мощности нагрузок цеха определяется по формуле

(2.27)

Вывод. В результате расчета следует, что к распределительному шинопроводу 0,4 кВ с электрооборудованием цеха подключены электроприемники, имеющие активную мощность 405,2 кВт, реактивную мощность 298,4 квар и полную мощность 494,9 кВА. Электрические нагрузки создают коэффициент мощности соs = 0,8, недостаточный и повышать его требуется по условиям проектирования до величины 0,92−0,95.

2.5 Выбор компенсирующих устройств цеховой подстанции

В результате расчета электрических нагрузок цеха получили коэффициент мощности. По заданию требуется скомпенсировать реактивную мощность до .

1. Определяем расчетную реактивную мощность компенсирующего устройства

(2.28)

где — коэффициент, учитывающий повышение коэффициента мощности естественным путем, принимается; [9]

— коэффициенты реактивной мощности до и после компенсации;

Р_Р — расчетная активная максимальная мощность нагрузок цеха, кВт.

При, следует

При, следует

2. По справочнику выбираем две конденсаторных установки по одной на каждую секцию по 75 квар каждая: УКЗ — 0,38 — 75 — ЗУЗ со ступенчатым ручным регулированием. [10]

3. Определяем общую реактивную мощность двух батарей статического конденсатора

4. Определяем фактическое значение после компенсации реактивной мощности

[9] (2.29)

0,95;

5. Определяем передаваемую реактивную мощность к потребителям от энергосистемы с учетом включения батареи конденсатора

(2.30)

6. Определяем величину разрядного сопротивления для батареи статических конденсаторов

(2.31)

В нашем случае подключение трехфазных батарей конденсаторов к шинам распределительного устройства о, 4 кВ осуществляется рубильником с предохранителем. Конденсаторы в конденсаторной установке соединены в треугольник для получения наибольшей величины реактивной мощности, в каждой фазе конденсаторы соединены между собой параллельно для осуществления ступенчатого ручного управления общей емкостью (общей реактивной мощностью).

Разряд конденсаторных батарей осуществляется автоматически после каждого отключения батареи от сети. Поэтому к ней непосредственно (без коммутационного аппарата) подключено специальное разрядное сопротивление (например, оммическое). После отключения конденсаторной установки происходит ее разряд на сопротивление за 3−5 минут, т. е. за время, необходимое для получения на батареи допустимого остаточного напряжения не свыше 50 В.

Вывод. Для повышения коэффициента мощности систем электроснабжения цеха предлагается установить конденсаторные установки типа УКЗ — 0,38 — 75 — со ступенчатым ручным регулированием по одной на каждую секцию шин.

2.6 Выбор числа и мощности силовых трансформаторов цеховой подстанции 10/0,4 кВ

Из расчета электрических нагрузок известны активная, реактивная и полная мощности нагрузок цеха, их мы будем использовать для выбора силовых трансформаторов.

1. Определяем полную мощность электрических нагрузок с учетом установки компенсирующих устройств

= (2.32)

2. Определяем потери активной мощности в силовых трансформаторах

(2.33)

3. Определяем потери реактивной мощности в силовых трансформаторах

(2.34)

4. Определяем потери полной мощности в силовых трансформаторах

(2.34)

5. Определяем полную расчетную мощность, передаваемую от ГПП до ТП

(2.35)

6. Определяем требуемую мощность одного силового трансформатора двухтрансформаторной ТП

(2.36)

Выбираем по справочной таблице ближайший силовой трансформатор: ТСЗ — 250/10/0,4 с номинальной мощностью S_Н = 250 кВА. Расшифруем тип трансформатора: ТСЗ-250/10/0,4 — трехфазный трансформатор, с естественным воздушным охлаждением при защитном исполнении, с номинальной полной мощностью 250кВА, первичное напряжение — U_1H = 10кВ, вторичное напряжение — U_2H = 0,4 кВ. и приводим в табл. 7.

7. Проверяем установленную мощность трансформаторов в аварийном режиме при отключении одного трансформатора и необходимости обеспечить электроснабжение в период максимума с допустимой нагрузкой, равной 140%

(2.37)

(2.38)

Условие проверки:

Условие выполняется Таблица 2.7 — Справочные данные силового трансформатора

Чтобы выбрать наиболее рациональный вариант электроснабжения, обычно рассматривают не менее двух вариантов числа и мощности трансформаторов на подстанции, сравнивая их по технико-экономическим показателям с учетом капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Вывод. Для трансформаторной подстанции цеха предлагаются к установке два трансформатора типа ТСЗ — 250/10/0,4.

2.7 Выбор сечения и марки кабельной линии напряжением 10 кВ

Проведем выбор сечения кабеля с учетом требований ПУЭ.

1. Определяем ток нагрузки линии в аварийном режиме работы при стопроцентной загрузке одного трансформатора ТСЗ-250/10/0,4

(2.39)

2. По справочной таблице для кабеля ААШВ на 10 кВ выбираем сечение S=16 мм² с допустимым током 90 А. [5]

С учетом поправочного коэффициента на фактическую температуру окружающей среды (К_{ПОПРАВ.}=1,11) допустимый ток

(2.40)

3. Определяем сечение кабеля по экономической плотности тока

[3] (2.41)

Условие проверки: (2.42)

Условие выполняется

4. Проверяем кабель марки АСБ-3×16 по потере напряжения

(2.43)

где R₀ — активное сопротивление кабеля на единицу длины, Ом/км;

R₀ = 1,95 Ом/км (по справочнику для кабеля АСБ-3×16) [5]

Х₀— индуктивное сопротивление кабеля на единицу длины, Ом Х₀ = 0,08 Ом/км (из исходных данных)

L-длина кабельной линии от ГПП до КТП, км;

L₂ = 0,6 км (из исходных данных);

U_1H-первичное напряжение цеховой подстанции, В;

U_1H = 10 000 В

; - коэффициенты из расчета электрических нагрузок.

Условие проверки

[3] (2.44)

Условие выполняется Вывод. Для подачи питания на силовой трансформатор цеховой подстанции предлагается использовать предварительно силовой кабель на

10 кВ марки АСБ — 3×16. Окончательный выбор сечения кабеля выполним после расчета токов короткого замыкания и на термическую устойчивость

2.8 Расчет токов короткого замыкания

Необходимость определения токов короткого замыкания необходима для проверки электрооборудования высокого напряжения (кабели, шины, выключатели) на термическое и электродинамическое действие токов короткого замыкания.

Расчетная схема содержит следующие данные: ток короткого замыкания на шинах ГПП, длина линии от энергосистемы до ГПП L₁ = 15 км, до цеховой ТП L₂ = 0,6 км, выполненную кабелем марки АСБ — 3×16 с R₀=1,95 м/км, Х₀=0,08 Ом/км; силовой трансформатор мощностью 250 кВА с = 3,8 кВт;

U_К = 5,5%

.

Рисунок 1 — Расчетная схема для определения токов короткого замыкания По расчетной схеме составляем схему замещения, содержащую активные и реактивные сопротивления, которыми обладает электрооборудование подстанции. Расчет токов короткого замыкания проведем для точек К1 и К2. Значение сопротивлений участков схемы замещения выражены в относительных базисных величинах Рисунок 2 — Схема замещения для определения токов короткого замыкания

1. Принимаем базисные величины Базисная полная мощность S_б = 100 МВА, [3]

Базисные напряжения U_б1 = 10,5 кВ; U_б2 = 0,4 кВ, [3]

2. Определяем базисные токи в точках короткого замыкания К1 и К2

[3] (2.45)

(2.46)

3. Определяем мощность короткого замыкания энергосистемы

=, (2.47)

4. Сопротивление системы в относительных единицах

[3] (2.48)

5. Определяем индуктивное сопротивление кабельной линии от ГПП до КТП в относительных базисных единицах

[3] (2.48)

6. Определяем активное сопротивление кабельной линии от ГПП до КТП в относительных базисных единицах

[3] (2.49)

7. Определяем индуктивное сопротивление цепи до точки короткого замыкания К1 в относительных базисных единицах

[3] (2.50)

8. Определяем соотношение активного и индуктивного сопротивлений цепи до точки короткого замыкания К1

При, учитываем, (2.51)

При, учитываем, [3 (2.52)

В нашем случае:

;

1,06 0,19, следовательно, учитываем в дальнейших расчетах.

9. Определяем полное результирующее сопротивление цепи до точки короткого замыкания К1 в относительных базисных единицах

10.

[3] (2.53)

11. Определяем периодическую составляющую тока короткого замыкания в точке К1

(2.54)

12. По справочнику определяем ударный коэффициент тока короткого замыкания в точке К1

При условии, когда активное сопротивление цепи учитывается, то ударный коэффициент определяется по кривой К_У = f (Т_а) [3]

Постоянная времени затухания тока короткого замыкания определяется по формуле

[3] (2.55)

В нашем случае К_У = 1 [3]

13. Определяем ударный ток короткого замыкания в точке К1

=, (2.56)

14. Определяем мощность короткого замыкания в точке К1

(2.57)

15. Определяем относительное активное сопротивление силового трансформатора.

При мощности трансформатора, относительное активное сопротивление учитывается и определяется по формуле

(2.58)

Активное относительное сопротивление трансформатора учитываем.

16. Определяем относительное индуктивное сопротивление силового трансформатора При мощности силового трансформатора, относительное индуктивное сопротивление трансформатора определяется по формуле

(2.59)

В нашем случае

==

=

17. Определяем индуктивное сопротивление силового трансформатора в относительных базисных единицах

[3] (2.60)

где — базисная полная мощность, МВА

— номинальная мощность силового трансформатора, МВА В нашем случае:

18. Определяем индуктивное сопротивление цепи до точки короткого замыкания К2 в относительных базисных единицах

= 0,595 + 20,8 = 21,395, (2.61)

19. Определяем активное сопротивление силового трансформатора в относительных базисных единицах

(2.62)

20. Определяем активное сопротивление цепи до точки короткого замыкания в относительных базисных единицах

(2.63)

В нашем случае

21. Определяем соотношение активного и индуктивного сопротивлений цепи до точки короткого замыкания К2

При , — учитываем, (2.64)

При , — не учитываем, (2.65)

В нашем случае

;

7,14 значит — учитываем в дальнейших расчетах

22. Определяем полное результирующее сопротивление цепи до точки короткого замыкания К2 в относительных базисных единицах

(2.66)

23. Определяем периодическую составляющую тока короткого замыкания в точке К2

(2.67)

24. По ПУЭ определяем ударный коэффициент тока короткого замыкания в точке К2

1) На низшей стороне силового трансформатора мощностью

100 — 400 кВА принимаем ударный коэффициент [3]

2) На низшей стороне силового трансформатора мощностью

630 — 1000 кВА принимаем ударный коэффициент [3]

3) На низшей стороне силового трансформатора мощностью

1600−2500 кВА принимаем ударный коэффициент [3]

В нашем случае: при мощности силового трансформатора

то принимаем К_У.

25. Определяем ударный ток короткого замыкания в точке К2

=, (2.68)

26. Определяем мощность короткого замыкания в точке К2

(2.69)

27. Сравниваем мощности короткого замыкания в точках К1 и К2:

следовательно, расчет токов короткого замыкания выполнен.

2.9 Проверка кабельной линии напряжением 10 кВ на термическую устойчивость к токам короткого замыкания

Термические действия токов короткого замыкания. Жилы кабелей, шины, токоведущие части коммутационных аппаратов, первичные обмотки измерительных трансформаторов тока при коротких замыканиях в электрической схеме могут нагреваться до температуры, значительно большей, чем при нормальном режиме. Повышенная температура нагрева приводит к перегреву изоляции, ее перегоранию, а также значительным потерям качества электроснабжения. Следовательно, при проектировании электроснабжения подстанций и выборе электрооборудования необходимо проверить выбранное оборудование на допустимую температуру нагрева (тепловой эквивалент) в режиме короткого замыкания в схеме. Если предварительно выбранное оборудование, кабели и шины будут не устойчивы в режиме короткого замыкания, то необходимо выбрать оборудование с большими номинальными данными и вновь проверить его устойчивость к токам короткого замыкания.

1. Выписываем для силовых кабелей напряжением 10 кВ исходные данные

1) Ток нагрузки кабельной линии = 20,23 А

2) Марка кабеля АСБ — 3×16.

3) Допустимый ток кабеля .

4) Периодическая составляющая тока короткого замыкания в точке К1: .

5) Температура окружающей среды при прокладке кабеля

.

6) Время срабатывания релейной защиты = 1,1 сек.

7) Время срабатывания высоковольтного выключателя

= 0,1 сек,

8) Выдержка времени срабатывания защиты — = 0,05 сек По ПУЭ для кабелей 10 кВ с бумажной изоляцией [6]

1) Допустимая температура нагрева кабеля 10 кВ в нормальном режиме

2) Допустимая температура нагрева кабеля 10 кВ в режиме к.з.

3) Коэффициент теплового эквивалента при коротком замыкании для кабелей и шин из алюминия С= 95 кА сек^½/мм²

2. Определяем температуру нагрева кабелей в нормальном режиме

= 15+(60−10) =17,02 ⁰С, (2.70)

3. Определяем начальный тепловой эквивалент (А_НАЧ.) в нормальном режиме работы кабеля, используя кривую, А = f (ф_Н) [3]

В нашем случае: А_НАЧ. = 0,12 = 1200, (2.71)

4. Определяем действительное время протекания тока к.з.

= = 1,1 + 0,1 + 0,05= 1,25 сек, (2.72)

5. Определяем фиктивное приведенное время протекания тока короткого замыкания по кривой = f () при = 1. [3]

В нашем случае: для =1,25 сек, при =1, следует = 1,1 сек.

6. Определяем приведенное время протекания тока к.з. с учетом апериодической составляющей фиктивного времени протекания тока к.з. (0.005 сек)

(2.73)

7. Определяем тепловой эквивалент в режиме короткого замыкания В нашем случае для кабелей: АСБ — 3×16, сечением S=16 мм²

А_К=А_НАЧ.+()²· =А²сек/мм², (2.74)

8. Определяем расчетную температуру нагрева шин в режиме короткого замыкания по кривой, А = f (ф_Н) при А²сек/мм²

В нашем случае: ф_К200 ⁰С, [3]

9. Условие проверки кабелей на термическую устойчивость: ф_К200⁰

В нашем случае: ф_К200 ⁰С, (2.75)

Условие не выполняется

10. Вывод. Силовые кабели цеховой подстанции на 10 кВ марки АСБ — 3×16 термически не устойчивы в режиме короткого замыкания при расположении в земле.

11. Определим минимальное сечение кабеля, устойчивое в режиме короткого замыкания

= = 49,8 мм ^2, (2.76)

12. По справочнику выбираем кабель сечением 50 мм².

1) Проверяем кабели на 10 кВ марки АСБ — 3×50 с допустимым током

на термическую устойчивость в режиме к.з.

15+(60−15)=15,6⁰С, (2.77)

2) По кривой, А = f (ф_Н): при ⁰С, следует А_НАЧ.= 0,1 10 ⁴ = 1000 А сек²/мм^2, [3]

3) А_К =А_НАЧ. + ()² · =А²сек/мм²

4) По кривой, А = f (ф_Н) при А²сек/мм², ф_К = 140⁰С [3]

5) Условие проверки кабелей на термическую устойчивость.

ф_К200⁰С, (2.78)

В нашем случае: 140⁰С < 200⁰С, Условие выполняется

6) Вывод. Силовые кабели цеховой подстанции на 10 кВ марки АСБ — 3×50 термически устойчивы в режиме короткого замыкания при расположении в земле.

13. Проверим кабель АСБ — 3×50 по потере напряжения

[3]

где R₀ = 0,625 Ом/км (по справочнику для кабеля АСБ на 50 мм²), [5]

Х₀ = 0,08 Ом/км (из исходных данных);

l= l₂ = 0,6 км (из исходных данных);

U_1H — первичное напряжение цеховой подстанции, В; U_1H = 10 000 В;

; - коэффициенты из расчета электрических нагрузок.

Условие проверки Условие выполняется Вывод. Для питания цеховой подстанции выбраны кабели марки АСБ — 3×50 напряжением 10 кВ для прокладки в земле, кабели проверены по всем требованиям Правил устройства электроустановок: по допустимому току нагрева, по экономической плотности тока, по термической устойчивости в режиме короткого замыкания, по допустимой потере напряжения.

2.10 Выбор коммутационных аппаратов цеховой подстанции

Выбор высоковольтных выключателей напряжением 10 кВ

1. Выписываем расчетные данные для выбора выключателей нагрузки со стороны 10 кВ силового трансформатора:

a) номинальное напряжение с высшей стороны РУ: U_1H = 10 кВ;

b) полная расчетную мощность нагрузок подстанции: S₁ = 475,6 кВА;

c) силовые трансформаторы подстанции: ТСЗ — 250/10/0,4;

d) периодическая составляющая тока короткого замыкания в точке к1: ;

e) приведенное время затухания тока короткого замыкания в точке короткого замыкания к1: t;

f) ударный ток в точке короткого замыкания к1:.

2. Определяем действительный коэффициент загрузки трансформатора в аварийном режиме работы, т. е. при отключении одного из трансформаторов

[3] (2.79)

3. Определяем первичный номинальный ток нагрузки силового трансформатора

[3] (2.80)

4. Определяем тепловой импульс периодической составляющей тока короткого замыкания, характеризующего термическую стойкость выключателя

(2.81)

5. По справочнику предварительно выбираем выключатель нагрузки марки ВНП_у-10/400−10зУ3. Расшифруем выключатель нагрузки с предохранителем: выключатель на 10 кВ, с номинальным током 400 А, с током термической устойчивости 10 кА и временем термической устойчивости 1 сек, предельным сквозным током 25 кА, для установки в условиях умеренного климата (У) в закрытом помещении (3), с усиленной контактной системой (у), имеющий устройство для подачи команды на отключение при перегорании предохранителя (з) и представляем в табл. 8.

6. Проверяем выключатель нагрузки на электродинамическую устойчивость в режиме короткого замыкания по условию: ударный ток в точке короткого замыкания должен быть меньше максимального (амплитудного) сквозного тока короткого замыкания, на который изготавливается выключатель:. [3]

7. Выключатели нагрузки выбирают на основании сравнения справочных данных с соответствующими расчетными данными цепи, для чего составляется сравнительная таблица 2.8.

Таблица 2.8 — Условия выбора выключателей нагрузки

1. Выписываем расчетные данные для выбора предохранителей для защиты стороны силового трансформатора со стороны 10 кВ:

a) номинальное напряжение с высшей стороны РУ — U_1H = 10 кВ;

b) силовые трансформаторы подстанции — ТСЗ — 250/10/0,4;

c) периодическая составляющая тока короткого замыкания в точке к1: .

2. Определяем максимальный расчетный ток в цепи с высшей стороны силового трансформатора с учетом увеличения тока по ПУЭ в К =2,5 раза.

(2.82)

3. Предварительно, по справочнику выбираем на номинальное напряжение 10кВ, с номинальным током плавкой вставки 50 А, предельным (наибольшим) током отключения 12,5 кА для установки в условиях умеренного климата в закрытом помещении предохранитель марки: ПКТ 102 — 10 -50 — 12,5 — У3, для защиты силового трансформатора.

4. По ПУЭ предохранители в комплект к выключателям нагрузки выбирают на основании сравнения справочных данных предохранителя с соответствующими расчетными данными цепи, для чего составляется сравнительная таблица 2.9.

Таблица 2.9 — Условия выбора предохранителя

Вывод. Для распределительного устройства на 10 кВ в комплекс к выключателям нагрузки выбираем предохранители марки ПКТ 102 — 10 — 50 -12,5 — У3, которые проходят по всем условиям проверки в нормальном режиме работы и в режиме короткого замыкания.

Выбор автоматических выключателей напряжением 0,4 кВ

1. Выписываем расчетные данные для выбора автоматических выключателей со стороны о, 4 кВ:

a) номинальное напряжение РУ НН: U_2Н = 0,4 кВ;

b) силовые трансформаторы подстанции — ТСЗ -250/10/0,4;

c) периодическая составляющая тока короткого замыкания в точке к2: ;

2. Определяем максимальный расчетный ток в цепи с низшей стороны силового трансформатора при отключении одного из силовых трансформаторов с учетом коэффициента перегрузки К=1,4 (по ПУЭ)

[3] (2.83)

3. Определяем ток расцепителя автоматического выключателя, отключающего группу электроприемников

(2.84)

4. Определяем по справочнику ближайший номинальный ток расцепителя автоматического выключателя.

5. Определяем номинальный ток автоматического выключателя, исходя из условия Следовательно,.

6. По справочнику выбираем автоматические выключатели типа ВА 99 — 600 S3 с номинальным переменным напряжением 0,4 кВ, номинальным током 630 А, с номинальным током теплового и электромагнитного расцепителя 630 А, током отключения при коротком замыкании 50 кА. [10]

7. Автоматические выключатели окончательно выбирают на основании сравнения справочных данных автоматического выключателя с соответствующими расчетными данными цепи, для чего составляется сравнительная таблица 2.10.

Таблица 2.10 — Условия выбора автоматических выключателей

Вывод. В распределительное устройство на 0,4 кВ предлагается установить для двух силовых трансформаторов трехполюсные автоматические выключатели типа ВА 99 — 600 S3, которые проходят по всем условиям проверки в нормальном режиме работы, в режиме перегрузки и короткого замыкания. Для исполнения функции устройства автоматического ввода резервного питания (АВР) предлагается установить аналогичный автоматический выключатель.

Заключение

Для обеспечения электроэнергией электрооборудования ремонтно-механического цеха спроектирована цеховая трансформаторная подстанция. Питание подстанции осуществляется по двум кабельным линиям напряжением

10 кВ, проложенным в земле. На подстанции устанавливается два силовых трансформатора, которые осуществляют питание электроприемников цеха, работают независимо друг от друга и являются взаимно резервируемыми. Электроприемники цеха подключены к распределительным пунктам на трехфазное напряжение 0,4 кВ, относятся ко 2 и 3 категории электроснабжения, создают неравномерный суточный график нагрузки. В цехе имеются светительники на 220 В. Для обеспечения надежности питания потребителей цеха, предлагается установить два силовых трансформатора с глухозаземленной нейтралью, взаимно резервируемых на стороне низшего напряжения 0,4 кВ через секционный автоматический выключатель, который включается дежурным персоналом в случае отключения одного из силовых трансформаторов. Для включения и отключения питающей линии 10 кВ устанавливаются выключатели нагрузки марки ВПН, для защиты силового трансформатора при коротких замыканиях со стороны высшего напряжения устанавливаются высоковольтные кварцевые предохранители типа ПКТ. Для отключения и включения питания потребителям со стороны 0,4 кВ устанавливаются автоматические выключатели серии ВА.

Силовые трансформаторы выбраны с учетом требуемого коэффициента загрузки, проверены на режим аварийной перегрузки на 140%. Кабельные линии выбраны по допустимому току нагрева, проверены на термическую устойчивость в режиме короткого замыкания, а так же по допустимой потере напряжения. Коммутационная аппаратура и аппараты защиты выбраны с учетом работы схемы в нормальном и аварийном режимах работы. Наименование и марка выбранного электрооборудования цеховой подстанции приводится в ведомости 1.

Ведомость 1 — Перечень монтируемого электрооборудования цеховой ТП

Вывод. В соответствии с целью задачами курсового проекта произведен расчет и выбор механизма подъема мостового крана, установленного в цехе, а также силового и коммуникационного оборудования цеховой подстанции, обеспечивающий электроснабжение электроприемников цеха. Для цеха спроектирована трансформаторная подстанция, в которую входит оборудование, представленное в ведомости в пояснительной записке и в графической части проекта.

Список использованных источников

1. Боровиков, В. А. Электрические сети и системы /В.А. Боровиков, В. К. Косарев, Г. А. Ходот. — М.: Энергия, 1997. — 392 с.

2. Кудрин, Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебно-справочное пособие / Б. И. Кудрин. — М.: Теплотехник, 2009. — 698 с.

3. Липкин, Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок / Б. Ю. Липкин. — М.: Высшая школа, 1990. — 368 с.

4. Лисиенко, В. Г. Хрестоматия энергосбережения / В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков, М. Г. Ладыгичев. — М.: Теплотехника, 2005. — 688 с.

5. Неклепаев, Б. Н. Электрическая часть электрических станций и подстанций. Справочные материалы для кypсового и дипломного проектирования: учеб. пособие для вузов / Б. Н. Неклепаев, И. П. Крючков. — 4-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 608 с.

6. Правила устройства электроустановок. — 7-е изд.-Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2008. — 511 с.

7. Плащинский, Л. А. Основы электроснабжения. Релейная защита электроустановок: учебное пособие /Л.А. Плащинский. — М.: Изд. Московского государственного горного университета, 2002. — 144 с.

8. Федоров, А. А. Справочник по электроснабжение промышленных предприятий. Электрооборудование и автоматизация / Под общей редакцией А. А Федорова и Г. В Сербиновского. — М.: Энергоиздат, 1986. — 624 с.

9. Шеховцов, В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Методическое пособие для курсового проектирования / В. П. Шеховцов. — М.: Форум-ИНФРА — М, 2010. — 231 с.

10. Шеховцов, В. П. Справочное пособие по электрооборудованию и электроснабжению / В. П. Шеховцов. — М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2009. -136 с.