Проектирование электроснабжения цеха. 2


Введение

В курсовом проекте рассматривается проектирование электроснабжения конвертного цеха предприятия металлургической промышленности, в частности:

    • выбор напряжения цеховой сети и системы питания цеха;
    • выбор электродвигателей, пусковой и защитной аппаратуры;
    • расчет  электрического освещения цеха;
    • расчет электрических нагрузок цеха;
    • расчет необходимой компенсирующей мощности, а также выбор типа  компенсационного электрооборудования;
    • выбор мощности, числа трансформаторов и места размещения цеховой подстанции;
    • составление схемы цеховой электрической сети;
    • расчет и выбор распределительной силовой сети;
    • выбор аппаратов защиты и построение карты селективности защиты цепи питания одного электроприемника;
    • выбор аппаратуры ячейки КРУ на ГПП – 10 кВ;
    • выбор  кабелей 10 кВ питающих цеховую трансформаторную подстанцию;
    • расчет показателей качества электрической энергии;
    • расчет заземления.

 


    1. Краткая характеристика потребителей цеха

В данном курсовом проекте рассчитывается электроснабжение электрооборудования конвертного цеха предприятия металлургической отрасли.

Цех разделен на два участка: технологический  и ремонтный.

Основными электроприемниками в технологической  части цеха являются: приводы повората конвертеров и наклона миксеров, питающиеся постоянным током (мощностью 100-700 кВт). Следующая группа электроприемников: заливочный и разливочный краны мощностью до 470 кВт, дымососы мощностью до 2000 кВт, насосы и вентиляторы мощностью 20-200 кВт. Напряжение питания 380 В, 6-10 кВ. Приводы поворота конвертеров и наклона миксеров, а также краны работают в режиме ПКР, остальные электроприемники в режиме ПР.

Основными электроприемниками в ремонтной  части являются: различные виды станков, вентиляторы, насосы, автоматические линии, машины дуговой сварки, индукционные печи, мостовые краны, транспортеры.

    1. Установленная мощность

Установленная мощность – основная характеристика электрооборудования. Для электродвигательной  нагрузки ремонтной части цеха активная номинальная суммарная мощность составляет 719 кВт. Для не электродвигательной нагрузки полная суммарная мощность равна 276 кВ·А и активная номинальная суммарная мощность составляет 76 кВт.

Установленная активная мощность электрооборудования  технологической части цеха 1170 кВт.

    1. Род тока, частота тока

В проектируемом  цехе применяется переменный ток  частотой 50 Гц.

    1. Режим работы

В цехе имеются потребители с продолжительным  и повторно-кратковременным (ПКР) режимами  работы.

ПКР – это режим, при котором температура  за время включения повышается, за время пауз снижается, однако, нагрев за время цикла этого электроприёмника не достигает установившейся температуры, а за время паузы температура  не достигает температуры окружающей среды.

Продолжительность включения для ПКР:

, (1.1)

где  tр – время работы, с;

tц   10 мин – среднее время цикла, с;

tп – время пауз, с.

 

 

В ПКР  работают электродвигатели мостовых кранов и машины дуговой сварки.

 

Продолжительный режим – это режим, при котором  температура ЭП возрастает по экспоненте и через определённое время достигает  установившегося значения.


ЭП  продолжительного режима работы характеризуются  коэффициентом включения:

(1.2)


где tв – время включения ЭП, с.

В продолжительном режиме работают электроприводы насосов, вентиляторов, автоматических линий, металлообрабатывающих  станков, транспортеров. В продолжительном режиме, но с переменной нагрузкой и кратковременным отключением, работают электродвигатели станков.

Для машин дуговой сварки характерен импульсный режим работы.

    1. Степень бесперебойности электроснабжения

Крнвертерный цех относится к потребителям II категории, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовом простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроснабжение цеха в нормальных режимах обеспечивается электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, но без АВР (автоматическом вводе резерва) на секционном выключателе.

При нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы  перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

    1. Стабильность  расположения электрооборудования

Различают промышленные предприятия с высокой  и низкой степенью стабильности расположения электрооборудования. Данный цех относится  к цехам с высокой степенью стабильности расположения оборудования. Технологии периодически обновляются, следовательно, обновляется и оборудование. Период обновления – не менее 5 лет.

 


    1. Характеристика помещения по ПУЭ

Цеховые помещения разделяются на 4 класса: нормальные; опасные по коррозии; пожароопасные; взрывоопасные.

Конвертерный цех относится к помещениям со средой, опасной по коррозии. В данных помещениях среда действует разрушающе на материал проводников и изоляцию из-за присутствия пыли, сырости, газов, паров кислот и щелочей.

В данных помещениях применяют радиальные схемы  электроснабжения, выполненные кабелями, которые прокладываются в пластмассовых  трубах или подвешиваются на тросах.

 


    1. Выбор напряжения цеховой сети

Все электроприемники в цеху являются потребителями  переменного тока, частотой 50 Гц. В цеховой сети возможно применение напряжений 380 В и 660 В.

Напряжение 660 В имеет ряд преимуществ перед напряжением 380 В:

  • ток уменьшается в раз;
  • повышается пропускная способность электрической сети в раз, и вместе с этим снижаются потери электроэнергии в сети в 3 раза;
  • снижается ток короткого замыкания. Это приводит к ослаблению требований к аппаратам защиты;
  • снижение потерь позволяет увеличить радиус действия цеховых трансформаторов. Это позволяет увеличить номинальную мощность трансформаторов и снизить их число.

Напряжение 660 В применяется на предприятиях со следующими характеристиками:

  • имеется большое количество электродвигателей в диапазоне мощностей 200 – 600 кВт;
  • большая протяженность электрических сетей;
  • предприятия по добычи угля.

Напряжение 660 В как внутрицеховое целесообразно применять на тех предприятиях, на которых по условиям расположения цехового технологического оборудования или окружающей среды нельзя или затруднительно приблизить цеховые трансформаторные подстанции к питаемым ими электроприемникам.

В конвертерных цехах нет электродвигателей большой мощности. Размеры цеха, а, следовательно, и протяженности внутрицеховых сетей, не велики. Удельная плотность электрических нагрузок так же мала. Вследствие этого эффективность внедрения напряжения 660 В незначительна. Так же при использовании напряжения 660 В возникает необходимость установки дополнительных трансформаторов. Затраты на электрооборудование с номинальным напряжением 660 В выше, чем на аналогичное на напряжение 380 В. Учитывая вышесказанное, целесообразно применение напряжения 380 В.

Окончательно  для данного цеха принимаем трехфазную четырехпроводную сеть переменного  тока напряжением 380/220 В и частотой 50 Гц, с глухозаземленной нейтралью. Осветительные установки и цепи управления всеми агрегатами питаются от напряжения 220 В. Номинальное напряжение основной части электроприемников 220 или 380 В.

    1. Выбор схемы электроснабжения

Питание потребителей будет осуществляться от двухтрансформаторной подстанции, так как потребители цеха в  основном относятся ко II категории

по  бесперебойности электроснабжения. Питание цеховой ТП осуществляется от ГПП предприятия по кабельным линиям напряжением 10 кВ.


Для проектируемого цеха выбираем радиальную схему электроснабжения, так как среда цеха является опасной по коррозии.

Электроснабжение  потребителей выполняется с помощью кабельных линий и распределительных щитов.

Схема электроснабжения электроприемников  цеха приведена на рисунке.

 

Рисунок 3.1 – Однолинейная схема электроснабжения электроприемников цеха


    1. Подбор двигателей, пусковой и защитной аппаратуры для электроприемников

    1. Выбор электродвигателей

Мощность  единичного электроприемника не превышает 100 кВт, поэтому наиболее целесообразно  использовать асинхронные электродвигатели. Принимаем двигатели серии АИР. Степень защиты двигателей IР54, номинальный режим работы продолжительный.

Выбор электродвигателей осуществляется исходя из следующих условий:

;

,

где Uном д – номинальное напряжение двигателя, В;

Uсети – напряжение питающей сети, Uсети = 380 В.

Pном д – номинальная мощность двигателя, кВт;

Pзад– заданная мощность приводимого механизма, кВт.

Для токарного станка с установленной мощностью 4 кВт выбираем двигатель АИР100S2 со следующими паспортными данными: Pн = 4 кВт; nс = 3000 об/мин; Iн = 7,9 А; ηн = 87%; cos φ = 0,88; kп =7,5.

Технические данные двигателей для всех механизмов и агрегатов приведены в таблице 4.1.

4.2 Выбор пусковой и защитной аппаратуры

 

Выбор типа электродвигателей, пусковой и  защитной аппаратуры произведём в соответствии с характеристикой производства и средой цеха. Электроприводом станков, насосов, транспортёров, автоматических линий являются асинхронные двигатели  с короткозамкнутым ротором серии  А, как наиболее простые и надёжные в эксплуатации.

Для асинхронных двигателей выбирем  блоки серии Б5430 УХЛ4 и технические характеристики аппаратов блоков. Расшифровка блоков типа Б5430 УХЛ4:

Б – блок;

5 – управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором;

4 – управление реверсивным двигателем;

30 – порядковый номер серии в классе 5;

УХЛ4 – для умеренного климата.

Выбор производится по выражению (4.3):

(4.3)


где  - номинальный ток блока, А;

- номинальный ток электродвигателя, А.

 


Величины, приведённые в каталогах  на асинхронные электродвигатели, связаны  между собой следующими зависимостями:

(4.4)

(4.5)


где  - номинальная полная мощность электродвигателя, кВ·А;

- номинальный ток асинхронного  двигателя, А;

- номинальная активная мощность, кВт;

- номинальный коэффициент мощности;

- КПД при номинальных нагрузке  и параметрах.

Номинальный ток двигателя для  агрегатов, работающих в продолжительном  режиме (ПР), рассчитывается следующим  образом:

(4.6)


Пример: рассчитаем пусковую и защитную аппаратуру для токарного станка.

Выбираем асинхронный двигатель АИР100S2 со следующими паспортными данными: PН = 4 кВт; nс = 3000 об/мин; IН = 7,9 А; ηН = 87 %; cos φ = 0,88; kП =7,5.

Рассчитываем по выражению (4.6) рассчитываем номинальный ток двигателя:

  

Номинальный ток двигателя для  агрегатов, работающих в повторно-кратковременном  режиме (ПКР), рассчитывается следующим  образом:

(4.7)


Пример: рассчитаем пусковую и защитную аппаратуру для подъёмного механизма мостового крана с ПВ = 40 %.

Выбираем асинхронный двигатель MTF 312-6 со следующими паспортными данными: PН = 15 кВт; nс = 955 об/мин; IН = 38 А; ηН = 82 %; cos φ = 0,73; kП =7,5.

Рассчитываем по выражению (4.7) рассчитываем номинальный ток двигателя:

  

По справочным данным выберем аппаратуру блока Б5430:

- защита силовой цепи от коротких  замыканий осуществляется автоматическими  выключателями с комбинированными  расцепителями на ток до 100 А – АЕ2000, на ток до 630 А – А3700;

- защита двигателя от перегрузки  малодопустимой продолжительности

 


осуществляется тепловыми реле серий РТЛ в блоках с пускателями  ПМЛ и РТТ – в блоках с  пускателями ПМА, на большие токи применяются реле РТЛ;

- защита цепей управления от  коротких замыканий предусмотрена  плавкими малогабаритными предохранителями  ПТ–10, ПРС–25, ТК–20.

Результаты выбора сносим в таблицу  4.1.

Для электропечей сопротивления и  индукционных печей устанавливаются  блоки Б5000.

Машины дуговой сварки питаются через блоки БПВ-2У3, расшифровка и технические характеристики:

Б – блок;

П – предохранитель;

В – выключатель;

2 – номинальный ток, 2 – 250 А;

У3 – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Питание крановых троллей осуществляется через ящики Я5000.

В автоматических линиях и мостовых кранах, имеющих несколько двигателей, для которых выбирается один автоматический выключатель, при этом номинальный  и пусковой токи равны сумме этих токов двигателей, входящих в автоматическую линию. Электромагнитные пускатели  для каждого двигателя, входящего  в автоматическую линию, выбираются отдельно.

Номинальный ток машины дуговой сварки рассчитывается по формуле:

(4.7)


где Sном – полная номинальная мощность машины дуговой сварки, кВ·А.

Пример: рассчитаем пусковую и защитную аппаратуру для машины дуговой сварки с ПВ = 60 %.

Рассчитываем по выражению (4.7) номинальный ток для машин дуговой сварки:

  

Для управления машинами дуговой сварки выбираем тиристорный контактор  ТК-3П. Выбор аппаратов защиты для  других агрегатов приведен в таблице 4.2.

Номинальный ток индукционной печи рассчитывается по формуле:

(4.8)


где Sном – полная номинальная мощность индукционной печи, кВ·А.

 

Рассчитываем по выражению (4.8) номинальный ток для индукционной печи:

 

  

Номинальный ток печи сопротивления рассчитывается по формуле:

(4.9)


где Pном – активная номинальная мощность печи сопротивления, кВт;

cosφ – коэффициент мощности печи сопротивления мощностью 76 кВт.

Рассчитываем по выражению (4.9) номинальный ток для печи сопротивления:

  

 

Таблица 4.1 – Технические данные двигателей

№ по плану

Наименование ЭП

Заданная мощность, кВт

Тип двигателя

Мощность  ЭД Pном, кВт

КПД η, %

Коэффициент мощности cos φ

Номинальный ток ЭД Iном ЭД, А

Кратность пускового тока, kп

1

Станок  токарный

4

АИР100S4

4

87

0,88

9,74

7,5

2

Станок  фрезерный

18

АИР160S2

18

85,5

0,9

27,6

7

3

Автоматическая  линия

52

4×АИР160S2

56

85,5

0,9

4×27,6

7

4

Вентилятор

15

АИР160S4

15

89,5

0,89

28,61

7

5

Насос

15

АИР160S4

15

89,5

0,89

28,61

7

6

Автоматическая  линия

70

4×АИР160M4

74

90

0,89

4×35,09

7

10

Мостовой  кран (25 т)

30

–

–

–

–

–

–

 

подъемный механизм

  

MTF 312-6

15

82

0,73

24,08

7,5

тележка для продольного перемещения

  

MTF 211-6

7,5

77

0,7

13,37

7,5

тележка для поперечного перемещения

  

MTF 211-6

7,5

77

0,7

13,37

7,5

11

Транспортер

11

АИР132S4

11

86,5

0,87

22,2

7,5


 

 

 

 


    1. Расчёт  электроосвещения

 

В данном разделе производится расчет рабочего и аварийного электроосвещения для всего цеха методом коэффициента использования светового потока.

5.1 Выбор системы освещения и освещённости цеха

 

Работа со станками относится к  работам высокой точности – разряд IIIв. Минимальная освещённость при комбинированном освещении для разряда зрительных работ IIIв составляет 750 лк. При этом освещённость от общего освещения в системе комбинированного равна 300 лк. [5].

Также в цехе предусмотрена система  аварийного освещения. Наименьшая освещённость рабочих поверхностей производственных помещений к территории предприятий, требующих обслуживания при аварийном режиме, должна составить 5 ÷ 10 % от освещённости рабочего освещения при системе общего освещения. Аварийное освещение выполняем лампами накаливания.

5.2 Выбор типа и мощности источников света

 

Исходные данные:

  • длина цеха А = 84 м;
  • ширина цеха В = 48 м;
  • высота цеха h = 10 м;
  • напряжение системы освещения 220 В;
  • коэффициенты отражения согласно [5]: ρпот = 0,5; ρст = 0,3; ρпол = 0,1;
  • минимальная освещенность согласно [5]: EРАБ. = 300 лм; EАВ. = 30 лм.

5.2.1 Расчёт рабочего освещения

 

Т.к. высота цеха 10 м, целесообразно использовать лампы типа ДРИ со светильниками ГСП50-400-011 [5]. Маркировка степени защиты светильников IP20.

Располагаем светильники в шахматном  порядке, при этом с целью снижения пульсаций светового потока, характерных  при использовании этого типа ламп, в каждой точке устанавливаем  по 2 светильника, подключенных к разным фазам. Количество источников света  при этом будет равно 112 шт.

Расчетная высота подвеса светильников:

(5.1)


где hс – расстояние от светильников до перекрытия, равная 1 м;

hр.п. – высота расчетной поверхности над полом, равная 0,8 м.

 

 


 

  

Отношение потока, падающего на освещаемую поверхность ко всему потоку ламп, называется коэффициентом использования η. Зависимость η от площади помещения, высоты и формы учитывается индексом помещения i.

Индекс помещения:

(5.2)


где Sц – площадь цеха, равная 4032 м2.

  

Индекс помещения округляется  до ближайшего табличного значения i = 3 [5].

При принятых коэффициентах отражения  и индексе помещения i = 3 коэффициент использования η = 0,72 [5].

Определяем световой поток одной  лампы:

(5.3)


где  z – коэффициент, характеризующий неравномерность освещения, равный 1,15;

n – количество источников света, n = 112;

kз – коэффициент запаса для газоразрядных ламп kз = 1,8 [5].

  

Данному световому потоку соответствуют лампы ДРИ400, номинальный световой поток которых Фл.ст = 32000 лм. Мощность ламп ДРИ400 равна 400 Вт.

Определим среднюю фактическую  освещённость:

(5.4)

  

  

Количество  светильников в цехе:

(5.5)

  

Окончательно принимаем 94 светильника ГСП50-400-011 с одной лампой ДРИ400.


Общая установленная мощность рабочего освещения:

(5.6)


где Pл – мощность одной лампы, Вт.

  

 

5.2.2 Расчёт аварийного освещения

 

Аварийное освещение выполняется  лампами накаливания и должно обеспечивать освещенность 5 % от освещенности, создаваемой рабочим освещением.

Для аварийного освещения будут  использованы лампы накаливания  Г 215-225-500-2 со световым потоком 8400 лм и мощностью 500 Вт, устанавливаемые в светильниках типа НСП17-500-325 с одной лампой. Маркировка степени защиты светильников IP54.

ЕАВ = 15 лк; коэффициент запаса kз = 1,5 [5]; коэффициент использования η = 0,64 [5].

(5.7)

  

Принимаем 20 светильников для более равномерного распределения по цеху.

Определим среднюю фактическую  освещённость по (5.4):

 

  

 

5.3 Выбор схемы питания осветительной установки

 

Питание электрического освещения  производится от общих для осветительных  и силовых нагрузок трансформаторов  с низшим напряжением 0,4 кВ (напряжение сети 380/220 В). Щиты рабочего и аварийного освещения получают питание от разных трансформаторов КТП кабелями через автоматические выключатели.

Для распределения электроэнергии рабочего и аварийного освещения  приняты распределительные шкафы  серии ЩО. Групповые линии, отходящие  от распределительных щитов, выполняются четырёхпроводными, которые защищены трёхполюсными автоматическими выключателями.

В качестве питающих осветительных  линий приняты шинопроводы осветительные  серии ШОС со степенью защиты IP44.

Схема питания электрического освещения  приведена на рисунке 5.1.

Групповые линии, отходящие от распределительного щитка, выполняются четырехпроводными кабелями, защищаемые однополюсными автоматическими выключателями. Выбор однополюсных автоматических выключателей для защиты групповых линий связан с отключением только части светильников при возникновении коротких замыканий в сети. 


В случае аварийного прекращения действия рабочего освещения предусмотрено  аварийное освещение, обеспечивающее возможность безопасной эвакуации  людей из цеха.

Светильники аварийного освещения  автоматически включаются при аварийном  отключении рабочего освещения.

Управление рабочим освещением осуществляется автоматическими выключателями, установленными на групповом щитке.

 

Рисунок 5.1 – Схема питания рабочего и аварийного освещения

5.4 Выбор питающей сети

 

Условие выбора сечения кабелей  имеет вид:

(5.8)


где Iдд – допустимая длительная токовая нагрузка на кабель, А;

k – поправочный коэффициент на допустимый ток кабеля, зависящий от температуры воздуха;

Iр – расчётный ток, А.

5.4.1 Выбор питающей сети рабочего освещения

 

Выбираем кабель, питающий щиток  рабочего освещения помещения механосборочного цеха.

Суммарная установленная мощность рабочего освещения с учетом потерь в пускорегулирующих аппаратах  газоразрядных ламп (10 %):

(5.9)


где n – количество ламп, шт;

Рл – номинальная мощность лампы, Вт.