Проектирование системы электроснабжения

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Методические указания

к курсовому проектированию по дисциплине «Системы электроснабжения городов и промышленных предприятий» для студентов направления

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Курган 2017

Кафедра: «Энергетика и технология металлов»

Дисциплина: «Системы электроснабжения городов и предприятий»

Составили: канд. техн. наук, доц. В. И. Мошкин, доц. Деркач Н. С.

Составлены на основе переработанных методических указаний к курсовому проектированию по дисциплине «Системы электроснабжения» / Мошкин В. И., Деркач Н. С., Стрижова Т.А. Часть 1 и 2. – Курган: Изд-во КГУ. – 2005. – 55 с.

Утверждены на заседании кафедры « » 2017 г.

Рекомендованы методическим советом университета « » 2017 г.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие народного хозяйства и требования научно-технической революции диктуют необходимость совершенствования промышленной энергетики: создания экономически надежных систем электроснабжения промышленных предприятий, автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Электрическая энергия занимает первое место по своему влиянию на технологический процесс, на качество и количество выпускаемой продукции.

Одной из важнейших задач развития энергетики является разработка и построение рациональных систем электроснабжения. К этой задаче имеет непосредственное отношение курсовое проектирование системы электроснабжения предприятия, которое включает в себя рациональный выбор всех элементов системы электроснабжения, выбор рационального напряжения систем внешнего и внутреннего электроснабжения, нахождение рационального места расположения главной распределительной подстанции и компенсирующих устройств; выбор схемы питания и аппаратуры с учетом надежности электроснабжения.

Система электроснабжения на основе технико-экономических расчетов является одним из существенных резервов повышения эффективности капиталловложений и должна удовлетворять ряд требований: высокой надежности и экономичности, удобству и безопасности эксплуатации, должна обеспечивать требуемое качество электроэнергии, соответствующие уровни напряжения и т.п.

Курсовой проект по электроснабжению промышленных предприятий является итоговым этапом изучения целого ряда общепрофессиональных и специальных дисциплин. При курсовом проектировании студенту приходится самостоятельно ставить и решать вопросы, не имеющие однозначного ответа.

Перед началом работы над курсовым проектом руководителем выдается задание на проектирование. Во время работы с проектом студенты обязаны регулярно посещать консультации. На консультации руководитель просматривает выполненные разделы проекта и подтверждает или корректирует принимаемые технические решения. Студент полностью отвечает за принятые в проекте решения, правильность расчетов и грамотность изложения текста пояснительной записки.

Законченный проект, подписанный студентом и руководителем, представляется на защиту преподавателю, ведущего курсовое проектирование. При защите студент должен четко в течение 5-7 минут дать краткую характеристику, отметить основные принятые в проекте технические решения, а также ответить на вопросы.

При выставлении оценки учитывается не только качество выполнения проекта, но и знание студентом вопросов проектирования, устройства и особенностей примененного электрооборудования, вопросов эксплуатации и техники безопасности, а также умение аргументированно отстаивать принятые решения.

СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Исходными данными для курсового проекта служат генплан промышленного предприятия, установленные мощности по цехам (укрупненные данные) и по подробно рассчитываемому цеху, характеристики источников питания, заданные район расположения предприятий и вид грунта на его территории.

Проект должен содержать пояснительную записку объемом 50 страниц рукописного текста и графическую часть (один чертеж формата А1).

Пояснительная записка включает следующие разделы:

Технический паспорт проекта.

Введение.

Краткие сведения о технологическом процессе производства, среде цехов, об электроприемниках, режиме их работы и категории по надежности электроснабжения.

РАЗДЕЛЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Технический паспорт проекта

В паспорт включаются исходные данные и основные характеристики спроектированной системы электроснабжения предприятия:

- суммарная установленная мощность электроприемников предприятия (цеха) напряжением ниже 1000В;

- суммарная установленная мощность электроприемников предприятия (цеха) напряжением выше 1000В с указанием типа, количества и мощности отдельных электроприемников;

- категория основных потребителей по надежности электроснабжения (I, II, III);

- полная расчетная мощность на шинах ГПП (МВА);

- предельные значения коэффициента реактивной мощности (tgj);

- напряжение внешнего электроснабжения (кВ);

- мощность короткого замыкания в точке присоединения к энергосистеме питающих предприятие линий (МВА);

- расстояние от предприятия до питающей подстанции энергосистемы, тип и сечение питающей линии (км);

- количество, тип и мощность трансформаторов ГПП;

- напряжение внутреннего электроснабжения предприятия (цеха) (кВ);

- типы принятых ячеек распределительных устройств ГПП и высоковольтных РП предприятия;

- количество цеховых ТП, типы и мощность их трансформаторов;

- типы и сечение кабельных линий, токопроводов.

Введение

Во введении должны быть отражены требования, предъявляемые к системе электроснабжения и являющиеся основой при проектировании. Объем раздела не должен превышать 1 листа.

Характеристика производства

В разделе кратко описывается технологический процесс, дается характеристика режимов работы основных электроприемников и определяются необходимые требования к надежности питания цехов предприятия.

Приводится характеристика рода тока и классов напряжения основных групп электроприемников предприятия, при этом обязательно отмечаются электроприемники напряжением выше 1000В; дается характеристика окружающей среды (выбросы в атмосферу пыли, газа, химически активных паров) как в производственных помещениях, так и на территории предприятия; указывается влияние среды на выбор электрооборудования и, в частности, на его изоляцию, а также учитываются зависимость условий прокладки кабельных линий и выбираемых типов кабелей от типа грунта и видов коммуникаций на территории предприятия. Объем раздела 1 лист.

Общие положения

Определение расчетной нагрузки на разных ступенях системы электроснабжения рекомендуется проводить по методу упорядоченных диаграмм или по методу расчетных коэффициентов. Расчетная активная нагрузка группы трехфазных электроприемников на всех ступенях СЭС находится по средней нагрузке и коэффициенту максимума или по коэффициенту . Ниже расчет ведем по первому методу.

_, (3.1)

где – коэффициент максимума активной нагрузки при длительности интервала осреднения 30 мин;

– средняя активная нагрузка группы за наиболее загруженную смену;

– коэффициент использования;

–номинальная активная мощность этой группы.

Расчетная реактивная нагрузка группы электроприемников равна

при , (3.2)

при , (3.3)

где – коэффициент реактивной мощности рассматриваемой группы электроприемников; – средняя реактивная нагрузка.

Полная расчетная нагрузка группы трехфазных электроприемников определяется выражением:

. (3.4)

Нахождение расчетных нагрузок по уравнениям (3.1-3.4) возможно только при числе приведенных электроприемников , так как зависимости определены только для указанного числаэлектроприемников.

При приведенном числе электроприемников и числе фактических электроприемников, а также при рекомендуются упрощенные методы расчета [4, с. 250-253].

Определение расчетной нагрузки для однофазных электроприемников в курсовом проекте не проводится, условно считают, что все электроприемники трехфазные.

С целью упрощения расчетов электроприемники разделяются на группы А и Б, соответственно с переменными ( < 0,6) и мало меняющимися ( ) графиками нагрузок. Для группы А расчетные активная и реактивная нагрузки определяются по выражениям (3.1-3.3). Для группы Б коэффициент максимума принимается равным единице, а расчетные активная и реактивная нагрузки соответственно приравниваются средним и нагрузкам.

Дополнительно с целью упрощения допускается: если номинальная мощность электроприемников групп А или Б составит менее 25% суммарной мощности всех электроприемников рассматриваемого узла , то общую расчетную нагрузку можно определить соответственно как для электроприемников группы Б или группы А. При промежуточном соотношении мощностей следует выделять группы А и Б.

Расчетная нагрузка осветительных электроприемников определяется по удельной осветительной нагрузке на единицу производственной поверхности пола с учетом коэффициента спроса:

, (3.5)

где - коэффициент спроса по активной мощности осветительной нагрузки; - удельная осветительная нагрузка на 1 производственной поверхности пола цеха; - поверхность пола цеха, .

Информация о коэффициентах использования и коэффициентах мощности как для отдельных электроприемников, так и для характерных цехов по отраслям промышленности приводится в справочниках [2; 4; 11]. Из-за большого разнообразия наименований электроприемников и цехов не для всех них можно найти данные о и . В этом случае они принимаются равными соответствующим данным для электроприемников и цехов, схожих по режиму работы.

Расчетные кривые и таблицы для определения коэффициента максимума приводятся в тех же справочниках [2; 4; 11] .

Информация об удельной осветительной нагрузке дана в справочнике [4], а о коэффициентах спроса - в справочнике [2, с.44], [11, с.37].

Таблица 3.3 – Пример расчета электрических нагрузок по цеху

№ п/п	Наименование узла питания или группы электроприемников	Число электроприемников n	Установленная мощность, приведенная к ПВ=100%	m=Pн.макс/Pн.мин	Коэффициент использования Ки		Средняя нагрузка	Приведенное число электроприемников nэ	Коэффициент максимума Км	Расчетная (максимальная нагрузка	Расчетный ток Iр,А
Одного электроприемника Рн.мин/ Рн.макс, кВт	Всех электроприемников Рн, кВт	, кВт	, квар	, кВт	, квар	, кВ×А
	1. Механическое отделение Группа А Токарные станки Фрезерные станки ……………………... Кран-балка Вентилятор		3,2/11,2 0,6/20,0   4,85 1,7	74,8 86,9   4,85 1,7		0,12 0,17   0,15 0,65	2,31 1,2   1,73 0,75	8,97 14,8   0,73 1,10	20,6 17,7   1,25 0,83
Окончание таблицы 3.3
	Итого по группе А 2. Электроремонтное отделение Группа А Трансформатор сварочный Отрезной станок ……………………		0,6/20,0   14,3   1,95	240,8   14,3   3,9	>3	0,16   0,35   0,12	1,59   0,68   2,31	38,7   5,0   0,47	61,7   13,4   1,1	27,5	1,49	57,7	61,7	84,5
Итого по группе А Группа Б Сушильный шкаф Печь сопротивления Вентилятор		0,15/20   8,7 28,5 2,8	87,9   8,7 5,6	>3	0,22   0,7 0,7 0,65	1,61   0,33 0,33 0,78	18,9   5,6 3,6	30,4   1,8 2,8	8,79	1,9	35,9	33,4	-	-
	Итого по группе Б		0,15/28,5	299,3	-	0,698	0,33	209,2	70,6	-		209,2	70,6	-	-
	Итого по отделению ….…………………		0,15/28,5	387,2	-	0,589	0,44	228,1	101,0	-	-	245,1	104,0
	Итого по группе А цеха Итого по группе Б цеха		0,15/50 1,0/28,5		>3 -	0,238 0,687	1,2 1,77	416,9 356,3	503,9 632,3	58,5 -	1,2	500,3 356,2	503,9 632,3	- -	- -
	Итого по цеху		0,15/50		-	0,34	1,47	773,2	1136,2	-	-	856,6	1136,2

По справочникам находятся коэффициенты использования и мощности и производится разделение цехов на группы А и Б (электроприемники цехов относят к соответствующим группам) в зависимости от коэффициента .

Для каждого цеха, входящего в группу А, вычисляются средние активная и реактивная нагрузки. Затем с использованием значений и по кривым или таблицам находится коэффициент максимума и определяются расчетные активная и реактивная (с учетом величины числа ) нагрузки. Расчетная осветительная нагрузка цеха вычисляется по выражению (3.5) с учетом площади производственной поверхности пола цеха, определяемой по генплану предприятия, а также удельной осветительной нагрузки и коэффициента спроса на освещение . После суммирования нагрузок и с учетом нагрузки вычисляется полная расчетная низковольтная нагрузка цеха . В группу А предприятия включают также электроприемники группы А подробно рассчитываемого цеха. Для этого из таблицы расчета электрических нагрузок цеха переписывается строка «Итого по группе А цеха» (без осветительной нагрузки).

После нахождения нагрузок всех цехов, отнесенных к группе А, рассчитывается строка «Итого по группе А 0,4 кВ», в которой суммируются по колонкам номинальные активные мощности , средние активные и реактивная нагрузки и расчетные осветительные нагрузки , а в графе 4 записываются наименьшие и наибольшие мощности .

Далее вычисляются коэффициенты , , приведенное число электроприемников по (3.9) и находится коэффициент максимума для электроприемников напряжением до 1000 В группы А всего предприятия. С учетом полученных значений и определяются расчетные активная (без учета и с учетом осветительной нагрузки соответственно и ) и реактивная .

Для каждого цеха, входящего в группу Б, коэффициент максимума . Остальные расчеты аналогичны.

К группе Б предприятия следует отнести также электроприемники группы Б подробно рассчитываемого цеха (переписывается строка «Итого по группе Б цеха» , которая дополняется расчетными данными осветительной нагрузки) и освещение территории предприятия. В конце расчета группы Б по предприятию заполняется строка «Итого по группе Б 0,4 кВ».

Расчет низковольтных электроприемников предприятия заканчивается строкой «Итого по нагрузке 0,4 кВ», в которой суммируются из итоговых строк номинальные активные мощности, средние и расчетные активные (без учета и с учетом осветительной нагрузки) и реактивные нагрузки, осветительная нагрузка, а также вычисляются средние значения коэффициентов , , и полная расчетная нагрузка.

Для расчета электрических нагрузок высоковольтных электроприемников необходимо по заданной в варианте их суммарной номинальной мощности подобрать конкретные синхронные и асинхронные двигатели, различного рода электротехнологические установки (трансформаторы дуговых электропечей, электролизные установки и т.д.), которые выбираются в соответствии с технологией производства предприятия. При этом возможно незначительное изменение заданной в варианте номинальной мощности с учетом мощности выбранных электроприемников.

Определение расчетной нагрузки высоковольтных электроприемников производится так же, как и низковольтных. Методика расчета зависит от числа электроприемников, режима их работы, соотношения номинальных мощностей отдельных электроприемников (см. п. 3.4.1).

Расчетная реактивная нагрузка от синхронных двигателей принимается равной средней за наиболее загруженную смену, а от статических конденсаторов - номинальной мощности с пересчетом последней на фактическое напряжение сети. Реактивные нагрузки электроприемников, работающих с опережающим током, вычитаются из прочих реактивных нагрузок.

Особенности расчета нагрузок электроприемников большой мощности с резкопеременными графиками нагрузок (дуговые сталеплавильные печи, крупные сварочные установки, прокатные станы и др.) рассматриваются в специальной литературе [6].

В общем случае для высоковольтных электроприемников должны быть получены три итоговые строки: «Итого по группе А», «Итого по группе Б» и «Итого по высоковольтной нагрузке». Таблицу заканчивает строка «Итого по предприятию», в которой записываются суммарные данные по низковольтным и высоковольтным электроприемникам: номинальная активная мощность, средние и расчетные активные и реактивные нагрузки, полная расчетная нагрузка, а также средние для всего предприятия значение коэффициентов , .

Пример расчета электрических нагрузок по предприятию дан в таблице 3.4.

Расчетные данные по отдельным цехам в дальнейшем используются при выборе числа и мощности цеховых понижающих трансформаторов и затем с учетом потерь мощности в указанных трансформаторов – для расчета питающих линий. Расчетные данные по предприятию в целом с учетом потерь мощности в цеховых трансформаторах используются при выборе трансформаторов главной понизительной подстанции (ГПП) и расчете схем внешнего электроснабжения предприятия.

Таблица 3.4

№ п/п	Наименование цехов и узлов системы электро- снабжения промышленного предприятия	, кВт	, кВт				, кВт	, квар		кВт	,	, Вт/		, кВт	, кВт	, квар	, кВ×А
	Нагрузка 0,4 кВ Группа А Аппаратный цех Штамповочный цех ……………….. Склад продукции РМЦ (группа А)		47,6 31,6   8,5 29,9	58,5	0,5 0,3   0,1 0,238	0,86 1,33   0,75 1,20	8,5 416,9	6,4 503,9	1,11 1,09   2,42 1,2	20,6 500,3	-	-	0,85 0,85   0,85 -	9,2 -	29,8 500,3	7,04 503,9	30,6 -
3	Итого по группе А   Группа Б Термический цех Компрессорная станция ………………… РМЦ (группа Б) Освещение территории	-	8,5 ...214   41,25   21,6 -	-	0,44     0,75 0,8   0,687 -	1,01     0,62 0,75   1,77 -	356,3 -	632,3 -	1,06       -	356,3 -	-	-	-     0,85 0,85   0,85 0,6	11,5	367,8	632,3 -	-       -
	Итого по группе Б		21,6 …80		0,745	0,72					-	-	-				-
	Итого по нагрузке 0,4 кВ   Нагрузка 10 кВ Компрессорная станция (СТД-14-36-12) Кислородная установка (АН-2) Сталеплавильный цех (ЭТМПК-2700/10)		8,5 ...214		0,567     0,8   0,8   0,65	0,90     -0,48   0,54   0,57		-1935	-		-     -   -   -	-     -   -   -	-     -   -   -	-   -   -		-1935
	Итого по нагрузке 10 кВ		250…		0,721	0,14					-	-	-	-
	Итого по предприятию		8,5...		0,577	0,65			-		-	-	-

Выбор напряжения

Выбор величины напряжения распределительных сетей предприятия зави­сит от величин нагрузок на напряжениях 6 и 10 кВ. Критерием выбора яв­ляются технико-экономические показатели, в первую очередь приведенные затраты, которые рассчитываются как для сети, так и для понижающих подстанций.

Во всех случаях рациональное напряжение ( ) 6 или 10 кВ следует принимать на основе технико-экономических расчетов. Однако в курсовом проекте предлагается только техническое обоснование величины напряжения, при этом следует рассмотреть несколько практических вариантов.

1. Согласно «Инструкции по проектированию электроснабжения промыш­ленных предприятий. СН 174-75» для распределительных сетей следует применять, как правило, напряжение 10 кВ. Это решение однозначно принимается при отсутствии электроприемников на напряжение 6 кВ.

2. При установке на ГПП трансформаторов мощностью 25 МВ×А и более и наличии нагрузки электроприемников на напряжение 6 кВ, составляющей 40... 60% общей нагрузки предприятия, наиболее экономичной является схема электроснабжения с использованием трансформаторов с расщепленными вторичными обмотками на 10 и 6 кВ и распределительной сетью на два напряжения. При меньшей доле нагрузки электроприемников напряжением 6 кВ целесообразно принимать трансформаторы с расщепленными вторичными обмотками на напряжение 10 кВ, а электроприемники напряжением 6 кВ запитывать от групповых или индивидуальных трансформаторов, понижающих напряжение с 10 кВ до 6 кВ.

3. При установке на ГПП трансформаторов мощностью 16 МВ×А и менее с нерасщепленными обмотками и наличии электроприемников напряжением 6кВ практически во всех случаях целесообразно выбирать напряжение 6 кВ, так как иначе в общей стоимости расчетных затрат удельный вес согласу­ющих трансформаторов 10/6 кВ будет значительным [ ].

4. Если мощность электроприемников напряжением 6 кВ составляет менее 10-15% от суммарной расчетной мощности предприятия, то принимается , а электроприемники 6 кВ запитывают от понижающих трансформаторов 10/6 кВ.

Расчет питающих линий

Сечение кабелей напряжением 6...10 кВ определяется по экономической плотности тока и проверяется по допустимому току кабеля в нормальном режиме работы с учетом условий его прокладки, по току перегрузки, потере напряжения в послеаварийном режиме и термической стойкости к токам короткого замыкания. Весь расчет сводится в таблицу 3.13.

Расчетный ток в кабельнойлинии в нормальном режиме

I_p,k = S _p,k / ∙ U_{H ,} (3.33)

где S _p,k - полная мощность, которая должна передаваться по кабельной линии в нормальном режиме.

Например, при питании однотрансформаторной цеховой подстанции S _p,k - это расчетная нагрузка трансформатора подстанции, при питании двух­трансформаторной подстанции - расчетная нагрузка, приходящаяся на один трансформатор, а при питании распределительного устройства 6, 10 кВ -нагрузка, потребляемая одной секцией сборных шин. Для магистральной линии мощность S _p,k должна определяться для каждого участка путем сум­мирования расчетных нагрузок соответствующих трансформаторов, питаю­щихся по данному участку магистральной линии.

Сечение кабельной линии, определяемое по экономической плотности тока

F_э = I_p,k / j_э , (3.34 )

где j_э – экономическая плотность тока, зависящая от типа кабеля и про­должительности использования максимума нагрузки [3, табл.2-35].

По результату расчета выбирается кабель, имеющий ближайшее меньшее стандартное сечение по отношению к F_э. При выборе типа исполнения ка­беля должны учитываться условия окружающей среды [3, табл 2-36]. Для выбранного кабеля по таблицам находят длительно допустимый ток I_доп [3; табл. 4; 7; 11].

Допустимый ток кабеля с учетом условий его прокладки рассчитывается по формуле

I¢_доп = К_п ∙ К_t ∙ I_доп > I_p,k / n_k , (3.33)

где Кп - поправочный коэффициент на число параллельно прокла­дываемых кабелей [3, с. 81; 5, с. 141]; К_t - поправочный коэффициент на температуру среды, в которой прокладывается кабель [3, с. 81]; n_k - число запараллеленых кабелей в кабельной линии.

Согласно ПУЭ для кабельных линий, прокладываемых по трассам с раз­личными условиями охлаждения, сечения кабелей должны выбираться по участку трассы с худшими условиями охлаждения, если длина его состав­ляет более 10 м. Например, при прокладке кабеля в траншее и кабельном канале цеха коэффициент К_t берется по температуре цеха не ниже +20..25°С.

Под послеаварийным режимом кабельной линии следует понимать режим, когда выходитиз строя одна из двух кабельных линий, питающих потребители 1-й и 2-й категории. При этом нагрузка на линию удваивается, т.е. I_АБ =2·I_p,k. Допустимая перегрузка кабеля в указанном режиме

I¢_AB = K_AB ∙ I¢_доп > I_АВ / n_k , (3.36)

где K_AB – коэффициент аварийной перегрузки [5, с. 141; 7, с. 214].

Н

РПН-5

РПН-4

РПН-3

2 с.ш. 10 кВ

Рисунок 3.3 –Фрагмент упрощенной электрической схемы внутреннего электроснабжения предприятия

Потеря напряжения в кабельной линии

% 100%£ =10%, (3.33)

где Р_р ,Q_p - расчетные активная и реактивная нагрузки; Х_о ,R_о- удельные индуктивные и активные сопротивления кабеля [24, с. 98, 121, 127, 132].

На этом предварительный расчет кабельных линий для номинального и аварийного режимов заканчивается. Полученные сечения кабелей исполь­зуются при расчете токов короткого замыкания, после которого определя­ется сечение кабеля f_Тс по термической стойкости к токам к.з. и, ес­ли выбранное в данном разделе сечение кабеля оказывается меньше f_{t.с ,} производится его соответствующее уточнение в таблице 3.13.

Положения по расчету и выбору токопроводов на напряжение 6, 10, 35 кВ приведены в справочниках [3, разделы 1-22...1-25; 5, раздел 14].

Таблица 3.13 – Расчет кабельных линий

№ п/п

Конечные пункты кабельной линии

Рр , кВт

Qp , квар

S p,k , кВ×А

Ip,k , А

Fэ, мм2

ft.с, мм2

Тип и кол-во кабелей

Способ прокладки

Нагрузка на кабель А

Iдоп , A

Кп, О.е.

Кt, О.е.

I’доп A

КАВ О.е.

I’АВ A

l, мм

R0, Ом/км

x0, Ом/км

∆u, %

В норм. режиме

в послеаварийном режиме