Текст книги "Проектирование и расчеты систем электроснабжения"

Василий Сташко
Проектирование и расчеты систем электроснабжения: Учебно-методическое пособие по выполнению контрольной работы для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (квалификация (степень) «бакалавр») заочной формы обучения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. И. ПОЛЗУНОВА»

Утверждено на заседании

Методической школы им. О. И. Хомутова

Протокол № 2 от 2 марта 2020 г.

Рецензент: д.т.н., профессор

А. А. Багаев (АлтГАУ)

© Сташко Василий Иванович, 2020

1. Содержание дисциплины

Дисциплина «Электроснабжение» изучает общие вопросы электроснабжения промышленных предприятий, городов, объектов аграрно-промышленного комплекса и транспортных систем. В процессе изучения дисциплины «Электроснабжение», рассматриваются различные типы электроприемников, режимы их работы и методы расчета электрических нагрузок. Кроме того, особое внимание уделяется вопросам надежности как отдельного электрооборудования, так и систем электроснабжения в целом.

Для успешного выполнения контрольной работы (расчетного или индивидуального задания), необходимо изучить теоретические разделы данного курса, краткое содержание которых приведено ниже. Список литературы приведен в конце данного учебно-методического пособия.

1.1 Общие вопросы электроснабжения

В данной части курса «Электроснабжение» рассматриваются проблемы и перспективы модернизации электрооборудования систем электроснабжения. Начинается раздел с изучения истории развития отечественной энергетики, и, далее, рассматриваются основные этапы развития электроэнергетики в России и за рубежом, создание Единой энергетической системы. Изучение состояния и перспектив развития современной российской электроэнергетики начинается с главного события в отрасли – создание рынка электроэнергии и реформирования РАО «ЕЭС России».

Также, в данном разделе рассматривается общая характеристика современной системы электроснабжения (СЭС), её основные элементы, источники и системы распределения электроэнергии, электрические нагрузки и графики потребления электроэнергии.

Завершается раздел изучением графиков нагрузок, их расчетных коэффициентов и знакомства с особенностями определения расчетных нагрузок в СЭС различного назначения.

1.2 Основы проектирования элементов систем электроснабжения

Основы проектирования элементов систем электроснабжения в данном курсе рассматриваются с учетом технических, энергоэффективных и экологических требований. В начале данного раздела рассматриваются основные элементы СЭС, особенности конструктивного исполнения электрических сетей – воздушных и кабельных линий электропередачи. Далее необходимо рассмотреть вопросы, касающиеся основных требований, которые предъявляются к потребительским подстанциям 10/0,4 кВ, особенностям их конструктивного исполнения и назначения. В заключительной части данного раздела курса рассматриваются трансформаторные подстанции и питающие электрические сети 35 кВ и выше.

1.3 Режимы работы электроэнергетических установок и систем электроснабжения

В данном разделе рассматриваются вопросы качества электроэнергии, компенсации реактивной мощности, а также изучаются основные режимы работы электрических сетей до 1000 В, схемы и режимы работы электрических сетей выше 1000 В, регулирование напряжения в СЭС центров питания на шинах 10 кВ и показатели качества электроэнергии. Кроме того, при изучении теоретической части данного курса, необходимо уделить внимание существующим методам и средствам компенсации реактивной мощности, расчетам при выборе устройств компенсации реактивной мощности, их конструктивному исполнению и непосредственному размещению.

1.4 Принципы и особенности расчёта режимов работы электроэнергетических установок и систем электроснабжения

При изучении особенностей расчета режимов работы электроэнергетических установок и систем электроснабжения, первостепенное внимание уделяется коротким замыкания (КЗ) в СЭС. При выполнении контрольной работы, и далее, курсового проекта и выпускной квалификационной работы, в части данного раздела необходимо знать следующее:

– основные понятия и соотношения величин токов короткого замыкания;

– термическое и электродинамическое действие тока;

– расчет токов КЗ в относительных единицах;

– расчет токов КЗ в именованных единицах;

– расчет токов КЗ от источника неограниченной мощности.

– расчет токов КЗ в установках напряжением до 1000 В.

1.5 Практическая часть дисциплины

В практической части данной дисциплины необходимо знать особенности расчёта режимов работы электроэнергетических установок в системах электроснабжения, уметь производить правильный выбор числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций (ЦТП). Кроме того, необходимо уметь производить адекватный выбор параметров шинопроводов и кабельных линий напряжением 0,4-10 кВ с последующей проверкой на действие токов КЗ.

Все необходимые расчеты при выполнении контрольной работы, должны обеспечивать требуемые режимы и заданные параметры проектируемой системы электроснабжения и её компонентов. Не лишним будет практическое умение расчета реактивной мощности, определения коэффициента снижения потерь, построения диаграммы работы компенсирующего устройства, определения коэффициента мощности, расчета компенсирующих устройств.

Требования к результатам освоения дисциплины, включая выполнение контрольной работы (расчетного или индивидуального задания) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Требования к результатам освоения дисциплин

2. Проектирование системы электроснабжения цеха

Для выполнения типовой контрольной работы, в первую очередь необходимо определить исходные данные для проектирования системы электроснабжения цеха по соответствующим таблицам вариантов заданий [1].

2.1 Порядок выполнения типовой контрольной работы

Порядок выполнения типовой контрольной работы следующий:

– составить краткую характеристику технологического процесса и отдельных электроприемников, определить категории надежности, разработать основные требования к системе внешнего электроснабжения;

– выбрать схему внутреннего электроснабжения цеха;

– выполнить расчет электрических нагрузок цеха;

– выполнить расчет токов нагрузки, пиковых токов для групп или отдельных электроприемников;

– выбрать схему внешнего электроснабжения цеха;

– выбрать провода, кабели, шинопроводы, коммутационные и защитные аппараты, рассчитать уставки защиты для одного присоединения;

– выполнить расчет токов короткого замыкания на всех ступенях защиты;

– проверить выбранные провода, кабели, шинопроводы, коммутационные и защитные аппараты для каждого присоединения по потерям напряжения и по условиям защиты;

– выполнить графическую часть – построить план расположения оборудования с прокладкой линий электроснабжения, и однолинейную принципиальную схему.

2.2 Содержание отчета

Содержание отчета выполненной контрольной работы должно быть следующее (всего 6 разделов):

Введение

1) Задание на проектирование. Исходные данные. Краткая характеристика цеха по условиям электроснабжения и технологического процесса. Категории надежности и основные требования к схеме внешнего электроснабжения.

2) Построение схемы цеховой сети.

3) Расчет электрических нагрузок по группам электроприемников. Определение расчетной нагрузки по цеху в целом по установленной мощности электроприемников и средним значениям коэффициентов использования. Определение условного центра электрических нагрузок цеха

4) Выбор числа и мощности силовых трансформаторов ЦТП, расчет мощности силовых трансформаторов с учетом компенсации реактивных нагрузок. Выбор типа и состава трансформаторной подстанции или вводно-распределительного устройства

5) Расчет электрической сети для одного присоединения. Выбор токоведущих частей на напряжение 0,4 кВ, коммутационных и защитных аппаратов одного присоединения. Расчет токов КЗ. Проверка выбранных токопроводов и аппаратов по условиям КЗ.

3. Исходные данные

Варианты типовых заданий для выполнения контрольной работы приведены в таблице 2.

Таблица 2

Варианты типовых заданий для контрольной работы

ПРИМЕЧАНИЕ: К₁ = 1,1 – коэффициент, на который необходимо умножить нагрузки предприятия (без нагрузок цехов, заданных отдельно).

Каждому варианту задания соответствует шифр, где:

первое число – это нагрузки предприятия; второе число – это генплан предприятия; третье число – нагрузки цеха; четвертое число – план цеха.

Внимание! Таблицы с исходными данными находятся в учебно-методическом пособии [1].

Например, рассмотрим вариант 35.

Здесь, 10 означает, что цех, расчет нагрузок которого производится, находится на территории завода среднего машиностроения (см. [1], стр. 4). На генплане завода (см. [1], стр. 65) цех обозначен как № 6, а в нагрузках завода (см. [1], стр. 45) указано: См. данные цеха. Данные цеха по варианту 35, находятся на страницах 9 и 10 [1]. Соответственно, на стр. 9, в таблице «Задания № 1, 10, 20, 30, 40» приведен перечень электрооборудования в цехе. Всего 45 электроприемников: 1 и 8 – это круглошлифовальные станки, 2 и 9 – плоскошлифовальные станки, 3, 4 и 5 – токарно-винторезные станки и т. д. (рисунок 1).

Рисунок 1

План цеха варианта № 35, согласно [1], стр. 24

Непосредственно установленная мощность конкретных электроприемников (кВт) указана в таблице на стр. 10 [1]:

– 1, 8 (круглошлифовальные станки) состоят из трех электроприемников каждый – 7,5 кВт, 1,5 кВт и 0,6 кВт. Соответственно 7,5+1,5+0,6=9,6 кВт.

– 2, 9 (плоскошлифовальные станки), также состоят из трех электроприемников каждый – 5,5 кВт, 1,5 кВт и 0,4 кВт. Соответственно 2,2+1,5+0,4=4,3 кВт. Но, так как у нас вариант № 35, то все значения необходимо умножить на коэффициент К₁ = 1,1. Таким образом, круглошлифовальные станки 1 и 8 будут иметь мощность по 10,6 кВт (9,6×1,1=10,56), плоскошлифовальные станки 2 и 9 будут иметь мощность по 4,7 кВт (4,3×1,1=4,73) и т. д.

Номер варианта задания определяется по последним двум цифрам номера зачетной книжки студента или задается преподавателем по списку группы.

Рекомендуется использовать реальные исходные данные, которые можно взять непосредственно с места работы студента-заочника. При этом, количество электроприемников в цехе не должно быть менее 20.

4. Примерное содержание отчета выполненной контрольной работе

4.1 Введение

Во введении необходимо отразить актуальность вопросов проектирования оптимальных и надежных систем электроснабжения, а также перечислить основные задачи, решаемые в ходе выполнения контрольной работы.

4.2 Краткая характеристика цеха по условиям электроснабжения

В данном разделе необходимо дать характеристику технологического процесса, привести основные характеристики потребителей и электроприемников, такие как: установленная мощность, род тока, напряжение, частота тока, режим работы и т. д.

Краткое описание состава оборудования цеха и характеристика технологического процесса требуют не только ознакомления с конкретными электроприемниками (ЭП) и видами работ, осуществляемых в цехе, но и предполагают выработку требований к схеме внутрицехового электроснабжения. Так, например, при перечислении (кратком описании) состава оборудования цеха особое внимание уделяется требованиям, предъявляемым различными электроприемниками к качеству электрической энергии. В частности, необходимо установить возможное влияние режима работы ЭП (например, повторно-кратковременный режим) и характера нагрузок, а также дополнительно используемого оборудования (например, выпрямитель) на эффективность функционирования установленных в том же цехе других приемников ЭЭ. По окончании данного описания делаются выводы о целесообразности электроснабжения той или иной группы электроприемников от одного узла питания (например, шинопровода).

Для выбора способов прокладки по территории цеха электрических сетей и мест размещения элементов схемы электроснабжения (например, возможность расположения ТП внутри цеха), необходимо дать общую характеристику строительной части цеха. В данном пункте отражаются геометрические размеры цеха, общая площадь, наличие колонн и расстояние между ними, наличие внутренних перегородок, отдельных помещений, дверных и оконных проемов, расположение электроприемников и т. д.

4.3 Построение схемы цеховой сети

Для выполнения данного раздела контрольной работы, необходимо изучить следующие вопросы: схемы электрических сетей напряжением до 1000 В, требования экономичности и надежности, предъявляемые к ним; радиальные, магистральные, смешанные схемы, замкнутые сети; сети переменного и постоянного тока, номинальное напряжение и его выбор; совместное и раздельное питание осветительной и силовой нагрузки; установки с резко-переменной нагрузкой и условия их питания; цеховые сети рабочего и аварийного освещения; способы присоединения отдельных электроприемников к сети напряжением до 1000 В; распределительные пункты; комплектные устройства в электроустановках до 1000 В; распределительные щиты, щиты для питания осветительной нагрузки, щиты станций управления; пульты управления; преобразовательные подстанции для электролизных установок, дуговых и термических печей.

Составить схему электроснабжения цеха напряжением до 1000 В, учитывая достоинства и недостатки радиальных, магистральных и смешанных схем, особенности электроснабжения отдельных ЭП, групп, технологических линий.

Как правило, для аналогичных цехов выбирается смешанная схема электроснабжения. Электроснабжение наиболее мощных электроприемников (Р_ном > 70 кВт), а также ЭП с резко-переменным (ударным) характером нагрузки осуществляется по радиальным линиям непосредственно от шин РУНН ЦТП или ВРУ. Электроснабжение же остальных электроприемников осуществляется от распределительных шинопроводов.

Электроснабжение грузоподъемных механизмов обеспечивается, например, при помощи троллейных шинопроводов, поставляемых, как правило, комплектно с грузоподъемными механизмами.

План цеха со схемой электроснабжения выполняется в графическом редакторе «Компас» или «Autocad», в любом удобном масштабе, в строгом соответствии с ЕСКД.

Пример построения схемы электрической сети одного из цехов локомотивного депол, представлен на рисунке 2.

Рисунок 2

Схема прокладки цеховых сете и определение УЦЭН

4.4 Расчет электрических нагрузок по группам электроприемников

Основные изучаемые вопросы: методы определения расчетных нагрузок; методы, основанные на использовании теории вероятностей и математической статистики; определение расчетных нагрузок методом руководящих указаний; определение расчетной нагрузки однофазных электроприемников.

Для расчета электрических нагрузок необходимо и достаточно семи исходных данных: наименование электроприемника, количество электроприемников каждого наименования, номинальная мощность одного электроприемника, суммарная мощность электроприемников каждого наименования (все вышеперечисленное приведено в задании), групповые коэффициенты использования и мощности (определяются по справочнику для характерных групп ЭП), а также построенная схема электроснабжения цеха.

Характерные группы электроприемников: общепромышленные силовые установки, осветительные установки, вентиляторы, компрессорные и насосные установки, подъемно-транспортные механизмы, сварочные агрегаты, преобразовательные установки и т. д.

Далее, необходимо определить расчетные нагрузки по отдельным группам и цеху методом руководящих указаний.

Расчет электрических нагрузок выполняется но форме Ф636-92 согласно таблице 3.

Расчет электрических нагрузок электроприемников (ЭП) напряжением до 1 кВ производится для каждого узла питания (распределительного пункта, шкафа, сборки, распределительного шинопровода, щита станций управления, троллея, магистрального шинопровода, цеховой трансформаторной подстанции), а также по цеху, корпусу в целом.

Исходные данные для расчета (графы 1–6) заполняются на основании полученных от технологов и других специалистов таблиц-заданий на проектирование электротехнической части (графы 1–4) и согласно справочным материалам (графы 5, 6), в которых приведены значения коэффициентов использования и реактивной мощности для индивидуальных ЭП.

Таблица 3

Расчет электрических нагрузок 1 кВ (форма Ф636-92).

Все ЭП группируются по характерным категориям с одинаковыми К_и и tg. В каждой строке указываются ЭП одинаковой мощности.

Резервные электроприемники, ремонтные сварочные трансформаторы и другие ремонтные электроприемники, работающие кратковременно (пожарные насосы, задвижки, вентили и т. п.), при подсчете расчетной мощности не учитываются (за исключением случаев, когда мощности пожарных насосов и других противоаварийных ЭП определяют выбор элементов сети электроснабжения). В графах 2 и 4 указываются данные только рабочих ЭП.

В случаях, когда n, определяется по упрощенному выражению, все ЭП группируются построчно по характерным категориям независимо от мощности ЭП, а в графе 3 указываются максимальная и минимальная мощности ЭП данной группы.

Для многодвигательных приводов учитываются все одновременно работающие электродвигатели данного привода. Если в числе этих двигателей имеются одновременно включаемые (с идентичным режимом работы), то они учитываются в расчете как один ЭП номинальной мощностью, равной сумме номинальных мощностей одновременно работающих двигателей.

Для электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы их поминальная мощность не приводится к длительному режиму (ПВ – 100 %).

При включении однофазного ЭП на фазное напряжение он учитывается в графе 2 как эквивалентный трехфазный ЭП номинальной мощностью

где Р_{н. о}, Q_{н. о} – активная и реактивная мощности однофазного ЭП.

При включении однофазного ЭП на линейное напряжение он учитывается как эквивалентный ЭП номинальной мощностью

При наличии группы однофазных ЭП, которые распределены по фазам с неравномерностью не выше 15 % по отношению к общей мощности трехфазных и однофазных ЭП в группе, они могут быть представлены в расчете как эквивалентная группа трехфазных ЭП с той же суммарной номинальной мощностью. В случае превышения указанной неравномерности, номинальная мощность эквивалентной группы трехфазных ЭП принимается равной тройному значению мощности наиболее загруженной фазы.

При наличии в справочных материалах интервальных значений К_и для расчета следует принимать наибольшее значение. Значения К_и должны быть определены из условия, что вероятность превышения фактической средней мощности над расчетной для характерной категории ЭП должна быть не более 0,05.

В графах 7 и 8 соответственно записываются построчно величины К_и · P_н  и К_и · P_н · tgφ. В итоговой строке определяются суммы этих величин

Определяется групповой коэффициент использования для данного узла питания

Значение К_и заносится в графу 5 итоговой строки.

Для последующего определения n_э в графе 9 построчно определяются для каждой характерной группы ЭП одинаковой мощности величины n · P_н², а в итоговой строке – их суммарное значение Σn · P_н². При определении n_э по упрощенной формуле графа 9 не заполняется.

Определяется эффективное число электроприемников n_э следующим образом:

Как правило, n_э для итоговой строки определяется по выражению

При значительном числе ЭП (магистральные шинопроводы, шины цеховых трансформаторных подстанций, в целом по цеху, корпусу, предприятию) n_э можно определять по упрощенной формуле

Найденное по указанным выражениям значение n_э округляется до ближайшего меньшего целого числа. При n_э ≤ 4 рекомендуется пользоваться номограммой (рисунок 3).

В зависимости от средневзвешенного коэффициента использования и эффективного числа электроприемников определяется и заносится в графу 11 коэффициент расчетной нагрузки К_р:

– для сетей напряжением до 1 кВ, питающих распределительные шинопроводы, пункты, сборки, щиты (Т₀ = 10 мин.), К_р принимается по таблице 4 или номограмме, изображенной на рисунке 3;

– для магистральных шинопроводов и сборных шин цеховых трансформаторов (Т₀ = 2,5 ч.) К_р принимаются по таблице 5;

– для кабелей напряжением 6 кВ и выше, питающих цеховые трансформаторные подстанции и распределительные устройства (Т₀ ≥ 30 мин.), К_р = 1.

Рисунок 3

Кривые коэффициента расчетных нагрузок К_р для различных коэффициентов использования К_и в зависимости от n_э (для постоянной времени нагрева Т₀ = 10 мин.)

Таблица 4

Значения коэффициентов расчетной нагрузки К_р для питающих сетей напряжением до 1 кВ

Таблица 5

Значения коэффициентов расчетной нагрузки К_р на шинах НН цеховых трансформаторов и для магистральных шинопроводов до 1 кВ

Расчетная активная мощность подключенных к узлу питания ЭП напряжением до 1 кВ (графа 12) определяется по выражению

В случаях, когда расчетная мощность Р_р окажется меньше номинальной наиболее мощного электроприемника, следует принимать Р_р = Р_{н. max}.

Расчетная реактивная мощность (графа 13) определяется следующим образом.

Для питающих сетей напряжением до 1 кВ в зависимости от n_э:

Для магистральных шинопроводов и на шинах цеховых трансформаторных подстанций, а также при определении реактивной мощности в целом по цеху, корпусу, предприятию

К расчетной активной и реактивной мощности силовых ЭП напряжением до 1 кВ должны быть, при необходимости, добавлены осветительные нагрузки Р_{р. о} и Q_{р. о}.

Значения токовой расчетной нагрузки (графа 15), по которой выбирается сечение линии по допустимому нагреву, определяется по выражению

где  – полная расчетная мощность, кВА (графа 14).

Расчет электрических нагрузок ЭП напряжением выше 1 кВ производится в целом аналогично расчету, приведенному выше с учетом следующих особенностей.

При получении от технологов коэффициентов, характеризующих реальную загрузку электродвигателей, в графу 5 заносится вместо К_и значение К_з, а в графу 7 – значение К_з · P_н.

Расчетная нагрузка цеховых трансформаторных подстанций (с учетом осветительной нагрузки и потерь в трансформаторах) заносится в графы 7 и 8.

Определяется число присоединений 6-10 кВ на сборных шинах РУ ГПП (графа 2 итоговой строки). Резервные ЭП не учитываются.

Эффективное число электроприемников n_э не определяется, и графы 9 и 10 не заполняются.

В зависимости от числа присоединений и группового коэффициента использования , занесенного в графу 5 итоговой строки, по таблице 6 определяется значение коэффициента одновременности К_о. Значение К_о заносится в графу 11 (при этом К_р = 1).

Расчетная мощность (графы 12–14) определяется по выражениям

Результирующий расчет нагрузок для каждой трансформаторной подстанции и выбор мощности трансформаторов рекомендуется выполнять по форме Ф202-90 (таблица 7).

Результирующая нагрузка на стороне высокого напряжения определяется с учетом средств КРМ и потерь мощности в трансформаторах.

Таблица 6

Значения коэффициентов одновременности К_о для определения расчетной нагрузки на шинах 6 – 10 кВ РП и ГПП

Таблица 7

Форма Ф202-90