Электроснабжение механического цеха. 3

Электроснабжение  механического цеха

 

Энергетика  нашей страны обеспечивает электроснабжение народного хозяйства и бытовые  нужды различных потребителей электрической  энергии. Основными потребителями  являются промышленные предприятия, сельское хозяйство, коммунальные нужды. 70% всей электроэнергии расходуется на технологические процессы предприятий. Для передачи электроэнергии в необходимом количестве и соответствующего качества существуют следующие энергосистемы: Цеховая – обеспечивающая энергоснабжение потребителей, Заводская – служат для электроснабжения основных цехов и вспомогательных объектов, Городские или Районные – служат для электроснабжение предприятий, сельского хозяйства, коммунальных объектов. При проектировании электроснабжения необходимо учитывать технико-экономические аспекты. При выборе напряжений питающих линий, сети и чисел трансформаторных подстанций, систем управления, защиты – должны учитывать усовершенствования технологического процесса, роста мощностей при номинальном напряжении. Для других электрических приемниках активная номинальная мощность Pн[кВт] или полная мощность S [кВ×А], потребляемая из сети при номинальном напряжении. Номинальная мощность электроприемника обозначается на заводской таблице или в паспорте. Паспортная мощность электрического приемника повторно кратковременного режима в расчетах приводится номинально – длительной мощности при ПВ=1 по формуле:

 

Pн =Pпасп ÖПВ%;

Sн =Sпасп ÖПВ%;

 

где ПВ – паспортная продолжительность включения, в  долях единицы.

Групповая номинальная  активная мощность Pн – это сумма номинальных(паспортных), активных мощностей отдельных рабочих приемников, приведенных к ПВ=1, кроме резервных

 

n

Pн =åPн;

1

 

По полученным результатам осуществляется выбор  количества и мощности трансформатора.

Определение расчетных нагрузок промышленных предприятий базируются на следующих положениях:

а) большинство  механизмов работают с переменной нагрузкой  и электрические двигатели этих механизмов, выбранные по наиболее тяжелым режимам, значительную часть  времени оказываются незагруженными.

б) не все электрические  приемники включены одновременно и постоянно. Время их работы и остановки зависит от технологического режима производства.

в) в отдельные  моменты времени нагрузка может  превышать среднюю величину мощности за счет изменения технологического процесса. Возникает необходимость определения максимально возможного значения потребляемой мощности в течение какого-то периода времени. Эту мощность называют максимальной.

г) При включении  крупных осветительных приемников, так же при запуске асинхронных двигателей с коротко замкнутым ротором, происходят увеличение потребления мощности над средним и минимальным значениями.

Значения мощности длительностью несколько секунд называют типовыми.

При расчете  электрических установок, не всегда есть график нагрузок и поэтому прибегают к расчетным коэффициентам. С их помощью можно определить основные параметры графика нагрузки.

Такие расчетные  коэффициенты вычислены в экспериментальных  работах по изучению характера нагрузок на предприятиях.

 

1. Характеристика приемников

приемник цех подстанция распределительный

Приемники электрической  энергии могут быть подразделены на группы по сходству режимов, т.е. по сходству графиков нагрузки. Деление потребителей на группы позволяет более точно находить суммарную электрическую нагрузку.

Различают три  характерные группы приемников:

  1. Приемники, работающие в режиме с продолжительно неизменной или мало меняющейся нагрузкой. В этом режиме электрическая машина или аппарат может работать продолжительное время без повышения температуры отдельных частей машины или аппарата свыше допустимой. Примерами приемников, работающих в этом режиме, являются электродвигатели компрессоров, насосов, вентиляторов и т.п.
  2. Приемники, работающие в режиме кратковременной нагрузки. В этом режиме рабочий период машины или аппарата не настолько длителен, чтобы температура отдельных частей машины или аппарата могла достигнуть установившегося значения. Период остановки машины или аппарата настолько длителен, что машина практически успевает охладиться до температуры окружающей среды. Примерами данной группы приемников являются электродвигатели электроприводов вспомогательных механизмов металлорежущих станков (механизмы подъема поперечины, зажимы колонн, двигатели быстрого перемещения суппортов и др), гидравлических затворов и т.д.
  3. Приемники, работающие в режиме повторно-кратковременной нагрузки. В этом режиме кратковременные рабочие периоды машины или аппарата чередуются с кратковременными периодами отключения. Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ) и длительностью цикла. В повторно-кратковременном режиме электрическая машина или аппарат может работать с допустимой для них относительной продолжительностью включения неограниченное время, причем превышение температур отдельных частей машины или аппарата не выйдет за пределы допустимых значений. Примером этой группы приемников являются электродвигатели кранов, сварочные аппараты и т.п.

Надежность (бесперебойность) питания. С точки зрения обеспечения надежного и бесперебойного питания, приемники электрической энергии делятся на три категории:

1-я категория – приемники, перерыв в элекроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей или значительный материальный ущерб, связанный с повреждением оборудования, массовым браком продукции или длительным расстройством сложного технологического процесса производства.

2-я категория – приемники, перерыв в электроснабжении которых связан с существенным недоотпуском продукции, простоем людей, механизмов, промышленного транспорта.

3-я категория – приемники, не подходящие под определения 1-й и 2-й категорий (например, приемники второстепенных цехов, не определяющих технологический процесс основного производства).

Вопрос о  надежности электроснабжения потребителей связан с числом источников питания, схемой электроснабжения и категорией потребителей. Приемники 1-й категории должны иметь не менее двух независимых источников питания. Приемники 2-й категории могут иметь один-два источника питания (решается конкретно в зависимости от значения, которое имеет данное промышленное предприятие в народном хозяйстве страны, и местных условий). Приемники 3-й категории, как правило, могут иметь один источник питания, но если по местным условиям можно обеспечить питание без существенных затрат и от второго источника, то применяется резервирование питания и для этой категории приемников.

Потребителями электроэнергии в цеху являются средние  по мощности приемники электрической  энергии-станки, печи, сварочные аппараты, пилы, прессы, подъёмно-транспортные устройства, вентиляторы с установленной мощностью от 0,85 до 75 кВт. Все приемники электроэнергии питаются трёхфазным переменным током на напряжение 380 В промышленной частоты. По надежности электроснабжения относятся ко 2-ой и 3-ей категории, устанавливаются стационарно и по площади участка распределены равномерно. Микроклимат на участке нормальный, то есть температура не превышает +30єС, отсутствует технологическая пыль, газы и пары, способные нарушить нормальную работу оборудования.

В задании на проектирование установленная мощность электроприемников приведена к  длительному режиму.

 

4. Определение  типа и местоположения подстанций

 

По месту  нахождения на территории объекта различает  следующие подстанции:

  • отдельно стоящие на расстоянии от зданий;
  • пристроенные, непосредственно примыкающие к основному зданию снаружи;
  • встроенные, находящиеся в отдельных помещениях внутри здания, но с выкаткой трансформаторов наружу;
  • внутрицеховые, расположенные внутри производственных зданий с размещением электрооборудования непосредственно в производственном или отдельном закрытом помещении с выкаткой электрооборудования в цехи.

В промышленных сетях напряжением 6… 10 кВ в целях наибольшего приближения к электроприемникам рекомендуется применять внутренние, встроенные в здания или пристроенные к ним подстанции. Встроенные и пристроенные подстанции обычно располагаются вдоль одной из длинных сторон цеха, желательно ближайшей к источнику питания, или же при небольшой ширине цеха в шахматном порядке вдоль двух его сторон.

Внутрицеховые подстанции могут  размещаться только в зданиях  с первой и второй степенями огнестойкости  и с производствами, отнесенными  к категориям Г и Д согласно противопожарным нормам. Число масляных трансформаторов на внутрицеховых подстанциях не должно быть более трех.

Эти ограничения не распространяются на трансформаторы сухие или заполненные  негорючей жидкостью.

Отдельно стоящие ТП применяются, например, при питании от одной  подстанции нескольких цехов, при невозможности размещения подстанций внутри цехов или у наружных стен по соображениям производственного или архитектурного характера при наличии в цехах пожароопасных или взрывоопасных производств.

Выбор местоположения, типа, мощности и других параметров ТП в  основном обуславливается величиной и характером электрических нагрузок и размещением их на генплане и в производственных, архитектурно – строительных и эксплуатационных требованиях. Важно, чтобы ТП располагалась возможно ближе к центру питаемых ею нагрузок. Намеченное место расположения уточняется по условиям планировки предприятия, ориентировочных габаритов и типа (отдельно стоящая, пристроенная, внутренняя, закрытая, комплектная) подстанции.

При выборе места расположения подстанции следует учитывать продолжительность работы приемников. Очевидно, что при одинаковой расчетной нагрузке, но различном числе часов работы подразделений завода подстанция должна быть расположена ближе к группе потребителей с большей продолжительностью работы (с большим коэффициентом использования).

К комплектным распределительным  устройствам напряжением до 1 кВ относятся распределительные щиты, силовые пункты, щиты станций управления и т.п.

Распределительные щиты предназначены  для приема и распределения электроэнергии переменного и постоянного тока напряжением до 1 кВ. Устанавливают их на трансформаторных и преобразовательных подстанциях, в машинных залах и на электростанциях. Щиты изготовляют в открытом и закрытом (шкафном) исполнении.

Щиты открытого исполнения состоят из панелей, устанавливаемых в специальных электротехнических помещениях. Щиты закрытого исполнения устанавливают в шкафах в цехах промышленных предприятий.

По условиям обслуживания щиты бывают с двусторонним обслуживанием  и односторонним. Щиты с двусторонним обслуживанием часто именуют свободно стоящими, поскольку они требуют для обслуживания устройства проходов с двух сторон – с лицевой и задней, и, таким образом, их устанавливают в отдалении от стен. Щиты с односторонним обслуживанием принято называть прислонными, так как обычно их устанавливают непосредственно у стен помещения, обслуживают с лицевой стороны. Каркасы панелей в современных конструкциях щитов выполняют с применением различных профилей из листовой стали.

В качестве коммутационных и защитных аппаратов на щитах  устанавливают рубильники, предохранители, блоки выключатель – предохранитель, выключатели. Для обеспечения автоматической работы по схеме АВР на щитах устанавливают релейную аппаратуру.

Распределительные щиты серии  ЩО-70 предназначены для распределения электроэнергии трехфазного тока напряжением 380 В. Щиты рассчитаны на одностороннее обслуживание, защитных ограждений сверху и сзади не имеют. Щиты комплектуются из вводных, линейных, секционных и торцовых моделей.

Для смены предохранителей, осмотра и ремонта аппаратуры на каждой панели, кроме секционных, на фасадной стороне предусмотрена одностворчатая дверь, на которой установлены приводы рубильников или кнопки управления выключателей.

Для присоединения трех или  четырех кабелей к аппаратам  на номинальные токи 630 и 1000 А в панелях предусмотрены шинные сборки.

 

5. Выбор  схемы электроснабжения цеха

 

Основным условием рационального проектирования сети электроснабжения промышленного объекта  является принцип одинаковой надежности питающей линии (со всеми аппаратами) и одного электроприемника технологического агрегата, получающего питание от этой линии. Поэтому нет смысла, например, питать один электродвигатель технологического агрегата по двум взаиморезервируемым линиям. Если технологический агрегат имеет несколько электроприемников, осуществляющих единый, связанный группой машин технологический процесс, и прекращение питания любого из этих электроприемников вызывает необходимость прекращения работы всего агрегата, то в таких случаях надежность электроснабжения вполне обеспечивается при магистральном питании. В отдельных случаях, когда требуется высокая степень надежности питания электроприемников в непрерывном технологическом процессе, применяется двустороннее питание магистральной линии.

 

Магистральная схема питания электроприемников  цеха

 

Магистральные схемы питания находят широкое применение не только для питания многих электроприемников одного технологического агрегата, но также большого числа сравнительно мелких приемников, не связанных единым технологическим процессом. К таким потребителям относятся металлорежущие станки в цехах механической обработки металлов и другие потребители, распределенные относительно равномерно по площади цеха

 

Магистральная схема цеховой сети с двусторонним питанием

Магистральные схемы позволяют отказаться от применения громоздкого и дорогого распределительного устройства или щита. В этом случае возможно применение схемы блока  трансформатор-магистраль, где в  качестве питающей линии применяются токопроводы (шинопроводы), изготовляемые промышленностью. Магистральные схемы, выполненные шинопроводами, обеспечивают высокую надежность, гибкость и универсальность цеховых сетей, что позволяет технологам перемещать оборудование внутри цеха без существенных переделок электрических сетей.

Для питания  большого числа электроприемников  сравнительно небольшой мощности, относительно равномерно распределенных по площади  цеха,

применяются схемы  с двумя видами магистральных  линий: питающими и распределительными. Питающие, или главные, магистрали подключаются к шинам шкафов трансформаторной подстанции, специально сконструированным для магистральных схем. Распределительные магистрали, к которым непосредственно подключаются электроприемники, получают питание от главных питающих магистралей или непосредственно от шин трансформаторной подстанции (ТП), если главные магистрали не применяются (рис. 6.2).

К главным питающим магистралям подсоединяется возможно меньшее число индивидуальных электроприемников. Это повышает надежность всей системы питания.

Следует учитывать  недостаток магистральных схем, заключающийся  в том, что при повреждении  магистрали одновременно отключаются  все питающиеся от нее электроприемники. Этот недостаток ощутим при наличии  в цехе отдельных крупных потребителей, не связанных единым непрерывным технологическим процессом.

 

Рис. 6.2 Схема питающих и распределительных линий в цехе

 

Радиальные схемы питания характеризуются тем, что от источника питания, например от ТП, отходят линии, питающие непосредственно мощные электроприемники или отдельные распределительные пункты, от которых самостоятельными линиями питаются более мелкие электроприемники (рис. 6.3).

 

Рис. 6.3

 

Радиальные  схемы обеспечивают высокую надежность питания отдельных потребителей, так как аварии локализуются отключением автоматического выключателя поврежденной линии и не затрагивают другие линии.

Все потребители  могут потерять питание только при  повреждении на сборных шинах  ТП, что мало вероятно вследствие достаточно надежной конструкции шкафов этих ТП.

Сосредоточение  на ТП аппаратов управления и защиты отдельных присоединений позволяет  легче решать задачи автоматизации  в системе распределения электроэнергии на напряжении до 1 кВ, чем при рассредоточенном расположении аппаратов, что имеет место при магистральной системе.

Радиальные  схемы питающих сетей с распределительными устройствами или щитами следует  применять при наличии в цехе нескольких достаточно мощных потребителей, не связанных единым технологическим  процессом или друг с другом настолько, что магистральное питание их нецелесообразно.

К числу таких  потребителей могут быть отнесены электроприемники, требующие применения автоматических выключателей на номинальный ток 400 А и более с дистанционным  управлением.

В чистом виде радиальные и магистральные схемы применяются редко. Наибольшее распространение на практике находят смешанные схемы, сочетающие элементы радиальных и магистральных схем. В крупных цехах металлургических заводов, литейных, кузнечных и механосборочных цехах машиностроительных заводов, на заводах искусственного волокна и других предприятиях всегда имеются и радиальные, и магистральные схемы питания различных групп потребителей.

В цехах машиностроительных и металлургических заводов находят  применение схемы магистрального питания с взаимным резервированием питания отдельных магистралей. Схема на рис. 6.4 позволяет вывести в ремонт или ревизию один из трансформаторов и, используя перегрузочную способность, обеспечить питание нескольких магистралей от одного, оставшегося в работе трансформатора. Такая схема питания позволяет безболезненно выводить в ремонт или ревизию один из трансформаторов во время ремонта технологического оборудования.

 

Рис. 6.4 Схема взаимного резервирования питающих магистралей цеха

 

При неравномерной  загрузке технологического оборудования в течение суток (например, пониженная нагрузка в ночные или ремонтные смены) схемы с взаимным резервированием питания магистралей обеспечивают возможность отключения незагруженных трансформаторов.

Большое значение для повышения надежности питания имеют перемычки между отдельными магистралями или соседними ТП при радиальном питании (рис. 6.5).

 

Схема резервирования при радиальном питании потребителей цеха

 

Такие перемычки, обеспечивая частичное или полное взаимное резервирование, создают удобства для эксплуатации, особенно при проведении ремонтных работ. Проектирование сетей во всех случаях должно выполняться на основе хорошего знания проектировщиком-электриком технологии проектируемого предприятия, степени ответственности отдельных электроприемников в технологическом процессе.

Большое влияние  на принимаемые решения оказывают  условия окружающей среды в проектируемом  цехе.

Располагать электрооборудование  в пожаро и взрывоопасных или  пыльных помещениях следует только в случае острой необходимости, когда другие решения оказываются нерациональными или крайне сложными.

При этом следует  иметь в виду, что в этих неблагоприятных  средах, как правило, применяется  специально сконструированное оборудование.

В условиях неблагоприятных сред магистральные схемы нежелательны, так как при их применении коммутационные аппараты неизбежно рассредоточены по площади цеха и подвергаются воздействию агрессивной среды. В таких цехах наибольшее применение находят радиальные схемы питания, при которых все коммутационные аппараты располагаются в отдельных помещениях, изолированных от неблагоприятных агрессивных и взрывоопасных сред.

 

6. Выбор  напряжения цеховой сети

 

Цеховые электрические  сети до 1000 В выполняются на следующие  стандартные напряжения трехфазного переменного тока:

Напряжение  на зажимах Напряжение на зажимах

генераторов и  трансформаторов, В приемников, В

133  127

230  220

400  380

690  660

Использование напряжений 127 и 220 В для питания  электродвигателей экономически не оправдано ввиду больших потерь электроэнергии и большего расхода цветного металла. Напряжение 127В иногда применяется для питания однофазных электродвигателей малой мощности или осветительных сетей в особых помещениях, например в подземных установках. Напряжение 220 В как фазное напряжение в сетях 380–220 В применяется для целей освещения, питания мелких однофазных электродвигателей и нагревательных приборов. Самое широкое распространение для питания электродвигателей в системах электроснабжения промышленных предприятий получило напряжение 380 В, которое используется также в системах с заземленным нулевым проводом для питания осветительных установок.

Система 380–220В удовлетворяет основным условиям питания потребителей:

а) возможности совместного питания осветительных приборов 
и электродвигателей;

б) относительно низкому напряжению между «землей» и «проводом» (220 В).

Для уменьшения потерь электроэнергии в цеховых  сетях следует применять напряжения не ниже 380 В. Напряжение 500 В из стандартных величин в СССР исключено, так как его применение связано с рядом трудностей, которые обусловлены тем, что напряжение 500 В не является следующей ступенью по отношению к напряжению 380 В.

Из изложенного  вытекают следующие положения:

  1. Для цеховых электрических сетей, как правило, выгоднее 
    применять систему напряжений 380–220 В.
  2. Для производств с повышенной удельной нагрузкой на 1 м2 
    поверхности пола цеха и мощными двигателями до 700 кВт целесообразно применять напряжение 660 В.
  3. При выборе напряжения цеховых сетей необходимо учитывать технологические особенности производства.

Таким образом, для электроснабжения столярного цеха выгоднее применить напряжение 380 В.

 

 Выбор шинопровода

 

Жесткий токопровод напряжением до 1 кВ заводского изготовления, поставляемый комплектными секциями, называется шинопроводом. Шинопроводы различных серий и типов комплектуются из отдельных секций различной конфигурации и назначения. Секции могут быть прямые, угловые, гибкие, вводные, ответвительные, компенсационные, переходные, подгоночные. Длины секций унифицированы и кратны 770 мм.

Ответвления от магистрального шинопровода выполняются  при помощи специальных ответвительных секций (коробок), которые устанавливаются  в местах соединения секций. Шинопроводы  со степенью защиты оболочкой IP 00 и IP20 должны устанавливаться на высоте не менее 3,5 м от пола или площадки обслуживания. Прокладка шинопроводов на на высоте более 7 м не рекомендуется из-за увеличения длины ответвлений и сложности обслуживания. В процессе эксплуатации. Трассы шинопроводов целесообразно располагать по стенам и колоннам здания, вдоль нижнего пояса строительных и подстроительных ферм, подкрановых балок. В крановых пролетах магистральный шинопровод должен располагаться в мертвой зоне кранов.

Распределительные шинопроводы ШРА (с алюминиевыми шинами) и ШРМ (с медными шинами) предназначены для передачи и распределения электроэнергии напряжением 380/220 В при возможности непосредственного присоединения к ним электроприемников в системах с глухозаземленной нейтралью. Номинальный ток ШРА – 250,400 и 630 А; ШРМ – 100 и 250 А. Распределительные шинопроводы устанавливаются в непосредственной близости от технологического оборудования на высоте не менее 2,5 м. Распределительные шинопроводы крепят так же, как и магистральные: на стойках, кронштейнах, подвесах.

Пример выбора шинопровода – ШРА1.

Распределительные шинопроводы типа ШРА выбирают по току, определяемому по получасовому максимуму нагрузок присоединенных к нему электроприемников, и проверяются  по электродинамической стойкости  токами КЗ.

При подводе  питания в начало линии шинопровода:


 

 

где Iном – номинальный ток шинопровода.

Расчетная нагрузка на шинопроводы определяется методом  упорядоченных диаграмм. Суммарная  номинальная мощность шинопровода  складывается из мощности питаемых приемников

 

.

 

Расчет нагрузок ведется за наиболее загруженную  смену длительностью Тсм, для каждой группы приемников определяется средняя мощность


 

Коэффициент использования  и cosц для станков принимаем для каждого приемника[4]. Учитывая, что от шинопровода питается большое число потребителей, nэф будем определять упрощенным способом [4]. Для ШРА – 1 отношение m>3, а Кi<0,2 поэтому nэф определяем по формуле:

 

где n – фактическое число приемников в рассматриваемой группе:

n1 – число наибольших приемников в группе, мощность каждого из которых не менее половины мощности наибольшего приемника (включая сам наибольший приемник);

Pном – суммарная номинальная мощность приемников всей группы;

Рном1 – суммарная номинальная мощность n1 наибольших приемников группы.

Для ШРА-1

 


 

 

 

Определяем  коэффициент максимума для ШРА-1 [1].Kм =1,77

Расчетные активные мощности составят

 

;

;

 

Расчетный ток на ШРА-1 составит

 


 

 

 

К установке  принимаем шинопровод ШРА с номинальным током 250 А.

Аналогично  выбираем шинопровод ШРА2 (ШРА на 250 А).

Распределение электроэнергии к отдельным приемникам осуществляем от ответвительных коробок  шинопроводов проводом марки АПВ, проложенным  в металлорукавах.