ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Амурский государственный университет»

Курсовая работа

по дисциплине

"Электроснабжение промышленных предприятий"

На тему:

"Проектирование системы электроснабжения цеха машиностроительного завода"

Благовещенск 2006

Задание

Выполнить проект электроснабжения цеха представленного на плане по следующим исходным данным:

Таблица 1 – Исходные данные на курсовой проект

Реферат

Работа 83 с., 8 рисунков, 29 таблиц, 9 источников, 4 приложения.

Электрическая нагрузка, электроприемник, трансформатор, ток короткого замыкания, батареи конденсаторов, приведенные затраты, центр электрических нагрузок

В данном курсовом проекте по дисциплине Электроснабжение промышленных предприятий представлено проектирование системы электроснабжения отделений цеха машиностроительного завода. Рассчитывается нагрузка данного цеха для выбора КТП, токи короткого замыкания для выбора электрооборудования, производится выбор проводников, а также выбор и расстановка НКУ.

Содержание

Введение

1. Краткое описание технологического процесса

2. Расчет электрических нагрузок

3. Выбор двух вариантов распределительной сети

4. Выбор и расчет низковольтной электрической сети

5. Выбор защитных коммутационных аппаратов

6. Технико-экономическое сравнение вариантов по приведенным затратам

7. Расчет токов короткого замыкания для выбранного варианта

8. Проверка выбранных сечений проводников и защитных аппаратов

9. Построение карты селективности

10. Описание работы АВР на напряжение 0,4 кВ

Заключение

Библиографический список

Введение

Предмет «Электроснабжение промышленных предприятий» охватывает вопросы, относящиеся к проектированию и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий. Решение этих вопросов позволяет обеспечить дальнейшее совершенствование способов электрификации промышленных предприятий и установок всех отраслей промышленности с применением современных средств электронно-вычислительной техники.

Повышение технического уровня принимаемых решений при проектировании электроснабжения промышленных предприятий достигается за счёт применения надёжных и экономичных схем электроснабжения и подстанций; прогрессивных способов канализации электроэнергии, в первую очередь глубоких вводов с применением кабелей 35–220 кВ, токопроводов 6–10 кВ; компенсации реактивной мощности, в том числе за счёт установки синхронных двигателей и статических конденсаторов; мероприятий по повышению качества электроэнергии (схемные решения, симметрирующие установки, фильтры высших гармоник); автоматизации учёта электроэнергии, что способствует снижению максимума нагрузки и уменьшению потерь.

1. Краткое описание технологического процесса

Производственные процессы проектируемого цеха осуществляются в основном, инструментальном, термическом и сварочном отделениях, а также на сборочном участке.

Потребителями основного отделения являются металлообрабатывающие станки средней мощности, к ним относятся: круглошлифовальный, токарно-револьверный, вертикально-сверлильный, токарный полуавтомат, токарный с ЧПУ, горизонтально-проточный, горизонтально-расточный, горизонтально-фрезерный, токарно-винторезный, радиально-сверлильный и другие.

Металлообрабатывающие станки являются трехфазными, по надежности электроснабжения относятся ко второй категории. Устанавливаются стационарно и по площади цеха распределены равномерно.

В проектируемом цехе имеются приемники работающие в повторно-кратковременном режиме – это электроприемники контактной сварки (точечные стационарные, сварочные стыковые, сварочные шовные роликовые, сварочные точечные, сварочные стационарные машины).

Основным технологическим процессом проектируемого в данном курсовом проекте цеха является металлообработка, сварка, термическая обработка, шлифовка, расточка металлических заготовок и сборка металлических конструкций.

Все электроприемники рассчитаны на переменный ток напряжением 380 В промышленной частоты.

Окружающая среда в цехе нормальная, температура не превышает 20-30⁰ С. Для удаления технологической пыли, газа и паров, образованных во время производственного процесса и способных нарушить нормальную работу оборудования, в цехе используются семь вентиляционных установок различной мощности.

2. Определение расчетных электрических нагрузок

Определение электрических нагрузок является одним из основных этапов проектирования. По значению электрических нагрузок выбирают электрооборудование и схему системы электроснабжения, определяют потери мощности и электроэнергии. От правильной оценки ожидаемых нагрузок зависят капитальные затраты на систему электроснабжения, эксплуатационные расходы, надежность работы электрооборудования.

Определение максимальных нагрузок производится в два этапа. На первом этапе определяется нагрузка отдельных электроприемников, отдельных цехов и производственных участков, а также всего предприятия.

На этом этапе расчета предполагают отсутствие источников реактивной мощности в СЭС. Результаты первого этапа расчета электрических нагрузок используются как исходные данные для выбора числа и мощности силовых трансформаторов с одновременным определением мощности и мест подключения компенсирующих устройств

Для наиболее точного расчета электрических нагрузок применяют вероятностный метод, к которому относится метод расчетного коэффициента, применяемый для расчета нагрузок промышленных предприятий.

Расчет легко поддается автоматизации с помощью ЭВМ и реализован в программе «ZAPUSK».

Определение расчетных электрических нагрузок на первом этапе производится для выбора силовых трансформаторов цеховой КТП, магистральных шинопроводов. Метод расчетного коэффициента разработан в ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», изложен в «Указаниях по расчету электрических нагрузок» /1/ и производится по нижеизложенной методике.

Для первого этапа расчета нагрузок необходимо разбить электроприемники на характерные категории, т.е. объединить их в группы по сходству режимов работы и близким коэффициентам использования

­ Суммарные номинальные активная и реактивная мощности каждой характерной категории определяется по формулам:

(1)

(2)

где – активная номинальная мощность электроприемника, кВт;

, – соответственно номинальные активная и реактивная мощности группы электроприемников, кВт и квар;

– паспортное или справочное значение коэффициента реактивной мощности электроприемника.

­ Средняя мощность нагрузок каждой категории электроприемников определяется по выражениям:

(3)

(4)

где , – соответственно номинальные активная и реактивная мощности за период времени Т, кВт и квар.

­ Средневзвешенные коэффициенты использования и мощности рассчитываются следующим образом:

(5)

(6)

где , – соответственно коэффициент использования i-го электроприемника и средневзвешенный коэффициент использования;

– средневзвешенный коэффициент реактивной мощности.

­ Эффективное число электроприемников по характерной категории определяется по формуле:

(7)

­ На основании рассчитанных параметров и таблицы 1 представленной в /1/ определяется расчетный коэффициент:

; ) (8)

где – эффективное число электроприемников;

– коэффициент расчетной нагрузки.

­ Определяем расчетную мощность по каждой характерной категории:

(9)

(10)

где , – соответственно расчетные активная и реактивная мощности, кВт и квар.

­ Полная расчетная нагрузка определяется по следующему выражению:

(11)

Исходные данные для расчета электрических нагрузок проектируемого цеха с выделением характерных категорий представлены в таблице 2. Где электроприемники цеха разбиваются на однородные по режиму работы группы.

Таблица 2 – Исходные данные для расчета электрических нагрузок

Нагрузка цеха представлена как трехфазной, так и однофазной нагрузкой. Так, в сварочном отделении имеются однофазные электроприемники, которые считаются специфической нагрузкой. Их расчет производиться в ручную и приводиться в приложении А.

Расчет трехфазных нагрузок приемников электроэнергии напряжением до 1000 В проводится с использованием пакета прикладных программ «ZAPUSK». Расчет по характерным категориям цеха трехфазной нагрузки, приведен в приложении Б.

Осветительная нагрузка рассчитывается методом удельной плотности осветительной нагрузки в программе «ZAPUSK». Результаты расчета всех нагрузок цеха приведены в таблице 3. Результаты расчета осветительной нагрузки приведены в приложении В.

Таблица 3 – Результаты расчета электрических нагрузок

Выбор числа и мощности силовых трансформаторов для цеховых трансформаторных подстанций промышленных предприятий должен быть технически и экономически обоснованным, так как он оказывает существенное влияние на рациональное построение схем промышленного электроснабжения.

Критерием при выборе трансформаторов являются надежность электроснабжения, расход цветного металла и потребная трансформаторная мощность

При сооружении цеховых трансформаторных подстанций предпочтение следует отдавать, комплектным трансформаторным подстанциям (КТП), полностью изготовленным на заводах.

Рассмотрим варианты установки одного и двух трансформаторов на КТП.

Мощность трансформатора определяется по следующему выражению:

кВА (12)

где N – количество устанавливаемых на КТП трансформаторов;

Кз – коэффициент загрузки трансформаторов, равен 0,7 для двух трансформаторов на КТП, равен 0,9 при одном трансформаторе.

Принимаем двухтрансформаторную КТП 1000/10 кВА с силовым трансформатором типа ТМ-1000/10.

Выбираем мощность трансформатора, при установке одного трансформатора:

кВА (13)

Принимаем однотрансформаторную КТП 1600/10 кВА с силовым трансформатором типа ТМ-1000/10.

Определяем наибольшую реактивную мощность, которую целесообразно передать в сеть 0,4 кВ через трансформаторы:

Для КТП с двумя трансформаторами:

квар

Для КТП с одним трансформатором:

квар

Определяем мощность низковольтных батарей конденсаторов.

Для КТП с двумя трансформаторами:

квар (16)

Для КТП с одним трансформатором:

квар (17)

Определяем дополнительную мощность низковольтных батарей конденсаторов по условию потерь. Для этого находим расчетный коэффициент γ, зависящий от расчетных параметров К_р1 и К_р2 и схемы питания цеховой ТП, при условии работы предприятия в две смены, используя рис 4.8, 4.9 и табл. 4.6, 4.7.

,

γ = 0,37

Для КТП с двумя трансформаторами:

Для КТП с одним трансформатором:

Определяем суммарную мощность низковольтных батарей конденсаторов:

Для КТП с двумя трансформаторами:

квар (20)

Примем к установке 1*УКЛ (П) Н – 0,38 – 432 – 108УЗ

1*УКЛ (П) 0,38 – 300 – 150УЗ

Для КТП с одним трансформатором:

кар (21)

Примем к установке 1*УКЛ (П) Н – 0,38 – 432 – 108УЗ

1*УКЛ (П) 0,38 – 450 – 150УЗ

Таблица 4 – Данные для расчета потерь в трансформаторах

Для оценки наиболее целесообразного варианта необходимо определить затраты на КТП, по следующим выражениям:

, (22)

где Е – коэффициент дисконтирования, определяемый в зависимости от ставки рефинансирования, устанавливается ЦБ, равный Е=0,12;

К_ТП и К_НБК – стоимость трансформаторной подстанции и конденсаторных батарей соответственно;

С – стоимость потерь электрической энергии в трансформаторах и батареях конденсаторов, равная 0,6 руб./кВт;

α – суммарные ежегодные отчисления на амортизацию, ремонт и обслуживание, принимаемые 0,094;

ΔW_ТР – потери электроэнергии в трансформаторах;

ΔW_НБК – потери электроэнергии в НБК.

Для двухтрансформаторной КТП:

Активные потери мощности в трансформаторе

кВт (23)

Потери электроэнергии в трансформаторе:

ΔW_ТР = Р_ТР ∙ Т_Г = 15,57 ∙ 8760=136393,2 кВт∙год; (24)

Потери электроэнергии в НБК:

кВт∙год,

где p_НБК.уд – удельная величина потерь в НБК, равная 0,003 кВт/квар.

Таблица – 5 Стоимость оборудования

Таким образом, затраты равны:

тыс. руб. (25)

Аналогичный расчет произведем для однотрансформаторной КТП:

кВт (26)

ΔW_ТР = Р_ТР ∙ Т_Г = 17,37 ∙ 8760= 152248,8 кВт∙год (27)

кВт∙год,

Таким образом, затраты равны:

тыс. руб. (29)

При сравнении двух вариантов очевидно, что затраты на КТП с двумя трансформаторами меньше, чем на КТП с одним трансформатором. Поэтому к установке принимаем двухтрансформаторную КТП с трансформатором ТМ – 1000/10.

Расчет центра электрических нагрузок

При проектировании, с целью определения места расположения цеховой КТП строится картограмма нагрузок. Картограмма представляет собой размещение на генеральном плане цеха окружностей, площадь которых равна в выбранном масштабе расчетным нагрузкам.

Для определения координат ЦЭН на конкретный момент времени, график электрических нагрузок представляют ступенчато, при этом каждая ордината определяется как отношение к максимальной мощности группы электроприемников:

(30)

(31),

где K_i – относительная мощность i-ой группы электроприемников в k-й час суток;

P_i – максимальная мощность i-ой группы электроприемников.

По найденным ЦЭН для каждого часа суток определяется математическое ожидание ЦЭН, среднеквадратическое отклонение и коэффициент корреляции.

(32)

(33)

Среднеквадратическое отклонение:

(34)

(35)

Коэффициент корреляции:

В течение суток ЦЭН смещаются по территории охваченной эллипсом, который и характеризует зону рассеяния ЦЭН.

Для того, чтобы построить эллипс зоны рассеяния ЦЭН необходимо определить угол поворота осей эллипса, относительно выбранной системы координат и полуоси эллипса рассеяния ЦЭН.

Угол поворота осей эллипса:

(36)

Полуоси эллипса рассеяния центров:

(37)

(38)

На основании расчетных значений математического ожидания условного центра нагрузок, координат полуосей и угла поворота осей строится эллипс рассеяния нагрузок. Место расположения источника питания (КТП) выбирается в наиболее удобной его точке. В этом случае высшее напряжение будет максимально приближено к центру потребления электроэнергии, а распределительные сети будут иметь минимальную протяженность. Если по какой-либо причине (технологической, архитектурной и др.) эллипс рассеяния попадает на территорию цеха и нельзя расположить источник питания в зоне рассеяния нагрузок, то его смещают в сторону внешнего источника питания. Данные для построения эллипса приведены в таблице 6.

Расчет радиусов картограммы электрических нагрузок цеха, координат ЦЭН и эллипса рассеяния нагрузок произведен пакетом программ «MathCad 11» фирмы MathSoft и приведен в приложении Г.

Таблица 6 – Данные для построения эллипса рассеяния нагрузок

На основании расчетных данных строится эллипс зоны рассеяния с центром в точке О(10,62; 7,25), углом поворота осей равным 32,83^о относительно выбранной системы координат и откладываются рассчитанные значения полуосей эллипса.

3. Выбор двух вариантов распределительной сети

На выбор схемы и конструктивное исполнение цеховой сети оказывают влияние такие факторы, как степень ответственности электроприемников, режим их работы и размещение на территории цеха.

Цеховые сети промышленного предприятия выполняется на напряжение до 1 кВ (наиболее распространенным является напряжение 0,38 кВ).

При проектировании системы электроснабжения необходимо правильно установить характер среды, которая оказывает решающее влияние на степень защиты применяемого оборудования.

В цеховые сети закладывается большое количество проводникового материала и электрической аппаратуры, поэтому при построении схемы исходят из принципа одинаковой надежности питающих линий со всеми аппаратами и одного электроприемника технологического агрегата.

Нет смысла запитывать один приемник технологического агрегата по двум взаиморезервируемым линиям.

Для схемы электрической сети наиболее целесообразно применение магистральной схемы. Она не требует установки распределительного щита на ТП и электроэнергия распределяется по совершенной схеме блок трансформатор – магистраль, что упрощает и удешевляет сооружение цеховой подстанции. При магистральных схемах выполненных шинопроводами ШМА и ШРА, перемещение технологического оборудования не вызывает переделок сети. Наличие перемычек между магистралями отдельных подстанций обеспечивает надежность электроснабжения при минимальных затратах на резервирование. Присоединение ШМА к РУ КТП производится через присоединительные секции ШМА. Эти секции соединяют с коммутационно-защитной аппаратурой, размещенной в шкафах КТП. Магистральные схемы широко применяются как для питания отдельных электроприемников одного технологического агрегата, так и для питания большого числа сравнительно мелких электроприемников или электроприемников относительно равномерно распределенных по площади цеха.

Радиальные схемы применяются, когда в цехе стационарно установлены относительно мощные электроприемники, не связанные единым технологическим процессом, или удаленные друг от друга на столько, что магистральное питание не целесообразно, или для питания мелких электроприемников.

Сочетание радиальных и магистральных схем применяется, когда электроприемники расположены упорядоченно или мелкие электроприемники запитаны магистрально, а относительно крупные или разбросаны по территории, или расположены в цехах с химически активной или пыльной средой.

В качестве оценки и выбора оптимального варианта системы распределительной сети принимаем два варианта, выполненные по смешанной схеме системы электроснабжения. Главная магистраль выполняется комплектным магистральным шинопроводом типа ШМА, разводка по территории цеха осуществляется радиальными шинопроводами типа ШРА с узлами питания электроприемников, такими как распределительные шкафы и силовые пункты.

Питание осуществляется от цеховой КТП с двумя трансформаторами марки ТМ –1000/10/0,4.

Варианты выполнения схем электроснабжения представлены на рисунке 1 и рисунке 2.

4. Выбор и расчет низковольтной электрической сети

В соответствии с [1] расчет цеховой электрической сети необходимо поводить в два этапа: расчет электрических нагрузок для выбора ШМА производится аналогично расчету для выбора цеховых трансформаторов. Для расчета питающих электроприемники сетей необходима корректировка расчета электрических нагрузок, в методике определения электрических нагрузок для выбора трансформаторов и цеховой сети приведены различные значения К_р .

Для выбора главной магистрали определим рабочий ток:

В качестве шин выбираем два комплектных магистральных шинопроводов с током 2202/2= 1101 А марки ШМА68-НУЗ с номинальным током 1600 А, с поперечным сечением прямой секции 300×160 мм, в соответствии с табл. 7.3.

Для последующих расчетов низковольтной сети необходим перерасчет цеховой электрической нагрузки. Алгоритм расчета аналогичен расчету в пункте 2.1. Результаты расчета электрических нагрузок на втором этапе для вариантов сведены в таблице 6 и таблице 7.

Осветительная нагрузка рассчитывается методом удельной плотности осветительной нагрузки в программе «ZAPUSK». Нагрузка освещения: Р_осв = 67,716 кВт, Q_{oc в} = 22,287 кВар

Таблица 8 – Результаты расчета электрических нагрузок по второму этапу с учетом осветительной нагрузки

По расчётному току для каждой группы ЭП определяем типы ШРА подключаемые к магистральным шинопроводам, рассчитанным в пункте 4.1.

Расчётные токи для ШРА 1 и кабелей силовых пунктов, подключенных к ШМА определяется по формуле:

Таблица 9. Выбор проводников цеховой распределительной сети. Вариант 1

Сечения проводников выбирают по условию допустимых длительных токов:

Ip Iдл.доп,

где Ip – расчетный ток, А.

Таблица 10. Выбор проводников цеховой распределительной сети. Вариант 2

На основании рассчитанных нагрузок распределительной сети по табл. 7.4. принимаем комплектные распределительные шинопроводы для сетей с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В с техническими характеристиками: ШРА73–250-У3 – сечением 260х80; ШРА73–400-У3 – сечением 284х95; ШРА73–630-У3 – сечением 284х125, а также силовых пунктов и кабелей.

Номинальные токи станков определяются (например, для круглошлифовальных станков):

А;

По полученным данным выбираем сечение кабелей типа АСБ с алюминиевыми жилами, свинцовой оболочкой и браней из стальных лент при прокладке в трубах, питающих двигатели станков: s = 16 мм² , I_доп = 90 А;

Таблица 11 – Выбор марки и сечения кабелей питающих ЭП

5. Выбор защитных коммутационных аппаратов

Согласно ПУЭ от перегрузок необходимо защищать силовые и осветительные сети, выполненные внутри помещений в том числе и силовые сети, когда по условиям технологического процесса или режима их работы могут возникнуть длительные перегрузки.

Для защиты электрических сетей напряжением до 1 кВ применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Выбор аппаратов защиты производится с учетом следующих основных требований:

1. Номинальный ток и напряжение аппарата защиты должны соответствовать расчетному длительному току и напряжению электрической цепи. Номинальные токи расцепителей автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей нужно выбирать по возможности меньшими по расчетным токам защищаемых участков сети или про номинальным токам отдельных ЭП в зависимости от места установки аппарата защиты с округлением до ближайшего большего стандартного значения.

2. Время действия аппаратов защиты должно быть по возможности меньшим и должна быть обеспечена селективность действия защиты соответствующим подбором аппаратов защиты и его защитной характеристики.

3. Аппараты защиты не должны отключать установку при перегрузках, возникающих в условиях нормальной эксплуатации, например при рабочих пиках технологических нагрузок, и т.п.

4. Аппараты защиты должны обеспечивать надежное отключение в конце защищаемого участка двух- и трехфазных КЗ при всех видах режима работы нейтралей сетей, а также однофазных КЗ в сетях с глухозаземленной нейтралью.

В курсовом проекте защита шинопроводов и КЛ, питающих РШ выполняется автоматическими выключателями, защита электроприемников осуществляется плавкими вставками предохранителей.

Плавкие предохранители выбирают по условиям:

Iном.вст > Iном.эп

Iном.вст > Iпуск/2,5

где Iном.вст – номинальный ток плавкой вставки, А;

Iном.эп – номинальный ток отдельного ЭП, А;

Iпуск – пусковой ток ЭП, равный:

Iпуск = Кп · Iном.эп;

где Кп – кратность пуска, равная 7.

Выбор предохранителей произведем для двух вариантов.

Рассчитаем предохранители и выберем плавкие вставки на примере для станков 1–6 с Рном1 = 28 кВт и соs j = 0,5

Номинальные токи станков: А; А;

Пусковые токи двигателей круглошлифовальных станков определяются как Iпуск1 =7Iном1 = 595 А;

Iном.вст > Iном _1, 250 > 85

Iном.вст > Iпуск1/2,5, 250 > 595/2,5=238 А

Выбираем номинальные токи плавких вставок – Iном.вст =250 А, а предохранитель типа ПН-2–600/250

Произведем расчет для других групп станков на напряжение 380 В

В таблицах 12 и 13 приведены номинальные расчетные и пусковые токи для выбора плавких вставок и выбранные марки предохранителей с номинальными токами плавких вставок принятых в соответствии с расчетными номинальными и пусковыми токами соответственно.

Таблица 12. Расчет пусковых токов для выбора плавких предохранителей

Таблица 13 – Выбор плавких вставок и типа предохранителей

В соответствии с требованиями автоматические выключатели выбирают по условиям:

Iном. расц > Iр.max и Iср.эл. > (1,25–1,35) Iп

где Iном. расц – номинальный ток расцепителя, А;

Iр.max – наибольший расчетный ток нагрузки, А; Iп – пиковый ток, А

Iср.эл – ток срабатывания электромагнитного расцепителя, равный

Iср.эл = 10 · Iном. расц,

Iп = Iр + (Кп-1) Iном.max,

где Iном. max – наибольший ток ЭП, А; Iр – расчетный ток группы ЭП, А.

Таблица 14 – Выбор автоматических выключателей. Вариант 1

Таблица 15 – Выбор автоматических выключателей. Вариант 2

6. Технико-экономическое сравнение вариантов по приведенным затратам

Для определения экономически оптимального варианта рассчитываются технико-экономические показатели.

Экономическая оценка осуществляется по приведенным затратам:

З = К· 0,12 + Ра · К +Сэ

где Ра – нормы амортизационных отчислений, принимаемые 0,093;

К – суммарные капиталовложения, т. руб.;