Расчет и проектирование электроснабжения завода

t_n% =t_n%р· 250 ,       (31)

t_n% =t_n%в·115 ,        (32)

где         t_n% - продолжительность нагрузки

              t_n%р - продолжительность этой нагрузки по графику рабочих дней

               t_n%в - продолжительность этой нагрузки по графику выходных дней

Рабочий график:

T_100% = 4 ∙ 250 = 1000     T_95% = 1 · 250 = 250     T_90% = 4 · 250 = 1000

T_85% = 3 · 250 = 750       T_80% = 4 · 250 = 1000        T_70% = 8 · 250 = 2000

График выходных:

T_30% = 12 ·115 = 1380      T_20% = 12 · 115 = 1380

     Порядок  построения годового графика: 

По суточным графикам определяем продолжительность максимальной нагрузки (100%) нагрузки по зимнему t_100%з и летнему графику t_100%л.  Если полной нагрузки в течении суток нет, берется максимальная из имеющихся.

На графике откладываем по оси абсцисс (горизонтальной) продолжительность нагрузки t_n%, а по оси ординат (вертикальной) величину нагрузки n%.

Определяем продолжительность  следующей по величине нагрузки.

Для промышленных предприятий  годовой график нагрузок строят по суточным графикам нагрузок в рабочие и выходные дни

(рисунок 4, рисунок  5).

Рисунок 4 – Суточный график нагрузок в рабочие и выходные дни.

Рисунок 5 – Годовой  график нагрузки.

После построения суточных графиков определяем время максимальной нагрузки, то есть время, в течение которого потребитель работая с максимальной нагрузкой выработает такое же количество электроэнергии, что и при работе с переменной нагрузкой по формуле 30:

Т_макс = 1· T_100%+0,95· T_95%+0,9· T_90%+…+0,1· T_10% ,      (33)

где    Т_макс - время максимальной нагрузки, час;

t_n%- продолжительность нагрузки n% в течение года.

Т_макс  = 1 · 1000 + 0,95 · 250 + 0,9 · 1000 + 0,85 · 750 + 0,8 · 1000 + 0,7 · 2000 + 0,3 × ×1380 + 0,2 · 1380  =  5665,5 ч

 

7. Технико-экономическое  сравнение вариантов выбора трансформатора

 

Задача заключается  в том, чтобы из двух вариантов  выбрать один с лучшими технико-экономическими показателями. Сравниваются варианты использования трансформатора, мощностью  рассчитанной по формулам и следующего по мощности трансформатора.

S_з = 4036,02 кВА      кВА

Выбираем трансформаторы:

1. ТМ 2500/35          

2. ТМ 4000/35          

       Потери активной электроэнергии определяются потерями в меди, которые зависят от загрузки трансформатора, и потерями в стали. Кроме того активная мощность теряется как при передаче активной, так и реактивной энергии.

1. Потери в стали при передаче реактивной мощности рассчитываем по формуле 34:

 ,  (34)

где     S_ном - номинальная мощность трансформатора, кВА;

          I_хх   - ток холостого хода (справочник).

 кВАр

Определяем потери в стали по формуле 35:

DP'_xx  = DP_xx + К_эк ∙ DQ_хх ,  (35)

где    DP'_xx  - потери в стали, кВт;

DP_xx - потери холостого хода (справочник), кВт;

К_эк  - экономический коэффициент мощности;

DQ_хх - потери в стали при передаче реактивной мощности, кВА.

DP'_xx  = 6,7 + 0,055 · 40 = 8,9 кВт

Потери в меди при передаче реактивной мощности по формуле 36:

 ,  (36)

где    S_ном - номинальная мощность трансформатора, кВА;

U_кз  - напряжение короткого замыкания, % (справочник).

 кВАр

Определяем потери в меди по формуле 37:

DР'_м = DР_м + К_эк ∙ DQ ,   (37)

где    DР_м - потери в меди при работе с номинальной нагрузкой

(справочник), кВт;

К_эк = 0,05¸0,06 - экономический коэффициент реактивной мощности;

DQ - потери в меди при передаче реактивной мощности, кВА.

DР'_м = 25 + 0,05 · 180 = 34 кВт

Определяем потери активной энергии по формуле 38:

DР = DP'_xx +b ∙ DP'_м ,  (38)

где    DР – потери активной энергии, кВт;

DP'_xx – потери в стали, кВт;

b - коэффициент загрузки трансформатора;

DP'_м – потери в меди.

DР = 8,9 + 0,51 · 50 = 34,4 кВт

Определяем стоимость  потерь по формуле 39:

С_п =Ц ∙ DР ∙ Т_макс ,  (39)

где    С_п  - стоимость потерь,  руб;  

Ц - стоимость электроэнергии по тарифу руб./кВт×час;

DР - потери  активной энергии, кВт;

Т_макс - время работы в год с максимальной нагрузкой тыс. час.

С_п = 2,7 · 34,4 · 5665 = 526,2 тыс. руб.

Стоимость амортизационных  отчислений рассчитываем по формуле 40:

 ,  (40)

где    С_а - амортизационные отчисления, тыс.руб.;

К_т -  стоимость трансформатора, тыс. руб.;

р_т = 5% - норма амортизационных отчислений.

тыс. руб.

Стоимость отчислений на обслуживание рассчитываем по формуле 41:

,   (41)

где    С_о - отчисления на обслуживание, тыс. руб;

К_т -  стоимость трансформатора, тыс. руб;

р_о = 1% - норма отчислений на обслуживание.

 тыс. руб.

Определяем ежегодные эксплуатационные расходы по формуле 42:

С = С_п + С_а + С_о ,   (42)

где    С - ежегодные эксплуатационные расходы, тыс. руб;

С_п - стоимость потерь, тыс. руб;

С_а - амортизационные отчисления, тыс. руб;

С_о - отчисления на обслуживание тыс. руб.

С = 526,2 + 19 + 3,8 = 549 тыс. руб.

 

2. Потери в стали находим по формулам 34-35:

 кВАр

DP'_xx  = 5,17 + 0,055 · 27,5 = 6,6 кВт

Определяем потери в меди по формулам 36-37:

 кВАр

DР'_м = 25 + 0,055 · 162,5 = 33,9 кВт

Определяем потери активной энергии по формуле 38:

DР = 8,7 + 0,46 · 48,5 = 31,1 кВт

Определяем стоимость  потерь по формуле 39:

 С_п = 3,8 · 31,1 · 5346,4 = 632 тыс. руб.

Определяем стоимость амортизационных отчислений по формуле 40:

 тыс.руб.

Определяем стоимость отчислений на обслуживание по формуле 41:

5 тыс.руб.

Ежегодные эксплуатационные расходы находим по формуле 42:

С = 632 + 89,9 + 17,9 = 739,8 тыс.руб.

Сравниваем срок  окупаемости  трансформатора по формуле 43:

,  (43)

 где    К_т -  стоимость трансформатора, тыс. руб;

        С - ежегодные эксплуатационные расходы тыс. руб.

 лет

Так как Т_ок < 7 лет, то выбираем трансформатор большей мощности

ТМ 4000/35 с учетом перспективности развития предприятия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Расчет токов короткого замыкания

 

     Расчет токов короткого замыкания в сетях напряжением выше 1000В выполняем в относительных единицах, т.е. в долях от некоторой величины.

            

    

Рисунок 6 – Расчётная  схема                Рисунок 7 – Схема замещения

Выбираем базисную мощность S_б. За базисную мощность берем суммарную мощность системы или другую, удобную для расчета мощность, соизмеримую с мощностью трансформатора.

S_б = 40 МВА

Выбираем базисное напряжение, его для каждой ступени  принимаем равным номинальному:

U_ном2 = 35кВ    U_ном3 = 10кВ

Рассчитываем базисный ток по формуле 44:

,  (44)

где     I_б - базисный ток, кА;

S_б - выбранная базисная мощность, МВА;

U_ном - номинальное напряжение в точке расчета токов КЗ. 

 кА  

Рассчитываем относительные  сопротивления отдельных элементов  цепи КЗ.

Сопротивление трансформаторов рассчитываем по формуле 45:

,  (45)

где      U_к - напряжение КЗ трансформатора, % ;

           S_б - базисная мощность, МВА;

           S_ном - номинальная мощность трансформатора.

 Ом/км

 Ом/км

Сопротивление кабельной линии рассчитываем по формуле 46:

,      (46)

где    x_* - реактивное сопротивление  1 км линии, Ом/км;

r_* - активное сопротивление 1 км линии, Ом/км;

S_б - базисная мощность, МВА;

     U²_ном - номинальное напряжение, кВ.

У кабельных линий  напряжением выше 1кВ  х_* = 0,08 Ом/км.

 Ом/км 

 Ом/км 

Так как номинальная  мощность цехового трансформатора меньше 630 кВА, необходимо учитывать активное сопротивление, рассчитываем его по формуле 47:

,  (47)

где    r_* - относительное активное сопротивление;

ΔР_м - потери в меди, кВт;

S_ном  - номинальная мощность, кВт.

Относительное реактивное сопротивление в этом случае вычисляется 

по формуле 48:

,  (48)

где     x_* - относительное реактивное сопротивление;

u_к – напряжение короткого замыкания, %;

r_* - относительное активное сопротивление.

Составляем схему замещения (рис. 7).

Рассчитываем суммарные активные и реактивные сопротивления цепи:

r_*Σ = r_* =0,014

x_*Σ =  x_{*1 +} х_{*2 +} … ₊ х_*n = 0,42+,75+0,031+0,005+(0,43÷2) =1,42

Так как выполняется условие  r_*Σ <0,3 х_*Σ (0,014<0,0042) , то относительное

активное сопротивление можно не учитывать.

Определяем ток короткого замыкания по формуле 49:

_,   (49)

где     I_кз – ток короткого замыкания, кА

 кА

 кА

 кА

Мощность короткого  замыкания рассчитываем по формуле 50:

,   (50)

где     S_к - мощность короткого замыкания короткого замыкания;

 S_б – базисная мощность.

МВА

Рассчитываем ударный  ток по формуле 51:

,        (51)

где    I_у – ударный ток;

I_к – ток короткого замыкания;

k_у  - ударный коэффициент по таблице в [1].

I_у= ∙1,8∙ 1,92 = 4,89 кА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Расчет заземляющего устройства

 

  При расчете заземляющего устройства определяется тип заземлителей, их количество и размещение. Расчет проводится для сопротивления заземления в соответствии с требованиями ПУЭ.

   В электроустановках напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью сопротивления заземления должно быть не более 4Ом,  электроустановках напряжением выше 1000В с глухозаземленной нейтралью - не более 0,5 Ом.

Рассчитываем ток замыкания  на землю по формуле 52:

,  (52)

 А              

где     I_з – ток замыкания на землю, А ;

      U – линейное напряжение сети, В ;

     l_каб –длина кабельной линии от ГПП до сварочного цеха, км.

В электроустановках  напряжением выше 1000В с изолированной нейтралью сопротивление заземления должно удовлетворять условию:

,

где    R_з – сопротивления заземления, Ом;

   U_з- напряжение на заземляющем устройстве, В;

I_з – расчетный ток замыкания на землю.

Если заземляющее устройство используется только для установок напряжением выше 1000В, то U_з= 250В, если устройство одновременно используется и для установок до 1000В - U_з =125В.

           Ом (согласно ПУЭ)

Выбираем тип стандартного заземлителя:

Электрод Ø12

L = 5 м

R_уд = 0,0027 Ом

Определяем удельное сопротивление грунта (песок) по формуле 53:

ρ = ρ_из ∙ ψ ,   (53)

где     ρ – расчетное удельное сопротивление грунта Ом∙см;

      ρ_из – измеренное удельное сопротивление грунта Ом∙см;

 ψ – повышающий коэффициент = 2,4 берем из таблицы 7.0. в [1]

ρ_из = 6,5 ∙10³ Ом ∙ см

ρ = 6,5 ∙10³ ∙ 2,4 = 15600 Ом∙см

Определяем сопротивления  одного заземлителя R_0, Ом по формуле 54:

R₀ = R_уд∙ ρ,   (54)

Rо = 0,0027 · 15600 = 42,12 Ом

Определяем n≈ приблизительное количество заземлителей

по формуле 55:

,   (55)

где     R_з = 4 Ом , определённое ПУЭ.

 

Определяем количество заземлителей с учетом экранирования  ή, который выбираем из таблицы  в  зависимости от количества заземлителей ή=0,75 по формуле 56:

 ,   (56)

 штук

Рассчитываем а - отношение  длины цеха l_ц к количеству заземлителей n по формуле 57:

,   (57)

 м

Так как а>1, значит заземление рассчитано верно.

Размещаем заземлители (рисунок 8).

                    

Рисунок 8 - Схема размещения заземлителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Расчёт релейной защиты

 

  Силовые трансформаторы защищают от следующих видов повреждений:

1. Межфазных  К.З. в обмотках и на выводах – устанавливают газовую защиту.
2. Межвитковых К.З. в обмотках - устанавливают газовую защиту.
3. Токов от внешних коротких замыканий – автоматический выключатель.
4. Перегрузки – устанавливают газовую защиту.
5. Понижение уровня масла - устанавливают газовую защиту.

Со стороны высшего напряжения применяют максимально-токовую защиту.

Определяем номинальный  ток по формуле 12:

1 А

Выбираем токовые трансформаторы по таблице в [4], трансформаторы выбираем так, чтобы в номинальном режиме ток вторичной обмотки был 1÷5 А.

ТПЛМ – 10 (I_ном =30 А)

Определяем коэффициент трансформации токового трансформатора

по формуле 58:

,   (58)

  Определяем ток срабатывания защиты.

 От перегрузки и К.З на землю со стороны низшего напряжения применяют максимально-токовую защиту (МТЗ). Ток срабатывания МТЗ с зависимой выдержкой по времени определяем по формуле 59:

I_{с защ} = (k_над ∙ k_сх /k_вз )∙I_{н макс} ,   (59)

где    I_{с защ} -ток срабатывания защиты, А;

         k_нам =1 ,1÷1,3 – коэффициент надежности;

        k_сх – коэффициент схемы;

k_вз  – коэффициент трансформации токового трансформатора;

k_вз  - коэффициент возврата, А;

        I_{н макс}  - максимальный ток нагрузки, А;

I_{с защ} 3,5 ∙ 23,3 = 80,9 А