Расчет электрических нагрузок и выбор компенсирующих устройств

Характеристика объекта

Сварочный участок предназначен для подготовительных работ с изделиями. Он является частью механического цеха филиала ППМ «Уралэлектромедь».

Большинство электроприёмников сварочного участка цеха относится к приёмникам трёхфазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц (печи, вентиляторы, кран). Электросварочные установки переменного тока работают на промышленной частоте 50 Гц и представляют собой однофазную нагрузку в виде сварочных трансформаторов для дуговой сварки. Сварочные трансформаторы характеризуются низким коэффициентом мощности и частыми перемещениями в питающей сети.

На сварочном участке предусмотрены работы различного назначения: ручная электродуговая сварка и наплавка, полуавтоматическая и автоматическая импульсная наплавка под слоем флюса. Он оборудован электроустановками: термическими сварочными, вентиляционными, а также металлообрабатывающими станками.

Транспортные операции осуществляются с помощью кран-балки, электротали, наземных электротележек, ленточных конвейеров. Участок имеет механическое, термическое отделение, сварочные посты, отделение импульсной наплавки, где размещено основное оборудование.

Электроснабжение (ЭСН) обеспечивается от цеховой трансформаторной подстанции (ТП) 10/0,4 кВ, расположенной на расстоянии 50 м от здания участка. В перспективе от этой же ТП предусматривается ЭСН станочного участка с дополнительной нагрузкой.

Грунт в районе цеха - песок при температуре + 12 °С. Каркас здания сооружен из блоков-секций длиной 8, 6 и 4 м каждый. Размеры цеха АхВхН = 48х 30х8 м. Все помещения, двухэтажные высотой 3,6 м. Мощность электропотребления (Рэ11) указана для одного электроприемника.

Перечень ЭО цеха сварочного участка дан в таблице 1.

Таблица 1 – Перечень электрооборудования сварочного участка цеха.

№ на плане	Наименование электрооборудования	Кол-во n, шт.	Рн, кВт	Ру, кВт	Ки	Cos φ	Примечание
1,4	Сварочные преобразователи				0,3	0,6
	Сварочный полуавтомат				0,35	0,5
3,9,13,16,41	Вентиляционные установки				0,65	0,8
5…7	Сварочные выпрямители		8,8	26,4	0,25	0,35
8,10	Токарные станки импульсной наплавки		15,1	30,2	0,14	0,5
11,12,14,15	Сварочные агрегаты		6,5		0,25	0,35
17,21,44,46	Кондиционеры				0,7	0,8
18…20	Электропечи сопротивления				0,7	0,95
22…26,28	Слиткообдирочные станки		4,5		0,14	0,5
27,35,37…39	Сверлильные станки		1,8		0,14	0,5
	Кран-балка				0,1	0,5	ПВ=60%
30,34	Конвейеры ленточные		4,5		0,55	0,75
31…33,36	Обдирно-шлифовальные станки				0,14	0,5
	Сварочный стенд		11,2	11,2	0,25	0,7
42,43	Сварочные трансформаторы		28 кВА		0,25	0,35	ПВ=4%
	Электроталь		2,5	2,5	0,05	0,5	ПВ=25%

Количество рабочих смен – 2.

По режиму работы электроприёмники могут быть разделены на три группы:

- с продолжительным режимом работы;

- с повторно-кратковременным режимом работы;

- с кратковременным режимом работы.

Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения и длительностью цикла.

Примером этой группы приёмников являются электродвигатель крана, сварочные аппараты.

Двигатели вентиляторов работают в продолжительном режиме работы. Нагрузка равномерная и симметричная по трём фазам. Толчки нагрузки имеют место только при пуске. Питание производится током промышленной частоты. Перерыв в электроснабжении чаще всего недопустим и может повлечь за собой опасность для жизни людей, серьёзное нарушение технологического процесса или повреждение оборудования.

Сварочные трансформаторы и преобразователи используются в установках дуговой сварки, они работают в повторно-кратковременном режиме с постоянными большими бросками мощности. Окружающая среда в цехе нормальная, расположение приёмников в цехе стационарное.

Дополнительные данные:

1. На ГПП установлены 2 трансформатора марки ТМН – 10000/110.

2. Мощность короткого замыкания на шинах 110 кВ подстанции энергосистемы S_k = 1500 МВА.

1.2 Определение категорий надежности и выбор схемы электроснабжения

К вопросам, которые должны быть решены в процессе проектирования систем электроснабжения промышленных предприятий, относятся следующие:

1) выбор наиболее рациональной с точки зрения технико-экономических показателей схемы питания предприятия;

2) правильный, технически и экономически обоснованный выбор числа и мощности трансформаторов для главной понизительной и цеховых подстанций;

3) выбор рационального числа трансформаций в системе электроснабжения промышленного предприятия;

4) выбор рациональных напряжений в схеме, определяющих, в конечном счете, размеры капиталовложений, расход цветного металла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы;

5) выбор электрических аппаратов, изоляторов и токоведущих частей в соответствии с требованиями технико-экономической целесообразности;

6) выбор сечений проводов, шин, кабелей в зависимости от ряда технических и экономических факторов;

7) выбор целесообразной мощности собственных электростанций и генераторных установок в случае их необходимости;

8) выбор трасс и способов прокладки электросетей с учетом коммуникаций энергохозяйства в целом.

Цеховые распределительные сети должны:

1. Обеспечивать необходимую надёжность электроснабжения приёмников электроэнергии в зависимости от их категорийности;

2. Быть удобными и безопасными в эксплуатации;

3. Иметь оптимальные технико-экономические показатели;

4. Иметь конструктивное исполнение, обеспечивающее применение индустриальных и скоростных методов монтажа.

5. Иметь высокую селективность защиты.

Радиальная схема электроснабжения представляет собой совокупность линий цеховой электрической сети, отходящих от РУ низшего напряжения ТП и предназначенных для питания небольших групп приемников электроэнергии, расположенных в различных местах цеха.

Распределение электроэнергии к отдельным потребителям при радиальных схемах осуществляют самостоятельными линиями от силовых пунктов, располагаемых в центре электрических нагрузок данной группы потребителей. Рекомендуется использовать как наиболее дешевые силовые пункты с предохранителями (типов СП, СПУ, ШРСУЗ). Радиальные схемы обеспечивают высокую надежность электроснабжения. Однако они требуют больших затрат на электрооборудование и монтаж, чем магистральные схемы.

Поэтому для питания цеха выбирается радиальная схема электроснабжения (рис.1.), что обеспечивает очень высокую селективность защиты и надежность электроснабжения, а за счет установки распределительных пунктов и малое число присоединений.

Рис.1. Схема электроснабжения цеха

Схема выполнена распределительными шинопроводами типа ШРА, которые предназначены для питания электроприёмников малой и средней мощности, равномерно распределенных вдоль линии магистрали.

В соответствии с заданием сварочный участок цеха по надёжности электроснабжения является потребителем II категории.

Электроприемники, обеспечивающие жизнедеятельность (вентиляция и кондиционирование), относятся к 2 категории надежности электроснабжения, а остальные – к 3.

Электроснабжение сварочного участка цеха от цеховой трансформаторной подстанции (ТП) 10/0,4 кВ, расположенной на расстоянии 50 м от здания участка.

В перспективе от этой же ТП предусматривается ЭСН станочного участка с дополнительной нагрузкой. Учитывая условия производства и категорийность нагрузок, для питания КПУ выбираем двух кабельную линию, проложенную по эстакаде. Такой способ прокладки обеспечивает доступность для осмотра КЛ и удобство её эксплуатации и ремонта.

Аналогично, по количеству питающих линий выбираем число силовых трансформаторов на ТП - два. Режим работы линий и трансформаторов - раздельный. При выходе из строя какого-либо элемента цепи, оставшийся в работе должен обеспечить работу хотя бы электроприёмников II категории в пределах допускаемых перегрузок.

Подключение питающих КЛ к силовым трансформаторам будет осуществляться посредством разъединителей, которые необходимы для отключения трансформатора в режиме холостого хода и создания надёжного видимого разрыва при производстве ремонтных работ. Необходимости в устройстве резервной перемычки 10 кВ нет. В РУ-0,4 кВ применим сборные шины, секционированные по числу трансформаторов. Каждый трансформатор работает на свою секцию шин, к которой подключена соответствующая группа электроприёмников.

В качестве коммутационных и защитных аппаратов на вводах, межсекционный и на отходящих линиях в РУ-0,4 кВ применим автоматические выключатели, с помощью которых возможна коммутация цепей в режиме холостого хода и под нагрузкой, а также автоматическое отключение цепей в анормальных режимах. Для распределения электроэнергии напряжением 0,4 кВ внутри участка применим распределительные пункты, щитки освещения, шинопровод. Подключение злектроприёмников будет осуществляться по смешанной схеме электроснабжения с помощью кабельных линий, проложенных в металлических коробах, трубах.

Расчетная часть

Расчет электрических нагрузок и выбор компенсирующих устройств

Расчет производится методом упорядоченных диаграмм. Этот метод сводится к расчету максимальных расчетных нагрузок электроприемников.

(1)

где К_с – коэффициент спроса электроприемников, определяется по [1, таблице 1.5.1];

Р_ЭП – активная мощность электроприемника.

(2)

где Р_р – средняя активная мощность;

tgφ– коэффициент реактивной мощности.

(3)

где Р_р – средняя активная мощность;

Q_р– средняя реактивная мощность.

(4)

где S_i– полная мощность i-го электроприемника;

m – масштаб нагрузки.

1) Сварочные преобразователи:

2) Сварочный полуавтомат:

3) Вентиляционные установки:

4) Сварочные выпрямители:

5) Токарные станки импульсной наплавки:

6) Сварочные агрегаты:

7) Кондиционеры:

8) Электропечи сопротивления:

9) Слиткообдирочные станки:

10) Сверлильные станки:

11) Кран- балка:

12) Конвейеры ленточные:

13) Обдирно – шлифовальные станки:

14) Сварочный стенд:

15) Сварочные трансформаторы:

16) Электротраль:

Все полученные данные заносим в таблицу 2.1

Таблица 2.1 Расчет электрических нагрузок низковольтной сети по группам подключения

ЭП, подключаемые к одному шинопроводу или силовому пункту	n,ф	Номинальная мощность, кВт	Ки	tgф	Рср, кВт	Qср, кВАр	nэ	Кр	Рр, кВт	Qр, кВАр
Одного ЭП	общая
Сварочные преобразователи				0,3	1,3	6,6	8,58
Сварочный полуавтомат				0,35	1,17	6,3	7,37
Слиткообдирочные станки		4,5	22,5	0,14	1,73	4,55	7,87
Вентиляционные установки				0,65	0,75	5,85	4,39
Итого по СП1		52,5	106,5	0,28	0,75	23,3	28,21		1,3	30,29	36,67
Кондиционеры				0,7	1,73	16,8	29,06
Электропечи сопротивления				0,7	0,3	157,5	47,25
Итого по СП2				0,7		174,3	76,31			174,3	76,31
Вентиляционные установки				0,65	0,75	5,85	4,39
Сварочные трансформаторы				0,25	1,73	2,88	4,98
Кран-балка				0,1	0,62	0,387	0,24
Итого по СП3				0,37		9,117	9,61		1,2	10,94	11,53
Кондиционеры				0,7	1,73	16,8	29,06
Электроталь		1,25	1,25	0,05	0,62	0,0435	0,03
Сварочный стенд		11,2	11,2	0,25	1,3	2,175	2,83
Конвейеры ленточные		4.5		0,55		3,3	3,30
Сверлильные станки		1,8		0,14	1,73	0,924	1,60
Обдирно-шлифовальные станки				0,14	1,73	1,68	2,91
Итого по СП4		35,75	66,45	0,13		7,5621	10,08		1,8	13,61	18,14
Сварочные преобразователи				0,3	1,3	6,6	8,58

Продолжение таблицы 2.1

Сварочные выпрямители		8,8	26,4	0,25	1,3	9,15	11,90
Вентиляционные установки				0,65	0,75	5,85	4,39
Токарные станки импульсной наплавки		15,1	30,2	0,14	1,73	2,94	5,09
Итого по СП5		53,7	88,6	0,27		24,54	29,95		1,3	31,90	38,93
Слиткообдирочные станки		4,5		0,14	1,73	0,91	1,57
Обдирно-шлифовальные станки				0,14	1,73	0,56	0,97
Сверлильные станки		2,2	4,4	0,14	1,73	0,616	1,07
Вентиляционные установки				0,65	0,75	11,7	8,78
Сварочные агрегаты		6,5		0,25	1,3	8,1	10,53
Итого по СП5		27,2	95,4	0,33		21,886	3,61		1,0	22,54	3,72
Итого по ГРЩ1		281,6	641,9	2,08		260,70	157,7			283,59	185,3

2.2 Расчет компенсации реактивной мощности

Расчетную реактивную мощность компенсирующих устройств можно определить из соотношения:

, (5)

где QK. P. – расчетная мощность компенсирующего устройства, кВАР;

α – коэффициент, учитывающий повышение cosφ естественным способом, принимается α=0,9;

- коэффициенты реактивной мощности до и после компенсации соответственно. Компенсацию мощности производим до cosφ=0.92.

Сварочный преобразователь:

Сварочный полуавтомат:

Сварочный выпрямитель:

Токарный станок импульсной наплавки:

Сварочные агрегаты:

Слиткообдирочные станки:

Сверлильные станки:

Кран-балка:

Обдирно – шлифовальные станки:

Сварочный стенд:

Сварочный трансформатор:

Электротраль:

Компенсирующие устройства буду установлены в точках I, II, III и IV.

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке I равна:

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке II равна:

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке III равна:

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке II равна:

Типы компенсирующих устройств занесены в таблицу 2.2

Таблица 2.2 Типы компенсирующих устройств

№ п/п	Место установки	Тип компенсирующего устройства	Мощность, кВАр	Номинальный ток фазы, А	Габаритные размеры (В×Ш×Г)
	I	УКРМ -0,4-25-УХЛ3			400 × 300 × 200
	II	УКРМ -0,4-5-УХЛ3			400 × 300 × 200
	III	УКРМ -0,4-40-УХЛ3			600 × 600 × 200
	IV	УКРМ -0,4-25-УХЛ3			400 × 300 × 200

Структура условного обозначения

Пример маркировки: УКРМ-0,4-40-УХЛ4

Пояснение маркировки:

УКРМ - установка компенсации реактивной мощности;

0,4 - номинальное напряжение, кВ;

40 - номинальная мощность, кВАр;

УХЛ4 - климатическое исполнение и категория размещения.

2.3 Расчет освещенности и нагрузки сети освещения

Кроме силовой нагрузки в цехе имеется осветительная нагрузка, расчетная величина которой определяется по формуле

P_р.о.= Р_уст ∙ К_с ∙ К_ПРА, (6)

Где: Р_уст – Установочная мощность ламп;

К_с – коэффициент спроса;

К_ПРА – коэффициент, учитывающий потери мощности в пускорегулирующей аппаратуре.

Для определения установочной мощности ламп необходимо найти их количество, которое зависит от размещения светильников в цехе.

Размещение светильников в плане и в разрезе цеха определяется следующими размерами:

Н=8м, Н_в=3,6 м – заданными высотами цеха и вспомогательных помещений;

h_c= 2м - расстоянием светильника от перекрытия;

h_п= Н - h_c – высотой светильника над полом;

h_p = 1 м – высотой расчетной поверхности над полом;

h = h_п - h_p – расчетной высотой;

L – расстояние между соседними светильниками или рядами ламп;

I – расстояние от крайних светильников до стены.

Основное требование при выборе расположения светильников заключается в доступности их при обслуживании. Кроме того, размещение светильников определяется условием экономичности. Важное значение имеет отношение расстояния между светильниками или рядами светильников к расчетной высоте λ=L/h, уменьшение его приводит к удорожанию осветительной установки и усложнению ее обслуживании, а чрезмерное увеличение приводит к резкой неравномерности освещения и к возрастанию расходов энергии.

При лучшем освещении легче обнаруживаются недостатки, допускаемые при обработке деталей и, следовательно, улучшается качество продукции. В свою очередь, недостаточное или нерациональное освещение могут стать причиной повышения травматизма, так как при недостаточной освещенности затрудняется различение опасных частей станков.

Существуют два вида освещения: естественное и искусственное.

Для освещения сварочного участка цеха предварительно выбираем светильники РСП 05-700-001с ртутно-кварцевыми лампами с исправленной цветностью типа ДРЛ.

Для выбранного светильника РСП 05-700-001, имеющего глубокую кривую силы свечения по [3,с.260,таблица 10.4] принимаем λ=1. Для освещения вспомогательных помещений выбраны светильники ЛПО 12-2х40-904 с люминесцентными лампами ЛБ, для которых λ=0,9.

Находим значение расчетной высоты h для цеха и вспомогательных помещений по формуле:

, (7)

Следовательно, расстояние между рядами светильников в цехе и во вспомогательных помещениях:

(8)

В соответствии с полученными значениями L выполнено размещение светильников в сварочном участке цеха, которое показано на рисунке 2.

Рис. 2. Размещение светильников в сварочном участке цеха

Для определения мощности ламп методом коэффициента использования рассчитывается световой поток каждого светильника, необходимый для получения нормы освещённости:

(9)

Где Ф – световой поток одного светильника, лм;

Е_н – нормированная минимальная освещенность, лк;

К_зап = 1,5 – коэффициент запаса;

S – площадь помещения, m²;

z = 1,15- коэффициент неравномерности для ламп ДРЛ;

ŋ- коэффициент использования светового потока, о.е.;

N- число светильников.

Для остальных помещений по формуле (2.9) при подстановки в неё вместо числа светильников N числа рядов n люминесцентных ламп рассчитывается световой поток ламп одного ряда.

Норма освещенности для станочного отделения цеха – Е_Н.i =300лк [4,c.94-100.]

Коэффициент использования светового потока является функцией индекса помещения i:

(10)

Здесь А – длина помещения, m;

В – ширина помещения, m.

Индекс помещения для механического отделения цеха согласно плану:

Кроме индекса помещения, для нахождения коэффициента использования светового потока необходимо знать коэффициенты отражения потолка, стен и рабочей поверхности.

Для чистого бетонного потолка, бетонных стен с окнами и темной расчетной поверхностью: р_п= 70%, р_с=50%, р_р=30% [4,табл.5-1] .

По [4,табл.5-9] определили коэффициент использования светового потока для половины механического отделения –ŋ= 90%.

В соответствии с планом размещения светильников (рис. 2.1.) определяем требуемый световой поток для половины механического отделения

лм

По [4, табл.2,15] выбираем лампы ДРЛ 400, имеющие мощность ламп Р_ном = 400 Вт и световой поток Ф_ном =23500лм. Световой поток выбранных ламп отличается от расчетного значения на 2,2%,что допустимо [3,с.261].

Индекс помещений [4,табл.5.11] для сварочного поста-1:

Требуемый световой поток для двух рядов светильников в сварочном посту-1:

Выбираем лампы ЛБ40-1, имеющие мощность P_ном =40 Вт и световой поток Ф_ном = 3000 лм.

(11)

Определяем число светильников N в одном ряду:

Здесь 2- число ламп в одном светильнике ЛПО12-2х40-904:

Суммарная длина N светильников ЛПО12-2х40-904

(12)

Здесь L₁ = 1,54m – длина одного светильника ЛПО12-2х40-904 [4,табл.3-9].

Аналогичным образом рассчитано число светильников и их суммарная длина для остальных помещений, расчет показан в таблице 2.3. При этом для всех остальных помещений выбраны светильники ЛПО12-2х40-904 с лампами ЛБ40-1

Общее число светильников ЛПО12-2х40-904 в цехе: N_л =54

Таблица 2.3. Расчет числа светильников для помещений цеха

Помещение	Ен, лк	h, м	А, м	В, м	n	i	η, о.е.	Ф, лм	N
Механическое отделение						3,69	0,9
Термическое отделение	2,34				2,36	0,54
Отделение импульсной наплавки				2,05	0,54
Сварочный пост-1				1,46	0,54
Сварочный пост-2				1,46	0,54
Сварочный пост-3				1,02	0,54
Сварочный пост-4				1,02	0,54
Склад			9,5		1,85	0,58

Общее число ламп ЛБ-40 в цехе: N_л=108

Число ДРЛ400: N_д=36

Установленная мощность ламп:

(13)

Р_уст= 36·400+108·40=14400+4320=18720 Вт.

По [3,с 271] определили значение коэффициентов спроса и учета потерь мощности в пускорегулирующей аппаратуре для люминесцентных ламп и ламп ДРЛ: К_с=0,95; К_{ПРА Л} = 1,2; К_{ПРА Д} = 1,1. Следовательно, осветительная нагрузка цеха:

P_ро=14,4∙0,95·1,1+4,32·0,95·1,2=19,97 кВт;

Q_ро= P_ро∙tgφ_o=19,97∙0.33=6,59 кВАр

Таким образом, полная нагрузка цеха, с учетом осветительной нагрузки составляет:

Р_р∑= P_{цех р}+ Р_ро (14)

Q_р∑=Q_{цех р}+Q_ро (15)

Р_р∑= 392,0724+19,97=412,04 кВт.

Q_р∑= 291,4748+6,59=298,064 кВАр.

2.3 Выбор типа, числа и расчет мощности силовых трансформаторов на подстанции

Выбор типа, числа и схем питания подстанций должен быть обусловлен величиной и характером электрическим нагрузок, и надёжностью электроснабжения потребителей. ТП должна размещаться как можно ближе к центру размещения потребителей. Для этого применяем встроенную в здание ТП.

По категории электроснабжения данный объект относится к потребителям электроэнергии 2 и 3 категории потребителей, поэтому к установке применяются 2 трансформатора.

Определяем мощность трансформаторов:

(16)

где S_Ц– полная мощность цеха.

Определяем потери в трансформаторе:

(17)

(18)

(19)

C учетом расчетов выбираем 2 трансформатора ТМ – 400-10/0,4 – трансформаторы силовые масляные.

Производится проверка выбранного трансформатора на коэффициент загрузки формула:

(20)

(21)

- должен быть близок к значению 0,6-0,75;

- должен быть меньше или равен 1,4.

Коэффициенты загрузки соответствуют нормативам, данный трансформатор подходит для применения.

Выписываются паспортные данные трансформатора:

; ;

; .

Определяем расчётную мощность трансформаторной подстанции

а) Определяются потери в трансформаторе формула:

(22)

б) Определение потерь на трансформаторной подстанции формула:

(23)

в) Определение расчётной мощности трансформатора формула:

(24)

г) Выбор сечения высоковольтной линии производится по экономической плотности тока формула.

(25)

где J – плотность тока для кабельной линии и работы в две смены равна 1,4.

(26)

Выбирается для прокладки кабель с алюминиевыми жилами 16 мм² с допустимым током 46 А с поливинилхлоридной изоляцией.