Мартеновское производство

    Введение 
 

       Электротехническая  промышленность играет важную роль в  решении задач электрификации, технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства, механизации, автоматизации и электрификации производственных процессов.

       Объем производства электроэнергии в Украине в 2005 году, превысил  
1 трлн. кВт/ч.. Установленная электрическая мощность отдельных предприятий достигла 3 млн. кВт, а количество электрических машин на них — 100 тыс. шт.. Годовое потребление электроэнергии на ряде предприятий уже сегодня превышает 5 млрд. кВт/ч. За каждые 5 лет производство и потребление электроэнергии в мире увеличиваются примерно в два раза. Рост производительности труда, развитие энергоемких электротехнологических процессов, реализация мероприятий по охране окружающей среды, внедрение прогрессивных технологий приведут в период 1999—2010 гг. к дальнейшему повышению электровооруженности предприятий.

       В этих условиях правильная организация  труда электромонтера и грамотное ведение им эксплуатации электроустановок становятся весьма сложным и ответственным делом, так как любая ошибка эксплуатации может привести к значительным материальным ущербам, вывод из строя дорогостоящего оборудования, большим потерям продукции, нерациональному использованию электроэнергии.

       Обслуживание электроустановок промышленных предприятий осуществляют сотни тысяч электромонтеров, от квалификации которых во многом зависит надежная и бесперебойная работа электроустановок. Персонал должен знать основные требования Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ и ПТБ), ГОСТов и других директивных материалов, а также устройство электрических машин, трансформаторов и аппаратов, умело использовать материалы, инструмент, приспособления и оборудование, применяемые при эксплуатации электроустановок.

       Электрическая сеть участвует в поддержании  в пределах допустимых отклонений заданных уровнем напряжения в различных точках сети и на зажимах электроприемников у потребителей при разнообразных режимах потребления позволяет резервировать источники питания и обеспечивать бесперебойное электроснабжение потребителей. Для выполнения этих функций сети содержат в своем составе воздушные и кабельные линии электропередачи, различные токопроводы, трансформаторные подстанции, распределительные устройства и коммутационные пункты, установки, генерирующие реактивную мощность и средства регулирования напряжения.

       Промышленные  предприятия, как правило, получают электроэнергию от подстанций районных энергосистем и имеют свои внутренние электрические сети, являющиеся продолжением сетей энергосистем. Они обеспечивают электроснабжение цехов и технологических агрегатов, отдельных электроприемников и подразделяются на межцеховые и внутрицеховые электрические сети.

       Небольшие предприятия полу чают питание от ближайших подстанций энергосистем по одной, двум линиям 6-10 кВт и имеют простейшие внутренние сети. Ввиду большого количества таких небольших предприятий вопросы их рациональной эксплуатации являются весьма существенными.

       Наиболее  крупные предприятия обычно получают питание от одной или двух крупных подстанций при напряжении 110–500 кВ и в большинстве случаев имеют одну или две собственные тепловые электростанции. Мощность собственных электростанций на предприятиях достигает 110–150 МВт,  и обычно определяется потребностью в тепловой энергии для технологических нужд, необходимостью обеспечить бесперебойное электроснабжение наиболее ответственных потребителей (например: водо- и газоснабжение предприятия и др.), а также недостаточной мощностью энергосистемы в данном районе, наличием вторичных продуктов производства (например, газов и т.п.), которые можно использовать на электростанции как топливо.

       На  крупном предприятии имеется  по существу своя небольшая по мощности местная энергосистема, связанная с районной линией электропередачи.

       Кроме величины мощности такая местная  энергосистема крупного предприятия отличается от районной еще и тем, что входящие в ее состав сети низкого напряжения переменного и постоянного тока играют ведущую роль при решении многих вопросов электроснабжения предприятия.

       Наличие крупных, преобразовательных установок  с кремниевыми выпрямителями, значительных по величине потребителей с резко-переменной нагрузкой, большого количества электроприемников на низком напряжении, необходимость частых переключений в сетях и увязки вопросов электроснабжения с технологией производства создают свою специфику в техническом обслуживании и ремонте электрооборудования и сетей промышленных предприятий.

       Все это требует от электротехнического  персонала, занимающегося эксплуатацией электрооборудования и сетей промышленных предприятий, знаний широкого круга вопросов.

       Современное электроэнергетическое хозяйство  Украины по мощности не уступает, а  по многим показателям и превышает  электроэнергетические хозяйства развитых стран Европы.

       Топливно-энергетический комплекс Украины развивается в  условиях резкого снижения добычи топлива на территории страны - в начале тысячелетия собственные ресурсы составляют только 30 - 35% потребностей. Таким образом, снабжение нефтью и природным газом из других стран постоянно возрастает.

       Напряженный топливно-энергетический баланс требует  качественных изменений в потреблении энергии и топлива. Эти изменения связаны с необходимостью смягчить напряженность между наличием топливно-энергетических ресурсов и потребностью в них.

       В электрических сетях промышленных предприятий возможно возникновение повреждений, нарушающих нормальную работу - электроустановок (ЭУ). Наиболее распространенными и опасными видами повреждений (аварийных режимов) являются короткие замыкания; к анормальным режимам относятся перегрузки. Повреждения и анормальные режимы могут привести к аварии всей системы энергоснабжения сети или ее части, сопровождающейся определенным недоотпуском электроэнергии или разрушением основного электрооборудования. Предотвратить возникновение аварий можно путем быстрого отключения поврежденного элемента или участка сети. Для этой цели электроустановки снабжают автоматически действующими устройствами релейной защитой (РЗ), являющейся одним из видов противоаварийной автоматики. РЗ может быть предназначена для сигнализации о нарушениях в сетях. Название «релейная защита» связано с наличием в цепи электрических аппаратов, называемых реле. Реле представляет собой аппарат автоматического действия, включающий или отключающий электрические цепи защиты и управления под действием различного рода импульсов (электрических, тепловых, световых, механических) в зависимости от заданных параметров контролируемой величины, времени и др.

       Впервые реле было разработано и построено  русским ученым П.Л. Шиллингом в 1830 - 1832 гг. Реле было сконструировано в 1835г. также физиком Генри.

       Т.к. в электрической системе короткое замыкание (КЗ) в большинстве - случаев  сопровождаются повышением тока, то первыми  появились максимальные токовые  защиты (МТЗ), действующие в случаях, когда ток в защищаемом элементе превышает установленные значения. Широкое применение для защиты реле получают в начале XX века. В 1901г. появляются индукционные реле, построенных на базе индукционных измерительных механизмов, разработанных М.О. Доливо-Добровольским.

       В 1905 - 1908 гг. разрабатываются дифференциальные токовые защиты.

       С 1910 г. начинаются применяться токовые  направленные защиты, в начале XX века выпускаются дистанционные защиты.

       В 1923 - 1928 гг. делаются первые попытки использования электроники для цепей релейной защиты . Более перспективным оказалось применение полупроводников, начатое еще в 30^-е годы для выполнения реле, работающих на выпрямленном токе.

       При повреждениях в цепи (коротких замыканиях, в результате ошибочных действий персонала, глубоких понижениях напряжения и т. п.) релейной защиты выявляет поврежденный участок и отключает его, воздействуя на коммутационные аппараты. При анормальных режимах (недлительные перегрузки, замыкание одной фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью, ухудшение состояния трансформаторного масла в результате внутренних повреждений в трансформаторе, понижение уровня масла в расширителе трансформатора и т. п.) релейной защиты действует па сигнал, предупреждающий постоянный обслуживающий персонал подстанции о неисправностях в режиме работы электрооборудования. Па подстанциях без постоянного обслуживающего персонала те же защиты действуют на отключение, но обязательно с выдержкой времени.

       Основными требованиями к релейной защите являются: быстродействие, селективность, чувствительность и надежность.

       Быстродействие. Чем быстрее произойдет обнаружение  и отключение поврежденного участка, тем меньше разрушительное действие аварийного тока на электрооборудование, тем легче сохранить нормальную работу потребителей неповрежденной части ЭУ. Поэтому электрические сети должны оснащаться быстродействующей релейной защитой. Современные устройства быстродействующей релейной защиты имеют время срабатывания 0,02 - 0,1 с.

       Селективность или избирательность. Селективностью релейной защиты называется ее способность отключать при КЗ только поврежденный участок или участок, ближайший к месту повреждения, оставляя в работе потребителей, подключенных к неповрежденному участку. Таким образом, селективность действия защиты обеспечивает надежное электроснабжение потребителей. В ряде случаев одновременное требование селективности и быстродействия приводит к усложнению релейной защиты. В этом случае следует в первую очередь обеспечивать выполнение того требования, которое в данных условиях является определяющим.

       Чувствительность. Чувствительностью релейной защиты является ее способность реагировать на самые малые изменения контролируемого параметра (как правило, тока КЗ и перегрузки) и анормальные режимы работы ЗУ. Чувствительность характеризует устойчивое срабатывание релейной защиты при КЗ в защищаемой зоне. Удовлетворение требований чувствительности в современных системах энергоснабжения сети встречает определенные затруднения, так как при передаче и распределении больших мощностей на большие расстояния токи КЗ в устройствах защиты могут стать соизмеримыми с максимальными рабочими токами сетей вследствие значительных переходных сопротивлений. Это приводит к невозможности применения простых видов защит и к необходимости переходить на сложные и дорогие защитные устройства. 

1. Общая часть

1. Определение значения расчётной мощности подстанции

       Определение расчётной мощности представляет собой  расчёт реального значения мощности нагрузки, которая получает питание  с шин низкого напряжения проектируемой подстанции. Существует понятие установленной мощности нагрузки. Это паспортные значения мощностей различных аппаратов, потребляющих электроэнергию для дальнейшего её преобразования в другие виды энергии: механическую, тепловую или световую. Данная мощность аппаратов также часто называют номинальной мощностью, так как её значение позволяет тому или иному аппарату нормально функционировать с заданной нагрузкой. В реальности большое количество различных аппаратов никогда не нагружаются на номинальную мощность, так как в этом не бывает острой необходимости. Мощность, потребляемая в рабочем режиме гораздо меньше установленной мощности. Уровень потребления зависит от типа производства, на котором установлен тот или иной аппарат. Условия использования аппаратов на разных видах производства выражаются через так называемый «коэффициент спроса», который используется в методике расчёта, носящей такое же название. Методом коэффициента спроса пользуются для оценочных расчетов максимальных нагрузок промышленных предприятий на высшем напряжении схемы электроснабжения. Метод коэффициента спроса заключается в произведении следующих расчётов:

1. определяется значение расчетной активной мощности нагрузки:

            Р_{расч i} = Р_{уст i} × К_спр.i × cos φ _i , (1.1)

где Р_{уст i}  – установленная мощность i-го электроприемника, кВт;

К_спр.i – соответствующий коэффициент спроса;

cos φ _i – коэффициент мощности соответствующей нагрузки ;

2. определяется значение расчетной реактивной мощности нагрузки. Расчет реактивной мощности для упрощения производим без учета компенсации реактивной мощности:

            Q _{расч i} = Р _{расч i} × tg φ_i,  (1.2)

где  tg φ_i – коэффициент реактивной мощности, определяется из значения cos φ _I ;

3. определяются суммарные значения активной и реактивной мощности  
   нагрузки всех ЭП:

            Р_{расч Σ} = Σ Р_{расч i} ; (1.3)

            Q_{расч Σ} = Σ Q_{расч i} ; (1.4)

4. определяется значение полной суммарной мощности нагрузки:

                       . (1.5)

       Производим  расчёт нагрузки для рассматриваемого случая, используя значения, указанные в исходных данных:

– определяем значение расчетной активной мощности нагрузки эксгаустеров агломерационной фабрики:

                    Р_{расч 1} = Р_эксг × К_спр.1 × cos φ ₁ , 

                    Р_{расч 1} = 16500 × 0,95 ×0,82 = 12854 кВт ;

    – определяем значение расчетной активной мощности прочей нагрузки:

                    Р_{расч 2} = Р_пр. × К_спр.2 × cos φ ₂ ; 

                    Р_{расч 2} = 5100 × 0,6 × 0,67 = 2050 кВт ;

– определяем значение расчетной реактивной мощности нагрузки эксгаустеров агломерационной фабрики:

                    Q_{pacч 1} = Р_{расч 1} × tg φ ₁ ,

где - tg φ ₁ определяется из значения cos φ ₁ (для cos φ ₁ = 0,82    tg φ ₁= 0,7);

                     Q_{pacч 1} = 12854 × 0,7 = 9000 квар ;

    – определяем значение расчетной реактивной мощности прочей нагрузки:

                     Q_{pacч 2} = Р_{расч 2} × tg φ ₂ ,

где  tg φ ₂ – определяется из значения cos φ ₂ (для cos φ ₂ = 0,67  tg φ ₂ = 1,1);

                     Q_{pacч 2} = Р_{расч 2} × tg φ = 2050 × 1,1 = 2255 квар;

– определяем суммарные значения активной и реактивной мощности нагрузки всех ЭП:

                  Р_{расч Σ} = Р_{расч  1} + Р_{расч  2} = 12854 + 2050 = 14904 кВт;

                  Q_{pacч Σ} = Q_{pacч 1} +  Q_{pacч 2} = 9000 + 2255 = 11255 квар;

    – определяем полную суммарную мощность подстанции:

                 .

2. Выбор количества и определение мощности и типа силовых трансформаторов на подстанции

       Выбор количества и определение мощности трансформаторов в первую очередь  необходимо производить для самых крупных и ответственных узлов электроснабжения. В данном случае предпочтение для расчета отдается подстанции глубокого ввода с уровнями напряжения 35/6 кВ, т.е. с использованием условия задания.

       Количество  силовых трансформаторов в первую очередь определяется категорийностью электроприемников. По условию задания потребителями подстанции являются эксгаустеры агломерационной фабрики, которые относятся к потребителям 1 категории надежности, а в этом случае, в соответствии с ПУЭ, необходима установка не менее двух силовых трансформаторов.[1]

       Мощность  каждого из силовых трансформаторов  определяется следующим образом:

       – определяется мощность силового трансформатора, исходя из следующего условия

                               , (1.6)

    где  S _{расч Σ} – полная суммарная мощность подстанции, кВ·А ;

          n_тр – количество трансформаторов n_тр = 2;

К_{загр.ном} – номинальный коэффициент загрузки силового трансформатора в номинальных условиях, равен 0,7;

       Предварительно  принимается к установке два  силовых трансформатора типа ТДНС-16000/35 с мощностью по 16 МВ·А каждый, т.к. 16000 > 13340 - ближайшее большее стандартное значение мощности силового трансформатора.

       Производим  проверку выбранных типов силовых  трансформаторов по двум условиям в  режиме нормальной загрузки и в режиме аварийной перегрузки:

а) определяем коэффициент загрузки силового трансформатора в нормальном режиме К_{загр.ном}, т.е. при параллельной работе двух трансформаторов:

                            , (1.7)

К_{загр.ном}

   Следовательно, данное условие выполняется, т.к. 0,58< 0,7 – по условию ПУЭ [1];

б) определяем коэффициент загрузки силового трансформатора в аварийном режиме работы К_{загр.ав} , т.е. при выходе из строя одного из силовых трансформаторов:

                              (1.8)

К_{загр.ав}

    Следовательно, условие выполняется, т.к. 1,17 < 1,4 – по условию ПУЭ [1];

    Исходя  из полученных результатов окончательно принимаем к установке на ПГВ  два силовых трансформатора типа ТДНС-16000/35 со следующими техническими характеристиками:

    – номинальная мощность трансформатора S_ном.тр = 16 МВ·А;

– номинальный уровень напряжения на высокой стороне U_{ном ВН} = 36,75 кВ, диапазон регулирования напряжения ± 6×1,5 % ;

    – номинальный уровень напряжения на низкой стороне U_{ном НН} = 6,3 кВ;

    – напряжение короткого замыкания : U_к% = 10;

    – ток холостого хода : I_х% = 0,7;

    – потери короткого замыкания: ∆Р_н = 85 кВт;

    – потери холостого хода: ∆Р_о = 17 кВт.

    Т – трансформатор трехфазный;

    Д – принудительная циркуляция воздуха  и естественная циркуляция масла;

    Н – наличие системы регулирования  напряжения;

    С – для систем собственных нужд электростанций.[3, с. 114,115,142]

1.3   Разработка принципиальной  схемы подстанции и выбор типа  распределительных устройств высокого и низкого напряжений 
 

       Различают два вида основных схем: а) - схемы электрических соединений первичных цепей и б) - схемы электрических соединений вторичных цепей. Схемы первичных цепей по форме изображения подразделяют на однолинейные и трехлинейные. В однолинейных схемах три фазы установки условно обозначают на чертеже одной линией, а в трехлинейных – каждую трехфазную цепь тока изображают тремя линиями.

       Однолинейная  схема является основной схемой электрической  установки. Ею пользуются при эксплуатации электроустановки, при выборе ее электрооборудования, при разработке принципиальных схем релейной защиты, управления, сигнализации и их монтажных схем, а также конструкций распределительных устройств. На действующих электроустановках однолинейной схемой, выполняемой в виде оперативной схемы, пользуются при эксплуатационных операциях.

       На  однолинейных схемах указывают основные элементы установки, такие как, трансформаторы, выключатели, разъединители, реакторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения и т. д.. Кроме того, показывают приборы измерения (амперметры, ваттметры, счетчики и т. д.), релейной защиты и автоматических устройств (АПВ, АВР и т. д.). При этом коммутационные аппараты изображают, как правило, в отключенном положении, т. е. при отсутствии тока во всех цепях схемы и отсутствии внешних принудительных сил, воздействующих на подвижные контакты. При необходимости коммутационные аппараты можно изображать и во включенном положении, но с соответствующей оговоркой на самой схеме. Довольно часто на схеме указывают тип и технические данные основного оборудования.

       Перед составлением и подробным изображением однолинейной схемы необходимо разработать  упрощённую принципиальную однолинейную схему электроустановки. На этой схеме указывают основные принципы построения схемы будущей электроустановки: количество питающих вводов, количество устанавливаемых силовых трансформаторов, количество шин низкого напряжения, количество отходящих присоединений, уровни высокого и низкого напряжений, коммутационные элементы и основные места их установки.

       В данном конкретном случае будем строить  схему на основании того, что мы уже выбрали к установке два  силовых трансформатора, соответственно будет два питающих ввода. Так  как принят тип трансформатора ТДНС (двухобмоточный), то соответственно на стороне низкого напряжения будет одна система шин с двумя секциями. Этого вполне достаточно на данном этапе, чтобы обеспечить питанием ряд потребителей, в том числе и эксгаустеры агломерационной фабрики. Электрическую сеть выполним  по радиальной схеме. Под радиальной схемой подразумевается такая, при которой от источники питания (районной энергосистемы или промышленной ТЭЦ) линии электрической сети выполняются независимыми друг от друга и без ответвлений по пути следования. Радиальные схемы обладают большой гибкостью, удобством эксплуатации.

       Каждая  линия и трансформатор должны быть рассчитаны на покрытие всех нагрузок I и II категорий данной ТП при послеаварийном режиме. Взаимное резервирование в объеме 15–30 % осуществляется при помощи перемычек вторичного напряжения .

       На  рисунке 1 приведена схема двухтрансформаторной подстанции  
35/6 кВ, подключаемой к питающим линиям 35 кВ с помощью разъединителей и вакуумных выключателей. При повреждении трансформатора релейная защита воздействует на вакуумный выключатель, что приводит к отключению головного участка линии, снабженного устройством автоматического повторного включения (АПВ). При «бестоковой» паузе АПВ происходит отключение выключателей поврежденного трансформатора. После отключения выключателем поврежденного трансформатора устройство АПВ, имеющее необходимую выдержку времени, вновь автоматически включает линию, и тем самым восстанавливается питание неповрежденного трансформатора. Большая гибкость схемы достигается установкой на стороне 35 кВ перемычки-«мостика», с помощью которой можно подключать любой трансформатор к любой линии при выводе из работы другого трансформатора или линии.

       Секционные  выключатели РУ 6 кВ   позволяют  в случае аварии на трансформаторе резервировать две секции распределительного устройства и переводить всю нагрузку подстанции на оставшийся в работе трансформатор [6, 7]. 

4. Расчёт  токов короткого замыкания в  максимальном и минимальном режиме работы для принятой принципиальной схемы подстанции (по исходным данным)

       Основной  причиной нарушения нормальной работы энергосистемы является возникновение короткого замыкания в сети или в элементах электрооборудования вследствие повреждения изоляции или неправильных действий обслуживающего персонала. Для снижения ущерба обусловленного выходом из строя электрооборудования при протекании токов короткого замыкания, а также для быстрого восстановления нормального режима работы энергосистемы необходимо правильно определить токи короткого замыкания, и далее по этим значениям выбрать электрооборудование, защитную аппаратуру и средства ограничения токов короткого замыкания в случае необходимости.

       Для проведения расчёта составляется расчётная  схема, на которой наносятся технические характеристики всех элементов схемы электроснабжения. По расчётной схеме далее составляют схему замещения, на которой изображаются сосредоточенные электрические сопротивления в соответствии со схемой их замещения. На схеме замещения указываются точки, в которых будет производиться расчёт токов короткого замыкания. Расчетное напряжение принимается на 5% выше номинального.