Проектирование внутрицехового электроснабжения

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Кузбасский государственный технический университет"

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

Проектирование внутрицехового электроснабжения

Часть II. Проектирование электроснабжения силовых электроприемников цеха

Методические указания по курсовому и дипломному проектированию по дисциплине "Системы электроснабжения" для студентов всех форм обучения специальности "Электроснабжение"

Составитель Т.Л. Долгопол

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 3 от 10.02.2009

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией по специальности 140211

Протокол № 3 от 10.02.2009

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2008

Содержание

Введение

3.3 Расчет электрических нагрузок
3.4 Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов
3.5 Выбор схемы и компоновки цеховой КТП
3.6 Выбор схемы силовой сети цеха

3.7 Выбор способов прокладки силовой сети цеха
3.8 Выбор силового электрооборудования напряжением до 1000 В

3.8.1 Выбор и проверка комплектных шинопроводов
3.8.2 Выбор силовых распределительных пунктов
3.9 Выбор сечений силовых линий

3.9.1 Выбор сечений по допустимому нагреву

3.9.2 Проверка сечений по потере напряжения

3.9.3 Проверка сечений на соответствие выбранному аппарату защиты

3.10 Выбор защитной аппаратуры

3.11 Расчет токов короткого замыкания

3.12 Проверка правильности выбора защитной аппаратуры

4. Методические указания по выполнению графической части проекта электроснабжения электроприемников цеха

Приложение 21. Средние значения коэффициентов использования (Ки) и мощности (cosφ) для характерных групп электроприемников

Приложение 22. Технические данные силовых трансформаторов

Приложение 23. Планы двухтрансформаторных цеховых КТП

Приложение 24. Технические характеристики магистральных шинопроводов для сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением до 660 В, частотой 50–60 Гц

Приложение 25. Технические характеристики комплектных распределительных шинопроводов для сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В, частотой 50–60 Гц

Приложение 26. Технические характеристики шкафов распределительных с плавкими предохранителями

Приложение 27. Технические данные распределительных силовых пунктов ПР-11

Приложение 28. Технические данные распределительных силовых пунктов ПР8501 с трехполюсными АВ

Приложение 29. Технические данные силовых распределительных пунктов серии ПР8503

Приложение 30. Допустимые токовые нагрузки кабелей с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией на напряжение 0,66 кВ, 1 кВ

Приложение 31. Допустимые токовые нагрузки трехжильных кабелей с СПЭ-изоляцией напряжением 1 кВ

Приложение 32. Длительно допустимый ток для гибких кабелей с резиновой изоляцией напряжением 1 кВ

Приложение 33. Технические характеристики предохранителей

Приложение 34. Классификация автоматических выключателей

Приложение 35. Характеристики автоматических выключателей

Введение

Данные методические указания необходимо рассматривать как продолжение первой части "Проектирование осветительных установок".

При проектировании внутрицехового электроснабжения необходимо учитывать некоторые характеристики силовых электроприемников (ЭП): режим работы, коэффициент мощности, количество фаз, род тока. В связи с этим ниже приводятся характеристики отдельных групп силовых ЭП.

Для всех ЭП важным показателем является их номинальная мощность. Для электродвигателей номинальные мощности выражаются в киловаттах: для однодвигательных ЭП – pн, кВт; для многодвигательных – суммарная номинальная мощность – Pн, кВт. Номинальной (установленной) мощностью плавильных электропечей и сварочных установок является мощность питающих их трансформаторов, выраженная в киловольт-амперах (кВА). Это же относится и к трансформаторам преобразовательных и выпрямительных агрегатов.

Основной группой промышленных потребителей электроэнергии являются электродвигатели. В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются электродвигатели переменного тока: асинхронные с короткозамкнутым или с фазным ротором, синхронные. При напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт экономически целесообразнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт – синхронные; при напряжении 10 кВ и мощности до 630 кВт – асинхронные двигатели, 450 кВт и выше – синхронные. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в мощных электроприводах с тяжелыми условиями пуска.

К общепромышленным установкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки и т. д. В них применяются асинхронные и синхронные двигатели трехфазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением от 380 В до 10 кВ. Диапазон их мощностей различен – от долей киловатта (электродвигатели задвижек, затворов, насосов подачи смазки и т. п.) до десятков мегаватт (воздуходувки доменных печей, кислородные турбокомпрессоры). Основным агрегатам (насосы, вентиляторы) присущ продолжительный режим работы. Электродвигатели задвижек, затворов и т. п. работают в кратковременном режиме. Их коэффициент мощности находится в пределах 0,8–0,85. Синхронные двигатели работают в режиме перевозбуждения.

Данная группа электроприемников относится, как правило, к I категории по надежности электроснабжения. Некоторые вентиляционные и компрессорные установки относятся ко второй категории.

Наиболее многочисленной группой приемников электроэнергии являются металлорежущие станки. Напряжение сети, питающей двигатели станков, 380 или 660 В, частота 50 Гц. На станках, где требуется высокая частота вращения и регулирование скорости, применяют двигатели постоянного тока; в остальных случаях – асинхронные с короткозамкнутым ротором. По надежности электроснабжения станки основных цехов предприятий относят ко II категории, а вспомогательных цехов – к III категории по надежности электроснабжения.

К электротехнологическим установкам относятся электронагревательные и электролизные установки, установки электрохимической, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электросварочное оборудование. Наиболее распространенной группой электронагревательных установок являются электрические печи сопротивления, которые подразделяются на печи косвенного нагрева и прямого нагрева.

Печи сопротивления получают питание от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гц, в основном напряжением 380/220 В или на более высокое напряжение через понижающие трансформаторы. Выпускаются печи в одно- и трехфазном исполнении, мощностью до нескольких тысяч киловатт. Характер нагрузки их ровный, однако, однофазные печи для трехфазных сетей представляют несимметричную нагрузку. Коэффициент мощности для печей прямого действия 0,7–0,9, для печей косвенного действия – 1,0. Печи сопротивления относятся ко II категории по надежности электроснабжения.

Индукционные плавильные печи выпускаются со стальным сердечником и без него, мощностью до 4500 кВА. Питание индукционных печей и установок закалки и нагрева осуществляется от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380/220 В и выше в зависимости от мощности.

Индукционные плавильные печи без сердечника и установки закалки и нагрева токами высокой частоты получают питание переменным током частотой до 40 МГц от преобразовательных установок, которые, в свою очередь, питаются от сетей переменного тока промышленной частоты.

Печи со стальными сердечниками выпускаются в одно-, двух- и трехфазном исполнении. Коэффициент мощности их колеблется в пределах 0,2–0,8 (у индукционных установок повышенной частоты – от 0,06 до 0,25).

Все перечисленные печи и установки индукционного нагрева относятся к приемникам II категории по надежности электроснабжения.

Дуговые электрические печи по способу нагрева разделяются на печи прямого, косвенного и смешанного нагрева. Дуговые печи получают питание от сетей переменного тока промышленной частоты напряжением до 110 кВ через специальные понижающие печные трансформаторы. Мощности современных дуговых электропечей достигают 100–125 MBА.

В период расплавления шихты возникают частые эксплуатационные короткие замыкания в процессе плавки и бестоковые паузы при выпуске стали и новой загрузке печи, в результате чего в питающих сетях наблюдаются толчковые нагрузки. Нагрузка от однофазных печей несимметричная. Коэффициент мощности 0,85–0,95. В отношении надежности электроснабжения дуговые печи относятся к приемникам первой категории.

Вакуумные электрические печи для выплавки высококачественных сталей и специальных сплавов относятся к приемникам особой группы первой категории, так как перерыв в питании вакуумных насосов приводит к дорогостоящему браку.

Электротехнологические установки, работающие на постоянном или переменном токе частотой, отличной от 50 Гц, питаются от преобразовательных установок, характеристики которых определяются режимом электротехнологической установки. Например, мощности электролизных установок для получения алюминия зависят от их производительности и достигают 150–180 МВА. Питание преобразовательных установок электролиза осуществляется трехфазным переменным током частотой 50 Гц напряжением до 110 кВ (в зависимости от мощности). Нагрузка их равномерная, симметричная. Коэффициент мощности составляет 0,8–0,9. Электролизные установки относятся к приемникам I категории по надежности электроснабжения.

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты.

Для дуговой сварки на переменном токе применяют сварочные трансформаторы однофазного и трехфазного исполнения. Источником постоянного тока при сварке служат вращающиеся и статические преобразователи.

Для автоматической дуговой сварки под слоем флюса или в защитном газе используют как трансформаторы, так и преобразователи трехфазного исполнения на напряжение 380 В.

Сварочные агрегаты для контактной сварки имеют однофазное исполнение.

Электросварочное оборудование работает в повторно-кратковременном режиме работы. Однофазные сварочные приемники (трансформаторы и другие установки) дают неравномерную нагрузку по фазам трехфазной питающей сети. Коэффициент их мощности колеблется в пределах 0,3–0,7. Сварочные установки по степени надежности относятся ко II категории.

Электропривод подъемно-транспортных устройств имеет повторно-кратковременный режим работы и относится ко II категории по надежности электроснабжения. На кран-балках и тельферах установлены двигатели с короткозамкнутым ротором, а на мостовых кранах – двигатели с фазным ротором.

3.3 Расчет электрических нагрузок

До расчета электрической нагрузки следует привести характеристики ЭП цеха согласно табл. 10.

Таблица 10 Характеристики электроприемников цеха

Значения коэффициентов мощности и коэффициентов использования для характерных групп электроприемников приведены в прил. 21.

Номинальные токи электроприемников берутся из паспортных данных или определяются по формулам:

для трехфазных электродвигателей

, А; (28)

для многодвигательного электропривода трехфазного исполнения

, А, (29)

где – суммарная номинальная мощность ЭП многодвигательного привода, кВт; cosj и h – коэффициент мощности и кпд наиболее мощного ЭП данного привода;

для трехфазной электрической печи, сварочного трансформатора

, А; (30)

для однофазных электродвигателей на фазное напряжение (Uф)

, А; (31)

для однофазных электродвигателей, подключаемых на линейное напряжение и являющихся нагрузкой двух фаз

, А; (32)

для однофазных электрических печей, сварочных трансформаторов на фазное напряжение

, А; (33)

для однофазных электрических печей, сварочных трансформаторов на линейное напряжение

, А; (34)

для остальных трехфазных ЭП

, А; (35)

для остальных однофазных ЭП на фазное напряжение

, А; (36)

для остальных однофазных ЭП на линейное напряжение

, А. (37)

Во всех формулах: Pн, Sн – номинальная мощность ЭП (Pн – в кВт, Sн – в кВА).

Расчет электрических нагрузок цеха и любого другого узла системы электроснабжения (силового распределительного пункта, распределительного или магистрального шинопровода, секции шин) необходимо произвести по методу коэффициента расчетной активной мощности (Kр). Расчетная активная мощность (Pр) – это мощность, соответствующая такой неизменной токовой нагрузке (Iр), которая эквивалентна фактической изменяющейся во времени нагрузке по наибольшему возможному тепловому воздействию на элемент системы электроснабжения.

При расчете электрических нагрузок цеха или другого узла питания все ЭП распределяются на характерные группы с одинаковыми Kи и cosj. При этом резервные ЭП в расчете не учитываются и номинальные мощности ЭП с повторно-кратковременным режимом работы не приводятся к длительному режиму (ПВ = 100 %).

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

Для каждой характерной группы ЭП определяются средние активная (Pс) и реактивная (Qс) мощности по формулам:

, кВт, (38)

, кВАр. (39)

Коэффициент расчетной активной мощности зависит от значения группового коэффициента использования (), эффективного числа ЭП (nэ) и постоянной времени нагрева (T0).

Групповой коэффициент использования узла питания определяется по формуле:

. (40)

Эффективное число ЭП рассчитывается по формуле:

, (41)

где nэ – число однородных по режиму работы ЭП одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума (Pр), что и группа из реального числа ЭП (n), различных по мощности и режиму работы; – суммарная установленная мощность ЭП узла питания, кВт; – номинальная (установленная) мощность i-го ЭП, кВт.

При большом числе ЭП цеха допускается определять эффективное число электроприемников по упрощенной формуле:

, (42)

где – номинальная мощность наиболее мощного ЭП цеха.

Найденное по формулам (41) или (42) nэ округляется до ближайшего меньшего целого числа.

Постоянные времени нагрева принимаются следующие:

– для сетей напряжением до 1 кВ, питающих распределительные пункты и шинопроводы, щиты. Значения Kр для этих сетей в зависимости от и nэ принимаются по табл. 11;

– для магистральных шинопроводов и цеховых трансформаторов; значения Kр принимаются по табл. 12.

Таблица 11 Значения коэффициентов расчетной нагрузки Kр для питающих сетей напряжением до 1000 В

Таблица 12 Значения коэффициентов расчетной нагрузки Kр на шинах НН цеховых трансформаторов и для магистральных шинопроводов напряжением до 1 кВ

Расчетная активная мощность узла питания определяется по формуле:

, кВт. (43)

Расчетная реактивная мощность для питающих сетей напряжением до 1 кВ в зависимости от nэ определяется по формулам:

при , кВАр; (44)

при , кВАр. (45)

Расчетная реактивная мощность для магистральных шинопроводов и на шинах цеховых трансформаторных подстанций независимо от nэ определяется по формуле:

, кВАр. (46)

Полная расчетная мощность узла питания

, кВА. (47)

На шинах низкого напряжения цеховой КТП при совместном питании силовой и осветительной нагрузки полная расчетная мощность определяется по формуле:

, кВА. (48)

Расчетный ток узла питания

, А. (49)

При определении расчетных нагрузок цеха и отдельных узлов питания следует пользоваться табл. 13.

При определении расчетной нагрузки цеха или другого узла питания необходимо учесть наличие однофазных электроприемников.

При наличии одного однофазного ЭП и включении его на фазное напряжение он учитывается как эквивалентный трехфазный ЭП номинальной мощностью:

, (50)

где pн.о, qн.о – активная и реактивная мощности однофазного ЭП.

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

. (51)

При наличии группы однофазных ЭП они должны быть распределены по фазам. Далее определяется нагрузка каждой фазы от однофазных ЭП суммированием установленной мощ-ности однофазных ЭП, подключенных на фазное напряжение, и

Таблица 13 Расчет электрических нагрузок (форма Ф636-92)

_______________

* Резервные ЭП, а также ЭП, работающие кратковременно, в расчете не учитываются.

** При расчете электрических нагрузок для магистральных шинопроводов, на шинах цеховых трансформаторных подстанций, в целом по цеху, корпусу, предприятию: допускается определять nэ по выражению

расчетная реактивная мощность принимается равной

.

мощности однофазных ЭП, подключенных на линейное напряжение, с использованием коэффициентов приведения нагрузок к одной фазе по формулам:

, кВт;

, кВт; (52)

, кВт,

где – суммарная мощность однофазных ЭП на фазное напряжение, запитанных соответственно от фаз A, B и С; pнAB, pнAС, pнBС – номинальные мощности однофазных ЭП на линейное напряжение, подключенных соответственно к фазам A и B, A и С, B и C; p(AB)A, p(AB)B, p(AС)A, p(AС)C, p(BС)B, p(BС)C – коэффициенты приведения по активной мощности (в скобках указаны фазы, от которых запитан однофазный ЭП, за скобкой – фаза, для которой определяется нагрузка).

Значения коэффициентов приведения однофазных нагрузок по активной мощности представлены в табл. 14.

Таблица 14 Коэффициенты приведения однофазной нагрузки, включенной на линейное напряжение, к нагрузке, отнесенной к одной фазе

Затем определяется общая мощность трехфазных и однофазных ЭП каждой фазы:

, кВт;

, кВт; (53)

, кВт,

где – суммарная установленная мощность трехфазных ЭП узла питания, кВт.

Рассчитывается неравномерность загрузки фаз (DPнр):

, % , (54)

где , – соответственно номинальные мощности максимально и минимально нагруженной фазы.

При неравномерности нагрузки фаз не более 15 % однофазные ЭП учитываются при расчете нагрузок как эквивалентная группа трехфазных ЭП с той же суммарной номинальной мощностью.

В случае превышения указанной неравномерности номинальная мощность эквивалентной группы трехфазных ЭП принимается равной тройному значению мощности наиболее загруженной фазы:

, кВт. (55)

3.4 Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

Как правило, цеховые трансформаторные подстанции (ТП) встроены в здание цеха или пристроены к нему. Пристроенной называется подстанция, непосредственно примыкающая к основному зданию, встроенной – подстанция, вписанная в общий контур здания, внутрицеховая – расположенная внутри производственного здания (в открытом или отдельном закрытом помещении).

Отдельно стоящие закрытые цеховые подстанции устанавливают, когда невозможно разместить ТП внутри цехов или у наружных их стен по требованиям технологии или пожаро- и взрывоопасности производства. Отдельно стоящие ТП целесообразно применять при питании от одной подстанции нескольких рядом расположенных цехов с небольшой электрической нагрузкой.

По возможности ТП устанавливают в центре электрических нагрузок, максимально приближая к цеховым электроприемникам, что позволяет сократить протяженность сетей 0,4 кВ и уменьшить в них потери мощности и энергии.

Возможно применение цеховых ТП с размещением распределительного устройства (щита) низкого напряжения в цехе, а трансформаторов – снаружи около питаемых от него производственных зданий.

Варианты размещения цеховых КТП представлены на рис. 10.

Рис. 10. Варианты размещения цеховых КТП и их компоновки: а – однотрансформаторная КТП встроенного типа; б – двухтрансформаторная КТП пристроенного типа однорядного исполнения; в – двухтрансформаторная КТП отдельно стоящая двухрядного исполнения; г – КТП с наружной установкой трансформаторов

На выбор числа трансформаторов влияет категория потребителей по надежности электроснабжения, график нагрузки цеха и удельная мощность нагрузки. Однотрансформаторные подстанции при наличии складского резерва можно использовать для питания электроприемников III и даже II категории. Однотрансформаторные КТП можно применить и для питания электроприемников I категории, если их мощность не превышает 15–20 % мощности трансформатора и возможно резервирование подстанций на вторичном напряжении перемычками с АВР.

Двухтрансформаторные цеховые подстанции применяют при преобладании электроприемников I и II категории и в энергоемких цехах при большой удельной мощности нагрузки кВА/м2. Двухтрансформаторные КТП используют для питания электроприемников любой категории по надежности электроснабжения в следующих случаях:

суточный или годовой график нагрузки цеха очень неравномерен (например, односменная работа цеха, когда выгодно в ненагруженные часы отключать один трансформатор);

возможен дальнейший быстрый рост нагрузки;

удельная мощность нагрузки не менее 0,4 кВА/м2.

Более двух трансформаторов используют для питания цеховых ЭП при необходимости раздельного питания силовой и осветительной нагрузки цеха; если имеются мощные ЭП, требующие блочного питания, или нагрузка цеха превышает нагрузочную способность двухтрансформаторной КТП с трансформаторами мощностью 2500 кВА (приблизительно > 3500 кВА).

Следует учесть, что если нагрузка цеха не более 400 кВА, то экономически нецелесообразно устанавливать собственную КТП в этом цехе.

Необходимо объединить нагрузки рядом расположенных цехов и выбрать ТП по суммарной мощности, расположив ее в центре электрических нагрузок.

Мощность трансформатора в однотрансформаторной КТП выбирается по условию:

, кВА, (56)

где Sнт – номинальная мощность трансформатора, кВА; Sр – расчетная нагрузка цеха, кВА.

Для двухтрансформаторных подстанций

, кВА, (57)

где Kз – коэффициент загрузки трансформатора, принимаемый при преобладании потребителей I категории (до 80 %) в пределах ; при преобладании потребителей II категории – ; для III категории – .

В последние годы ведется поиск наиболее эффективных методов выбора цеховых трансформаторов. Один из подходов к решению этой задачи основан на применении комплексного метода расчета электрических нагрузок (прогноз увеличения нагрузки во времени и в зависимости от технологических показателей цеха). В этом случае выбор мощности цеховых трансформаторов можно произвести по удельной плотности нагрузки (Sруд):