Курсовая работа: Проектирование электроснабжения метизного цеха

2.2 Расчёт электрических нагрузок

Для расчёта электрических нагрузок необходимо знать мощности электроприёмников включаемые в одну сеть. Расчёт электрических нагрузок напряжением до 1 кВ. можно производить двумя способами: методом упорядоченных диаграмм и методом коэффициента спроса. Метод упорядоченных диаграмм является наиболее точным расчетом и применяется для расчёта электрических нагрузок групп электроприёмников имеющих разную мощность, но одинаковый режим работы. А метод коэффициента спроса применяется на предварительной стадии расчётов и при окончательных расчётов, когда определяется мощность группы электроприёмников, имеющих одинаковую нагрузку.

Пример расчёта методом упорядоченных диаграмм для группы электроприёмников. Группа состоит из токарных (кВт, ), автоматических (кВт, ), шлифовальных (кВт, ) станков и пресса(кВт, ). Группа имеет  и .

Определяется показатель сборки:

, [3]

где - максимальная мощность электроприёмников в группе, кВт

-минимальная мощность электроприёмников в группе, кВт

Определяется суммарная номинальная мощность группы электроприёмников:

, кВт [3]

где - номинальные мощности электроприёмников в группе, кВт

-количество электроприёмников в группе

кВт

Определяется эффективное число:

где - мощность электроприёмников, кВт

Определяется расчетная активная мощность:

, кВт[3]

где - коэффициент использования, (определяется по справочным данным)

-коэффициент максимума, (определяется по справочным данным)

кВт

Определяется расчётная реактивная мощность:

,кВАр [3]

где - расчётная активная мощность

Так как , то значит

кВАр

Пример расчёта методом коэффициента спроса для группы из одинаковых электроприёмников. Резьбо-накатные станки состоят из четырёх электроприёмников, кВт, и имеют  и .

Определяется суммарная номинальная мощность группы электроприёмников:

, кВт [3]

где  - номинальная мощность одного электроприёмника, кВт

 - количество электроприёмников

кВт

Определяется расчётная активная мощность:

, кВт [3]

где - коэффициент спроса

- суммарная номинальная мощность, кВт

кВт

Так как , то значит    

Определяется мощность освещения:

Где S- площадь цеха,м  

g- удельная мощность освещения 

, Вт [3]

Определяется расчётная реактивная мощность:

, кВАр [3]

где - расчётная активная мощность, кВт

кВАр

Аналогично рассчитываются мощности для остальных электроприёмников. Кроме активной и реактивной мощности каждый электроприёмник имеет полную мощность. Определяется полная расчётная мощность для группы

, кВА

где  - расчётная активная мощность по всему цеху

 - расчётная реактивная мощность по всему цеху

 - мощность освещения по цеху

 кВА

Определяется максимальный расчётный ток по одиннадцатому цеху:

, [3]

 кА

Все расчёты для остальных электроприёмников рассчитываются аналогично и заносятся в таблицу 2.2.1.

2.3 Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности и повышение коэффициента мощности, имеет большое значение и является частью общей проблемы повышения КПД работы систем электроснабжения и улучшения качества отпускаемой потребителю электрической энергии.

Потребителями реактивной мощности являются асинхронный двигатели, на которых приходится основная мощность предприятия (65–70%), трансформаторы потребляют (20–25%) и воздушные электрические сети и другие электроприёмники потребляемые около 10% реактивной мощности.

При увеличении потребляемой реактивной мощности электроустановка вызывает рост тока в проводниках и снижение коэффициента мощности электроустановки и из-за этого нам приходится выбирать провод большего сечения, а это ведёт к большим затратам. Для того чтобы уменьшить ток нужно чтобы реактивная мощность была больше и это дает нам экономию в затратах на материал. А повышение коэффициента мощности зависит от снижения реактивной потребляемой мощности. Повысить коэффициент мощности можно с помощью компенсирующего устройства, которые снижают реактивную мощность.

Компенсации реактивной мощности и количества компенсирующих устройств определяется основным методом расчета и рассчитывается по расчётным данным цеха.

Расчётные данные метизного цеха представлены в таблице 2.3.1.

Таблица 2.3.1 Расчетные данные цеха.

Поднять косинус до величины не ниже 0,93.

Определяется значение коэффициента мощности до компенсации:

[7]

где  – активная мощность цеха до компенсации, кВт

 – полная мощность цеха до компенсации, кВА

Определяется коэффициент заполнения графика по активной нагрузке.

 [7]

где  – максимальная мощность графика, кВт

 – период, час

 – мощность на определенном участке времени, кВт

 – время определенного участка мощности, час

Определяется мощность, которую нужно скомпенсировать, чтобы повысить косинус до заданной величины. 

, кВАр [7]

где  – среднегодовая активная мощность, кВт

 – значение угла до компенсации

 – значение угла после компенсации

, кВт [7]

где  – коэффициент заполнения графика по активной нагрузке

 – активная мощность предприятия до компенсации, кВт

кВт

кВАр

Выбирается компенсирующее устройство УК-0,38-54ОН в количестве 2 штук. Определяется реактивная мощность компенсирующего устройства.

, кВАр [7]

где  – номинальная реактивная мощность одного компенсирующего устройства, кВАр

 – количество компенсирующих устройств

кВАр

Определяется реактивная мощность после компенсации:

, кВАр [7]

где  – реактивная мощность компенсирующего устройства, кВАр

 – полная расчётная мощность предприятия до компенсации, кВАр

кВАр

Определяется добавочная активная мощность:

, кВт [7]

где  – реактивная мощность компенсирующего устройства, кВАр

 – тангенс угла потерь, который всегда равен 0,003

кВт

Определяется активная мощность предприятия после компенсации:

, кВт [7]

где  – активная мощность цеха до компенсации, кВт

 – добавочная активная мощность, кВт

кВт

Определяется величина полной мощности после компенсации:

, кВА [7]

где  – активная мощность предприятия после компенсации, кВт

– реактивная мощность предприятия после компенсации, кВАр

кВА

Определяется значение коэффициента мощности после компенсации:

 [7]

где  – активная мощность предприятия после компенсации, кВт

 – полная мощность предприятия после компенсации, кВА

Так как коэффициент мощности получился в пределах допустимого значения, то расчет компенсации реактивной мощности произведен правильно, и выбор компенсирующих устройств произведен верно.

2.4 Выбор варианта электроснабжения, числа и мощности трансформаторов на подстанции

Подстанция – это электроустановка, состоящая из трансформаторов или других преобразователей энергии, распределительных устройств напряжением до 1000 вольт и выше, служащая для приема, преобразования, распределения и передачи электроэнергии потребителям.

Основное электрооборудование на подстанции являются трансформаторы и распределительные устройства, содержащие коммутационные аппараты, устройства защиты и автоматики, измерительные приборы, сборные и соединительные шины и другие вспомогательные устройства.

Для выбора числа и мощности трансформаторов на подстанции необходимо знать полную мощность цеха и некоторые другие данные, которые приведены в таблице 2.4.1.

Таблица 2.4.1 Технические данные для выбора трансформаторов

Определяется средняя мощность нагрузки:

, кВА [7]

где  – коэффициент заполнения графика по активной нагрузке

– полная мощность цеха,кВА

кВА

Определяется количество трансформаторов на подстанции:

Так как в цехе есть потребители первой категории, то на подстанции должно быть установлено два трансформатора.

Определяется намечаемая мощность трансформатора:

, кВА [7]

где  – средняя мощность нагрузки, кВА --

 – количество трансформаторов

кВА

Выбираются два варианта трансформаторных подстанций:

1 вариант: КТП –6\0,4– руб.

2 вариант: КТП –6\0,4– руб.

где ,  – стоимость трансформаторной подстанции

Определяется максимальный коэффициент загрузки по каждому варианту:

 [7]

где – полная мощность цеха, кВА

 – количество трансформаторов

– мощность трансформатора, кВА

Определяется средний коэффициент загрузки трансформаторов:

 [7]

где – средняя мощность нагрузки, кВА

Определяется значение эквивалентной охлаждающей температуры:

С помощью значения эквивалентной охлаждающей температуры по таблице “Указания к пользованию графиками зависимости” определяем номер кривой зависимости коэффициента допустимой перегрузки. По графику №17.

Определяется значение допустимого коэффициента загрузки по каждому варианту:

Сравниваем допустимые коэффициенты загрузки с максимальными:

 <

 <

В техническом отношении подходят оба варианта, так как допустимый коэффициент нагрузки больше максимального.

Определяется аварийная перегрузка трансформатора в случае выхода из строя другого:

, кВА [7]

где  – коэффициент допустимой перегрузки

кВА

кВА

В аварийном режиме предпочтительнее второй вариант, так как позволяет оставить в работе большее число электроприемников.

Выбирается тип трансформаторов, устанавливаемых на подстанции которые заносит в таблицу 2.4.2.

Таблица 2.4.2 Выбор типа трансформаторов

Определяются потери активной мощности в трансформаторах:

, кВт [7]

где  – потери мощности холостого хода, кВт

 – потери мощности короткого замыкания, кВт

 – ток холостого хода

 – напряжение короткого замыкания

 – максимальный коэффициент загрузки

кВт

кВт

Определяются годовые потери энергии в трансформаторах:

,  [7]

где  – потери активной мощности в трансформаторе, кВт

 – количество

 – время работы трансформаторов в год, час

Определяется стоимость потерь:

, руб. [7]

где  – мощность годовых потерь энергии в трансформаторах,

 – стоимость энергии за 1

руб.

руб.

Определяется срок окупаемости:

, год [7]

где ,  – стоимость трансформатора, руб.

,  – стоимость потерь, руб.

года.

Не смотря на то, что капитальные затраты по второму варианту больше, они окупятся за счёт снижения потерь за 2,3 года. Второй вариант так же даёт возможность расширения производства. В аварийном режиме второй вариант предпочтительнее так как он позволяет оставить в работе большее число электроприёмников, поэтому окончательно выбираем: КТП-6\0,4 с трансформаторами ТМ-1000/6

2.5 Расчет и выбор магистральных и распределительных сетей напряжением до 1000 В

Электрические сети служат для передачи и распределения электрической энергии к цеховым потребителям промышленных предприятий.

Все шинопроводы, провода и кабели выбираются с учётом характера окружающей среды, размещением технологического оборудования, токов протекающим по ним и напряжения.

Выбирается магистральный шинопровод по максимальному току цеха:

Таблица 2.5.1 Технические данные магистрального шинопровода

Выбирается распределительный шинопровод по максимальному току группы:

Таблица 2.5.2 Технические данные распределительных шинопроводов

Выбираются кабели марки АСБ (кабель с алюминиевыми жилами, с изоляцией из пропитанной бумаги, в свинцовой оболочке, бронированный двумя стальными лентами, с наружным покровом); СБ (то же только с медными жилами) и провода марки АПВ (провода с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной изоляцией; используются для монтирования вторичных цепей, прокладки в трубах, пустотных каналах несгораемых конструкций и для монтирования силовых и осветительных цепей в машинах и станках) для питания отдельных электроприемников. Данные выбранных проводов и кабелей заносятся в Кабельный журнал (Таблица 2.5.3)

Таблица 2.5.3 Кабельный журнал.

2.6 Расчет токов короткого замыкания

Короткое замыкание возникает только в электрических установках и в электрических сетях. Оно проявляет себя резким увеличением тока в сети и обычно возникает вследствие повреждения изоляции отдельных частей электроустановок и электрических сетей, обрыва проводов, схлестывания проводов, механических повреждения кабельных линий и ошибках при оперативных переключениях и т.д.

Короткое замыкание сопровождается: прекращением электроснабжения потребителей, нарушением нормальной работы электроустановок. Необходимо производить расчет токов короткого замыкания для того, чтобы электрооборудование, устанавливаемое в сетях электроснабжения, было устойчивым к токам короткого замыкания.

Рисунок 1 Расчетная схема       Рисунок 2 Схема замещения

Трансформатор -

Магистральный шинопровод - ШМА 60×8мм;  

Автомат А1 -  

Кабель - AСБ 3×2,5мм2;

Распределительный шинопровод - ШРА 50×5мм;

Кабель - АСБ 3×2,5мм2;

Автомат А2 -  

По расчетной схеме составляется схема замещения ( Рисунок 1). В схеме замещения указываются все сопротивления, которыми обладают элементы, расчетной схемы.

Определяется величина среднего напряжения:

Определяется величина результирующего сопротивления до точки короткого замыкания:

[4]

где, - индуктивное сопротивление цепи в именованных единицах,

- активное сопротивление цепи в именованных единицах,

Определяется активное сопротивление цепи в именованных единицах:

где,  - активное сопротивление элемента,

Определяется индуктивное сопротивление цепи в именованных единицах:

где, - индуктивное сопротивление элемента,

Определяется полное сопротивление трансформатора в относительных единицах:

[4]

Определяется активное сопротивление трансформатора в относительных единицах:

[4]

Определяется индуктивное сопротивление трансформатора в относительных единицах:

[4]

Перевод из относительных единиц в именованные единицы:

[4]

[4]

Определяется активное сопротивление магистрального шинопровода:

где,  - определяется по справочным материалам [10],

Определяется индуктивное сопротивление магистрального шинопровода:

Определяется среднегеометрическое расстояние между фазами:

[4]

Определяется активное сопротивление автомата А1:

Определяется индуктивное сопротивление автомата А1:

Определяется переходное сопротивление контактов автомата А1:

Определяется активное сопротивление кабеля АСБ:

Определяется индуктивное сопротивление кабеля АСБ:

Определяется активное сопротивление распределительного шинопровода:

Определяется индуктивное сопротивление распределительного шинопровода:

Определяется среднегеометрическое расстояние между фазами:

[4]

Определяется активное сопротивление кабеля АСБ:

Определяется индуктивное сопротивление кабеля АСБ:

Определяется активное сопротивление автомата А2:

Определяется индуктивное сопротивление автомата А2:

Определяется переходное сопротивление контактов автомата А2:

Определяется величина тока короткого замыкания:

[4]

Определяется мгновенное значение ударного тока короткого замыкания:

[4]

где,  – ударный коэффициент;

т.к.  то

Определяется действующее значение тока короткого замыкания в установившемся режиме:

[4]

Определяется мощность короткого замыкания:

[4]

2.7 Выбор схемы электроснабжения

Система электроснабжения - это совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией. Схемы электроснабжения промышленных предприятий делятся на схемы внешнего и внутреннего электроснабжения.

В данном цехе выбрана схема электроснабжения блок «трансформатор - магистраль», т.к. она более подходит из технико-экономических соображений. Блок «трансформатор - магистраль» - смешанная схема электроснабжения, в ней присутствуют элементы радиальной и магистральной схемы. Крупные и ответственные потребители питаются по радиальной схеме, а средние и мелкие потребители - по магистральной.

На предприятии установлена главная понизительная подстанция, на напряжение 35кВ, которая понижает напряжение до величины 6кВ. В метизном цехе установлена комплектная трансформаторная подстанция КТП-6/0,4-2×1000 с трансформаторами ТМ-1000/6.

В цехе от комплектной трансформаторной подстанции проложен магистральный шинопровод (ШМА) на номинальный ток 1000 А. От него отходят кабельные линии для питания распределительных шинопроводов (ШРА) в количестве четырёх штук. Затем от ШРА запитываются конкретные электроприемники. Выбранное сечение проводов и кабелей составляет от 2,5 до 4мм2. ШРА-1питает первую группу электроприёмников, в которую входят:

токарно-револьверные, токарно-винторезные, фрезерные, профиленакатные, сверлильные и электро-эррозионные станки. ШРА-2 питает вторую группу электроприемников, состоящую из: плоско-шлифовального, заточных и полировальных станков. ШРА-3 питает третью группу электроприёмников в которую входят: токарные, автоматические, резьбо-накатные и сверлильные станки. ШРА-4 питает четвёртую группу электроприёмников которая состоит из: шлифовальных, фрезерных, резьбо-накатных, профиленакатных, сверлильных, автоматических и токарных станков.

Защита от токов короткого замыкания выполнена автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями. Защита от токов перегрузки выполнена магнитными пускателями со встроенным тепловым реле.

Для повышения коэффициента мощности и компенсации реактивной мощности применяется компенсирующее устройство УК-0,38-54ОН.

2.8 Выбор электрооборудования для схемы электроснабжения

Выбор всех токоведущих частей и аппаратов защиты, такие как выключатели, для схемы электроснабжения выбираются в соответствии с вычислительными расчетными величинами. Ими могут быть ток, напряжение или мощность.

Выбираются кабель марки АСБ (кабель с алюминиевыми жилами, с изоляцией из пропитанной бумаги, в свинцовой оболочке, бронированный двумя стальными лентами, с наружным покровом), для питания распределительных шинопроводов:

Таблица 2.8.1 Технические данные кабелей:

Выбираются вводные автоматические выключатели с комбинированными расцепителями для распределительных шинопроводов, для защиты цепи от токов короткого замыкания и токов перегрузок.

Таблица 2.8.2 Технические данные автоматических выключателей:

2.9 Расчёт заземляющих устройств

Расчёт заземляющих устройств состоит в выборе типа заземления, в определении числа и типа заземлителей и в проверке выбранного заземляющего контура по величине сопротивления.

Грунт, окружающий заземлители, не является однородным. Наличие в нем песка, строительного мусора и грунтовых вод оказывает большое влияние на сопротивление грунта. Поэтому ПУЭ рекомендуют определять удельное сопротивление грунта путём непосредственных измерений в том месте, где будут размещаться заземлители.

Удельное сопротивление грунта, полученное путём замеров является важнейшей величиной, определяющей сопротивление заземляющего устройства. Но при этом учитываются все сезонные изменения удельного сопротивления грунта.

Проводится расчёт заземляющего устройства если известно:

Грунт - суглинок;

вертикальный заземлитель - труба  и длиной

горизонтальный заземлитель - полоса

расстояние вертикальных заземлителей друг от друга

заземляющий контур заглубляется в землю на глубину .

Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства:

Определяется расчётное удельное сопротивление грунта с учётом коэффициентов учитывающих высыхания грунта летом и промерзание зимой:

Выбираются значения коэффициентов учитывающих высыхание грунта летом и промерзания зимой:

По справочным данным выбирается удельное сопротивления грунта - суглинок

[4]

где,  - коэффициент высыхания грунта летом.

Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода:

Рисунок 3 Схема расположения заземлителя

[4]

где,  - длина вертикального электрода,

 - расстояние от поверхности земли до середины электрода,

[4]

Определяются примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования:

[4]

где, = , так как - коэффициент использования.

Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов:

[4]

где, - ширина соединительной полосы,  

если заземлитель круглый, диаметром ,то

 - расстояние от поверхности земли до середины высоты соединительной полосы:

[4]

[4]

Определяется длина соединительной полосы:

[4]

где, - расстояние между забиваемыми электродами, .

Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом сопротивления соединительной горизонтальной полосы:

[4]

Уточняется число вертикальных электродов с учетом сопротивления соединительной полосы:

[4]

Определяется сопротивление выбранного заземляющего контура:

[4]

Так как сопротивление заземляющего устройства соответствует требованиям ПУЭ, следовательно, расчет произведен, верно.

Заключение

В результате курсового проектирования было спроектировано электроснабжение метизного цеха.

В цехе электроснабжение выполнено по схеме блок «трансформатор-магистраль». Блок «трансформатор - магистраль» - смешанная схема электроснабжения, в ней присутствуют элементы радиальной и магистральной схемы. Крупные и ответственные потребители питаются по радиальной схеме, а средние и мелкие потребители - по магистральной. В качестве магистрального шинопровода был выбран ШМА-76 с допустимой нагрузкой 1000А. Для питания токарных, фрезерных и сверлильных станков был выбран распределительный шинопровод ШРА-1 с допустимой нагрузкой 250А. Для питания плоско-шлифовальных, заточных и полировальных станков был выбран распределительный шинопровод ШРА-2 с допустимой нагрузкой 100А. Для питания автоматических и резьбо-накатных станков был выбран распределительный шинопровод ШРА-3 с допустимой нагрузкой 400А.Для питания другой группы профиленакатных, фрезерных, автоматических и сверлильных станков был выбран распределительный шинопровод ШРА-4 с допустимой нагрузкой 250А.

Для всех станков были выбраны асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Для снижения перебоев в электроснабжении была выбрана пусковая и защитная аппаратура. Для приводов двигателей были выбраны автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем от токов короткого замыкания и магнитные пускатели со встроенным тепловым реле от токов перегрузки. Был произведен расчет электрических нагрузок для нормального режима работы электроприемников. Выбрано компенсирующее устройство УК2-0,38-54ОН для уменьшения реактивной мощности и повышения коэффициента мощности. Выбрано число трансформаторов на подстанции. Так как цех относится к потребителям второй категории электроснабжения, то на подстанции установлено два трансформатора номинальной мощностью 1000 кВА.

Был проведен расчет токов короткого замыкания. Защита распределительных шинопроводов от токов короткого замыкания и перегрузок выполнена автоматическими выключателями с комбинированными расцепителями. Для защиты рабочих был произведен расчет заземляющих устройств.

В ходе курсового проекта построена однолинейная схема электроснабжения и план метизного цеха с распределительными сетями. В схеме был указан весь перечень электрооборудования, находящийся в предложенном цехе. Электроснабжение метизного цеха было спроектировано с учетом всех условий, необходимых для надежной и безопасной работы персонала.

Список литературы:

1.  Алиев И.И. «Справочник по электрической технике и электрооборудованию». Москва, издательство «Высшая школа», 2000 г

2.  Ермилов А.А. «Основы электроснабжения промышленных предприятий» Москва, издательство «Энергоатомиздат», 1983 г.

3.  Кацман М.М. «Справочник по электрическим машинам». Москва, издательство «Академия», 2005 г.

4.  Липкин Б.Ю. «Электроснабжение промышленных предприятий и установок». Москва, издательство «Высшая школа», 1990 г.

5.  ПУЭ – Правило Устройства Электроустановок. Москва, издательство «Энергоатомиздат», 1985 г.

6.  Рожкова Л.Д. «Электрооборудование электрических станций и подстанций» Москва, издательство «Академия», 2006 г.

7.  Сибикин Ю.Д. «Электроснабжение промышленных и гражданских зданий» Москва, издательство «Академия», 2006 г.

8.  Карвовский Г.А. и Оскороков С.П. «Справочник по асинхронным двигателям и пускорегулирующей аппаратуре». Москва, издательство «Энергия», 1976 г.

9.  Федоров А.А. «Справочник по электроснабжению» 1 и 2 том. Москва, издательство «Энергия», 1974 г.

10.  Федоров А.А. «Основы электроснабжения промышленных предприятий»

Москва, издательство «Энергия», 1972 г.