Проектирование внутрицехового электроснабжения

3.3 Расчет электрических нагрузок

3.4 Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

3.5 Выбор схемы и компоновки цеховой КТП

3.6 Выбор схемы силовой сети цеха

3.7 Выбор способов прокладки силовой сети цеха

3.8 Выбор силового электрооборудования напряжением до 1000 В

3.8.1 Выбор и проверка комплектных шинопроводов

3.8.2 Выбор силовых распределительных пунктов

3.9 Выбор сечений силовых линий

3.9.1 Выбор сечений по допустимому нагреву

3.9.2 Проверка сечений по потере напряжения

3.9.3 Проверка сечений на соответствие выбранному аппарату защиты

3.10 Выбор защитной аппаратуры

3.11 Расчет токов короткого замыкания

3.12 Проверка правильности выбора защитной аппаратуры

4. Методические указания по выполнению графической части проекта электроснабжения электроприемников цеха

Приложение 21. Средние значения коэффициентов использования (К_и) и мощности (cosφ) для характерных групп электроприемников

Приложение 22. Технические данные силовых трансформаторов

Приложение 23. Планы двухтрансформаторных цеховых КТП

Приложение 24. Технические характеристики магистральных шинопроводов для сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением до 660 В, частотой 50–60 Гц

Приложение 25. Технические характеристики комплектных распределительных шинопроводов для сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В, частотой 50–60 Гц

Приложение 26. Технические характеристики шкафов распределительных с плавкими предохранителями

Приложение 27. Технические данные распределительных силовых пунктов ПР-11

Приложение 28. Технические данные распределительных силовых пунктов ПР8501 с трехполюсными АВ

Приложение 29. Технические данные силовых распределительных пунктов серии ПР8503

Приложение 30. Допустимые токовые нагрузки кабелей с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией на напряжение 0,66 кВ, 1 кВ

Приложение 31. Допустимые токовые нагрузки трехжильных кабелей с СПЭ-изоляцией напряжением 1 кВ

Приложение 32. Длительно допустимый ток для гибких кабелей с резиновой изоляцией напряжением 1 кВ

Приложение 33. Технические характеристики предохранителей

Приложение 34. Классификация автоматических выключателей

Приложение 35. Характеристики автоматических выключателей

Введение

Данные методические указания необходимо рассматривать как продолжение первой части "Проектирование осветительных установок".

При проектировании внутрицехового электроснабжения необходимо учитывать некоторые характеристики силовых электроприемников (ЭП): режим работы, коэффициент мощности, количество фаз, род тока. В связи с этим ниже приводятся характеристики отдельных групп силовых ЭП.

Для всех ЭП важным показателем является их номинальная мощность. Для электродвигателей номинальные мощности выражаются в киловаттах: для однодвигательных ЭП – _н, кВт; для многодвигательных – суммарная номинальная мощность – P_н, кВт. Номинальной (установленной) мощностью плавильных электропечей и сварочных установок является мощность питающих их трансформаторов, выраженная в киловольт-амперах (кВА). Это же относится и к трансформаторам преобразовательных и выпрямительных агрегатов.

Основной группой промышленных потребителей электроэнергии являются электродвигатели. В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются электродвигатели переменного тока: асинхронные с короткозамкнутым или с фазным ротором, синхронные. При напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт экономически целесообразнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт – синхронные; при напряжении 10 кВ и мощности до 630 кВт – асинхронные двигатели, 450 кВт и выше – синхронные. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в мощных электроприводах с тяжелыми условиями пуска.

К общепромышленным установкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки и т. д. В них применяются асинхронные и синхронные двигатели трехфазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением от 380 В до 10 кВ. Диапазон их мощностей различен – от долей киловатта (электродвигатели задвижек, затворов, насосов подачи смазки и т. п.) до десятков мегаватт (воздуходувки доменных печей, кислородные турбокомпрессоры). Основным агрегатам (насосы, вентиляторы) присущ продолжительный режим работы. Электродвигатели задвижек, затворов и т. п. работают в кратковременном режиме. Их коэффициент мощности находится в пределах 0,8–0,85. Синхронные двигатели работают в режиме перевозбуждения.

Данная группа электроприемников относится, как правило, к I категории по надежности электроснабжения. Некоторые вентиляционные и компрессорные установки относятся ко второй категории.

Наиболее многочисленной группой приемников электроэнергии являются металлорежущие станки. Напряжение сети, питающей двигатели станков, 380 или 660 В, частота 50 Гц. На станках, где требуется высокая частота вращения и регулирование скорости, применяют двигатели постоянного тока; в остальных случаях – асинхронные с короткозамкнутым ротором. По надежности электроснабжения станки основных цехов предприятий относят ко II категории, а вспомогательных цехов – к III категории по надежности электроснабжения.

К электротехнологическим установкам относятся электронагревательные и электролизные установки, установки электрохимической, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электросварочное оборудование. Наиболее распространенной группой электронагревательных установок являются электрические печи сопротивления, которые подразделяются на печи косвенного нагрева и прямого нагрева.

Печи сопротивления получают питание от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гц, в основном напряжением 380/220 В или на более высокое напряжение через понижающие трансформаторы. Выпускаются печи в одно- и трехфазном исполнении, мощностью до нескольких тысяч киловатт. Характер нагрузки их ровный, однако, однофазные печи для трехфазных сетей представляют несимметричную нагрузку. Коэффициент мощности для печей прямого действия 0,7–0,9, для печей косвенного действия – 1,0. Печи сопротивления относятся ко II категории по надежности электроснабжения.

Индукционные плавильные печи выпускаются со стальным сердечником и без него, мощностью до 4500 кВА. Питание индукционных печей и установок закалки и нагрева осуществляется от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гцнапряжением 380/220 В и выше в зависимости от мощности.

Индукционные плавильные печи без сердечника и установки закалки и нагрева токами высокой частоты получают питание переменным током частотой до 40 МГц от преобразовательных установок, которые, в свою очередь, питаются от сетей переменного тока промышленной частоты.

Печи со стальными сердечниками выпускаются в одно-, двух- и трехфазном исполнении. Коэффициент мощности их колеблется в пределах 0,2–0,8 (у индукционных установок повышенной частоты – от 0,06 до 0,25).

Все перечисленные печи иустановки индукционного нагрева относятся к приемникам IIкатегории по надежности электроснабжения.

Дуговые электрические печи по способу нагрева разделяются на печи прямого, косвенного и смешанного нагрева. Дуговые печи получают питание от сетей переменного тока промышленной частоты напряжением до 110 кВ через специальные понижающие печные трансформаторы. Мощности современных дуговых электропечей достигают 100–125 MBА.

В период расплавления шихты возникают частые эксплуатационные короткие замыкания в процессе плавки и бестоковые паузы при выпуске стали и новой загрузке печи, в результате чего в питающих сетях наблюдаются толчковые нагрузки. Нагрузка от однофазных печей несимметричная. Коэффициент мощности 0,85–0,95. В отношении надежности электроснабжения дуговые печи относятся к приемникам первой категории.

Вакуумные электрические печи для выплавки высококачественных сталей и специальных сплавов относятся к приемникам особой группы первой категории, так как перерыв в питании вакуумных насосов приводит к дорогостоящему браку.

Электротехнологические установки, работающие на постоянном или переменном токе частотой, отличной от 50 Гц, питаются от преобразовательных установок, характеристики которых определяются режимом электротехнологической установки. Например, мощности электролизных установок для получения алюминия зависят от их производительности и достигают 150–180 МВА. Питание преобразовательных установок электролиза осуществляется трехфазным переменным током частотой 50 Гц напряжением до 110 кВ (в зависимости от мощности). Нагрузка их равномерная, симметричная. Коэффициент мощности составляет 0,8–0,9. Электролизные установки относятся к приемникам I категории по надежности электроснабжения.

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты.

Для дуговой сварки на переменном токе применяют сварочные трансформаторы однофазного и трехфазного исполнения. Источником постоянного тока при сварке служат вращающиеся и статические преобразователи.

Для автоматической дуговой сварки под слоем флюса или в защитном газе используют как трансформаторы, так и преобразователи трехфазного исполнения на напряжение 380 В.

Сварочные агрегаты для контактной сварки имеют однофазное исполнение.

Электросварочное оборудование работает в повторно-кратковременном режиме работы. Однофазные сварочные приемники (трансформаторы и другие установки) дают неравномерную нагрузку по фазам трехфазной питающей сети. Коэффициент их мощности колеблется в пределах 0,3–0,7. Сварочные установки по степени надежности относятся ко II категории.

Электропривод подъемно-транспортных устройств имеет повторно-кратковременный режим работы и относится ко II категории по надежности электроснабжения. На кран-балках и тельферах установлены двигатели с короткозамкнутым ротором, а на мостовых кранах – двигатели с фазным ротором.

3.3 Расчет электрических нагрузок

До расчета электрической нагрузки следует привести характеристики ЭП цеха согласно табл. 10.

Таблица 10 Характеристики электроприемников цеха

Значения коэффициентов мощности и коэффициентов использования для характерных групп электроприемников приведены в прил. 21.

Номинальные токи электроприемников берутся из паспортных данных или определяются по формулам:

1) для трехфазных электродвигателей

, А; (28)

2) для многодвигательного электропривода трехфазного исполнения

, А, (29)

где  – суммарная номинальная мощность ЭП многодвигательного привода, кВт; cosj и h – коэффициент мощности и кпд наиболее мощного ЭП данного привода;

3) для трехфазной электрической печи, сварочного трансформатора

, А; (30)

4) для однофазных электродвигателей на фазное напряжение (U_ф)

, А; (31)

5) для однофазных электродвигателей, подключаемых на линейное напряжение и являющихся нагрузкой двух фаз

, А; (32)

6) для однофазных электрических печей, сварочных трансформаторов на фазное напряжение

, А; (33)

7) для однофазных электрических печей, сварочных трансформаторов на линейное напряжение

, А; (34)

8) для остальных трехфазных ЭП

, А; (35)

9) для остальных однофазных ЭП на фазное напряжение

, А; (36)

10) для остальных однофазных ЭП на линейное напряжение

, А. (37)

Во всех формулах: P_н, S_н – номинальная мощность ЭП (P_н – в кВт, S_н – в кВА).

Расчет электрических нагрузок цеха и любого другого узла системы электроснабжения (силового распределительного пункта, распределительного или магистрального шинопровода, секции шин) необходимо произвести по методу коэффициента расчетной активной мощности (K_р). Расчетная активная мощность (P_р) – это мощность, соответствующая такой неизменной токовой нагрузке (I_р), которая эквивалентна фактической изменяющейся во времени нагрузке по наибольшему возможному тепловому воздействию на элемент системы электроснабжения.

При расчете электрических нагрузок цеха или другого узла питания все ЭП распределяются на характерные группы с одинаковыми K_и и cosj. При этом резервные ЭП в расчете не учитываются и номинальные мощности ЭП с повторно-кратковременным режимом работы не приводятся к длительному режиму (ПВ = 100 %).

Для многодвигательных приводов учитываются все одновременно работающие электродвигатели данного привода. Если среди этих электродвигателей имеются одновременно включаемые (с идентичным режимом работы), то они учитываются в расчете как один ЭП с номинальной мощностью, равной сумме номинальных мощностей одновременно работающих двигателей.

Для каждой характерной группы ЭП определяются средние активная (P_с) и реактивная (Q_с) мощности по формулам:

, кВт, (38)

, кВАр. (39)

Коэффициент расчетной активной мощности зависит от значения группового коэффициента использования (), эффективного числа ЭП(_э) и постоянной времени нагрева (T₀).

Групповой коэффициент использования узла питания определяется по формуле:

. (40)

Эффективное число ЭП рассчитывается по формуле:

, (41)

где _э – число однородных по режиму работы ЭП одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума (P_р), что и группа из реального числа ЭП (), различных по мощности и режиму работы;  – суммарная установленная мощность ЭП узла питания, кВт;  – номинальная (установленная) мощностьi-го ЭП, кВт.

При большом числе ЭП цеха допускается определять эффективное число электроприемников по упрощенной формуле:

, (42)

где  – номинальная мощность наиболее мощного ЭП цеха.

Найденное по формулам (41) или (42) _э округляется до ближайшего меньшего целого числа.

Постоянные времени нагрева принимаются следующие:

-  – для сетей напряжением до 1 кВ, питающих распределительные пункты и шинопроводы, щиты. Значения K_р для этих сетей в зависимости от  и _э принимаются по табл. 11;

-  – для магистральных шинопроводов и цеховых трансформаторов; значения K_р принимаются по табл. 12.

Таблица 11 Значения коэффициентов расчетной нагрузки K_р для питающих сетей напряжением до 1000 В