Электрические сети

Введение

В настоящее время нельзя представить себе жизнь и деятельность современного человека без применения электричества. Основное достоинство электрической энергии — относительная простота производства, передачи, дробления, и преобразования. 

В системе электроснабжения объектов можно выделить три вида электроустановок: 

• по производству электроэнергии — электрические станции; по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии — электрические сети и подстанции; 
• по потреблению электроэнергии в производственных и бытовых нуждах — приемники электроэнергии. 

Электрической станцией называется предприятие, на котором вырабатывается электрическая энергия. На этих станциях различные виды энергии (энергия топлива, падающей воды, ветра, атомная и т. д.) с помощью электрических машин, называемых генераторами, преобразуется в электрическую энергию. 

В зависимости от используемого вида первичной энергии все существующие станции разделяются на следующие основные группы: тепловые, гидравлические, атомные, ветряные, приливные и др. 

Совокупность электроприёмников производственных установок цеха, корпуса, предприятия, присоединённых с помощью электрических сетей к общему пункту электропитания, называется электропотребителем. 

Совокупность электрических станций, линий электропередачи подстанций тепловых сетей и приемников, объединенных общим непрерывным процессом выработки, преобразования, распределения тепловой электрической энергии, называется энергетической системой. 

Электрические сети подразделяются по следующим признакам: 

1) Напряжение сети. Сети  могут быть напряжением до 1 кВ — низковольтными, или низкого напряжения (НН), и выше 1 кВ высоковольтными, или высокого напряжения. 

2) Род тока. Сети могут  быть постоянного и переменного  тока.  
Электрические сети выполняются в основном по системе трёхфазного переменного тока, что является наиболее целесообразным, поскольку при этом может производиться трансформация электроэнергии. 

3) Назначение. По характеру  потребителей и от назначения  территории, на которой они находятся, различают: сети в городах, сети  промышленных предприятий, сети  электрического транспорта, сети  в сельской местности. 

Кроме того, имеются районные сети, Сети межсистемных связей и др. 

ГЛАВА 1 Краткая характеристика проектируемого объекта

Ремонтно-механический цех (РМЦ) предназначен для ремонта и настройки электромеханических приборов, выбывающих из строя. 

Он является одним из цехов металлургического завода, выплавляющего и обрабатывающего металл. РМЦ имеет два участка, в которых установлено необходимое для ремонта оборудование: токарные, строгальные, фрезерные, сверлильные станки и др. В цехе предусмотрены помещения для трансформаторной подстанции (ТП), вентиляторной, инструментальной,складов, сварочных постов, администрации и пр. 

РМЦ получает ЭНС от главной понизительной подстанции (ГПП). Расстояние от ГПП до цеховой ТП - 0,9 км, а от энергосистемы (ЭНС) до ГПП - 14 км. Напряжение на ГПП - 6 и 10 кВ. 

Количество рабочих смен - 2. Потребители цеха имеют 2 и 3 категорию надежности ЭНС. Грунт в районе РМЦ - чернозем с температурой +20 С. Каркас  
здания цеха смонтирован из блоков-секций длиной 6 м. каждый. 

Размеры цеха 

Вспомогательные помещения двухэтажные высотой 4 м. 

Перечень оборудования РМЦ дан в таблице 1. 

Мощность электропотребления   указана для одного электроприемника. 

Расположение основного оборудования показано на плане. 

Таблица  SEQ Таблица \* ARABIC 1 Перечень ЭО ремонтно-

механического цеха. 

ГЛАВА 2 Разработка схемы электроснабжения объекта

Для распределения электрической энергии внутри цехов промышленных предприятий служат электрические сети напряжением до 1000В. 

Схема внутрицеховой сети определяется технологическим процессом производства, планировкой помещений цеха, взаимным расположением ЭП, ТП и вводов питания, расчетной мощностью, требованиями бесперебойности электроснабжения, условиями окружающей среды, технико-экономическими соображениями. 

Питание ЭП цеха обычно осуществляется от цеховой подстанции ТП или ТП соседнего цеха. 

Внутрицеховые сети делятся на питающие и распределительные. 

Питающие сети отходят от центрального распределительного щита цеховой ТП к силовым распределительным шкафах СП, к распределительным шинопроводам ШРА или к отдельным крупным ЭП. В некоторых случаях питающая сеть выполняется по схеме БТМ ("Блок - трансформатор - магистраль"). 

Распределительные сети - это сети, идущие от силовых распределительных шкафов или шинопроводов непосредственно к ЭП. При этом ЭП подсоединяется к распределительным устройствам отдельной линией. Допускается подсоединять одной линией до 3-4 ЭП мощностью до ЗкВ, соединенные в цепочку. 

По своей структуре схемы могут быть радиальными, магистральными и смешанными. 

Радиальные схемы с использованием СП применяются при наличии сосредоточенных нагрузок с неравномерным их расположением по площади цеха, а также во взрыво и пожароопасных цехах, в цехах с химически активной и пыльной средой. Они обладают высокой надежностью и применяются для питания ЭП любых категорий. Сети выполняются кабелями или изолированными проводами. 

Магистральные схемы целесообразно применять для питания нагрузок распределительных относительно равномерно по площади цеха, а также для питания групп ЭП принадлежащих одной технологической линии. Схемы выполняются шинопроводами или кабелями. При нормальной среде для построения магистральных сетей можно использовать комплексные шинопроводы. 

Для питания ЭП проектируемого цеха применяем трехфазную четырехпроходную сеть напряжением 380/220В частоты 50Гц. Питание электрооборудования будет осуществляться от цеховой ТП. Т.к. потребители по надежности электроснабжения относятся к 2 и 3 категории, то на ТП устанавливаем 1 трансформатор и предусматриваем низковольтную резервную перемычку от ТП соседнего цеха. 

ГЛАВА 3 Определение расчетных силовых нагрузок

Правильное определение ожидаемых (расчётных) электрических нагрузок (расчётных мощностей и токов) на всех участках СЭС является главным основополагающим этапом её проектирования. От этого расчёта зависят исходные данные для выбора всех элементов СЭС - денежные затраты на монтаж и эксплуатацию выбранного оборудования (ЭО). 

Завышение ожидаемых нагрузок приводит к удорожанию строительства, перерасходу проводникового материала сетей, к неоправданному увеличению установленной мощности трансформаторов и другого ЭО. 

Занижение - может привести к уменьшению пропускной способности электрических сетей, перегреву проводов, кабелей, трансформаторов, к лишним потерям мощности. 

Для распределительных сетей расчётная мощность определяется по номинальной мощности (паспортной) присоединённых ЭП. При этом мощность ЭП работающих в повторно кратковременном режиме приводят к длительному режиму. 

Для линий питающих узлы электроснабжения (распределительные силовые пункты, шинопроводы, цехи и предприятия в целом) расчёт ожидаемых нагрузок осуществляется специальным методом. Расчётная ожидаемая мощность узла всегда меньше суммы номинальных мощностей присоединенных ЭП из-за не одновременности их работы, случайным вероятным характером их включения и отключения, поэтому простое суммирование ЭП приводит к существенному завышению нагрузки по сравнению с ожидаемой. Основным методом расчёта нагрузки является метод упорядоченных диаграмм. Метод применим, когда известны номинальные данные всех ЭП и их размещение на плане цеха. 

Порядок определения расчетных силовых нагрузок по методу упорядоченных диаграмм. 

1. Все ЭП, присоединенные к данному узлу группируют по одинаковому технологическому процессу , но не по одинаковой мощности, при этом мощности ЭП, работающих в повторно-кратковременном режиме приводят к длительному режиму. 

. 

2. Для каждой группы определяют общую мощность  , коэффициент использования  , тригонометрические функции   и   по [2] с. 52, таблица 2.11. 

3. Для каждой группы определяют сменную активную  , реактивную  по формулам 

, 

Где   - это среднее значение активной мощности потребляемая узлом. 

4. Для всего узла определяют  ,  ,   среднее значение коэффициента использования для всего узла 

• =    

средневзвешенные значения тригонометрических функций 

,  . 

5. Для узла определяют  коэффициент сборки  , где  - номинальная мощность самого мощного ЭП,  - номинальная мощность самого маломощного ЭП. m может быть больше, равен или меньше 3. 

6. Для узла определяют эффективное число электроприемников   - это условное число одинаковых по мощности и режиму работы ЭП, которые потребляли бы за смену такое же количество электроэнергии, как и реальные ЭП. Значение определяют по с. 55, 56 формулы 2.35 – 2.42. 

7. По значениям   и   определяют коэффициент максимума активной нагрузки   с. 54, таблица 2.13. 

8. Определяют максимальную расчетную активную мощность узла:  
. 

9. Определяют максимальную расчетную реактивную мощность узла:  , где   - это коэффициент максимума реактивной мощности. 

 при  . 

 при  . 

10. Определяют максимальную расчетную полную мощность узла: 

. 

11. Определяется максимальный расчетный ток узла 

. 

Расчет по СП – 1. 

Определяем модуль сборки: 

= 

Находим активную сменную мощность группы одинаковых ЭП за наиболее загруженную смену: 

кВт; 

кВт; 

кВт;  
Находим реактивную сменную мощность группы одинаковых ЭП за наиболее загруженную смену: 

кВа; 

кВа; 

кВа; 

Определяем средний коэффициент использования: 

. 

При расчете максимальной нагрузки выбираем условия расчета эффективного числа  . Так, для СП-1 , эффективное число   не определяется, а максимальная потребляемая активная мощность рассчитывается по коэффициенту загрузки  .  кВт. 

Определяем реактивную максимальную мощность: 

 кВа. 

Определяем полную максимальную мощность: 

кВа. 

Определяем максимальный ток нагрузки силового пункта СП-1: 

ГЛАВА 4 Расчет питающих и распределительных сетей

4.1 Расчёт  и выбор питающих линий

Согласно ПУЭ сечения проводников силовой сети напряжением до 1 кВ при числе использования максимума нагрузки в год меньше 4000 выбирают по нагреву или по допустимому току нагрузки. 

Известно, что ток, проходя по проводнику, нагревает его. Количество выделенного тепла определяется по закону Джоуля-Ленца  . Чем больше ток, тем больше температура нагрева проводника. Чрезмерно высокая температура может привести к преждевременному износу изоляции, ухудшению контактных соединений, а также пожарной опасности. Поэтому ПУЭ устанавливает предельно допустимые температуры нагрева проводников в зависимости от марки и материала изоляции проводника. 

Ток, длительно протекающий по проводнику, при котором устанавливается наибольшая допустимая температура, называется длительно допустимым током по нагреву  . 

Значение токов 1ДОП для проводников различных марок и сечений, с учётом температуры окружающей среды и условий прокладки определены расчётно, проверены экспериментально и приведены в справочниках. При этом значения допустимых токов приведены для нормальных условий прокладки ─ температура воздуха + 25 °С, температурой земли + 15 °С и в траншеи проложен один кабель. 

Если условия прокладки отличаются от нормальных, то допустимый ток определяется с поправками на температуру и поправкой на количества кабелей проложенных в одной траншее, тогда 

. 

Сечение жил проводников выбирают по условию  , где  ─ это максимальный расчётный ток в рассматриваемой линии. 

Вид и марку проводника сети выбирают в зависимости от среды, характеристики помещений его конфигурации, размещения оборудования, способу прокладки сетей. 

Питающие сети будут выполняются кабелем АВВГ (АВРГ). 

Результаты расчетов приведены в таблице 3. 

Таблица 3 Питающие линии 

4.2 Расчет  и выбор распределительных линий

Распределительные линии предполагается выполнять поливинилхлоридным проводом марки АПВ, уложенным в трубе. Сечение провода выбирается по условию  . Ток расчётный определяется по формуле 

, где  = 0,85. 

Находим СП1. 

1)  =  33,3 А.. 

2)  =  41,7 А.. 

3)  =  14,5 А.. 

Длительно допустимый ток для любой распределительной линии определяется по [2] стр. 42 таблица 2,7 для четырех одножильных проводников. 

=37 А. 

=37 А. 

=37 А. 

Расчёты по СП 2 - СП 7 производятся аналогично. Результаты расчета и выбора распределительных линий сведены в таблицу 4. 

Таблица 4 Распределительные линии 

ГЛАВА 5  Расчет защиты

5.1 Расчет  и выбор защиты питающих линий

При эксплуатации электрических сетей возможны нарушения их нормального режима работы, при которых ток в проводниках резко возрастает, что вызывает повышение их температуры выше величины допустимых ПУЭ. 

К таким аварийным режимам относя короткое замыкание и перегрузка. 

При коротком замыкании токи могут достигать значений в десятки раз превышающих номинальные токи электроприёмников и допустимые токи проводников. 

При перегрузках электроприёмников по обмоткам трансформаторов, двигателей и по проводникам протекают повышенные токи. Поэтому как электроприёмники так и участки сетей должны защищаться аппаратами защиты, отключающие участок при аварийном режиме. 

Для защиты электрический сетей напряжением до 1000 В плавкие предохранители, автоматические выключатели и тепловые реле магнитопускателей. 

Плавкие предохранители защищают от токов короткого замыкания. 

Автоматические выключатели имеют либо тепловые, либо электромагнитные, либо комбинированные (тепловой и электромагнитный) расцепители. Тепловые расцепители осуществляют защиту от перегрузок, а электромагнитные от токов короткого замыкания. 

Выбор предохранителей проводится в следующим условиям: 

1)для одиночных ЭП не имеющих предохранителей выбор проводится по следующим условиям  , где   — номинальный ток плавкой вставки,  — расчётный ток лини. 

2)для ЭП имеющих один двигатель 

а)   ; 

б) ; 

; 

• — коэффициент запаса; 
• = 1,6 для тяжёлых условий пуска; 
• = 2,5 для лёгких условий пуска; 

3) для линий питающих группу ЭП с двигателем 

а)  ; 

б)  ; 

Выбор автоматических выключателей проводится по следующим условиям. 

   . 

Ток срабатывания электромагнитных или комбинированных расцепителей проверяется по максимальному кратковременному току линии 

ПУЭ наряду с проверкой проводников по допустимому нагреву устанавливают определенное соотношение между токами защитного аппарата и допустимыми токами провода  , где   - ток защитного аппарата, К3 - коэффициент защиты стр. 46, таблица 2.10 Защита питающих распределительных линий будет, осуществляется с помощью включателей серии A3700. 

Защита питающих распределительных линий осуществляется автоматическими включателями серии А 3700. 

Расчет и выбор выключателей питающих линий выполняется в следующей последовательности. 

Определяется пиковый ток линии СП: 

, где 

=  ; 

= 231,1 А; КИ = 0,6; 

= 817,6; 

Определяется ток отсечки выключателя: 

 А. 

 А. 

Определяется ток предельного отключения: 

 кА. 

Определяем ток защищаемой линии: 

, где КЗ =1, IЗ =250 А. 

, условие выполняется. 

Расчеты по СП4,СП5 и СП6,СП7 проводятся аналогично. Результаты расчета и выбора выключателей сводим в таблицу 5. 

Таблица 5 Выбор защитных аппаратов питающих линий 

5.2 Расчет  и выбор защиты распределительных  линий 

Защита распределительных линий предусматривается с помощью плавких предохранителей. Расчет и выбор предохранителей отходящих линий выполняется в следующей последовательности; 

Определяется пусковой ток электроприёмников распределительного пункта СП-1: 

Для ЭП 6…8 : 

= 199,2 А. 

Для ЭП 9…11: 

= 250,2 А. 

Для ЭП 12…14 : 

= 87 А. 

Определяется номинальный ток плавкой вставки электроприемников СП-1 по формуле главы 3 стр. 160. табл. 3.9. 

Для ЭП 6…8 : 

Для ЭП 9…11 : 

Для ЭП 12…14 : 

По таблице 3.5 [1] стр. 139 принимаются нормированные значения токов установок. 

Для ЭП6…8  ; 

Для ЭП9…11  ; 

Для ЭП12…14  . 

Расчеты по СП2 — СП7 проводится аналогично.

ГЛАВА 6 Выбор места и типа силовых распределительных пунктов СП

Распределительные сети электроснабжения цеха силовые пункты строятся с использованием силовых распределительных устройств — это силовых распределительных пунктов СП и распределительных шинопроводов. СП применяются при расположении ЭП компактными группами на плане цеха, а также в цехах с пыльной или агрессивной средой. ШР применяются при расположении ЭП вряд. 

СП - это законченное комплектное устройство заводского изготовления для приёма и распределения электроэнергии, управления и защиты ЭП от перегрузок и короткого замыкания содержащими рубильники, предохранители, выключатели, счётчики. 

ШР — это комплектный шинопровод заводского изготовления собираемый из отдельных секций и могущих принимать любую конфигурацию. 

СП следует размещать нагрузок для экономии проводникового материала. 

В разрабатываемой схеме электроснабжения применены четыре силовых распределительных пункта. Электроприёмники большой мощности необходимо подключать непосредственно к шинам низкого напряжения цеховой подстанции. 

Для проектирования цеха приняты силовые распределительные шкафы с рубильником на вводе и с предохранителями на отходящих линиях. В качестве СП используем распределительный трехфазный шкаф серии ШР 11. см. [1] стр. 137. таблица 3.3. 

Технические данные СП представлены в таблице 7 

Таблица 7 Технические данные СП