Разработка проекта электроснабжения производственного цеха

- несинусоидальность напряжения вызывают электроприемники, имеющие нелинейную вольт-амперную характеристику (эл.сварочные установки, дуговые печи, газоразрядные лампы). Несинусоидальность напряжения вызывает дополнительные потери мощности за счет протекания высших гармоник, уменьшается срок службы изоляции, из-за высших гармоник в системах управления могут быть сбои;

- несимметрию напряжения создают все однофазные электроприемники (индукционные печи, освещение, дуговые сталеплавильные печи). Несимметрия напряжения в основном оказывает влияние на электродвигатели: если в нормальной трехфазной сети момент вращения направлен в одну сторону, то в несимметричной сети возникает обратный тормозной момент, что вызывает перегрев электродвигателя и сокращение срока службы.

Расчет отклонения напряжения.

Отклонение напряжения рассчитывается для промышленных предприятий как основной показатель качества электроэнергии (ПКЭЭ) независимо от видов и состава электроприемников. Важно правильно рассчитать отклонение напряжения в периоды максимума и минимума нагрузок сети и принять меры по его уменьшению в случаях несоответствия гостированным значениям (ГОСТ допускает значения отклонения напряжения в периоды максимума и минимума сети в пределах (95-105%) от номинального напряжения этой сети в течение длительно допустимого времени, т.е. в течение 95% времени суток).

Влияние электроприемников на отклонение напряжения:

- с увеличение мощности нагрузки - увеличивается падение напряжение в элементах сети, и, соответственно, увеличивается отклонение напряжения, что в свою очередь приводит к еще большему падению.

Влияние отклонения напряжения на электроприемники:

- влияние на электродвигатели: повышенный износ изоляции; изменение частоты вращения;

- влияние на электротехнологические установки: изменение производительности ЭТУ; изменение удельного расхода электроэнергии; уменьшение срока службы;

- влияние на осветительные установки: увеличение потребляемой мощности и электроэнергии; уменьшение светового потока.

Для упрощения расчета принимаем следующий порядок расчета отклонения напряжения:

- рассчитываем отклонения для наиболее электрически удаленного и наиболее мощного электроприемника (в нашем случае - станок фрезерный мощностью 30 кВт, расположенный на ШРА-5) и регулируем напряжения таким образом, чтобы отклонение соответствовало ГОСТу - это режим максимума сети;

- рассчитываем отклонения для наименее электрически удаленного и наименее мощного электроприемника (в нашем случае - станок) и сравниваем отклонение с ГОСТом - это режим минимума сети; Если в одном из случаев не проходит значения по ГОСТу, то следует применять дополнительные или иные средства регулирования уровня напряжение.

Примечание: для всех далее рассматриваемых случаев расстояние от ШМА до ШРА, которое соединяется кабелем определенного сечения марки АВВГ, достаточно малы ( 10 м), поэтому оказать большого влияния на величину падения напряжения в сети они не могут. Тогда в соответствии с допустимой инженерной погрешностью (не более 10 %) исключаем из расчетной схемы эти участки сети для упрощения дальнейших расчетов.

Расчет отклонения напряжения в период максимума нагрузки

Определим сопротивления сети от шин РП-10 кВ до конечного электроприемника.

Наиболее удаленный от источника питания приемник цеха - станок фрезерный мощностью 30 кВт, расположенный на ШРА-5. Схема электроснабжения станка представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема электроснабжения фрезерного станка

Уровень напряжения для наиболее удаленного от подстанции электроприемника в период максимума нагрузки (U2) определяется по выражению:

(13.1)

где: = 2 % - уровни напряжения на шинах 10 кВ РП, питающей цех в период максимума нагрузки;

- потери напряжения в линии высоковольтном кабеле от РП до цеховой ТП;

- потери напряжения в цеховом понижающем трансформаторе;

- потери напряжения в ШМА;

- потери напряжения в ШРА;

- потери напряжения в проводе, питающем электроприемник;

- добавка напряжения, которая устанавливается ПБВ цехового трансформатора, сначала ПБВ устанавливают в положение «0», т.е. при котором = 5 %.

Найдём потери напряжения в высоковольтной кабельной линии:

,

, ,

(13.2)

где Iр1 - максимальный расчетный ток в фазе, приведенный к стороне низкого напряжения, А; Sр.ц. - полная расчетная нагрузка цеха, кВА;

Рр.ц. - активная расчетная нагрузка цеха, кВт;

Qр.ц. - реактивная расчетная нагрузка цеха, квар;

Rкл = 0,095· 10 -3 Ом; Хкл = 0,033· 10 -3 Ом - активное и индуктивное сопротивление высоковольтной кабельной линии.

Найдём потери напряжения в цеховом трансформаторе:

(13.3)

где Rт = 0,00176 Ом и Хт = 0,0086 Ом - активное и индуктивное сопротивления трансформатора.

Найдем потери напряжения в ШМА:

Принимаем коэффициент загрузки трансформаторов 0,85, тогда потери напряжения определяются по выражению:

 (13.4)

где: Iр2 = 1519,342 А - расчетный ток ШМА;

Lшма = 0,024 км - длина ШМА;

R0шма = 0,02 Ом/км; Х0шма = 0,02 Ом/км - удельные активное и индуктивное сопротивление ШМА.

Найдем потерю напряжения в ШРА:

, ,

(13.5)

где: Iр3 = 181,36 А - расчетный ток ШРА;

Sр.шра = 119,37 кВА - полная расчетная нагрузка ШРА;

Рр.шра = 103,16 кВт - активная расчетная нагрузка ШРА;

Qр.шра = 60,05 квар - реактивная расчетная нагрузка ШРА;

Lшра = 0,035 км - длина ШРА;

R0шра = 0,142 Ом/км; Х0шра = 0,112 Ом/км - удельные активное и индуктивное сопротивление ШРА.

Найдём потерю напряжения в проводе, питающем электроприемник:

, ,

(13.6)

где: Iр4 = 57 А - расчетный ток провода;

Lпр = 0,02 км - длина провода;

R0пр = 1,95 Ом/км; Х0пр = 0,0675 Ом/км - удельные активное и индуктивное сопротивление провода.

Уровень напряжения для наиболее удаленного от подстанции электроприемника в период максимума нагрузки (U2):

Отклонение напряжения в период максимума нагрузок не превышает допустимого значения.

Расчет отклонения напряжения в период минимума нагрузки

Определим сопротивления сети от шин РП-10 кВ до конечного электроприемника. Наименее электрически удаленным и наименее мощным электроприемником является вентилятор, мощность 15 кВт. По схеме электроснабжения станок получает питание от того же ШМА, что и станок, уровень напряжения на котором мы определяли в период максимума нагрузки. Поэтому в расчете изменятся только сопротивления ШРА и провода, питающего станок. Схема электроснабжения станка представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема электроснабжения вентилятора

Уровень напряжения для наименее удаленного от подстанции электроприемника в период минимума нагрузки (U2) определяется по выражению:

(13.7)

где: = 4 % - уровни напряжения на шинах 10 кВ РП, питающей цех в период минимума нагрузки;

- потеря напряжения в линии высоковольтном кабеле от РП до цеховой ТП;

- потеря напряжения в цеховом понижающем трансформаторе;

- потеря напряжения в ШМА;

- потеря напряжения в ШРА;

- потеря напряжения в проводе, питающем электроприемник;

- добавка напряжения, которая устанавливается ПБВ цехового трансформатора, ПБВ устанавливают в положение «0», т.е. при котором = +5 %.

Минимальную нагрузку принимаем равной 25 % от расчётной нагрузки.

Найдём потерю напряжения в высоковольтной кабельной линии:

,

(13.8)

Найдём потерю напряжения в цеховом трансформаторе:

(13.9)

Найдем потерю напряжения в ШМА:

(13.10)

Найдем потерю напряжения в ШРА:

, ,

(13.11)

где: Lшра = 0,01 км - длина ШРА.

Найдём потерю напряжения в проводе, питающем электроприемник.

Выбранным является провод АПВ (4х6):

, ,

(13.12)

где: Iр4 = 30А - расчетный ток провода;

Lпр = 0,015 км - длина провода.

Уровень напряжения для наименее удаленного от подстанции электроприемника в период минимума нагрузки (U”2):

Так как отклонение напряжения в период минимума нагрузки превышает допустимое значение 5%, следовательно напряжение необходимо регулировать за счет переключения ПБВ трансформатора в положение “-2”, где дUдоб" = 0% и снова производим расчеты.

Тогда в режиме наибольших нагрузок:

Отклонения напряжения в не превышают допустимого значения +5%.

Расчет коэффициента несинусоидальности кривой напряжения.

На промышленных предприятиях есть большое количество электроприемников с нелинейными вольтамперными характеристиками. К ним относятся полупроводниковые преобразователи, установки контактной и дуговой сварки, дуговые электрические печи, газоразрядные лампы.

Характерной особенностью этих устройств является потребление ими несинусоидальных токов при подведения к их зажимам синусоидального напряжения. Токи высших гармоник проходя по элементам сети, вызывают потери напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

Протекание по элементам системы электроснабжения токов высших гармоник и искажение синусоиды напряжения приводит к ускоренному старению изоляции электрических машин, кабелей, трансформаторов; увеличиваются погрешности индукционных счетчиков активной и реактивной энергии; могут происходить ложные срабатывания релейной защиты, устройств телемеханики, автоматики и ЭВМ.

Расчет производится только от источников несинусоидальности, которые имеются в сетях 0,4 кВ.

1. Составляется расчетная схема сети - рисунок 12:

Рисунок 12 - Расчетная схема сети

2. Составляется схема замещения, которая показана на рисунке 13:

Источник несинусоидальности зададим в виде источника тока:

Рисунок 13 - Схема замещения сети

Не синусоидальность напряжения сети характеризуется коэффициентом несинусоидальности напряжения:

 (13.13)

где - действующее значение n-й гармонической составляющей напряжения;

N - номер последней учитываемой гармоники;

1,1 - коэффициент, выражающий вклад остальных неучтенных гармоник (до 40 гармоники).

Согласно ГОСТ 13109-97 в электрической сети до 1000 В допустимое значение Кнс. = 8 %.

Для сварочных машин рассчитывают гармоники 3, 5, 7, генерируемых машинами дуговой сварки.

1. Определяем токи n - гармоник, генерируемых машинами контактной сварки, по формуле:

(13.14)

где К - число источников гармоник.

Ток n-ых гармоник определяется:

(13.15)

где: - паспортная мощность машины дуговой сварки; = 176 кВА

ПВфакт. - фактическая продолжительность включения. Принимаем ПВфакт = 16%

Ток третьей гармоники:

,

Ток пятой гармоники:

,

Ток седьмой гармоники:

,

,

,

.

2. Расчет сопротивлений.

Определяем сопротивление питающей системы n-ой гармоники, приведенное к напряжению 0,4 кВ:

(13.16)

где Xпс(n) = 0,52 мОм - сопротивление системы по формуле (11.1):

,

,

.

Сопротивление высоковольтной кабельной линии 10 кВ n-ой гармоники рассчитывается по формуле:

(13.17)

где Rкл10 и Xкл10 - активное и индуктивное сопротивление кабельной линии 10 кВ, ,по формулам (11.2), (11.3):

,

,

.

Сопротивление трансформатора n-ой гармоники, приведенное к 0,4 кВ рассчитывается по формуле:

(13.18)

где Rт и Xт - активное и индуктивное сопротивление трансформатора,

,по формулам (11.4), (11.6):

,

,

.

Сопротивление ШМА n-ой гармоники рассчитывается по формуле:

,

где Rшма и Xшма - удельные активное и реактивное сопротивления ШМА.

Rшма = R0шма · lшма; Хшма = Х0шма · lшма; R0шма = 0,02 мОм/м, Х0шма = 0,02 мОм/м,

lшма = 12 м.

Rшма = 0,02 · 12 = 0,24 мОм

Хшма = 0,02 · 12 = 0,24 мОм

,

,

Сопротивление кабельной линии 0,4 кВ, соединяющей электроприемник и ШМА:

Для проводов марки 2хАВВГ (4х50) мм2 имеем:

, (13.19)

где , (13.20)

, (13.21)

где R0кл =0,623 мОм/м и X0кл =0,0625 мОм/м - удельные активное и реактивное сопротивления кабельной линии.

,

,

.

Таблица 13.1 - Расчет сопротивлений сети для высших гармоник

Номер гармоники	Полное сопротивление, мОм
	Сопротивление системы	Сопротивление кабельной линии 10 кВ	Сопротивление трансформа-торов	Сопротивле-ние ШМА	Сопротивление кабельной линии 0,4 кВ
Выпрямительный агрегат 200 кВт
3	j1,56	0,165+j0,099	1,949+j19,21	0,415+j0,72	10,683+j1,857
5	j2,6	0,212+j0,165	2,516+j32,01	0,537+j1,2	13,792+j3,095
7	j3,64	0,251+j0,231	2,976+j44,814	0,635+j1,68	16,319+j4,333

Определяем результирующее сопротивление:

, (13.22)

Определяем результирующую проводимость n-ой гармоники:

(13.23)

,

,

.

Определим действующее значение n - ой гармоники напряжения от каждого из источников несинусоидальности напряжения:

 (13.23)

,

,

.

Коэффициент несинусоидальности напряжения составит:

Полученный коэффициент несинусоидальности удовлетворяет требованиям ГОСТа. Установки специальных устройств по уменьшению несинусоидальности (фильтра высших гармоник) не требуется.

Расчет несимметрии токов и напряжений.

В электрических сетях несимметрия может быть продольной и поперечной. Продольная несимметрия обуславливается неравенством сопротивлений в трехфазной системе (когда воздушная линия прокладывается не по треугольнику, а в одной плоскости).

На промышленных предприятиях в основном возникает поперечная несимметрия. Поперечная несимметрия вызывается несимметрией нагрузки (на две фазы, на фазу и нуль, по схеме открытого треугольника). Нарушается симметрия токов, появляются обратная и нулевая последовательности, прохождение которых по сетям приводит к появлению несимметрии напряжения на шинах источника питания. Наличие несимметрии приводит к тому, что в асинхронных двигателях возникает обратный момент, они перегреваются и уменьшается коэффициент мощности.

Для расчета коэффициентов несимметрии (обычно на промышленном предприятии определяющей является обратная последовательность) обратной последовательности составляется расчётная схема. В расчетной схеме должны быть указаны расчётные трехфазные и однофазные нагрузки.

Расчетную схему составим для источника несимметрии - машин дуговой сварки. Несимметрия появляется вследствие несимметричной нагрузки (на парах фаз АВ и ВС - по две машины, на паре фаз СА - одна машина). Расчетная схема показана на рисунке 13.5

Рисунок 14 - Расчетная схема

В схеме замещения источник несимметрии показывается источником напряжения, а все ветви проводимостью обратной последовательности. Схема замещения приведена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Схема замещения обратной последовательности

где: Y2н - результирующая проводимость нагрузки обратной последовательности;

Y2c - проводимость системы, обратной последовательности.

Несимметрия характеризуется коэффициентом несимметрии:

 (13.24)

где U2 - напряжение обратной последовательности, В;

Uн - номинальное напряжение источника несимметрии, В.

Согласно ГОСТ 13109-97 в электрической сети до 1000 В допустимое значение К2u = 2 %.

Для кабельных линий, и трансформаторов: (Z1 - сопротивление прямой последовательности, Z2 - сопротивление обратной последовательности).

Определим сопротивление высоковольтной кабельной линии 10 кВ обратной последовательности:

(13.25)

где Rкл10 и Xкл10 - активное и индуктивное сопротивление кабельной линии 10 кВ, , по формулам (11.2), (11.3).

Определим сопротивление трансформатора обратной последовательности:

(13.26)

где Rт и Xт - активное и индуктивное сопротивление трансформатора,

,по формулам (11.4), (11.6).

Определим сопротивление низкой сети обратной последовательности:

Определяем активное и индуктивное сопротивление магистрального шинопровода КТА2500, l = 12 м:

,

.

где: R0шма - удельное активное сопротивление магистрального шинопровода, мОм/м;

Х0шма - удельное реактивное сопротивление магистрального шинопровода, мОм/м;

Lшма - длина магистрального шинопровода, м.

Определяем активное и индуктивное сопротивление кабельной линии 0,4 кВ, выполненной кабелем 2хАВВГ (4х50), l = 30 м:

,

.

где: R0кл0,4 - удельное активное сопротивление кабельной линии 0,4 кВ, мОм/м;

Х0кл0,4 - удельное реактивное сопротивление кабельной линии 0,4 кВ, мОм/м;

Lкл0,4 - длина кабельной линии 0,4 кВ, м.

Тогда сопротивления низкой сети:

,

.

(13.27)

где Rнс и Xнс - активное и индуктивное сопротивление низкой сети,

Определим результирующее сопротивление нагрузки, обратной последовательности:

 (13.28)

Определяем результирующую проводимость нагрузки обратной последовательности:

(13.29)

Определяем проводимость системы обратной последовательности:

(13.30)

где Z2c = Zc = jxc = j0,52 мОм - сопротивление системы обратной последовательности.

Определим результирующую проводимость обратной последовательности:

(13.31)

Определим результирующее сопротивление обратной последовательности:

(13.32)

Определим модуль результирующего сопротивления:

Определим ток обратной последовательности:

(13.33)

где: =49280 ВА - эффективная однофазная мощность машины дуговой сварки по формуле (5.2);

Uн = 380 В - номинальное напряжение машины дуговой сварки.

Определим напряжение обратной последовательности:

(13.34)

Тогда коэффициент обратной последовательности будет равен:

Полученный коэффициент несимметрии удовлетворяет требованиям ГОСТа. Установки специальных устройств по уменьшению несимметрии не требуется.

14. Расчёт заземляющего устройства

Для установок, имеющих напряжение до 1000 В и выше, получаются два значения нормативных сопротивлений заземляющего устройства:

Rзу = 4 Ом - для стороны до 1000 В;

- для стороны выше 1000 В.

За расчётное значение должно быть принято меньшее из этих двух значений, как обеспечивающее безопасность. Определяем сопротивление заземляющего устройства:

, (14.1)

гдеIз = 7 А - емкостной ток замыкания на землю сети выше 1000В, (по заданию).

.

Таким образом, определяющим для расчёта является требование:

Rзу = 4 Ом.

Определяется расчетное удельное сопротивление земли:

Ом · м,

где Кс=1,1-1,35 - коэффициент сезонности, учитывающий промерзание и просыхание грунта;

- удельное сопротивление грунта, измеренное при нормальной влажности; (=160 Омм - из задания).

Заземляющее устройство выполняем в виде контура (прямоугольника) из горизонтальных и вертикальных заземлителей. В качестве вертикальных электродов используем арматурный пруток диаметром 12 мм и длиной l=5 м. Верхний конец электрода находится ниже уровня земли на 0,7 м.

Сопротивление одного вертикального электрода:

Ом.

Определяем ориентировочное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования вертикальных электродов Ки.в=0,5.

,

Предварительно принимаем n = 22.

Горизонтальные электроды выполняем из полосовой стали 404 мм. Общая длина полосы, при отношении расстояния между заземлителями к их длине, равным 1, l = 110 м.

Определяется сопротивление полосы, соединяющей вертикальные электроды:

;

где - сопротивление горизонтальной полосы:

;

Ки.г - коэффициент использования горизонтальных электродов (Ки.г=0,3-0,4).

Определяется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом горизонтальной полосы:

.

Определяется уточненное число вертикальных электродов:

.

Окончательно приминаем в контуре 12 вертикальных заземлителя.

План заземления подстанции показан на рисунке 16.

Рисунок 16 - План заземления подстанции

Размещено на Allbest.ru

...