РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ

 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Курсовой проект

по дисциплине: «Электроснабжение»

на тему: «РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ»

Выполнил:

студент группы ЕЕ-12-3

Салтыков М.А.

Проверил:

доц. Остапчук А.В.

г. Днепропетровск

2016

СОДЕРЖАНИЕ

 ВВЕДЕНИЕ

2.  Краткая характеристика системы электроснабжения                                    4

3. Расчет электрических нагрузок                                                                       6

4. Выбор мощности силовых трансформаторов                                                8

5.Расчет компенсирующих устройств реактивной мощности                          10

6. Расчет электрических сетей                                                                            12

7. Расчет токов короткого замыкания                                                               14

8. Выбор и проверка электрооборудования подстанций и сетей                    19

9. Релейная зашита элементов системы электроснабжения                              36

10. Системная автоматика                                                                      
            38

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ                                                                      
            39

ВВЕДЕНИЕ

Энергетика играет огромную роль в жизни и развитии любой страны. Сети систем электроснабжения позволяют питать электроэнергией самые отдаленные и весьма сложные объекты. Однако, задача проектирования данных систем электроснабжения не является легкой, введу того, что каждый элемент системы должен быть согласован с другими составляющими общей энергоструктуры. Для того, что бы грамотно и оптимально подобрать оборудование для существующей СЭС, пользуются уже существующими методами расчета, которые базируются на определении необходимой потребителям вырабатываемой мощности. Выбор трансформаторов и отходящих линий электроснабжения осуществляется в зависимости от питающего уровня всей системы.

2. Краткая характеристика системы электроснабжения

Данная система электроснабжения представляет собой сложную структуру объектов для генерации, передачи и использования электрической энергии. Она предполагает наличие нескольких уровней расчета:

- первый уровень – отдельные электроприемники, которые представляют собой асинхронные двигатели АД1 и АД2 с соответствующими мощностями Р_нАД1 = 0,09МВт, Р_нАД2 = 0,08МВт, а так же спокойная нагрузка P₄.= 0,3 МВт. Питание их осуществляется с помощью отходящих от шины напряжения 0,4 кВ кабельных линий.

- второй уровень – шины распределительных пунктов, от которых работают синхронные двигатели одинаковой мощности  Р_нСД = 0,6МВт, запитываются два понизительных трансформатора с уровнем напряжения 6/0,4 кВ, которые необходимо выбрать в ходе данного курсового проекта.

 - третий уровень – питает все вышеперечисленные уровни с помощью линий электропередач Л1 и Л2, имеет напряжение 6кВ.

 Схема и исходные данные СЭС приведены ниже.

Исходные данные для выполнения курсового проекта

N вар	17
N схемы	3
P1,2	0,3МВт
cosφ P1,2	0,8
P3,4	0,3 МВт
cosφ P3,4	0,7
СД	2*0,6 МВт
cosφ СД	0,85
АД1	0,09 МВт
cosφ АД1	0,7
АД2	0,08 МВт
cosφ АД2	0,7
Л1, Л2	8
Л3	1км
Л4	1км
Л5	0,2км
Л6	0,3км
Л7	5в км
U1	6кВ
U2	6 кВ
U3	0,4 кВ
U5	0,4 кВ
Sk	200 МВт
	6кВ	0,8
0,4 кВ	06

                                                                                
  

3. Расчет электрических нагрузок на напряжении 0,4 кВ

Расчет максимальных электрических нагрузок производится с целью выбора силового электрооборудования и расчета токоведущих элементов электрических сетей системы электроснабжения[1].

При определении максимальных расчетных нагрузок горных предприятий рекомендуется пользоваться методом коэффициента спроса. Электрические нагрузки должны определяться для характерных узлов схемы электроснабжения и для предприятия в целом.

Расчетный получасовой максимум активной и реактивной нагрузок, для группы однородных по режиму работы электроприемников, определяется по формулам:

где - групповой коэффициент спроса;  - соответствует средневзвешенному коэффициенту мощности.    

         В данном случае ведем расчет отдельно для оборудования с асинхронными двигателями и отдельно - с синхронными. Коэффициенты спроса для каждого из них, берутся из справочной литературы.[1]

Расчет максимальной активной мощности потребителей:

Расчет максимальной  реактивной мощности потребителей:

Далее необходимо найти максимальную полную нагрузку потребителя по следующей формуле:

0,484 (МВА)

где  - коэффициент участия в максимуме нагрузки, находится в пределах

0,8…0,95.

Результаты расчета электрических нагрузок сводят в табл.1.

Таблица 1

Наименование группы приемников	Суммарная установленная мощность Рн, МВт	Коэффициент спроса kc	cosφ/tgφ	Pм, МВт	Qм, Мвар	Sм, МВА
Асинхронные двигатели на шине 0,4 кВ	0,17	0,8	0,7/1,02	0,136	0,139	0,484
Спокойная нагрузка  0,4 кВ		0,8	0,7/1,02	0,24	0,245
Итого:				0,376	0,384	0,484

4. Выбор мощности силовых трансформаторов

Для выбора мощности и типа трансформатора необходимо знать нагрузку, которую он должен обеспечить. Так же, необходимо знать к какому классу относятся запитывающиеся потребители, ведь от этого напрямую зависит выбор количества трансформаторов[2].

Двухтрансформаторные подстанции применяются при преобладании ЭП 1-й и ответственных ЭП 2-й категорий, бесперебойная работа которых необходима для функционирования основных производств.

Как правило, принимают следующие значения коэффициента загрузки:

·        для цехов с преобладанием нагрузки 1-й категории при двухтрансформаторных подстанциях – 0,65…0,7;

·        для цехов с преобладанием нагрузки 2-й категории при однотрансформаторных подстанциях с взаимным резервированием трансформаторов – 0,7…0,8;

·        для цехов с преобладанием нагрузки 2-й категории при возможности использования централизованного резерва трансформаторов и для цехов с нагрузками 3-й категории – 0,9…0,95 (работа трансформаторов с  хотя и возможна, но требует технического и экономического обоснований).

В данном случае согласно схеме электроснабжения, количество трансформаторов равно двум, тогда коэффициент загрузки выбираем равным . Рассчитываем минимальную мощность цеховых трансформаторов :

где  -  минимальная мощность цеховых трансформаторов;   - число трансформаторов на подстанции;   - коэффициент загрузки трансформаторов;  -  максимальная активная расчетная нагрузка.

Мощность каждого из них принимается такой, чтобы при отключении одного трансформатора, другой, оставшийся в работе, обеспечил питание потребителей 1-й категории и основных потребителей 2-й категории во время ремонта или его замены. Таким образом, единичная мощность трансформатора определяется по выражению:

где  -  расчетная нагрузка горного предприятия с учетом мощности компенсирующих устройств, кВ·А; - коэффициент аварийной перегрузки,;  число трансформаторов ГПП;  -  доля потребителей I-й и II-й категорий.

Выбираем мощность трансформатора, ближайшую большую из ряда стандартных мощностей: 

Тип трансформатора: ТМ-400/6/0,4.

5. Расчет компенсирующих устройств реактивной мощности

Выбор способов и средств уменьшения потребления и компенсации ре-

активной мощности решается на основе технико-экономических расчетов в соответствии с «Указаниями по проектированию компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий». Энергоснабжающие организации устанавливают значения реактивной мощности, отпускаемой предприятию в часы максимума нагрузки энергосистемы. Для данного случая значение указанной реактивной нагрузки рекомендуется принимать на уровне 0,25…0,3 от активной максимальной расчетной нагрузки предприятия.

Наибольшая реактивная мощность, которую могут передавать в сеть напряжением до 1000В силовые трансформаторы рассчитывается по формуле:

где  - соответственно количество, коэффициент загрузки и номинальная мощность силовых трансформаторов;  -  расчетная максимальная активная нагрузка потребителей напряжением до 1000В.

Расчет мощности компенсирующих установок (батарей конденсаторов)

следует определять для узлов схемы напряжением до 1000В. Суммарная мощность батарей конденсаторов на стороне до 1000В:

где   - расчетная максимальная реактивная нагрузка потребителей напряжением до 1000В.

Так как  - установка батарей конденсаторов на стороне напряжения 0,4кВ не требуется.

Расчетная реактивная нагрузка в сетях 6кВ промышленных предприятий определяется по выражениям:

при                                             ;

при                                             ;

где  - расчетная нагрузка электроприемников напряжением 6кВ;  -  потери реактивной мощности в силовых трансформаторах и реакторах, квар.

Необходимо определить расчетную нагрузку электроприемников 6кВ.

Реактивную мощность на высшем напряжении находим исходя из того, что она проходит в основном через трансформаторы, а, следовательно, находиться она будет по формуле:

Зная расчетную реактивную загрузку в сети 6кВ, рассчитываем необходимую мощность конденсаторной батареи:

Выбирается компенсационное устройство КРМ-6,3/10,5-1050.

6. Расчет электрических сетей

Расчет линий, питающих главную понизительную подстанцию и отдельные потребители, производится для выбора сечения проводов и кабелей, исходя из условий получения наименьших эксплуатационных расходов и капитальных затрат, допустимых нагревов, потерь напряжения, механической прочности и устойчивости по отношению к токам короткого замыкания (т.к.з.). Исходными данными для расчета являются сведения о нагрузках отдельных потребителей и групп потребителей, питающихся по рассчитываемым линиям, а также сведения о длине воздушных или кабельных линий, подлежащих расчету.

Линии низкого напряжения (до 1000В):

– по нагреву токами нагрузки;

– по потере напряжения в линии.

Расчетные номинальные токи потребителей могут быть определены по

выражениям:

-         для асинхронных двигателей, которые питаются через линии Л7 и Л8.

Пользуясь справочной литературой и на основании проведенных расчетов, была выбрана марка кабеля СИП, а так же его поперечное сечение, соответствующее рассчитанному току (Таблица 2).

 СИП-2 3х50+1х70  ,  рассчитан на ;

- для синхронных двигателей, которые питаются через линии Л5 и Л6.

 СИП-1 (3×16 + 1×25) рассчитан на ;

- для высоковольтных линий РП Л3 и Л4, с учетом токов трансформатора:

  СИП-3 1×120 , рассчитан на ;

- для высоковольтных линий ГПП Л1 и Л2, с учетом токов трансформатора:

  СИП-1 3×25 + 1×35 рассчитан на

- провода для отдельных нагрузок.

Провода на нагрузки Р1 и Р2 : ВВГ×3×4 рассчитан на

Провода на нагрузки Р4: ВВГ×4×2 рассчитан на

7. Расчет токов короткого замыкания

Расчет токов короткого замыкания производится для выбора основных аппаратов и токоведущих частей распределительного устройства подстанции, проверки их на стойкость к действию этих токов, для обоснования выбранных средств защиты элементов подстанции. Расчет токов короткого замыкания позволяет проверить необходимость их ограничения наилучшим способом.

По расчетной схеме сети составляется схема замещения. Для этого все без исключения элементы схемы заменяются соответствующими электрическими сопротивлениями, кроме того, указываются величины ЭДС [3].

Схема замещения

Ведем расчет сопротивлений для данной схемы электроснабжения на напряжении 6 кВ:

1)    Принимаем базисное напряжение . Рассчитаем сопротивление системы, зная мощность КЗ :

2)    Определяем сопротивление линий:

3)    Рассчитываем сопротивление синхронного двигателя, принимая .

Согласно рассчитанным сопротивлением необходимо определить токи короткого замыкания в точках КЗ указанных на схеме замещения.

Ток в первой точке КЗ1(системы):

Для определения сопротивления до второй точки КЗ необходимо найти эквивалентное сопротивление по формуле:

Ток во второй точке КЗ2:

Аналогично для точки КЗ3 находим эквивалентное сопротивление до данной точки КЗ и рассчитываем ток для точки без учета подпитки:

Для учета токов подпитки необходимо, что бы выполнялось условие:

Если данное условие выполняется, то ток короткого замыкания в точке КЗ3 будет составлять сумму тока системы и тока подпитки от синхронного двигателя.

Определяем сопротивление для точки А:

 Найдем периодическую составляющую тока КЗ по формуле:

Рассчитываем остаточное напряжение:

 Условие подпитки не выполняется:

Тогда ток точки КЗ3:

Значения токов КЗ

Таблица 2

Значение тока короткого замыкания	Расчетное значение тока К.З, кА
k1	k2	k3
Начальное действующее	19,23	10,83	18,23
Мгновенное ударное	34,61	19,5	32,81
Действующее ударное	29,04	16,35	27,53
Действующее, установившегося режима	13,6	7,66	12,9

На примере первой точки найдем все необходимые токи:

         - Действующее установившееся значения тока

         - Мгновенное ударное

где  ударный коэффициент, принимаемый в практических расчетах т.к.з. в сетях напряжением выше 1000В, равным: 1,9 – при КЗ на шинах, питаемых непосредственно от генераторов средней и большой мощности (); 1,8– при КЗ в установках и сетях напряжением выше 1000В.

- Действующее ударное

8. Выбор и проверка электрооборудования подстанций и сетей

1. Линии высокого напряжения (свыше 1000В):

– по экономической плотности тока;

– по нагреву токами нагрузки;

– по потере напряжения в линии;

– по механической прочности (только воздушных линий);

– по нагреву токами КЗ (только кабельных линий);

2. Линии низкого напряжения (до 1000В):

– по нагреву токами нагрузки;

– по потере напряжения в линии.

Проверка по нагреву током

Согласно ПУЭ сечения проводов, жил кабелей и шинопроводов в сетях до 1000В выбираются по нагреву током расчетного режима из соотношения [1]:

где  - допустимый продолжительный (длительный) ток проводника;  -поправочный коэффициент, учитывающий условия прокладки проводов и

кабелей.

         Принимаем  операясь на справочные данные:

Условие выполняется для линии Л7: СИП-2 3х50+1х70, рассчитан на ;

Условие выполняется для линии Л8 СИП-2 3х50+1х70, рассчитан на .

Проверка по потере напряжения в линии

         Потерей напряжения называют разброс напряжений в начале и конце линии. Аналитически потеря напряжения определяется по формуле:

Для проверки провода должно выполняться условие:

Ведем проверку для линии Л7:

Допустимое отклонение:

В данном случае расчет показывает, что сечение кабеля не подходит, из-за большого значения потери напряжения в линии. Выберем провод сечением 120 мм² и проложим 5 параллельных линий. Найдем потерю напряжения в этом случае:

Условие выбора выполняется, тогда Линия Л7: 5 линий СИП-2 3х120+1х95 .

Ведем проверку для линии Л8:

Выберем провод сечением 120 мм² и проложим 5 параллельных линий

Допустимое отклонение:

В данном случае расчет показывает, что сечение кабеля подходит.

 Линия Л8: 5 линий  СИП-2 3х120+1х95 .

Далее ведем проверку для линий Л5 и Л6 свыше 1000В по экономической плотности тока:

Используем таблицей 3 для определения числа часов использования максимума нагрузки.

Таблица 3

Для линий с алюминиевыми жилами применяем  при числе максимумов нагрузки в год .

Проверка линии по нагреву токами нагрузки:

Проверка осуществляется таким же образом как и для линий с напряжением ниже 1000В.

Данное условие выполняется.

Проверка линии по потере напряжения:

Так как линии имеют различную длину, данный вид проверки проводим для каждой линии отдельно. Проверка для линии Л5.

Находим значение потерь напряжения для сечения 48мм²:

Допустимое отклонение:

Условие выполняется – сечение линии выбрано правильно.

Проверка для линии Л6:

Допустимое отклонение:

Условие выполняется – сечение линии выбрано правильно.

Проверка линий Л5 и Л6 по механической прочности:

Для проверки линии на механическую прочность минимальное сечение шин, проводов и кабелей с учетом их механической прочности должны быть не менее сечений, приведенных в справочной литературе.

Жилы контрольных кабелей для присоединения под винт к зажимам панелей и аппаратов должны иметь сечения:

- не менее 1,5 мм2 (а при применении специальных зажимов - не менее 1,0 мм² ) для меди и 2,5 мм² для алюминия;

-для токовых цепей - 2,5 мм² для меди и 4 мм² для алюминия;

-для неответственных вторичных цепей, для цепей контроля и сигнализации допускается присоединение под винт кабелей с медными жилами сечением 1 мм² (согласно п.3.4.4 ПУЭ);

Выбранные ранее линии удовлетворяют поставленным условиям.

Проверка линии по нагреву токов КЗ:

Для проверки линий Л5 и Л6 по нагреву токов КЗ пользуются формулой:

где  – термический коэффициент для кабелей в зависимости от материала, для алюминия составляет 91 Ас²/мм²; - приведенное время короткого замыкания. Согласно справочной литературе значение приведенного времени будет равно 0,1 с. Тогда минимальное сечение:

Согласно сделанному пересчету, сечения линий Л5 и Л6 оптимальны.

Выполним проверку сечения кабеля для остальных линий с напряжением свыше 1000В.

Далее ведем проверку для линий Л3 и Л4 свыше  по экономической плотности тока:

Проверка линии по нагреву токами нагрузки:

Проверка осуществляется таким же образом, как и для линий с напряжением ниже 1000В.

Данное условие выполняется.

Проверка линии по потере напряжению:

Так как линии имеют равную длину, данный вид проверки проводим для одной линии.

Допустимое отклонение:

Условие выполняется – сечение линии выбрано правильно.

Проверка линии по нагреву токов КЗ:

Для проверки линий Л3 и Л4 по нагреву токов КЗ пользуются формулой:

Марки и сечения ВЛЭП

Таблица 4

Линия	Марка	Сечение
Л1	СИП-1	3×25 + 1×35
Л2	СИП-1	3×25 + 1×35
Л3*3	СИП-3	1×120
Л4*3	СИП-3	1×120
Л5	СИП-1	3×16 + 1×25	70
Л6	СИП-1	3×16 + 1×25	70
Л7*5	СИП-2	3×120 + 1×95	340
Л8*5	СИП-2	3×120 + 1×95	340

Выбор низковольтных выключателей

Проведем выбор автоматов для линий Л7. Автоматы для АД выбираются согласно условиям:

 ;    - для линии с одним ЭД

      - для линии без ЭД

 - для групповой линии с несколькими ЭД

где:  - номинальный ток автомата, А

 - номинальный ток расцепителя, А

  - длительный ток в линии, А

  - максимальный ток в линии, А

 - номинальное напряжение автомата, В

  - номинальное напряжение сети, В

 - кратность отсечки; 

  - ток отсечки, А            - для линии без ЭД

 - для линии с одним ЭД

Согласно условиям делаем проверку для выбранного автомата ВА 51-35:

1.    

2.    

3.    

4.        принимаем  

        Методика выбора автоматических выключателей для остальных потребителей является аналогичной. Для наглядности выбранные устройства занесены в таблицу.

Технические данные автоматических выключателей

Таблица 5

Элементы схемы	Тип
АД1	ВА 51-35	0,4	250	250	5	15
АД2	ВА 51-35	250	250	5	15
Т1	ВА 52-39	630	630	1	40
Т2	ВА 52-39	630	630	1	40

Необходимо выбрать предохранители для спокойной нагрузки P4 согласно условиям:

 - номинальное напряжение предохранителя, кВ

 – номинальное напряжение сети, кВ

 - номинальный ток предохранителя, А

 - номинальный ток плавкой вставки, А

    - длительный ток в линии, А

         Был выбран предохранитель для каждого ответвления спокойной нагрузки P4 типа ПР2-15-10.

Проверка правильности выбора по условиям:

Таблица выбранных предохранителей

Таблица  6

Для надежной работы системы предохранители используют вместе с выключателями нагрузки. Произведем выбор выключателей, следуя условиям:

Для каждого ответвления нагрузки P4 был выбран выключатель OT16F3-25. Проверка по вышеперечисленным условиям:

Технические данные автоматических выключателей

Таблица  7

Выбор низковольтных и высоковольтных шин

Рассчитаем ток для высоковольтной шины от которой питаются синхронные двигатели:

Согласно рассчитанному току была выбрана алюминиевая шина АДО-25 х 3 однополосная с . Проведем проверку согласно условию:

Проверяем выбранную шину согласно  условиям :

1.     По нагреву   

2.     По термической стойкости

3.     По динамической стойкости

Необходимо найти минимальное сечение шины:

где,  С – функция зависящая от материала шины, для алюминия С=91.

          – тепловой импульс. Определяется по формуле:

Тогда минимальное сечение шины:

Находим расчетное механическое напряжение в материале

 - длина пролета между изоляторами;

- момент сопротивления шины;

- междуизоляционное расстояние.

- частота собственных колебаний;

- коэффициент, зависящий от материала шин;

- момент инерции поперечного сечения;

- поперечное сечение шины;

Рассчитываем момент инерции поперечного сечения:

-ширина шины;

-высота шины.

         Определяем из данной формулы значение длины пролета между изоляторами:

Принимаем .

По выбранным из таблицы расположениям шин находим момент их сопротивления:

Определяем значение расчетного механического напряжения в материале:

1.     5,

2.    

3.      

Выбор оставшихся высоковольтных шин аналогичен приведенному.

Технические характеристики шин

Таблица 8

Выбор высоковольтных выключателей

Условия выбора:

Где:   - номинальное напряжение выключателя, кВ

 - номинальное напряжение установки, кВ

 - номинальный ток выключателя, А

 - номинальный ток установки, А

 - номинальное расчетное значение токов отключения, кА

 – номинальная и расчетная полная мощность отключения, МВА

Для ступени напряжением 6кВ были выбраны высоковольтные выключатели марки ВЭМ-6-20. Для надежной защиты элементов необходимо проверить выключатель по перечисленным выше условиям.

1.    

2.    

3.    

4.     Пивняк Г.Г., Винославский В.Н. и др. Переходные процессы в системах электроснабжения/ Учебник для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, Днепропетровск, Национальный горный университет, 2003. - 548 с.

5.     Шеховцов В.П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Методическое пособие для курсового проектирования/ В.П. Шеховцов. – М.: ФОРУМ: ИНФА-М, 2005. – 214 с., ил.

6.     С.А. Гондуров, С.В. Михалев, М.Г. Пирогов, А.Л. Соловьев, Релейная защита электродвигателей напряжением 6-10 кВ. Методика расчета. – Пособие к журналу «Энергетик». – Москва: НТФ «Энепргопрогресс», 2014 – 77с.

7.     Информационный сайт «Все о релейной защите» [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://rza.org.ua/down/open/Sistemnaya-avtomatika--Barzam-A--B-_258.html

8.     Информационный сайт «Энергетика. Оборудование и документация» [Электронный ресурс]. - Режим доступа - http://forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/rzia/obschie-svedeniya-o-releynoy-zaschite-v-setyah-6-10-kv.html.

9.     Информационный сайт «Школа для электрика» [Электронный ресурс]. - Режим доступа - http://electricalschool.info/main/elsnabg/410-kak-vypolnjaetsja-zashhita-silovykh.html.