Электроснабжение цеха машиностроительного завода

Введение

 

Система электроснабжения промышленных предприятий создаётся для обеспечения  электроэнергией специализированных электроприёмников, к которым относятся электродвигатели различных машин и механизмов, электрические печи, электролизные установки, аппараты и машины для термической обработки, осветительные установки.

В курсовом проекте решаются вопросы электроснабжения  кузнечно-прессового цеха.

Основной задачей проектирования цеховой элекрической сети является обеспечение высокой надёжности, безопасности и экономичности системы  элекроснабжения, а также снижение потерь электроэнергии и применение современного оборудования.

При проектировании необходимо правильно определить электрическую  нагрузку и выбрать тип, число  и мощность трансформаторов на трансформаторной подстанции, виды и типы защитной аппаратуры, решить вопрос о компенсации реактивной мощности, правильным образом выбрать  марку и сечение проводников  в соответствии с факторами окружающей среды.

Важную роль в обеспечении  надёжной работы электрооборудования  играет его правильная эксплуатация, к которой относятся: хранение, монтаж, техническое обслуживание и ремонт.

При проектировании основными  нормативными документами являлись ПУЭ, СНиП, ГОСТ, ЕСКД.

 

 

 

 

 

 

1 Краткая характеристика  и спецификация оборудования

 

Участок кузнечнопрессового  цеха (КПЦ) предназначен для подготовки металла к обработке.

Он имеет станочное  отделение, в котором установлено  оборудование: обдирочные станки типа РТ-21001 и РТ-503, электротермические установки, кузнечнопрессовые машины, мостовые краны и др. Участок предусматривает наличие помещений для цеховой трансформаторной подстанции (ТП), вентиляторной, инструментальной, складов, для бытовых нужд и пр.

Электроснабжение (ЭСН) осуществляется от главной понизительной подстанции (ГПП). Расстояние от ГПП до цеховой ТП – 1,4 км, а от питающей подстанции энергосистемы до ГПП – 12 км. Напряжение на ГПП – 6 и 10 кВ.

Количество рабочих смен – 2. Потребители участка имеют 2 и 3 категорию надежности ЭСН.

Грунт в районе КПЦ – суглинок с температурой +15ºC. От этой же цеховой ТП намечается ЭСН при расширении станочного парка.

Дополнительная нагрузка КПЦ в перспективе составит:

 кВт, кВАр, .

Каркас здания смонтирован  из блоков-секций длиной 8 м каждая.

Размеры участка  м, где A – длина цеха, B – ширина цеха и H – высота цеха.

Вспомогательные помещения  двухэтажные высотой 4м.

Перечень оборудования участка  КПЦ дан в таблице 2.1.

Мощность электропотребления указана для одного электроприемника.

Расположение основного  оборудования показано на плане (приложение А).

 

2 Расчет мощности  силовых и осветительных нагрузок

 

Первым этапом проектирования системы электроснабжения является определение электрических нагрузок. По значениям электрических нагрузок выбирают и проверяют электрооборудование  системы электроснабжения, определяют потери мощности и электроэнергии.

От правильной оценки ожидаемых  нагрузок зависят капитальные затраты на систему электроснабжения, эксплуатационные расходы, надежность работы электрооборудования.

Средней нагрузкой называется такая нагрузка, работая с которой  в течение интересующего промежутка времени (смена, сутки, год) электропотребитель потреблял бы то же количество электроэнергии, которое он потребляет в действительности при неравномерной нагрузке. В  условиях эксплуатации эту нагрузку легко определить по показанию счетчика за интервал времени.

Максимальная нагрузка заданной продолжительности представляет собой наибольшее ее значение из всех значений за заданный промежуток времени. Например, - максимальная нагрузка получасовой продолжительности, остальные получасовые интервалы за всю смену менее загружены.

Максимальная кратковременная  нагрузка продолжительностью несколько  секунд называется пиковой нагрузкой. По пиковой нагрузке проверяют колебания  напряжения, выбирают уставки защиты и плавкие вставки предохранителей.

Методика расчета максимальной нагрузки электроприемников цеха

1 Определяем номинальную мощность электроприемника , кВт

(2.1)

2 По справочной литературе  [6] определяем коэффициент использования

3 Определяем среднюю активную нагрузку за смену , кВт

(2.2)

4 По справочной литературе [6] определяем и

5 Определяем среднюю реактивную нагрузку за смену , кВАр.

(2.3)

6 Определяем номинальный потребляемый ток электроприемника , А

• для электроприемников с ,
• для электроприемников с ,
• для электрических печей и сварки,
• для однофазных электроприемников,

7 Определяем количество  одинаковых электроприемников на  участке  n.

8 Определяем суммарную номинальную мощность одинаковых электроприемников , кВт

(2.4)

9 Определяем суммарную среднюю активную нагрузку за смену электроприемников , кВт

(2.5)

10 Определяем суммарную  среднюю реактивную нагрузку за смену электроприемников , кВАр

(2.6)

Результаты расчетов приведены  в таблице 2.1

11 Определяем отношение наибольшей мощности ЭП в цехе к наименьшей мощности

(2.7)

12 Определяем коэффициент использования

(2.8)

13 Определяем эффективное число ЭП в зависимости от

(2.9)

14 Определяем коэффициент максимальной активной мощности и максимальной реактивной мощности по справочной литературе [6]

15 Определяем максимальную нагрузку цеха за наиболее загруженную смену

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

Методика расчета осветительных  нагрузок

1 Определяем площадь помещения ,

(2.14)

2 Предварительно на плане  цеха размещаем светильники и  подсчитываем их количество,

3 Определяем нормируемую освещенность рабочих мест

4 По высоте и площади  помещения определяем удельную  мощность общего равномерного  освещения по справочным материалам

5 Определяем расчетную  мощность лампы  , кВт

(2.15)

Выбираем тип лампы  ДРЛ 750 М, = 0,75 кВт

6 Определяем активную мощность освещения , кВт

(2.16)

7 Определяем реактивную мощность освещения , кВАр

(2.17)

8 Определяем полную мощность освещения , кВА

(2.18)

9 Определяем ток потребляемый освещением , А

(2.19)

Расположение светильников показано на плане (приложение В)

 

3 Выбор трансформаторной  подстанции

3.1 Расчет компенсации  реактивной мощности

 

Все процессы в электрических  системах можно охарактеризовать тремя  параметрами: напряжением, потребляемым током и активной мощностью. Но для  удобства расчетов и учета применяют и другие параметры, в том числе реактивную мощность. Реактивная мощность идет на создание магнитных и электрических полей.

По нескольким основным причинам передача значительной реактивной мощности в системе электроснабжения не выгодна:

• возникают дополнительные потери активной мощности во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью;
• возникают дополнительные потери напряжения;
• загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и трансформаторов требует увеличения площади сечений проводов воздушных и кабельных линий, повышения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и оборудования ячеек РУ.

Для компенсации реактивной мощности используют батареи конденсаторов  и синхронные машины, в том числе  специальные синхронные компенсаторы.

Батареи конденсаторов –  это специальные емкостные компенсационные  устройства, предназначенные для выработки реактивной мощности.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные электрические  машины, работающие в режиме двигателя  без нагрузки на валу.

В нашем цехе для компенсации  реактивной мощности будут использоваться батареи конденсаторов. 

1 Для выбора компенсирующего  устройства определяем реактивную  мощность, передаваемую от энергосистемы .

(3.1.1)

где – коэффициент реактивной мощности, задаваемый энергосистемой.

(3.1.2)

2 Определяем расчетную  мощность компенсирующей установки , кВАр

 

=   (3.1.3)

3 По справочной литературе  [4] выбираем конденсаторную батарею. Проверяем фактический коэффициент реактивной мощности после установки компенсирующего устройства. Конденсаторные батареи – 2 × УК-0,38-150

(3.1.4)

                         

4 Выбираем автоматический  выключатель и кабель для подключения  компенсирующего устройства к  сети по условию

Автоматический выключатель Кабель

     

              

    

    

(3.1.5)

Выбираем автоматический выключатель ВА 51-35 ( А; А; А) и кабель АВВГ 3×150+2×95-1

 

3.2 Выбор числа  и мощности трансформаторов

 

При выборе числа и мощности трансформаторов рекомендуется  руководствоваться следующими требованиями: на подстанции рекомендуется иметь  не более двух трансформаторов. Наиболее экономичны однотрансформаторные подстанции, которые при наличии централизованного  резерва или связи по вторичному напряжению могут обеспечить надёжное питание потребителей второй и третьей  категории. Увеличение числа трансформаторов  обычно экономически не выгодно, количество трансформаторов зависит от категории  потребителей:

• для потребителей первой категории необходима установка двухтрансформаторной подстанции, так как перерыв в электроснабжении потребителей первой категории допускается на время автоматического ввода резерва;
• для потребителей второй категории возможна установка одно- или двухтрансформаторной подстанции;
• для потребителей третьей категории допускается складской резерв и поэтому рекомендуется установка однотрансформаторной подстанции.

Для обеспечения резервирования потребителей первой и второй категории, при наличии двух трансформаторов, их мощность должна быть такой, чтобы оставшийся в работе трансформатор обеспечивал нормальную работу потребителей.

1 Определяем категорию  электроприемников заданного цеха.

По заданию, электроприемники цеха имеют 2 и 3 категорию надежности электроснабжения.

2 Определяем расчетную  мощность электроприемников цеха  с учетом компенсации реактивной  мощности и перспективной нагрузки , кВА

 

 

3 Электроприемники 2 категории должны обеспечиваться электроэнергией от 2-х независимых источников питания. В связи с этим мы выбираем двух трансформаторную подстанцию.

4 Определяем минимальную  расчетную мощность трансформатора , кВА

(3.2.2)

где N – число трансформаторов, - коэффициент загрузки

5 Выбираем трансформатор  по справочной литературе, исходя из условия  .

Выбираем ТМГ 11 – 1000/10. Технические характеристики выбранного трансформатора приведены в таблице 3.2

6 Определяем фактический  коэффициент загрузки трансформатора  в нормальном режиме и в  аварийном режиме

(3.2.3)

(3.2.4) 

4 Питающая сеть

4.1 Описание питающей  сети. Выбор сечения высоковольтного  кабеля

 

Электрические сети промышленных предприятий напряжением свыше 1000В  могут иметь следующие номинальные  напряжения: 6,10, 20, 35, 110 и 220 кВ. По назначению разделяют сети питающие, распределительные, местные и районные.

Питающими называют сети, передающие электроэнергию от энергосистемы предприятиям.

Распределительными называют сети, к которым непосредственно  подключаются электроприемники.

К электрическим сетям  предъявляют требования надежности, экономичности, безопасности и удобства эксплуатации.

Сечение проводников линий  электропередачи должно быть таким, чтобы провода не перегревались  при любой нагрузке в нормальном рабочем режиме, потеря напряжения в линиях не превышала установленные  пределы, а плотность тока соответствовала  экономической.

В нашем случае используется распределительная сеть напряжением 10 кВ, выполненная кабельной линией.

1 Определяем расчетную  мощность цеха , кВА

 

 

2 Определяем суточный  расход электроэнергии электроприемников  цеха 

                 (4.1.2)

где - средняя нагрузка за смену; - продолжительность смены (8 ч); - количество смен по заданию – 2.

3 Определяем годовой расход  электроэнергии ,

             (4.1.3)

4 Определяем число часов использования максимальной нагрузки в год

(4.1.4)

5 Определяем экономическую  плотность тока для кабелей  с бумажной изоляцией и алюминиевыми  жилами 

6 Определяем расчетный  ток и количество питающих  кабелей , А

(4.1.5)

7 Определяем экономическое сечение кабеля ,

(4.1.6)

8 Выбираем сечение кабеля  по условию 

    

Выбираем кабель

 

4.2 Выбор вакуумного  выключателя

 

Вакуумный выключатель предназначен для коммутации (операций включения-отключения) электрического тока и отключения токов короткого замыкания (КЗ) в электроустановках.

1) Выбираем аппарат защиты по условиям

 

 

 

 А

Выбираем вакуумный выключатель BB/TEL – 10 – 12,5/1000У2 по справочной литературе .

2) Проверяем аппарат защиты:

а) по коммутационной способности

 

где – начальное действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания, кА; = 10 кА.

12,5 > 10

б) на термическую стойкость

 

(4.2.1)

(4.2.2)

где - ток термической стойкости, А;

- время протекания тока термической стойкости, с;

- тепловой импульс тока  КЗ, ;

- время отключения КЗ, с;

- время действия релейной защиты, с;= 0,15 с;

- полное время отключения  выключателя, с;

- постоянная  времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с; для электрических сетей напряжением 6…10 кВ   = 0,01 с.

 с

 

 

в) на электродинамическую  стойкость

 

где - ток электродинамической стойкости, А.

,    (4.2.3)

где - ударный ток КЗ, А;

- ударный коэффициент тока КЗ, А; = 1,365.

 

 

3) Определяем минимальное  сечение кабеля  по условию  допустимого нагрева при коротком замыкании

(4.2.4)

где – коэффициент, зависящий от дополнительной температуры при КЗ и материала проводника; для кабелей с бумажной изоляцией и аллюминевыми жилами .

 

По условиям проверки выбираем новый кабель ААБл ; А.

 

5 Распределительная  сеть цеха

5.1 Описание схемы.  Расчет нагрузок по узлам сети

 

Схемы электроснабжения бывают магистральные, радиальные и смешанные.

Радиальные схемы применяют  для питания сосредоточенной  нагрузки большой мощности при не равномерном размещении ЭП в цехи или группами на отдельных его  участках, а также для питания  ЭП во взрывоопасных, пожароопасных  и пыльных помещениях. Радиальные схемы выполняются кабелями и  изолированными проводами. Достоинствами  радиальных схем является их надёжность, так как авария на одной линии  не влияет на работу ЭП подключённых к  другой линии. Недостатком радиальных схем является малая экономичность, связанная со значительным расходом проводникового материала, труб, распределительных  шкафов, большого число защитной и  коммутационной аппаратуры.

Магистральные схемы целесообразнее применять для питания силовых  и осветительных нагрузок распределённых относительно равномерно по площади  цеха, а также для питания групп  ЭП принадлежащих одной технологической  линии. При магистральных схемах, одна питающая магистраль обслуживает  несколько распределительных шкафов и крупные ЭП цеха. Магистральные  схемы имеют высокую гибкость сети, но они менее надёжны, чем  радиальные, так как при повреждении  из строя выходит большое количество ЭП. Достоинствами магистральных  схем являются более высокая экономичность  по сравнению с радиальными схемами.

Для нашего цеха целесообразнее выбрать смешанную схему электроснабжения (приложение Б).

Проведем расчет нагрузок по узлам сети. Это позволит правильно  и наиболее экономично выбрать аппараты защиты, распределительные пункты, сечения жил кабелей и шинопроводов.

1 Определяем отношение  наибольшей мощности электроприемника к наименьшей

(5.1.1)

2 Определяем коэффициент  использования

(5.1.2)

3 Определяем эффективное  число электроприемников в зависимости от

• , при ;
• по справочной литературе [6], при

4 Определяем коэффициент  максимума  и по справочной литературе [6]

5 Определяем максимальные  нагрузки цеха за наиболее  загруженную смену

(5.1.3)

(5.1.4)

(5.1.5)

(5.1.6)

Расчет  для узла 2, 3, 4

Таблица 5.1 – Расчет для узла № 2, 3, 4

№ узла	, шт	, кВт
2	5	68	9,5	3	57	0,6	0,84	3,75
3	13	212,5	9,5	12	207	0,92	0,97	12
4	10	250	12,5	10	250	1	1	9,5

 

Примеh – Расчет выполнен для узла №1

1

2

3 

4 ;

5 кВт

  кВАр

  кВА

  А

Результаты расчета для  остальных узлов представлены в  таблице 5.1.1 

5.2 Выбор шинопроводов  и распределительных пунктов

 

1 Выбираем автоматический  выключатель по условиям

если ,     если ,

     

     

    

    

где ;

2 Выбираем шкаф распределительный по условию

 

3 Выбираем распределительный  шинопровод по условию

 

4 Выбираем сечение шин распределительного устройства низкого напряжения подстанции по условию

 

Пример – Расчет выполнен для узла №1

1 В 
   А

 А

 А

Выбираем автоматический выключатель А3730Б ( А; А; А)

2

Выбираем шкаф распределительный  ПР 8501-1155-(4×100+2×250)

Выбираем кабель АВВГ 3×120+2×70-1

Шинопроводы, распределительные  пункты и аппараты защиты для остальных  узлов приведены в таблице 5.2.1

 

5.3 Расчет заземляющего  устройства

 

Многие части электроустановок, не находящиеся под напряжением, могут во время аварии оказаться  под напряжением, что обусловливает  опасность поражения электрическим  током обслуживающего персонала.

Обеспечить безопасность прикосновения к таким частям позволяет защитное заземление. Заземление снижает до безопасного значения потенциал по отношению к земле металлических частей электроустановок, оказавшихся под напряжением при аварии..

Сопротивление заземляющих  устройств для электроустановок при различных напряжениях должно применяться в соответствии с  нормами ПУЭ.

Способы выполнения защитного  заземления зависят от системы электроснабжающей  сети и напряжения электроустановки.

Для выполнения заземляющего устройства используем трубы диаметром 50 мм и длиной 2,5 м, забиваемые на глубину 0,7 м.

1 Определяем сопротивление  растекания одиночного заземлителя , Ом по формуле

(5.3.1)

2 Определяем необходимое  число заземлителей

(5.3.2)

Определяем : для ,

для ,

3 Определяем сопротивление  растекания полосового горизонтального  заземлителя , Ом

  (5.3.3)

4 Определяем сопротивление растекания всех вертикальных заземлителей с учетом экранирующего влияния , ом

(5.3.4)

5 Определяем сопротивление  растеканию горизонтальной заземляющей  полосы с учетом экранирующего  влияния , Ом

(5.3.5)

6 Определяем сопротивление всего заземляющего устройства , Ом

(5.3.6)

Так как сопротивление  заземляющего устройства, то считаем что число заземлителей выбрано верно.

 

Заключение

 

В данном курсовом проекте, на основании полученного задания, спроектировано электроснабжение участка  кузнечно-прессового  цеха.

Особенностями цеха является наличие мощных ЭП, работающих в  повторно кратковременном режиме. По категории надежности электроприемники относятся ко второй категории электроснабжения. Согласно требованиям ПУЭ, питание ЭП данной категории осуществляется от  двухтрансформаторной комплектной подстанции.

При определении мощности трансформатора расчет произведен за наиболее загруженную смену. Для  выбора оптимальной мощности трансформатора и экономии электроэнергии применена  компенсация реактивной мощности. Месторасположение  комплектной трансформаторной подстанции выбрано как можно ближе к  центру нагрузок, что позволяет наиболее рационально построить схему  электроснабжения.

Электроосвещение цеха выполнено  на основе светильников с лампами  ДРЛ-750 М. Выбор данного типа ламп основан на следующих критериях: высокая светоотдача, большой срок службы.

Внутрицеховое электроснабжение выполнено распределительными шинопроводами (ШРА-73-250), достоинством которых является простота обслуживания, большая устойчивость к динамическим и термическим составляющим токов короткого замыкания, а так же возможность расширять и гибко модернизировать существующую схему электроснабжения цеха, не прибегая к большим материальным затратам.

Для минимизации возможности поражения током рабочего персонала в цеху выполняется заземление всего электрооборудования. Токоведущие части выполнены закрытыми. Все ЭП получают питание через аппараты защиты.

 

Литература

 

1 Блочные комплектные  трансформаторные подстанции GLAR. Руководство по проектированию. Балтэнергомаш, 2010.

2 Выключатели вакуумные серии BB/TEL. Руководство по эксплуатации. РК Таврида электрик, 2010.

3 Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат2008.

4 Сибикин Ю.Д. Электроснабжение  промышленных и гражданских зданий  – М.: Издательский центр «Академия», 2006.

5 Сибикин Ю.Д. Монтаж, эксплуатация и ремонт электрооборудования промышленных предприятий и установок/ Ю.Д.Сибикин, М.Ю.Сибикин. — М.: Высш. шк., 2003.

6 Шеховцов В.П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. – М.: ФОРУМ: ИНФРА, 2003.