Внутрішньоцехове електропостачання

В курсовому проекті рекомендується для лінійних автоматів КТП використовувати автомати типу ВА52 - струмообмежувальні з комбінованим розчеплювачем, які мають нерегульовану обернено залежну від струму характеристику), тому для узгодження вибраного перерізу провідників відповідно вибраним апаратам захисту слід користуватись формулою (2.127).

Для автоматів, які встановлені в СРШ і ШРА та мають нерегульовану обернено залежну від струму характеристику, слід також для узгодження користуватись формулою (2.127), для тих, які мають регульовану обернено залежну від струму характеристику, - формулу (2.128).

Безінерційні запобіжники (НПН2 та ПН2), які широко застосовуються в електричних мережах внутрішньоцехового електропостачання, здійснюють швидкодіючий захист, але вони чутливі до струмових перевантажень, тому для узгодження вибраного перерізу провідників відповідності вибраним апаратам захисту слід користуватись формулою (2.130).

При невиконанні умов узгодження вибраного перерізу провідників відповідності вибраним апаратам захисту вибирається нове найближче більше значення стандартного перерізу за допустимим тривалим струмом.

Результати узгодження подаються в табличній формі.

Таблиця 2.13 - Результати узгодження перерізу кабелів живильної мережі з апаратами захисту

Живильна лінія	Вибраний переріз кабелю, мм2	, А	, А	Остаточно вибраний кабель	, А
до …..
……
до …..

Таблиця 2.14 - Результати узгодження перерізу кабелів розподільної мережі з апаратами захисту

Розподільна лінія	Вибраний переріз кабелю, мм2	, А	, А	Остаточно вибраний кабель	, А
до ЕП № …

За результатами виконання даного підрозділу курсового проекту необхідно зробити висновки щодо раціональності вибору апаратури та узгодження перерізу кабелів живильної та розподільної мережі з апаратами захисту.

2.9 Розрахунок заземлення цехової трансформаторної підстанції

В даній частині курсового проекту необхідно розрахувати пристрій заземлення цехової трансформаторної підстанції, тобто визначити тип заземлювачів, їх кількість та місце розміщення, а також переріз заземлюючих провідників.

Під час обслуговування електроустановки небезпечними для людини є не тільки неізольовані струмопровідні частини, а й конструктивні частини електричного обладнання, які нормально не знаходяться під напругою, але можуть потрапити під напругу при пошкодженні ізоляції (корпуси електродвигунів, пускачів, баки трансформаторів, металеві каркаси щитів та т.і.).

Розрізняють два види дотику до струмопровідних частин: двополюсне, коли людина торкається одночасно двох фаз, та однополюсне, коли людина, яка стоїть на землі або заземленій конструкції, торкається тільки однієї фази. Найбільш небезпечні випадки двополюсного дотику, так як людина підпадає під дію лінійної напруги:

(2.132)

Випадки двополюсного дотику в практиці зустрічаються зрідка. Набагато частіше трапляється однополюсний дотик, при якому:

, (2.133)

де - струм, що проходить крізь тіло людини, А;

- лінійна і фазна напруга, В;

- електричний опір тіла людини, включеного в коло електричного струму.

Електричний опір тіла людини в залежності від багатьох чинників змінюється в широких межах (від 500 до 100000 Ом), але при розрахунках зазвичай приймається рівним 1000 Ом. Наслідки від електротравми залежать від величини струму та тривалості його проходження. Небезпечним для людини є струм будь-якого роду, але найбільшу небезпеку становить змінний струм промислової частоти (50 Гц).

Захисні заходи і засоби захисту від ураження електричним струмом повинні створюватись з урахуванням гранично допустимих для людини величин струму при певній тривалості та відповідним цим струмам напруг дотику, які визначаются державним стандартом [12], та наведені в таблиці В.54.

Для захисту людей від ураження електричним струмом при пошкодженні ізоляції застосовується один з наступних захисних заходів: заземлення, занулення, захисне відключення, розділюючий трансформатор, подвійна ізоляція, невелика напруга, вирівнювання потенціалів.

Захисне заземлення - це навмисне електричне з'єднання з землею або її еквівалентом (вода річки або моря, кам'яне вугілля в корінному заляганні) металевих неструмовідних частин електроустановки, які можуть опинитись під напругою внаслідок замикання на корпус або по іншим причинам (індуктивний вплив сусідніх струмовідних частин, винос потенціалу та ін.) для забезпечення електробезпеки.

Електричне замикання на корпус - це випадкове електричне з'єднання струмовідної частини з металевими неструмовідними частинами електроустановки, яке може бути результатом, наприклад, пошкодження ізоляції, випадкового дотику струмовідної частини до корпусу машини, падіння дроту, який знаходиться під напругою, на неструмовідні металеві частини.

Призначення захисного заземлення - відвернення небезпеки ураження електричним струмом у випадку дотику до корпусу електроустановки та інших неструмовідних металевих частин, які опинились під напругою внаслідок замикання на корпус або з інших причин.

Вирізняють три види заземлення: захисне, яке гарантує безпечне обслуговування електроустановки; робоче, яке забезпечує нормальну роботу електроустановки в обраних режимах; заземлення блискавковідводів і розрядників, яке забезпечує захист електроустановки від атмосферних перенаруг.

В нормальному режимі, коли ізоляція не пошкоджена, на корпусі установки потенціал відсутній, дотик до неї безпечний. При пошкодженні ізоляції установки та стікання на землю струму через пристрій заземлення потенціал розподіляється по поверхні грунту. На пристрої заземлення виникає напруга, В:

(2.134)

де - струм замикання на землю, А;

- опір заземлювача, Ом.

Можна вважати, що всі заземлені корпуси знаходяться під напругою .

Під час дотику людина попадає під різницю потенціалів:

(2.135)

де - потенціали точок грунту, на яких стоїть людина.

Напруга дотику може бути зменшеною при вирівнюванні потенціалу шляхом контурного заземлення та прокладки смуг заземлення в середині контуру.

Напруга кроку - це напруга між двома точками землі при одночасному дотику до них ногами людини.

Задачею захисного заземлення є зниження до безпечної для людини величини напруг заземлення , дотику та кроку .

Захисним зануленням в електроустановках напругою до 1 кВ називається навмисне з'єднання частин установки, які нормально не знаходяться під напругою, з глухозаземленою нейтраллю трансформатора в мережах трьохфазного струму або з глухозаземленою середньою точкою джерела в мережах постійного струму.

При пошкодженні ізоляції (замиканні на корпус) виникає однофазне коротке замикання. Струм короткого замикання, який проходить по петлі «фаза-нульовий провідник», повинен призвести до негайного відключення пошкодженої ділянки.

Задачею занулення є створення найменшого опору для струму однофазного короткого замикання, який забезпечує надійне відключення автоматичних вимикачів, магнітних пускачів, запобіжників.

Захисне відключення, яке застосовується в установках до 1 кВ, забезпечує автоматичне відключення всіх фаз ділянки мережі при замиканнях на корпус або зниженні рівня ізоляції нижче певного допустимого рівня.

Заземлення або занулення необхідно виконувати в усіх електроустановках з напругою змінного струму 380 В і вище та постійного струму 440 В і вище. В приміщеннях з підвищеною небезпекою та в зовнішніх установках заземлення або занулення виконується при номінальних напругах вище 42 В змінного та 110 В постійного струму. У вибухонебезпечних зонах будь-якого класу заземлення (занулення) виконується в електроустановках при всіх напругах змінного і постійного струму. В електроустановках до 1 кВ з глухозаземленою нейтраллю повинно виконуватись занулення. Не дозволяється застосовувати заземлення корпусів без їх зв'язку з глухозаземленою нейтраллю джерела, так як це може призвести до появи небезпечної для людини напруги на заземленому корпусі пошкодженого обладнання, а відключення електроустановки не відбудеться чрезе великий опір в колі струму замикання. В електроустановках до 1 кВ з ізольованою нейтраллю повинне виконуватись заземлення у сполученні з контролем ізоляції мережі або захисне відключення. В електроустановках вище 1 кВ з ефективно заземленою нейтраллю повинне виконуватись заземлення.

В електроустановках заземлюють (занулюють): корпуси електричних машин, трансформаторів, електричних апаратів, приводів, вторинні обмотки вимірювальних трансформаторів, каркаси розподільних щитів, пультів, шаф, металеві конструкції розподільних пристроїв, металеві корпуси кабельних муфт, металеві оболонки та броню силових і контрольних кабелів, кожухи та опорні конструкції шинопроводів, лотки, короби та інші металеві конструкції, на яких встановлюється електричне обладнання, металеві корпуси пересувних і переносних електроприймачів, металеві конструкції будівель та споруд, підкранові рельсові шляхи, металеві корпуси технологічного обладнання та інші металеві конструкції, пов'язані з установкою електрообладнання. Заземлювати слід усі металеві частини електрообладнання, які в звичайному стані не перебувають під напругою, але можуть опинитись під нею в разі пошкодження ізоляції. Деякі виключення з переліченого наведені в ПУЭ, § 1.7.48.

ПУЭ регламентує наступні опори пристрою заземлення:

- в електроустановках до 1 кВ з ізольованою нейтраллю, де використовується заземлення електрообладнання, опір має бути не більшим ніж 4 Ом (установки із сумарною потужністю генераторів і трансформаторів 100 кВА і менше можуть мати опір не більший ніж 10 Ом);

- в електроустановках напругою до 1 кВ із глухозаземленою нейтраллю опір пристрою заземлення, до якого приєднують нейтралі трансформаторів, генераторів або виводи джерела однофазного струму, має бути не більший ніж 2, 4, 8 Ом відповідно при лінійних напругах 660, 380, 220 В джерела трифазного струму або 380, 220, 127 В джерела однофазного струму;

- в електроустановках напругою понад 1 кВ із глухозаземленою нейтраллю з великими струмами на землю опір повинен бути не більший ніж 0,5 Ом;

- в електроустановках напругою понад 1 кВ із ізольованою нейтраллю з малими струмами на землю опір має задовільняти умові:

(2.136)

де = 250 В, якщо пристрій заземлення використовується тільки для електроустановок з напругою понад 1 кВ;

=125 В, якщо пристрій заземлення одночасно використовується і для електроустановок з напругою до 1 кВ;

- розрахунковий струм замикання на землю, А.

В обох випадках опір пристрою заземлення має бути не більший ніж 10 Ом.

Захисне заземлення слід відрізняти від робочого заземлення і заземлення захисту від блискавки.

Робоче заземлення - навмисне з'єднання з землею окремих точок електричного кола, наприклад нейтральних точок обмоток генераторів, силових та вимірювальних трансформаторів, дугогасних апаратів, а також фази при використанні землі в якості фазного чи зворотнього провідника. Робоче заземлення призначене для забезпечення належної роботи електроустановки в нормальних (аварійних) умовах і здійснюється безпосереднім з'єднанням провідником заземлюємих частин з заземлювачем або через спеціальні апарати - пробивні запобіжники, розрядники, резистори та ін.

Заземлення захисту від блискавки - навмисне з'єднання з землею приймачів блискавки і розрядників з метою відведення від них струмів блискавки в землю.

Пристроєм заземлення називається сукупність заземлювача - провідників (електродів), які з'єднані між собою і знаходяться в безпосередньому контакті з землею, та заземлюючих провідників, які з'єднують заземлювані частини електроустановки з заземлювачем.

В залежності від місця розташування заземлювача відносно обладнання, яке заземлюється, розрізняють виносні та контурні пристрої заземлення.

Виносний пристрій заземлення характеризується тим, що його заземлювач винесений за межі майданчику, на якій розташоване заземлюване обладнання, або зосереджений в деякій частині цього майданчику. Тому виносний пристрій заземлення ще називають зосередженим.

Суттєвий недолік виносного пристрою заземлення - віддаленість заземлювача від обладнання, яке захищається, внаслідок чого на всій або на частині захищаємої території коефіціент дотику дорівнює одиниці. Тому пристрої заземлення даного типу застосовуються тільки при малих струмах замикання на землю в установках до 1 кВ де потенціал заземлювача не перевищує допустимої напруги дотику. Крім того, при великих відстанях до заземлювача може істотно зрости його сумарний опір за рахунок опору заземлючих провідників.

Перевагою виносного пристрою заземлення є можливість вибору місця розташування електродів заземлювача з найменшим опором грунту (вологі місця в низинах, глинистий грунт та т.і.).

Необхідність в облаштуванні виносного заземлення може виникати в наступних випадках: при неможливості через певні причини розмістити заземлювач на території, яка захищається; при високому опорі землі на даній території (пісчаний або скелястий грунт) та наявності поза даною територією місць із значно кращою провідністю землі; при розсередженому розташуванні захищаємого обладнання.

Контурний пристрій заземлення характеризується тим, що електроди його заземлювача розташовуються по контуру (периметру) майданчика, на якому знаходиться обладнання, а також всередині майданчика. Електроди намагаються розподілити по майданчику по можливості рівномірно, тому контурний пристрій заземлення називається також розподіленим.

Безпека при розподіленому пристрої заземлення може бути забезпеченою не тільки зменшенням потенціалу, а й вирівнюванням потенціалу на території, яка захищається, до такого значення, щоб максимальні напруги дотику та шагу не перевищували допустимих. Це досягається шляхом відповідного розташування окремих заземлювачів по території, яка захищається. Всередині приміщень вирівнювання потенціалу здійснюється природнім шляхом завдяки металевим конструкціям, трубопроводам, кабелям, які електрично зв'язані із розгалуженою мережею заземлення. Арматура залізобетонних споруд також сприятливо впливає на вирівнювання потенціалу.

Заземлювачі можуть бути штучними, призначеними виключно для цілей заземлення, та природніми - металевими конструкціями (предметами) іншого призначення, що знаходяться в землі. Перевагу слід віддавати природнім заземлювачам, так як крім економії металу, ще й відпадає потреба в значному обсязі земляних і монтажних робіт. В якості заземлювача використовують в першу чергу такі природні заземлювачі: прокладені в землі сталеві водогінні труби; труби артезіанських скважин; сталеву броню та свинцеві оболонки силових кабелів, прокладених в землі; металеві конструкції будівель і споруд, які мають надійний контакт з землею; різні трубопроводи, прокладені в землі. В якості природніх пристроїв заземлення в системах цехового електропостачання можно застосовувати залізобетонні фундаменти будівель і споруд, в яких завчасно заготовлені заземлювачі вкладають на дно котлованів під час будівельних робіт. Завдяки капілярному підсмоктуванню вологи захисний шар бетону набуває проводимість близьку до проводимості довколишнього грунту, що забезпечує стабільний опір розтіканню металевої арматури, яка відіграє роль заземлювача.

Природні заземлювачі можно застосовувати без штучних, якщо вони забезпечують розтіканню струму на рівні, який вимагає ПУЕ.

Недоліками природніх заземлювачів є доступність деяких з них неелектро-технічному персоналу та можливість порушення безперервності з'єднання довгих заземлювачів (наприклад, під час ремонтних робіт).

Не допускається використовувати в якості природніх заземлювачів трубопроводи горючих рідин, газів, алюмінієві оболонки кабелів, алюмінієві провідники і кабелі, прокладені в блоках, тунелях, каналах.

Якщо природніх заземлювачів недостатньо, застосовують штучні заземлювачі. Найчастіше використовуються вертикальні заземлювачі виготовлені з круглої сталі діаметром 12-20 мм та довжиною 3-5 м при вкручуванні або довжиною 3 м при забиванні. Їх з'єднують на глибині 0,6-0,8 м від поверхні землі за допомогою зварювання з горизонтальними заземлювачами, які виконують зі смугової сталі товщиною 440 мм або з круглої сталі діаметром 12-20 мм.

В грунтах з малою провідністю застосовують глибинні заземлювачі (сталеві стрижні довжиною 10-12 метрів і більше, які дозволяють досягнути шарів землі з необхідною проводимістю), а також укладення навколо електродів грунту з підвищеною проводимістю та спеціальну обробку грунту.

Провідність грунту характеризуться питомим опором , Омм, який залежить від складу грунту, вологості, температури та інших показників і може змінюватись в достатньо широкому діапазоні. Питомий опір грунту - це опір між протилежними сторонами кубу грунту з ребром 1 м.

Обробка грунту і укладення грунту з підвищеною проводимістю здійснюється зазвичай навколо електродів, оскільки, як відомо, основний опір струму оказують найбільш близькі до електроду шари грунту. Матеріалом для обробки грунту може слугувати сіль, розчинена у воді. При додаванні 0,1% солі до маси вологи в суглинку його питомий опір зменшується на 60-80%. Але сіль викликає інтенсивну корозію заземлювачів та може вимиватись з грунту атмосферними опадами.

В якості заземлюючих провідників призначених для з'єднання заземлюємих частин з заземлювачами застосовують, як правило, смугову або круглу сталь.

Переріз заземлюючих провідників в електроустановках вище 1 кВ з ефективно заземленою нейтраллю визначається їх термічною стійкістю при проходженні по ним найбільших струмів однофазного замикання на землю. При цьому короткочасний нагрів провідників, відповідний часу дії основного релейного захисту та повному часу відключення вимикача, не повинен перевищувати 400С.

В мережах напругою до і вище 1 кВ з ізольованою нейтраллю заземлюючі провідники повинні мати провідність не менше 1/3 провідності фазних провідників. Найменший переріз сталевої прямокутної шини складає 24 мм² при прокладенні всередині будівлі та 48 мм² при прокладенні зовні або в землі; для круглої сталі найменший діаметр складає 5 мм при прокладенні в будівлях, 6 мм - в зовнішніх установках, 10 мм - в землі.

У виробничих приміщеннях з електроустановками напругою до і вище 1 кВ магістралі заземлення (заземлюючий провідник з двома або більше відгалуженнями) повинні мати переріз не менше 100 мм². Допускається використання круглої сталі тієї самої провідності. В усіх випадках переріз має бути не менше 120 мм² для сталевих провідників, 35 мм² - для алюмінієвих і 25 мм² - для мідних.

Рекомендується з метою економії металу використовувати в якості провідників заземлення так звані природні провідники - металеві конструкції будівель і споруд, ферми, колони, підкранові путі, каркаси розподільних пристроїв, шахти підйомників, ліфтів та елеваторів, а також сталеві труби електропроводок, алюмінієві оболонки кабелів, металеві кожухи та опорні конструкції шинопроводів, металеві стаціонарні відкрито прокладені трубопроводи всіх призначень (крім трубопроводів займистих і вибухонебезпечних рідин і газів, а також каналізації та центрального опалення).

Прокладання заземлюючих провідників здійснюється відкрито по конструкціям будівель, в тому числі по стінах. При цьому в приміщеннях сухих без агресивного середовища заземлюючі провідники допускається прокладати безпосередньо по стінах. У вологих приміщеннях, а також у приміщеннях з агресивним середовищем заземлюючі провідники слід прокладати на відстані не менше 10 мм від стін. Дана вимога не розповсюджується на оболонки кабелів, арматуру залізобетонних конструкцій, а також на заземлюючі провідники, прокладені в трубах, коробах або безпосередньо в будівельних конструкціях (замонолічені). Відгалуження від магістралей до електроприймачів напругою до 1 кВ допускається прокладати приховано безпосередньо в стіні, під чистою підлогою з їх попереднім захистом від впливу агресивного середовища. Такі відгалуження не повинні мати з'єднань.

В зовнішніх установках заземлюючі провідники допускається прокладати в землі, в підлозі, а також по краю фундаментів технологічних установок.

Приєднання обладнання до магістралі заземлення здійснюється за допомогою окремих провідників. Послідовне підключення обладнання, не допускається.

Заземлення електродвигунів та апаратів, які встановлені безпосередньо на верстатах та мають надійний контакт з металом верстатів, може здійснюватись шляхом приєднання станини верстата до магістралі заземлення.

З'єднання заземлюючих провідників між собою, а також з заземлювачами і конструкціями, що заземлюються, виконується, як правило, зварюванням, а з корпусами апаратів, машин та іншого обладання - зварюванням або за допомогою болтів. При цьому приєднання магістралі заземлення до заземлювача - штучного або природнього - виконується обов'язково в двох місцях.

Відкрито прокладені заземлюючі та нульові захисні провідники повинні мати фарбування - по зеленому фону жовта смуга вздовж провідника. Заземлюючі провідники в приміщеннях повинні бути доступними для огляду.

Розрахунок пристрою заземлення полягає у визначенні опору розтікання струму штучних заземлювачів, який не перевищить нормованого значення і залежить від провідності грунту, конструкції заземлювача та глибини його закладання.

Розрахунок пристрою заземлення зводиться головним чином до розрахунку самого заземлювача, так як провідники заземлення в більшості випадків обираються за умовами механічної міцності та стійкості до корозії. Виключення складають тільки установки з виносним пристроєм заземлення.

Алгоритм розрахунку пристрою заземлення.

1) Заповнити таблицю вихідних даних (таблиця 2.15)

Таблиця 2.15 - Вихідні дані для розрахунку пристрою заземлення

Трансформаторна підстанція
Режим нейтралі на стороні 10 кВ
Режим нейтралі на стороні до 1 кВ
Найбільший розрахунковий струм замикання на землю
Грунт в місці спорудження
Кліматичний район
Опір природніх заземлювачів

2) Встановити відповідно до ПУЕ допустимий опір пристрою заземлення . Якщо пристрій заземлення є спільним для декількох електричних установок, то розрахунковим опором є найменший з необхідних.

3) Визначити необхідний опір штучного заземлювача з урахуванням використання природнього паралельного заземлювача:

ПУЕ рекомендує використовувати в першу чергу природні заземлювачі. Якщо їх опір більший, ніж нормована величина опору пристрою заземлення , то необхідну величину опору штучних заземлювачів визначають як

(2.137)

4) Визначити розрахунковий питомий опір грунту з урахуванням коефіціентів підвищення, які враховують підсихання грунту влітку та підмерзання взимку. Навесні та восени питомий опір грунту нижчий, ніж узимку та влітку.

ПУЕ рекомендує визначати питомий опір грунту шляхом безпосередніх вимірів в місці, де будуть розташовуватись заземлювачі. В разі відсутності даних виміру для розрахунків користуються приблизними значеннями питомих опорів грунтів, які наводяться в довідковій і технічній літературі [5, 6, 8], та в таблиці В.55. Коефіціенти підвищення для різних кліматичних зон наведені в таблиці В.56.

5) Визначити розрахунковий опір розтіканню одного вертикального електроду за формулами, наведеними в таблиці В.57.

6) Визначити приблизну кількість вертикальних заземлювачів n при попередньо прийнятому коефіціенті використання:

, (2.138)

Коефіціенти використання вертикальних заземлювачів без урахування горизонтальних смуг зв'язку наведені в таблиці В.58.

7) Визначити опір розтіканню горизонтальних електродів за формулами, наведеними в таблиці В.57. Коефіціенти використання горизонтальних електродів для попередньо прийнятої кількості вертикальних електродів, які розташовані в ряд або по контуру, приймаються за даними таблиці В.59.

8) Уточнити необхідний опір вертикальних електродів з урахуванням провідності горизонтальних з'єднувальних електродів:

, (2.139)

де - опір розтіканню горизонтальних електродів, визначений в п.7;

9) Уточнити кількість вертикальних електродів

(2.140)

10) Остаточно визначити необхідну кількість вертикальних електродів в пристрої заземлення за умовами розташування.

11) Навести пропозиції щодо експлуатації, поточного нагляду та перевірки мережі заземлення щодо дотримання вимог правил технічної експлуатації.

3. Організаційна частина

3.1 Організація підвищення надійності систем цехового електропостачання

В даному підрозділі курсового проекту на основі даних, одержаних в розрахунково-конструкторській частині, необхідно дати практичні рекомендації щодо організаційно-технічних заходів підвищення надійності спроектованої системи цехового електропостачання в цілому та окремих її елементів.

Ускладнення виробничих систем в цілому і систем електропостачання зокрема висунули на чільне місце проблему забезпечення надійної роботи електричного устаткування, оскільки вихід з ладу останнього може привести не тільки до значних економічних втрат, але й до більш тяжких наслідків.

На сьогоднішній день врахування вимог надійності - це нагальна необхідність, але задача забезпечення надійності комплексна і складна, оскільки вона закладається при розробці, забезпечується при виготовленні та підтримується при експлуатації.

Надійність - властивість електрообладнання зберігати в часі в установлених межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах та умовах застосування, технічного обслуговування, зберігання та використання. Необхідно мати на увазі, що надійність є комплексною властивістю, яка залежить від призначення об'єкта і умов його застосування і може містити в собі безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, збережуваність та певні поєднання цих якостей.

Безвідмовність - властивість електрообладнання цеху виконувати потрібні функції в певних умовах протягом заданого інтервалу часу чи наробітку.

Наробіток - тривалість чи обсяг роботи електрообладнання.

Довговічність - властивість електрообладнання виконувати потрібні функції до переходу у граничний стан при встановленій системі технічного обслуговування та ремонту. Під граничними розуміють стан електрообладнання, за яким його подальша експлуатація неприпустима чи недоцільна, або відновлення його працездатного стану неможливе чи недоцільне. Під ремонтом розуміють комплекс операцій для відновлення справного стану чи працездатності електрообладнання та відновлення ресурсів електрообладнання та їх складових частин.

Ремонтопридатність - властивість електрообладнання бути пристосованим до підтримання та відновлення стану, в якому він здатний виконувати потрібні функції за допомогою технічного обслуговування та ремонту. З цієї точки зору електрообладнання ділиться на ремонтоване (ремонтопридатне) і неремонтоване (неремонтопридатне). До перших підносяться електрообладнання, ремонт яких можливий та передбачений нормативно-технічною чи конструкторською документацією, а до других - електрообладнання, ремонт яких неможливий чи не передбачений нормативно-технічною або конструкторською документацією.

Збережуваність - властивість електрообладнання виконувати потрібні функції в певних умовах протягом заданого часу чи наробітку.

Розглянуті вище властивості є якісними показниками. Під кількісними показниками надійності розуміють кількісну характеристику однієї чи декількох з тих властивостей, які в сукупності складають надійність електрообладнання.

Основними показниками безвідмовності є:

Інтенсивність відмов - умовна густина імовірності виникнення відмови об'єкта, яка визначається за умови, що до цього відмова не виникла.

Середній наробіток на відмову (середній наробіток між відмовами) - відношення сумарного наробітку відновлюваного об'єкта до математичного сподівання числа його відмов протягом цього наробітку.

Імовірність безвідмовної роботи - імовірність того, що протягом заданого наробітку відмова об'єкта не виникне.

Показником довговічності є середній ресурс, що являє собою математичне сподівання ресурсу. Під ресурсом розуміють сумарний наробіток об'єкта від початку його експлуатації чи поновлення після ремонту до переходу в граничний стан.

Показниками ремонтопридатності є:

Імовірність відновлення - імовірність того, що час відмовлення працездатного стану об'єкта не перевищить заданого значення.

Середня тривалість відновлення - математичне сподівання часу відновлення працездатного стану об'єкта після відмови.

Показником збережуваності є середній термін збережуваності - математичне сподівання строку збережуваності.

Окрім розглянутих вище показників користуються також комплексними показниками, як то: коефіцієнт готовності, коефіцієнт технічного використання.

Коефіцієнт готовності - імовірність, що об'єкт виявиться працездатним у довільний момент часу, крім запланованих періодів, протягом яких його використання за призначенням не передбачено.

Коефіцієнт технічного використання - відношення математичного сподівання сумарного часу перебування об'єкта в працездатному стані та у простоях, зумовлених технічним обслуговуванням і ремонтом за той самий період.

Існує також ряд додаткових показників.

На надійність роботи системи цехового електропостачання істотно впливає режим роботи електричної мережі, який визначається: струмовим навантаженням ліній, частотою струму, рівнем напруги у підключених до мережі приймачів та джерел живлення, напругою лінії мережі відносно землі, режимом нейтралі, симетричністю багатофазної системи напруги, синусоідальністю напруги, опором ізоляції ліній між собою і відносно землі.

Режими роботи цехових електричних мереж підрозділяють на:

1) нормальні режими, при яких відхилення наведених вище параметрів від їх номінальних (нормованих) величин не перевищують тривало допустимі;

2) тимчасово допустимі режими, при яких відхилення наведених параметрів допустимі на обмежений час без істотної шкоди для мережі та електрообладнання, (наприклад, систематичне перевантаження силових трансформаторів);

3) аварійні режими, які характеризуються небезпечними для елементів мережі надструмами або іншими неприпустимими явищами (наприклад, коротке замиання, обриви проводів); вони мають перехідний (невстановившийся) характер;

4) післяаварійні режими, до яких належать як перехідні процеси (наприклад, одночасний самозапуск великої кількості двигунів), так і сталі режими в нових умовах живлення, часто обмежених по потужності.

Для забезпечення надійної роботи електроприймачів в різних режимах необхідно правильно визначити їх категорію.

Згідно ПУЭ всі електроприймачі підрозділяються на три категорії з виділенням в І категорії особливої групи електроприймачів, безперервна робота яких необхідна для безаварійного останову виробництва з метою попередження загрози для життя людей, вибухів, пожеж та пошкодження коштовного основного обладнання.

Необхідно відзначити, що частота перерв в явному вигляді для жодної категорії електроприймачів не нормується.

В залежності від тривалості навантаження електроприймачі підрозділяють на наступні три характерні групи:

1) електроприймачі, які працюють з тривалим незмінним або мало змінним навантаженням; в цьому режимі електрообладнання може працювати тривалий час без перевищення температури окремих частин обладнання вище допустимої (наприклад, електродвигуни компресорів, насосів, вентиляторів);

2) електроприймачі, які працюють в режимі повторно-короткочасного навантаження; в цьому режимі короткочасні робочі періоди чергуються з короткочасними періодами відключення; електрообладнання може працювати з допустимою для нього відносною тривалістю вмикання необмежений час (наприклад, електродвигуни кранів, зварювальні апарати);

3) електроприймачі, які працюють в режимі короткочасного навантаження; в цьому режимі електрообладнання може працювати тривало, так як період зупинки настільки тривалий, що електрообладнання встигає охолодитись до температури навколишнього середовища (наприклад, електродвигуни приводів металообробних верстатів, гідравлічних засувок).

Для забезпечення надійного живлення електроприймачів при експлуатації систем цехового електропостачання необхідно враховувати режими короткочасних перевантажень електрообладнання на період від декількох тодин до декількох діб. Такі режими мають місце в результаті пошкодження або відключення електрообладнання (ліній, трансформаторів, секцій шин та ін.), і повинні передбачатись завчасно, ще під час проектування, тоді в умовах експлуатації надійність живлення буде істотно підвищена. Необхідність перевантаження електрообладнання виникає не тільки в післяаварійних ситуаціях, але й для забезпечення постійно зростаючого електричного навантаження промислового підприємства в цілому та його окремих цехів. В середньому для повітряних і кабельних ліній допустиме перевантаження на 30-35%; для силових трансформаторів згідно ПУЭ систематичне перевантаження може складати 30%, а аварійне - 40% та більше в залежності від тривалості.

Для того, щоб вибране за номінальними параметрами електрообладнання надійно працювало в системах цехового електропостачання, його перевіряють на термічну та електродинамічну стійкість до струмів короткого замикання.

Розрахунок струмів короткого замикання виконують як при проектуванні, так і прианалізі роботи систем цехового електропостачання в умовах експлуатації. Даний розрахунок має на меті:

- вибір заходів щодо обмеження струмів короткого замикання або час їх дії;

- визначення мінімально можливих струмів короткого замикання для перевірки чутливості захисту, правильного вибору параметрів спрацювання і максимально можливого часу спрацювання захисту.

Однією з головних умов забезпечення нормальної роботи електроприймачів є їх живлення електроенергією, параметри якої відповідають вимогам до її якості.

Основні показники якості електроенергії пов'язані з такими параметрами, як відхилення частоти і напруги, коливання напруги, несинусоідальність і несиметрія напруги. З метою запобігання тривалого порушення нормальної роботи електроприймачів основні показники якості електроенергії не повинні виходити за межі своїх нормальних значень, а в післяаварійних режимах - за межі визначених максимальних значень.

На надійність та довговічність роботи електрообладнання істотно впливає його тепловий режим. Так, для асинхронних і синхронних двигунів вплив відхилення напруги на їх тепловий режим залежить також від завантаження двигунів. Робота електродвигунів при зниженій напрузі призводить до перегріву ізоляції і може стати причиною виходу з ладу. Справа в тому, що при зниженні напруги в межах норми (10%) струми ротора і статора збільшуються в середньому на 14 і 10%.

При значному завантаженні асинхронного двигуна відхилення напруги призводить до істотного зменшення терміну служби. При збільшенні струму двигуна відбувається більш інтенсивне старіння ізоляції. При зниженні напруги в 10% та номінальному завантаженні асинхронного двигуна термін його служби скорочується вдвічі. Досвід експлуатації доводить, що робота асинхронних двигунів доцільна при номінальній напрузі або дещо вищій.

При відхиленнях напруги мережі змінюється реактивна потужність синхронних двигунів, що важливо приїх застосуванні для компенсації реактивної потужності. Це повною мірою стосується також конденсаторних установок. При недостатній реактивній потужності, яка генерується в мережу синхронними двигунами, необхідно додатково використовувати батареї конденсаторів, що знижує надійність системи електропостачання через збільшення кількості елементів системи.

Відхилення напруги істотно впливає на тепловий стан не тільки найбільш нагрітих вузлів апарату, але й на комутаційний апарат в цілому, а також на електричну міцність ізоляції, а отже, на надійність і термін служби цих апаратів. Підвищення напруги в мережі призводить до зростання навантажень і потужності коротких замикань, що викликає пришвидшене зношення комутаційних апаратів.

Що стосується електротермічних установок, то відхилення напруги, а точніше її зниження призводить до збільшення тривалості технологічного процесу. При зниженні напруги на 8-10% технологічний процес в печах опору та індукціних печах неможливо довести до кінця. Таким чином, якість електроенергії прямо впливає на надійність технологічного процесу. Підвищення напруги призводить до збільшення реактивної потужності зварювального агрегату в середньому на 3-5%.

Відхилення напруги істотно впливає на роботу освітлювальних приладів. Так, для ламп розжарювання, які особливо чутливі до змін напруги, підвищення напруги на 1% призводить до скорочення терміну служби на 14%, при підвищенні напруги на 3% термін служби знижується на 39%, а збільшення напруги на 5% призводить до скорочення терміну служби в 2 рази. Для люмінісцентних ламп підвищення напруги на 10% скорочує термін служби на 30%.

Відхилення, коливання і провали напруги можуть призводити до порушень в роботі обчислювальної техніки й до хибних спрацювань захисту та автоматики.

Коливання напруги також, як і відхилення напруги, шкідливо впливають на роботу електроприймачів. При живленні печей опору від тиристорних перетворювачів коливання напруги призводять до коливань струму навантаження, що може стати причиною нестійкого режиму системи автоматичного регулювання температури, а отже, призвести до зниження надійності протікання технологічного процесу. Дуже чутливий до відхилень напруги мережі живлення вентильний електропривод, через те, що зміни випрямленої напруги призводять до змін частоти обертання електродвигунів.

Несинусоідальні режими суттєво впливають на надійність роботи електрообладнання. Це пояснюється тим, що при наявності вищих гармонік більш інтенсивно відбувається процес старіння ізоляції. Так, наприклад, при коефіціенті несинусоідальності 5%, через два роки експлуатації тангенс кута діелектричних втрат конденсаторів збільшується в два рази.

Прискорене старіння ізоляції відбувається також і в силових кабелях. За рахунок вищих гармонік струму доволі часто однофазні короткі замикання переходять в двофазні в місці пробою внаслідок прожигання кабелю. Отже, вищі гармоніки в кривій напруги мережі живлення призводять до скорочення терміну служби силових кабелів, підвищенню аварійності кабельних мереж, збільшенню кількості необхідних ремонтів.

Вищі гармоніки струму і напруги до 10% збільшують похибку індукційних лічильників електроенергії, погіршують роботу телемеханічних пристроїв, якщо в якості каналів зв'язку для передачі інформації використовують силові кабелі. Крім того, вищі гармоніки спричиняють хибну роботу релейного захисту та автоматики при використанні фільтрів струмів зворотньої послідовності.

Експлуатація систем електропостачання вітчизняних і закордонних промислових підприємств показала, що батареї конденсаторів, працюючих в несинусоідальних режимах, часто виходять з ладу в наслідок вспучування або вибуху. Причиною є перевантаження конденсаторів струмами вищих гармонік, які зумовлюють виникнення в системі електропостачання резонансного режиму на частоті однієї з гармонік.

Несиметрія напруги шкідливо впливає на роботу і термін служби асинхронних двигунів. Несиметрія в 1% викликає значну несиметрію струмів в обмотках (до 9%). Струми зворотньої послідовності накладаються на струми прямої послідовності і викликають додатковий нагрів статора і ротора, що призводить до прискореного старіння ізоляції і зменшенню потужності двигуна. Відомо, що при несиметрії напруги в 4% термін служби асинхронного двигуна, який працює з номінальним навантаженням, скорочується в два рази, а потужність зменщується на 5-10%.

Магнітне поле струмів зворотньої послідовності статора синхронних машин індукує в масивних металевих частинах ротора значні вихреві струми, які викликають підвищений нагрів ротора і вібрацію машини, що є небезпечним для конструкції машини. Нагрів обмотки збудження синхронного двигуна за рахунок додаткових втрат від несиметрії напруги призводить до необхідності знижувати струм збудження, при цьому зменшується реактивна потужність, яка видається двигуном в мережу.

Несиметрія напруги істотно не впливає на роботу кабельних і повітряних ліній, але для трансформаторів спостерігається істотне скорочення терміну служби.

Струми нульової послідовності постійно проходять через заземлювачі та викликають висушування грунту і збільшення опору розтікання, що істотно зменшує надійність роботи заземлювачів.

Підвищення надійності систем цехового електропостачання, як правило, пов'язано з додатковими витратами; однак, не завжди більш дорога система електропостачання має більш високу надійність.

Шляхами підвищення надійності систем цехового електропостачання є такі.

1) Використання перевантажувальної здатності цехового електрообладнання має важливе значення під час пошкоджень або відключень ліній, трансформаторів, секцій шин або окремих апаратів. Так, для повітряних ліній перевантаження можливе завжди (при збереженні нормального габариту до землі) і складає 30-35%. Перевантаження кабельних ліній залежить від величини і тривалості максимума навантаження в нормальному режимі і від способу прокладення ліній.

Цехові трансформатори допускають систематичне перевантаження до 30%, аварійне - до 40% і навіть до 60% в залежності від конкретних умов.

2) Використання раціонального резервування в цехових мережах високої або низької напруги за рахунок використання різних незалежних джерел живлення здійснюється за допомогою перемичок, подвійних «наскрізних» магістралей та ін.

В цехах з безперервним процесом виробництва застосовують магістральні схеми з взаємним резервуванням живлення окремих магістралей.

Резервування можливо здійснити також за рахунок роздільної або паралельної роботи ліній і трансформаторів.

3) Скорочення часу і підвищення якості всіх видів ремонтних робіт досягається за рахунок оптимізації періодичності проведення планових профілактичних ремонтів електрообладнання, підвищення кваліфікації персоналу, раціональної організації праці та удосконалення технічного обслуговування. Для того, щоб вибрати науково обгрунтовані строки проведення та обсяг профілактичних ремонтів електрообладнання, необхідно збирати статистичні дані про роботу всіх типів електрообладнання, які достатні для аналізу причин пошкоджень (відмов) електрообладнання, а також відомості про кількість пошкоджень (відмов) та тривалості ремонтів цього електрообладнання. Така робота повинна виконуватись службою головного енергетика підприємства систематично.

4) Застосування нового, сучасного і модернізованого діючого електричного обладнання, а також його раціональна компоновка в цехах.

5) Технічно та економічно обгрунтований вибір електрообладнання і схем електропостачання здійснюється під час реконструкції систем цехового електропостачання. Так, наприклад, при виборі вимикачів слід пам'ятати, що їх важливими параметрами, крім номінальних струмів, напруг, відключаючої здатності до навантажувальних струмів і струмів короткого замикання, є також час відключення, комутаційний ресурс, пожежо- і вибухобезпечність.

Сухі трансформатори потужністю 630-1000 кВА використовують в будівлях, де можливі великі скупчення людей, а також на випробувальних станціях, в лабораторіях. Сухі трансформатори меншої потужності з успіхом застосовують, наприклад, для живлення освітлення при системі роздільного живлення силових та освітлювальних навантажень.

Практика показує, що число типів трансформаторів на одному підприємстві повинно бути обмеженим, в протилежному випадку ускладнюється резервування.

При визначенні числа трансформаторів необхідно враховувати, що однотрансформаторні цехові підстанції можно використовувати для живлення електроприймачів І категорії, якщо їх потужність не перевищує 15-20% потужності трансформатора і можливе резервування підстанцій на низькій напрузі перемичками з автоматичним включенням резерву.

Відомо, що радіальні схеми живлення у порівнянні з магістральними більш надійні, але вартість їх вища. Радіальні схеми доцільно застосовувати для потужних електроприймачів (компресорів, насосів), а також у випадках, коли середовище не дозволяє прокладати шинопроводи (вибухонебехпечні, пожежонебехпечні цехи і цехи з хімічно активним середовищем).

6) Впровадження автоматизації і телемеханізації дозволяє підвищити не тільки надійність, але й безпечність систем цехового електропостачання, уникнути помилкових дій оперативного персоналу.

7) Застосування самозапуску електродвигунів відповідальних механізмів підвищує сталість і надійність електропостачання цих приймачів електроенергії при короткочасних зниженнях або зникненнях напруги на джерелі живлення.

При цьому слід мати на увазі, що в режимі самозапуску залишкова напруга на шинах, від яких живляться електродвигуни, повинна бути такою, щоб обертаючий момент електродвигунів був більшим за статичний момент опору технологічних машин та механізмів.

Тому в режимі самозапуску залишають тільки двигуни відповідальних механізмів. Електродвигуни, самозапуск яких неприпустимий по техниці безпеки, вимикаються захистом мінімальної напруги.

В режимі самозапуску можуть бути як асинхронні, так і синхронні електродвигуни. Самозапуск двигунів необхідний для забезпечення сталості технологічних процесів безперервних виробництв при аварійних ситуаціях в системі електропостачання, викликаних коротким замиканням, відключенням вимикача в колі живлення вузла навантаження та інше. Двигуни, які приймають участь в самозапуску, при короткочасних перервах живлення від мережі не вимикаються.

Тривалість перерви в електропостачанні в залежності від конкретних умов складає від десятих часток секунди до 1-2 секунд, а отже більшість електродвигунів не встигають за цей час повністю зупинитись. Тому після автоматичного відновлення електропостачання їх розгін може починатись з деякої залишкової частоти обертання, а не з нерухомого стану.

8) Підвищення надійності захисту та автоматики здійснюється за рахунок:

- застосування простих схем, резервного захисту, здійснення якісного монтажу та правильної експлуатації (для аналогових пристроїв на електромеханічній та мікроелектронній базі);

- застосування мікропроцесорних пристроїв і систем за умови їх нормальної роботи (належна система експлуатації і технічного обслуговування).

Досвід експлуатації мікропроцесорних пристроїв різного призначення накопичений за кордоном, доводить їх переваги перед традиційними пристроями:

- істотно менші трудовитрати на технічне обслуговування;

- кращі показники надійності;

- кращі параметри спрацювання вимірювальних органів захисту та автоматики;

- менше споживання по колам постійного і змінного оперативного струму№

- менші трудовитрати на наладку та обслуговування за рахунок високої апаратної надійності та автоматичного контролю і діагностики;

- менші габаритні розміри та ін.

Висока надійність мікропроцесорних пристроїв в системах захисту та автоматики забезпечується за рахунок:

- резервування апаратних засобів, функцій захисту і програмного забезпечення;

- застосування стійких до відмов структур;

- безперервної діагностики апаратних засобів і програмного забезпечення;

- збереження інформації, констант і програм в енергонезалежній пам'яті;

- аналізу роботи захисту та автоматики, шляхом одержання даних про місце короткого замикання, характера ушкодження та параметрів аварійного режиму.

9) Вибір найбільш доцільного часу виводу електрообладнання в ремонт, а саме суміщення ремонту електрообладнання з ремонтом технологічного устаткування; завчасний перевод електропостачання на тимчасове живлення від резервних джерел.

Наприклад, плановий ремонт одного з двох трансформаторів двотрансформаторної підстанції доцільно проводити в період роботи зі зниженим навантаженням споживача.

10) Забезпечення пожежної безпеки електротехнічних споруд (підстанцій, кабельних тунелів), впровадження пристроїв телесигналізації і локалізації пожеж.

11) Застосування в якості незалежних - гарантованих джерел живлення (дизель-генераторів, акумуляторних батарей та ін.).

12) Зниження насичення мереж автоматичною комутаційною апаратурою, так як самі апарати можуть стати джерелом аварій.

13) Застосування компенсації реактивної потужності. За рахунок компенсації реактивної потужності по низькій напрузі є можливість розвантажити цеховий трансформатор по реактивній потужності і завантажити його додатково активною потужністю. Якщо б не було компенсації реактивної потужності, то для приєднання додаткової активної потужності знадобився б ще один трансформатор, що знизило б економічність і надійність цехової мережі.

14) Підвищення статичної і динамічної стійкості системи електропостачання. Найбільш придатним засобом досягнення даної мети є зменшення часу дії пристроїв захисту та автоматики (застосування швидкодіючих пристроїв автоматичного вмикання резерву, мікропроцесорного захисту).

15) Підвищення якості електроенергії. Необхідно відзначити, що електроприймачі по різному реагують на зміну показників якості електроенергії і в першу чергу це стосується синхронних машин, які малочутливі до зміни несинусоідальності напруги і можуть використовуватись в якості джерела реактивної потужності в мережах живлення потужних вентильних перетворювачів.

Коливання напруги спричиняють у синхронних машин зміну реактивної потужності, яка знаходиться у протифазі зі зміною реативної потужності таких споживачів. В результаті синхронні машини згажують графік реактивної потужності й дозволяють знизити коливання напруги. Тому можна рекомендувати, де це можливо, замість асинхронних машин використовувати синхронні.

Для зниження несинусоідальності напруги (зменшення вищих гармонік):

- збільшують число фаз випрямлення; перехід від 6-фазної до 12-фазної схеми випрямлення забезпечує зниження несинусоідальності напруги приблизно в 1,4 рази;

- застосовують роздільне живлення електроприймачів з нелінійною і лінійною вольт-амперною характеристикою, яке здійснюють від різних шин підстанцій;

- застосовують фільтри вищих гармонік, які одночасно можуть використовуватись також і для компенсації реактивної потужності.

Зниження несиметрії напруги в системах цехового електропостачання можно досягнути наступними заходами:

- раціональним пофазним розподілом однофазних навантажень;

- застосування симетруючих пристроїв.

16) Застосування спеціального захисту комплектних розподільних пристроїв 6-10 кВ, які широко застосовуються в цехових мережах. Як свідчить досвід експлуатації комплектних розподільних пристроїв, практично будь-яке двофазне коротке замикання всередині пристрою перетворюється на трифазне і може спричинити ушкодження сусідніх шаф.

Вирішенням проблеми вибухової і пожежної безпеки шаф комплектних розподільних пристроїв є їх устаткування швидкодіючим дуговим захистом, що дозволить істотно підвищити надійність систем цехового електропостачання.

17) Впровадження ремонтів під напругою.

18) Удосконалення конструкцій і матеріалів, з яких виготовляють електричне обладнання.

Не слід безмежно намагатись підвищити надійність системи електричного постачання. Так, наприклад, ускладнення системи за рахунок впровадження багатократного резервування призводить тільки до відносно невеликого зниження часу аварійного простою, який пов'язаний з достатньо великими витратами. Отже, не завжди більш дорога система електропостачання має більш високу надійність.

...