Электрификация участка механического цеха завода

1.5 Выбор схемы питающей и распределительной сетей и ее элементов

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

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

1.6 Расчет распределительной сети

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

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

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

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

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

Таблица 1.2 - Ведомость ЭП станка номер 16

Определяется пусковой ток наибольшего по мощности ЭД по формуле

где I_н1 - номинальный ток первого ЭД, А;

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

Определяется длительный расчетный ток ответвления по формуле

где SI_н - сумма номинальных токов ЭД, А.

Определяется пиковый ток в ответвлении при пуске ЭД по формуле

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

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

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

Выбираются провода ПВ 5 (1´1,5) с I_{норм.доп}=17 А, тогда 17 А>15,5 А, условие выполняется.

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

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

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

I_н.р³1,25∙I_дл.р,

I_у.э.р³1,2∙I_пик,

где I_н.р - номинальный ток расцепителя, А;

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

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

А > 1,25∙15,5=19,38 А,

условие выполняется.

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

·20=140 А > 1,2·85,05=102,06 А,

условие выполняется.

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

Проверяется соответствие выбранного сечения проводов требуемому

коэффициенту защиты К_з по условию

I_{норм.доп} ≥ К_з∙I_з; 17 А >1,0∙20=20 А,

где К_з=1,0 по [5, таблица К.30];

I_з = I_н.р=20 А,

условие (1.7) не выполняется, поэтому принимается провод ПВ 5 (1´2) с I_{норм.доп}=22 А, тогда

А > 20 А,

условие выполняется.

1.7 Расчет питающей сети

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

Расчет нагрузки ПР1

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

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

где p_н1, p_н7, p_н15, p_н16 - номинальная (установленная) активная мощность

ЭП 1,7,15,16 (по данным таблицы 1.1), кВт.

Определяются средние активные и реактивные нагрузки ПР1 по формулам

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

Q_{с ПР1} = Р_{с ПР1}∙tgj=2,11∙1,73=3,65 квар.

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

Определяется эффективное число ЭП ПР1 по формуле

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

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

где p_н - номинальная мощность ЭП одного станка, кВт.

Принимается n_эПР1=3.

По [5, таблица 1.3] принимается коэффициент расчетной активной

мощности К_рПР1=2,89.

Определяется расчетная активная нагрузка ПР1 по формуле

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

Согласно [11, п. 3.2.7] принимается

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

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

Определяется расчетная реактивная нагрузка ПР1 по формуле

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

где L_р =1,1 при n_э≤10.

Определяется полная расчетная нагрузка ПР1 по формуле

кВ∙А.

Определяется расчетный ток ПР1 по формуле

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

Определяется пиковый ток ПР1 по формуле

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

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

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

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

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

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

I_{н.р ПР1 ≥} 1,1 I_рПР1, (1.18)

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

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

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

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

80 А > 1,1∙12,37=14,00 А,

условие выполняется

По [5, таблица Г.1] выбирается уставка электромагнитного расцепителя I_у.э.р с учётом I_н.р равного 80 А и кратности срабатывания равной 10 и проверяется по формуле (1.19)

·80=800 А > 1,2·91,48=109,78 А,

условие выполняется.

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

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

Выбирается кабель ВВГЗНГ 5´1,5-0,66 с I_{норм.доп}=19 А, тогда

А>12,73 А.

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

условие выполняется.

Проверяется соответствие выбранного сечения кабеля требуемому

коэффициенту защиты К_з по условию (1.7)

А > 1,0·80=80 А,

условие не выполняется, поэтому следует принять большее сечение кабеля.

Выбирается кабель ВВГЗНГ 4´25+1´16-0,66 с I_{норм.доп}= 95 А, тогда

А>1,0·80 А,

условие выполняется.

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

Данные расчетов заносятся в таблицу 1.5

Расчет нагрузок магистрального шинопровода

Определяется групповая номинальная (установленная) активная

мощность ЭП (станков), подключенных к М по формуле

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

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

+106,80+55,55+114,50+114,05=733,53 кВт,

где P_н.сПР1,…, P_н.сПР10 -групповая номинальная (установленная) активная мощность ПР1…ПР10, кВт.

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

Р_с.М=0,14∙733,53=102,69 кВт,

Q_с.М=102,69∙1,73=177,66 квар.

Определяется эффективное число ЭП М по формуле

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

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

Принимается n_эМ=44.

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

Определяется расчетная активная мощность М по формуле

Р_рМ=К_рМ∙Р_сМ=0,75·102,69=77,02 кВт.

Определяется расчетная реактивная мощность М по формуле

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

Определяется полная расчетная мощность М по формуле

 кВ∙А. (1.24)

Определяется расчетный ток М по формуле

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

Расчёт нагрузок РУНН КТП

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

силовую участка цеха;

осветительных ЭП того же участка;

дополнительную соседних участков.

Силовая нагрузка участка цеха принимается по данным таблицы 1.4.

Нагрузка осветительных ЭП участка цеха определяется по методу коэффициента спроса и по удельным нормам [9].

Определяется установленная мощность ЭП освещения по формуле

Р_н.осв=Р_уд∙S∙10^-3=14∙2016∙10^-3=28,22 кВт,

где Р_уд - удельная норма установленной мощности ЭП освещения, Вт/м²;

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

Р_уд= 14 Вт/м² по [9, таблица 5.40];

Определяется расчётная активная нагрузка освещения по формуле

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

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

Определяется расчётная реактивная нагрузка освещения по формуле

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

где tgj=0,32 по [5, таблица А.1].

Определяется расчётная полная мощность на шинах РУНН КТП

 (1.29)

 кВ∙А,

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

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

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

Определение мощности УК проводится в соответствии с [10].

Определяются активные и реактивные нагрузки Т по формулам

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

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

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

Определяется полная мощность Т по условию

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

Принимается Т мощностью S_т = 630 кВ∙А.

Определяется реактивная мощность, которую можно передать через Т

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

Определяется мощность УК по первому этапу расчета по формуле

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

Положительное значение означает, что установка УК требуется.

Определяется дополнительная мощность УК по условию снижения потерь

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

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

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

Определяется мощность УК по формуле

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

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

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

Согласно техническим условиям ОАО «ВЛАДИМИРЭНЕРГО»

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

Определяется коэффициент реактивной мощности на вторичной стороне

Т по формуле

 (1.37)

технические условия выполняется.

Определяется нагрузка Т с учетом компенсации реактивной мощности по формуле

 кВ·А. (1.38)

Определяется фактический коэффициент загрузки Т по формуле

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

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

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

Определяется нагрузка РУНН КТП по формуле

 (1.40)

 кВ·А.

Определяется расчетный ток на шинах РУНН КТП по формуле

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

Определяется расчетный ток на вторичной стороне Т по формуле

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

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

1.9 Характеристика монтажа силовой сети

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

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

Ответвления к станкам выполняются проводом ПВ в комбинированных трубах:

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

выходы из пола трубной части электропроводки выполняются стальными тонкостенными трубами.

1.10 Проверка силовой сети на потерю напряжения

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

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

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

∆U_М =∙I_р∙(L₀+L/2)∙(r₀ ∙cosj_р+x₀∙sinj_р)/(U_н∙10) = (1.43)

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

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

L₀ - длина М до первого ответвления от М, м

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

r₀ - фазное активное сопротивление М, Ом/км;

x₀ - фазное индуктивное сопротивление М, Ом/км;

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

сosj_p с учетом компенсации реактивной мощности определяется по формуле

сosj_p =P_р/S_р =463,83/467,54= 0,992,

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

По значению cosj_p определяется sinj_p по [5, таблица Ф. 1] sinj_p= 0,141.

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

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

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

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

S_кл8 =25мм² - сечение кабеля из таблицы 1.3;

L_кл8=35 м - длина кабельной линии к ПР8;

I_р = 40,92 А из таблицы 1.4;

cosj=0,5 [5, таблица А.1].

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

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

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

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

Определяется потеря напряжения от КТП до самого удаленного ЭП по формуле

DU_расч=DU_м+DU_к+U_отв=0,60+0,23+0,15=0,98%, тогда (1.47)

DU_доп >DU_расч,

что соответствует требованиям ГОСТ 13.109-99.

1.11 Расчет токов однофазного короткого замыкания (КЗ)

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

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

Определяется ток однофазного КЗ между фазным и нулевым

PE - проводниками по формуле

I_к.з = U_ф / (Z_п + Z_т/3),

где U_ф - фазное напряжение сети, В;

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

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

Определяются сопротивление отдельных участков цепи «фаза-нуль».

Определяется активное сопротивление провода ответвления по формуле

r_пр=L₅₅/(г∙S) =7/(57∙1,5)=0,08 Ом,

Определяется полное сопротивление цепи «фаза - нуль» ответвления по формуле (индуктивная составляющая не учитывается ввиду её малого значения)

Z_отв≈2· r_пр = 2·0,08=0,16 Ом.

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

Z_к=Z_к.о∙L_кл8=1,776·0,035=0,062 Ом,

где L_кл8 - длина кабеля КЛ8, км;

Z_к.о - полное расчетное сопротивление цепи «фаза-нуль» Z_ц для кабеля

КЛ8, равное 1,776 Ом/км по [5, таблица К.21].

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

Z_М=Z_ш.о∙L_М =0,095∙0,081=0,008 Ом,

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

L_М - длина М, км.

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

Z_п1=Z_отв+Z_к+Z_М=0,16+0,062+0,008=0,230 Ом

По [7, таблица 1.7.1] наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения питания для системы TN не должно превышать 0,4 с при номинальном фазном напряжении 220 В.

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

Определяется ток однофазного КЗ в точке К1 по формуле

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

Проверяется условие срабатывания QF4

I_кз1 > I_{у.э.р QF4}, 806 А >56 А

где I_{у.э.р QF4} - ток уставки электромагнитного расцепителя в зоне токов КЗ QF4, А, условие выполняется.

Определяется ток однофазного КЗ в точке К2 по формуле

I_кз2=U_ф /(Z_п2+Z_т/3), =220/(0,070 +0,043)=1946 А,

где Z_п2=Z_к+Z_М=0,062+0,008=0,070 Ом.

Проверяется срабатывание QF2 по условию

I_кз2> I_{у.э.р QF2}, 1486 А>800 А

где I_{у.э.р QF2} - ток уставки в зоне токов КЗ QF2, А, условие выполняется.

Определяется ток однофазного КЗ в точке К3 по формуле

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

где Z_п3=Z_м=0,008 Ом.

Определяется срабатывание QF1 по условию

I_кз2>I_{с.пп.р QF1}, 4314 А>2000 А,

где I_{с.пп.р QF1} - ток срабатывания полупроводникового расцепителя в зоне токов КЗ QF1, А.

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

2. Электрооборудование цеховой подстанции

.1 Выбор типа и схемы соединения цеховой подстанции

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

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

В состав КТП входят:

устройство ввода со стороны высшего напряжения - УВН;

силовой трансформатор;

распределительное устройство со стороны низшего напряжения РУНН.

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

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

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

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

Таблица 2.1 - Технические данные трансформатора

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

РУ низшего напряжения состоит из двух шкафов:

шкафа ввода типа ШНВ-2У3;

шкафа отходящих линий типа ШНЛ-6У3.

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

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

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

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

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

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

Определяется номинальный первичный ток Т по формуле

I_1т.ном= А,  (2.1)

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

U_1ном - номинальное первичное напряжение, кВ.

Определяется экономически целесообразное сечение кабеля по формуле

S_эк=I_1т.ном/J_эк=36,41/1,4=26 мм². (2.2)

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

Выбранное сечение кабеля проверяется по соотношению

I_доп ≥ I_max,                (2.3)

где I_max - максимальный длительный ток нагрузки цепи, А.

Определяется максимальный длительный ток исходя из условий возможной перегрузки по формуле

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

Проверяется условие перегрузки

,00 А > 50,97 А, условие выполняется.

2.4 Расчет токов трехфазного короткого замыкания (КЗ)

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

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

Расчет токов КЗ в точках К1 и К2 на стороне 10 кВ

Для выполнения расчетов составляется расчетная схема и схема замещения, изображенные на рисунке 2.1.

а) расчетная схема б) схема замещения

Рисунок 2.1 - Схемы для расчетов токов КЗ

Исходные параметры:

С - электрическая система;

Т - трансформатор типа ТМЗ-630;

КЛ1, КЛ2 - две кабельные линии ААБ 3х185 - 10, l₁=2 км;

КЛ3 - кабельная линия ААШв 3х35 - 10, l₂=100 м.

Расчет проводится в именованных единицах.

Определяется индуктивное сопротивление системы по формуле

X_с==10,5/(1,73·13)=0,466 Ом, (2.5)

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

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

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

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

где l₁ - из расчетной схемы, м;

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

S - сечение кабеля, мм²;

x₀ - индуктивное сопротивление кабеля, Ом/км.

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

Определяется полное расчетное сопротивление кабеля в точке К1 по формуле

Z_к1===0,57 Ом. (2.8)

Определяется установившийся ток КЗ в точке К1 по формуле

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

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

Определяется ударный ток КЗ в точке К1 по формуле

i_уд1=К_уд кА, (2.10)

где К_уд - ударный коэффициент;

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

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

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

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

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

X_КЛ3=x₀·l₂=0,08·0,1=0,008 Ом. (2.12)

Определяется полное расчетное сопротивление в точке К2 по формуле

Z_к2==

==0,610 Ом. (2.13)

Определяется установившийся ток КЗ в точке К2 по формуле

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

Определяется ударный ток КЗ в точке К2 по формуле

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

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

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

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

Расчет токов КЗ в точке К3 на стороне 0,4 кВ КТП

Расчет проводится в именованных единицах.

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

Определяется индуктивное сопротивление системы по формуле

X_c=X₁=

=400²/(1,73·9,91·10500)=0,89 мОм, (2.16)

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

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

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

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

а) расчетная схема б) схема замещения

Рисунок 2.2 - Схемы для расчетов токов КЗ в точке К3

Т - трансформатор типа ТМЗ-630;

Ш - алюминиевые шины;

QF - ВА ВА55-43.

Определяется полное сопротивление Т по формуле

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

Определяется активное сопротивление Т по формуле

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

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

Определяется индуктивное сопротивление трансформатора по формуле

 мОм. (2.19)

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

R_кв=R₃=0,14 мОм, X_кв=X₃=0,08 мОм.

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

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

R_ш=R₄=0,035 мОм, X_ш=X₄=0,09 мОм.

Определяются суммарные сопротивления цепи КЗ по формулам

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

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

Z_У= мОм, (2.22)

где R_перУ=15 мОм по [5, К.1].

Определяются токи КЗ на стороне 0,4 кВ по формулам

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

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

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

Определяются токи КЗ, приведенные к стороне 10 кВ

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

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

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

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

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

Рисунок 2.3 - Расчетная схема

Q - выключатель вакуумный типа ВБМ-10-2;

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

Т - трансформатор типа ТМЗ-630;

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

S_тер.min== мм², (2.27)

где В_к - интеграл Джоуля, определяется по формуле

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

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

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

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

С_т - коэффициент, зависящий от допустимой температуры при КЗ и материала проводника, С_т=90 А·с^1/2/мм по [5, таблица К.3.1].

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.7 Выбор измерительных приборов

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

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

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

амперметр в одной фазе всех отходящих линий;

для установки счетчиков активной и реактивной электроэнергии предназначен релейный шкаф.

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

при t_откл<t_{тер.норм}20,0² ·3=

2.8 Проверка аппаратов высокого напряжения на устойчивость при КЗ

Проверка проводится в соответствии с Руководящими указаниями [8].

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

вакуумный выключатель ВБМ - 10 - 20 со встроенным приводом;

шинный и линейный разъединители РВФЗ;

трансформаторы тока ТПОЛ-10;

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

Таблица 2.3 - Проверка разъединителя РВФЗ-10/630

20,0² ·4=

Таблица 2.4 - Проверка измерительного трансформатора тока ТПОЛ-10

i_пр.скв=i_дин= =·I_1ном.т·К_дин1,41·600·81=

==

=(k_терм·I_1ном)²·t_{тер.норм.}(65·600)²·1=

Таким образом, выбранные аппараты удовлетворяют всем расчетным условиям.

3. Охрана труда и техника безопасности

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

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

Определяется сопротивление ЗУ для сети 10 кВ при общем заземлении

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

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

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

I₃ = 17A по данным энергосистемы.

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

Измерение грунта показали значение удельного сопротивления

с _изм = 1·10⁴ Ом·см (при средней влажности), что соответствует грунту суглинок.

Определяется расчетное удельное сопротивление грунта по [3, формула 7.7]

с = с_изм∙ y₂=1∙10⁴∙1,5 = 1,5∙10⁴ Ом×см,

где y₂ - коэффициент повышения сопротивления. По [3, формула 7.3] y₂ = 1,5.

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

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

Определяется сопротивление одиночного пруткового заземлителя по [5, формула 2.53].

R_ОПР = 0,00227∙с = 0,00227∙1,5∙10⁴ = 34,05 Ом, (3.3)

где с - расчетное удельное сопротивление грунта, Ом×см.

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

Определяется число заземлителей

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

где h - коэффициент экранирования, h = 0,55, при а/l = 5/5=1 [3, таблица 7.1].

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

Заключение

В курсовом проекте освещены вопросы электроснабжения участка механического цеха завода.

Выбран вариант силовой сети.

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

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

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

Рассмотрены вопросы микропроцессорной (цифровой) защиты высоковольтного оборудования.

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

Список литературы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Указания по проектированию компенсации реактивной мощности в

электрических сетях промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

Указания по расчету электрических нагрузок. РТМ 36.18.32.4. - 92. - М.:

Тяжпромэлектропроект, 1993. - 16 с.

Электрооборудование, шинопроводы, электромонтажные изделия, 2005 - 256 с.