Расчет и выбор компенсирующего устройства

Активная энергия, потребляемая электроприемниками, преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и т.п. Определенный процент активной энергии расходунтся на потери. Реактивная мощность Q не связана с полезной работой ЭП и расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, линиях.

В цепи переменного тока, имеющей чисто активную нагрузку, ток совпадает по фазе с приложенным напряжением. Если в цепь включены электроприемники, обладающие активным и индуктивным сопротивлением (АД, сварочные и силовые трансформаторы), то ток будет отставать от напряжения на некоторый угол φ, называемый углом сдвига фаз (Рисунок 2.1). Косинус этого угла называется коэффициентом мощности.

Рисунок 2.1 Векторные диаграммы

Из рисунка 1 видно, что с увеличением активной составляющей тока I_а и при неизменной величине реактивной составляющей I_р, угол φ будет снижаться, следовательно, значение cosφ будет увеличиваться. Наоборот, при неизменной величине I_а с увеличением реактивной составляющей тока I_р, угол φ будет увеличиваться, а значение cosφ будет снижаться.

Генераторы переменного тока и трансформаторы характеризуются номинальной мощностью S_ном. Электроприемники характеризуются номинальной активной мощностью P_ном и cosφ. Полная мощность источника согласно векторной диаграмме

(2.11)

Если нагрузка источника только активная, т.е. φ=0, а cosφ=1, то S=P и наибольшая активная мощность электроприемников может быть равна номинальной мощности источника. Если cosφ=0,8, то P=0,8S_ном. Таким образом, величина cosφ характеризует степень использования мощности источника. Чем выше cosφ электроприемников, тем лучше используются генераторы электростанций и их первичные двигатели; наоборот, чем ниже cosφ, тем хуже используются электрооборудование подстанций и электростанций и всех других элементов электроснабжения.

Компенсация реактивной мощности, или повышение cosφ электроустановок, имеет большое народно-хозяйственное значение и является частью общей проблемы КПД работы систем электроснабжения и улучшения качества отпускаемой потребителю электроэнергии.

Повышение cosφ, или уменьшение потребления реактивной мощности элементами системы электроснабжения, снижает потери активной мощности и повышает напряжение; кроме того, увеличивается пропускная способность элементов электроснабжения.

Величина cosφ задается энергоснабжающей организацией и находится в пределах cosφ_э=0,92

Для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии предполагается провести следующие мероприятия, которые не требуют применения специальных компенсирующих устройств:

1.Упорядочение всего технологического процесса, что приводит к улучшению энергетического режима оборудования, а следовательно, и к повышению коэффициента мощности;

2.Переключение статорных обмоток асинхронных двигателей с треугольника на звезду, если их нагрузка составляет менее 40%;

3.Устранение режима работы асинхронных двигателей без нагрузки (холостого хода) путем установки ограничителей холостого хода;

4.Замена малозагруженных двигателей меньшей мощности при условии, что изъятие избыточной мощности влечет за собой уменьшение суммарных потерь активной энергии в двигателе и энергосистеме;

5.Замена асинхронных двигателей синхронными двигателями той же мощности, где это возможно по технико-экономическим соображениям;

6. Повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных.

В качестве компенсирующего устройства в курсовом проекте применяется комплектная конденсаторная установка напряжением 0,38 кВ, что обусловлено следующими преимуществами:

1.Небольшие потери активной энергии в конденсаторах;

2.Простота монтажа и эксплуатации;

3.Возможность легкого изменения мощности комплектной конденсаторной установки в результате увеличения или уменьшения числа конденсаторов в фазе;

4.Возможность легкой замены поврежденного конденсатора;

Недостатки комплектной конденсаторной установки:

1.Конденсаторы неустойчивы к динамическим усилиям, возникающим при коротких замыканиях;

2.При включении конденсаторной установки возникают большие пусковые токи до 10I_ном;

3.После отключения конденсаторной установки от сети на ее шинах остается заряд, который может быть опасен для обслуживающего персонала;

4.Конденсаторы весьма чувствительны к повышению напряжения (повышение напряжения допускается не более, чем на 10% от номинального);

5.После пробоя диэлектрика конденсаторы довольно трудно ремонтировать, чаще всего их приходится заменять новыми.

Где HL – лампа накаливания служит для разряда конденсаторных батареек.

Рисунок 2.2 Присоединения конденсаторов к шинам на напряжение 0,38 кВ.

1 Рассчитываем

(2.12)

2 Рассчитываем мощность компенсирующего устройства

(2,13)

(2,14)

(2,15)

Подбираем стандартные значение мощности каждой батарее и тип ее по таблице:

КЭ1-0,38-20-2У1 (ЗУ1) S_ном=20 кВАр. [2, с 382, табл 6,21]

3 Рассчитываем полную максимальную мощность с учетом мощности каждой батарее

(2,16)

4 Определяем коэффициент мощности

(2,17)

2.3 Выбор напряжения и схемы питания силовых и осветительных нагрузок цеха.

Питание линии осветительной сети присоединяют к групповым щиткам через установленные на них аппараты защиты и управления. Групповые щитки устанавливают в местах доступных для обслуживания. В отдельных производствах, где перегрев питания освещения недопустим, а также где требуется эвакуация рабочих, применяют питание групповых щитков аварийного освещения от двух источников.

Учитывая особенности радиальных и магистральных сетей, обычно применяют смешанные схемы электрических сетей в зависимости от характера производства, условий окружающей среды и т. д. Например, в механических цехах машиностроительной

промышленности при си­стеме блока «трансфо­рматор - магистраль» электроснабжение выпо­лняют магистральным шинопроводом ШМА, к которому присоединяют распреде­лительные шинопроводы ШРА. На не­которых участках цеха устанавливают распреде­лительные пункты для питания электроприемников, которые присоединяют к бли­жайшим магистральным или распределительным шинопроводам.

Подключение ШМА к распределительным устройствам КТП (шкафам) подстанции производится «напрямую» или через присоединительные секции ШМА.

Присоединение распределительных шинопроводов к КТП производится кабелем или проводом, который подводится к вводной коробке ШРА.

Осветительные нагрузки цехов при радиальных схемах силовой сети питаются отдельными линиями от щитов подстан­ций; при магистральных схемах и схемах подстанций, выполнен­ных по системе блока «трансформатор - магистраль», - от головных участков магистралей.

В крупных цехах при радиальной или магистральной схеме от щита подстанции до распределительного щита, установлен­ного в цехе, прокладывают самостоятельную осветительную сеть, которую называют, так же как и в силовых сетях, питающей. От распределительных щитов осуществляется питание групповых щитков. В небольших цехах распределительные щиты можно не устанавливать, а питающую сеть от источника питания подводить непосредственно к групповым щиткам.

Выбор напряжения выше 1 кВ производится в зависимости от мощности электроустановок предприятия одновременно с выбором всей схемы электроснабжения. Для питания предприятия малой мощности и в распределительных сетях внутри предприятия используются напряжения 6-10 кВ. Причем напряжения 10 кВ большинстве случаев является более предпочтительным. Напряжение 6 кВ целесообразно тогда, когда нагрузки и ТП предприятия получают питание от шин генераторов промышленной ТЭЦ, а предприятие на минимальное напряжение.

При проектирование новых и реконструкций действующих промышленных предприятий следует стремиться к ликвидации напряжения 6 и 35 кВ путем перевода существующих сетей 6 кВ на напряжение 10 кВ и создание питающих сетей – напряжением 110-220 кВ вместо сетей 35 кВ.

Для внутрицеховых сетей наиболее распространение имеет напряжение 380/220 В, основным преимуществом которого является возможность совместного питания силовых и осветительных ЭП. Наибольшая единичная мощность трехфазных ЭП, получающих питания питание от системы напряжений 380/220 В, как правило, не должна превышать 220-250 кВт, допускающих применение компенсирующей аппаратуры на ток 630 А.

Исходя, из вышесказанного на высокой стороне трансформатора используется напряжение 10/0,4 кВ.

В данном курсовом проекте на стороне 10 кВ трансформатора установлены: разъединитель, предохранитель, трансформатор тока и напряжения. На стороне 0,4 кВ установлен автоматический выключатель.

Разъединитель — это коммутационный аппарат, предна­значенный для коммутации цепи без тока; для создание надежного видимого разрыва цепи для обеспечения безопасного проведения ремонтных работ на оборудовании и токоведущих частях электроустановки.

Предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

Трансформатор напряжения предназначен для отделе­ния цепей измерения и релейной защиты от первичных це­пей высокого напряжения.

Трансформатор тока предназначен для понижения пер­вичного тока до стандартной величины (5 или 1 А) и для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.

Автоматический выключатель — это контактный коммутационный аппарат (электротехническое или электроустановочное устройство), способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состоянии электрической цепи, а также включать, проводить в течение определённого устанавливаемого времени и отключать токи в определённом аномальном состоянии цепи электрического тока. Автоматический выключатель предназначен для защиты кабелей, проводов и конечных потребителей от перегрузки и короткого замыкания.

2.4 Расчет и выбор числа мощности цеховых трансформаторов.

Выбор типа, числа и схем питания подстанций должен быть обусловлен величиной и характером электрических нагрузок, размещением нагрузок на генеральном плане предприятия, а также производственными, архитектурно-строительными и эк­сплуатационными требованиями.

ТП должны размещаться как можно ближе к центру размещения потребителей. Для этого должны применяться внутрицеховые подстанции, а также встроенные в здание цеха или пристроенные к нему ТП, питающие отдельные цехи (корпуса) или части их.

ТП должны размещаться вне цеха только при невозмож­ности размещения внутри его или при расположении части нагрузок вне цеха.

Однотрансформаторные цеховые подстанции применяются при питании нагрузок, допускающих перерыв электроснабжения на время доставки «складского» резерва, или при резервирова­нии, осуществляемом по перемычкам на вторичном напряже­нии.

Двухтрансформаторные цеховые подстанции применяются при преобладании потребителей 1-й и 2-й категорий, а также при наличии неравномерного суточного или годового графика нагрузки.

Цеховые подстанции с числом трансформаторов более двух используются лишь при надлежащем обосновании не­обходимости их применения, а также в случае установки раздельных трансформаторов для питания силовых и осве­тительных нагрузок.

Радиальное питание небольших однотрансформаторных под­станций (до 630 кВ • А) производят по одиночной радиальной линии без резервирования на стороне высшего напряжения при отсутствии нагрузок 1-й категории.

Взаимное резервирование в объеме 25-30% на однотранс­форматорных подстанциях следует осуществлять при помощи перемычек на напряжении до 1000 В (при схеме «трансформа­тор—магистраль») для тех отдельных подстанций, где оно необходимо.

При выборе числа и мощности трансформаторов подстан­ций рекомендуется:

трансформаторы мощностью более 1000 кВ-А применять при наличии группы электроприемников большой мощности (например, электропечей) или значительного числа однофазных электроприемников, а также при наличии электроприемников с частыми пиками нагрузки (например, электросварочных установок) и в цехах с высокой удельной плотностью;

стремиться к возможно большей однотипности трансформа­
торов цеховых подстанций;

при двухтрансформаторных подстанциях, а также при однотрансформаторных подстанциях с магистральной схемой электроснабжения мощность каждого трансформатора выби­рать с таким расчетом, чтобы при выходе из строя одного трансформатора оставшийся в работе трансформатор мог нести всю нагрузку потребителей 1-й и 2-й категорий (с учетом допустимых нормальных и аварийных нагрузок); при этом потребители 3-й категории могут временно отключаться.

Для этого номинальная мощность трансформаторов двухтран-сформаторной подстанции принимается равной 70% от общей расчетной нагрузки цеха. Тогда при выходе из строя одного из трансформаторов второй на время ликвидации аварии оказывается загруженным не более чем на 140%, что допустимо в аварийных условиях.

Ориентировочно выбор числа и 'мощности трансформаторов может производиться по удельной плотности нагрузки (кВА/м²) и полной расчет­ной нагрузке объекта (кВА).

Число и мощность трансформаторов выбираются с учетом перегрузочной способности трансформатора.

1. Задаемся количеством трансформаторов «n» в зависимости от мощности и категории ЭП.

U=10-0.4 кВ, II категория, S ^‘_max= 73.44 кВА, К_з=40%., n = 1.

2. В зависимости от этих же величин задаемся коэффициентом загрузки К_з=0,7.

3. Определяем расчетные значения мощности трансформатора

(2.18)

где S ^‘_max – мощность с учетом компенсации.

Находим стандартные значения номинальной мощности трансформатора и тип трансформатора в таблице

S_ном=160 КВА ТСЗ160/10 [2, с 120, табл 3,3]

4 Проверяем выбранный трансформатор по К_з

(2,19)

2.5 Расчет и выбор распределительной сети 0,38 кВ

2.5.1 Расчет и выбор защитной аппаратуры.

Электрические предохранители (Автоматы) предназначены для автоматического отключения нагрузки от электрической сети при перегрузках в сети или короткого замыкания.

Автоматы снабжены специальным исполнительным механизмом расцепителем, который непосредственно осуществляет размыкание электрической цепи. Большинство этих современных бытовых устройств – комбинированные. Они имеют электромагнитный и тепловой расцепитель и могут одновременно защитить и от перегрузки сети, и от короткого замыкания.

Электромагнитный расцепитель – это электромагнит, способный защитить цепь от короткого замыкания, когда ток мгновенно возрастает до критических значений, в 5-10 раз превышающий номинальные показатели. Автомат при этом должен отключить цепь за время порядка 0,01 секунды.

Тепловой расцепитель – биметаллическая пластина, изменяющая свою форму при нагреве. Этот элемент предупреждает критические перегрузки, сопровождающиеся значительным разогревом проводников, оплетка которых может воспламенится.

Важно отметить, что номинал автомата выбирается исходя из допустимой токовой нагрузки проводников. То есть, должно быть достигнуто соответствие характеристик автомата и сечений проводников той потребляемой мощности, которая заложена в проекте электроустановки.

1 Выбираем автоматический выключатель к распределительному шинопроводу ШРА-1.

(2,20) (2,21)

(2,22)

(2,23)

(2,24)

, n – берем равное 3.

50А 45,78А

150А 1,25 101=126,25А

Выбираем автомат ВА51Г-25

2 Выбираем кабель к распределительному шинопроводу ШРА-1

. (2,25)

, I_защ = I_э (2,26)

К_защ=1 [1, с 46, табл 2,10]

60А 45,79 А

60А 1 50 А

Выбираем 4-х жильный кабель сечением (16x3+1x10) АВРГ.

3 Выбираем автоматический выключатель к распределительному шинопроводу ШРА-2.

, n – берем равное 3.

50А 45,78А

150А 1,25 101=126,25А

Выбираем автомат ВА51Г-25

4 Выбираем кабель к распределительному шинопроводу ШРА-2

60А 46,3А

60А 1 50А

Выбираем 4-х жильный кабель сечением (16x3+1x10) АВРГ.

5 Выбираем автоматический выключатель к распределительному щиту РЩ.

, n – берем равное 7.

31,5А 26,5А

220,5А 1,25 78,5=98,13А

Выбираем автомат ВА51-31

6 Выбираем кабель к распределительному щиту РЩ.

60А 26,5А

60А 1 31,5А

Выбираем 4-х жильный кабель сечением (16x3+1x10) АВРГ.

7 Выбираем автоматический выключатель к магистральному шинопроводу ШМА

, n – берем равное 3.

125А 118,59А

375А 1,25 36,45=45,56А

Выбираем автомат ВА51-33

2.5.2 Расчет и выбор проводов и кабелей

Ток проходя по проводнику вызывает его нагрев. Каждое сечение должно быть рассчитано определенную величину тока, которая не допускает нагрева этого проводника. Это величина тока называется нормально допустимым током (I_{норм доп}), то есть должно соблюдаться условие. I_{норм доп} I_дл

Кроме этого выбранное сечение проводника должно соответствовать выбранному защитному аппарату, то есть

I_{норм доп} К_защ I_защ,

где I_защ – это номинальное напряжения расцепителя, I_э.

Таким образом условие выбора сечения записывается

I_{норм доп} I_дл (2,27) I_{норм доп} К_защ I_защ (2,28)

Для взрыва опасных помещений сечение провода увеличивается на 1,25 раза для того, чтобы сделать запас сечению и исключить перегрев.

I_{норм доп} 1,25 I_дл

I_{норм доп} К_защ I_защ

Для взрыва опасных помещений выбираем только медные проводники.

1 Выбираем автоматический выключатель к ЭП_1­ – конвейер ленточный сортировочный.

I_э I_дл (2,29)

I_{ср. р} 1,25 I_кр (2,30)

6,3А 1,52А

18,9А 1,25 3,84=4,8А

Выбираем автомат ВА51-31

2 Выбираем провод к ЭП₁.

I_{норм доп} I_дл 65А 1,52А

I_{норм доп} К_защ I_защ 65А 6,3 1= 6,3А

Выбираем провод сечение (10х3+1х6) АПРН.

2.5.3 Расчет и выбор распределительных шкафов и шинопроводов.

Шинопроводом – называется жесткий токопровод заводского изготовления напряжением до 1кВ, поставляемый комплектными сексиями.

Шинопроводом применяются для питания электроприемников одной технологической линии (например, сборочный конвейер), сосредоточенного большого числа электроприемников, выделенных в группу. Для удобства эксплуатации шинопроводы прокладываются над оборудованием, крепятся стойках или на тросах на высоте 2,5-3 м.

Шинопроводы по исполнению могут быть:

˜ Открытыми

˜ Шины на изоляторах

˜ Защищенными

˜ Закрытые

˜ Комплектные шинопроводы.

Электроприемники подключаются к ответвленным коробкам,

равномерно распределенными по длине шинопроводов.

Распределительные шинопроводы с алюминовыми шинами типа ШРА предназначены для распределения электроэнергии между электроприемниками. Шинопроводы ШРМ 75 и предназначен для использования в четырехпроводных сетях с напряжением 0,38 кВ, а так же в качестве осветительного.

Распределительные шкафы. На участках цеха для распределения электроэнергии, поступающей по питающим линиям, между группами силовых электроприемников, ус-танавливаются распределительные силовые шкафы.

При питание от магистральных шинопроводов одновременно силовых и осветительных нагрузок указанная предельная длина шинопроводов снижается примерно в 2 раза.

При магистральной схеме ЭП могут быть подключены в любой точке магистрали.

Рассчитываем распределительный шинопровод ШРА-1

Таблица 2.2

№	Наименование	Установленная мощность при ПВ=100%	Коэффиц. использ. Ки
Одного ЭП.
1	Конвейеры ленточные сортировочные	0,75	0,5	0,75
2,3	Унифицированные вентиляторные моечные машины	4,1	0,46	0,65
4	Конвейеры роликовые сортировочные	1,8	0,5	0,75
11	Электрические подъемники передвижные ПВ=25%	3,2	0,05	0,5
12	Элеваторы подачи томатов в дробилку	0,75	0,56	0,75
13	Установки дробления томатов	4,5	0,54	0,8
14	Подогреватели дробленой томатной пасты	6	0,5	0,35
15	Установки экстракторные	9	0,6	0,78
16	Установки разлива сока с подогревов.	3	0,6	0,78

1 Определяем среднесменную активную мощность за максимально загруженную смену:

1.2 Определяем суммарную полную мощность.

1.3 Определяем коэффициент силовой сборки m:

1.4 Определяем средний коэффициент использования:

1.5 Определяем эффективное число ЭП, учитывая что m > 3, а то

1.6 Определяем коэффициент максимума n_э=8, К_и=0,51:

[1., с. 55, таб. 2.15]

7 Определяем максимальную активную мощность:

1.8 Определяем среднесменную реактивную мощность:

1.9 Определяем максимальную реактивную мощность

, то

1.10 Определяем полную максимальную мощность:

1.11 Определяем максимальный ток нагрузки.

2 Рассчитываем распределительный шинопровод ШРА-2

Таблица 2.3

№	Наименование	Уст-ая мощ-ть при ПВ=100%	Коэффиц. использ. Ки
Одного ЭП.
17,23 28	Электрические подъемники передвижные ПВ=25%	(3,2) 1,6	0,05	0,5
18	Элеваторы подачи томатов в дробилку	0,75	0,56	0,75
19	Установки дробления томатов	4,5	0,54	0,8
20	Подогреватели дробленой томатной пасты	6	0,5	0,95
21	Установки экстракторные	9	0,6	0,78
22	Установки разлива сока с подогревов	3	0,6	07,8
Всего:	24,85	2,85	4,56

2.1 Определяем среднесменную активную мощность за максимально загруженную смену:

2.2 Определяем суммарную полную мощность.

2.3 Определяем коэффициент силовой сборки m:

2.4 Определяем средний коэффициент использования:

2.5 Определяем эффективное число ЭП, учитывая что m > 3, а то

2.6 Определяем коэффициент максимума n_э=9, К_и=0,5:

[1., с. 54, таб. 2.13]

2.7 Определяем максимальную активную мощность:

2.8 Определяем среднесменную реактивную мощность:

2.9 Определяем максимальную реактивную мощность

, то

2.10 Определяем полную максимальную мощность:

2.11 Определяем максимальный ток нагрузки.

3 Рассчитываем распределительный щит РЩ

Таблица 2.4

№	Наименование	Уст-ая мощ-ть при ПВ=100%	Коэффиц. использ. Ки
Одного ЭП.
5	Станки токарные	8,5	0,12	0,4
6,7	Станки шлифовальные	3,6	0,12	0,4
8	Станки сверлильные (1-фазный)	(1,5) 4,5	0,12	0,4
9,10	Вентиляторы	0,6	0,6	0,8
Всего:	17,2	0,96	2

3.1 Определяем среднесменную активную мощность за максимально загруженную смену:

3.2 Определяем суммарную полную мощность.

3.3 Определяем коэффициент силовой сборки m:

3.4 Определяем средний коэффициент использования:

3.5 Определяем эффективное число ЭП, учитывая что m > 3, а то

3.6 Определяем коэффициент максимума:

[1., с. 54, таб. 2.13]

3.7 Определяем максимальную активную мощность:

3.8 Определяем среднесменную реактивную мощность:

3.9 Определяем максимальную реактивную мощность

, то

3.10 Определяем полную максимальную мощность:

3.11 Определяем максимальный ток нагрузки.

Выбираем распределительный пункт типа ПР 85. [3, с.186, табл.А.7]

4 Рассчитываем магистральный шинопровод ШМА:

Выбираем ШМА-1600 с номинальным током I_ном=1600, А

2.6 Расчет токов короткого замыкания.

Коротким замыканием (КЗ) называют всякое случай­ное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы, электрическое соединение различных то­чек электроустановки между собой или землей, при кото­ром токи в ветвях электроустановки резко возрастают, пре­вышая наибольший допустимый ток продолжительного ре­жима (ГОСТ 26522—85).

В системе трехфазного переменного тока могут быть замыкания между тремя фазами — трехфазные КЗ, между двумя фазами — двухфазные КЗ

Возможно двойное замыкание на землю в различных, но электрически связанных частях электроустановки в сис­темах с незаземленными или резонансно-заземленными ней­тралями.