СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ И ЕЁ ОБОРУДОВАНИЕ

Введение

Система электроснабжения (кратко - СЭС) – это комплекс различных устройств, использующихся для производства (генераторы), передачи (кабельные линии) и распределения электрической энергии. В промышленных предприятиях СЭС создаются с целью обеспечения электроэнергией промышленных электроприемников. К таким приёмникам относятся электродвигатели машин и прочих механизмов, электрические печи, установки для электролиза, осветительные установки и проч.

Задача по электроснабжению предприятий возникла одновременно с широким внедрением электропривода как главной движущей силы механизмов, а также массовым строительством электрических станций разнообразных типов. Особенно это касается станций в местах залежей топлива (нефти, угля) или местах, в которых возможно использование энергии воды (падения или приливов); причём оно не зависит от мест нахождения основных потребителей электроэнергии – городов и предприятий промышленности. Передача электроэнергии на большие расстояния стала осуществляться с использованием высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП).

В настоящее время большинство потребителей получают электроэнергию от энергосистем. Однако в некоторых предприятиях продолжается сооружение собственных ТЭЦ. Это обусловлено потребностью в теплоте для технологических целей, а также малым расстоянием между производителем и потребителем и, как следствие, меньшими потерями при передаче электроэнергии. КПД ТЭС, производящих исключительно электрическую энергию, не превышает 35%. КПД ТЭЦ достигает 70% за счёт эффективного использования тепла теплоносителя, который уже прошёл турбину.

По мере развития уровня электропотребления также усложняются системы электроснабжения промышленных предприятий. В них включаются сети высоких напряжений, прежде используемые только для передачи электроэнергии до предприятия, распределительные сети, а иногда и сети промышленных ТЭЦ. В связи с этим создаётся необходимость автоматизировать системы электроснабжения предприятий, осуществлять диспетчеризацию процессов производства с применением телесигнализации и телеуправления в широких масштабах, а также вести активную работу по экономии электроэнергии с целью снижения расходов.

Каждое производство существует, пока его машины обеспечивают работу технологических механизмов, производящих продукцию. В настоящее время все машины приводятся электродвигателями. Для их нормальной работы применяют электроэнергию как самую гибкую и удобную для передачи форму энергии, обеспечивающей работу производственных механизмов.

Рисунок 1 – Схема электроснабжения

Таблица 1.

Исходные данные

Где:

U1 – напряжение, принимаемое подстанцией;

U2 – напряжение на секциях сборных шин;

U3 – напряжение, подаваемое конечному потребителю;

P1-P8 – номинальные мощности потребления;

PM1, PM2 – номинальные мощности электродвигателя;

cosφ – коэффициент мощности.

Прочие условия: кабель из алюминиевой жилы расположен в воде.

Для расчёта рассмотрим следующие элементы схемы: T1, T5, Q3, W4, QF1, M1. Другие рассчитываются аналогичным образом.

Описание схемы электроснабжения

На схеме (рис. 1) изображена подстанция с двумя питающими вводами, секциями сборных шин и понижающими силовыми трансформаторами. Конструкция подстанций такого типа отличается своей повышенной надежностью, поэтому подобную подстанцию можно использовать для электроснабжения потребителей первой и второй категорий, что означает возможность её внедрения в промышленные предприятия.

В нормальном режиме питание потребителей P1, P2, P3 и М1, относящихся к первой секции, производится от шины W1 через Т1, а также выключатели Q1 и Q3, а потребителей Р6, P7, Р8 и М2, которые в свою очередь относятся ко второй секции, – от W2 через Т2 и выключатели Q2 и Q4. При этом секционный выключатель QB в нормальном режиме как правило отключен (что служит для ограничения токов КЗ). При возникновении КЗ релейная защита отключает выключатели в одной из шин и потребители этой секции теряют питание. Но на выключателе QB устанавливается устройство автоматического ввода резерва (АВР) и оно срабатывает при отключении одной пары выключателей и исчезновении напряжения на сборной шине одной из секций. В результате АВР обеспечивает электрическую связь между обесточенной секцией и другой, находящейся под напряжением, благодаря включению QB. В этом случае питание потребителей восстанавливается от исправного трансформатора. Потребители Р4 и Р5 имеют АВР по напряжению U3 = 0,38 кВ и поэтому они могут питаться как от первой системы шин, так и от второй вне зависимости от положения выключателя QB.

Расчёты и выбор элементов схемы

1.Электродвигатель М1

Прежде чем производить силового трансформатора Т1 необходимо учесть всю мощность, протекающую через него. По этой причине необходимо сначала произвести расчёт и выбор двигателей М1 и М2.  Их выбор производится по номинальной мощности Р_М и по номинальному напряжению U₂.

Данные двигателя М1:

Р_М1=1500 кВт;

U_н=6 кВ.

Условия выбора:

U_{н.м 1}≥U₂ – условие напряжения,

где U_н.м– номинальное напряжение двигателя по паспорту;

P _{н.м 1}≥Р_м1 – условие мощности,

где P_н.м – номинальная мощность на валу двигателя по паспорту.

Выбираем асинхронный двигатель типа 4АЗМ-1600/6000УХЛ4

Краткое описание:

Назначение:

Двигатели асинхронные типа 4АЗМ предназначены для привода быстроходных механизмов: насосы (стационарные, центробежные, питательные и сетевые), холодильные машины, компрессоры и нагнетатели.

Особенности конструкции:

1.        Двигатели выполнены на щитовых выносных подшипниках скольжения. Смазка подшипников - принудительная под избыточным давлением.

2.        Долговечность высоковольтной обмотки статора обеспечивается за счет использования термореактивной изоляции типа «Монолит-4».

3.        Изоляция обмотки статора на термореактивных связующих соответствует классу нагревостойкости «F», что обеспечивает значительный тепловой запас, повышенную механическую электрическую прочность и влагостойкость обмотки. Система охлаждения – замкнутая воздухо-водяная.

Условия эксплуатации:

Двигатели типа 4АЗМ устанавливаются в помещениях, где окружающая среда не содержит агрессивных газов и паров, которые могут разрушить конструкционные материалы и изоляцию двигателей. При этом температура охлаждающей воды не должна превышать 30ºС. Степень защиты двигателей от воздействия окружающей среды – IP44 (оболочка защищает от твёрдых предметов диаметром не более 1 мм и сплошного обрызгивания водой); вводного устройства – IP55 (оболочка пылезащищённая и защищает от водяных струй любого направления).

Область применения:

Нефтедобывающая и -перерабатывающая промышленность, энергетика, горнодобывающая промышленность и прочие отрасли народного хозяйства.

Структура условного обозначения:

4АЗМ-1600/6000УХЛ4

4 – номер серии;

А – асинхронный двигатель;

З – замкнутая система вентиляции;

М – для привода механизмов с нормальными условиями пуска;

1600 – мощность, кВт;

6000 – напряжение, В;

У – климатическое исполнение;

ХЛ4 – категория размещения.

Параметры двигателя [12]:

Мощность (активная): 1600 кВт;

Напряжение: 6 кВ;

Частота вращения: 2973 об/мин;

Ток статора: 179 А;

Скольжение: 0,9%;

КПД: 96,6;

cosφ: 0,89;

Масса: 4380 кг.

Проводим расчёт:

1. Рассчитываем активную составляющую мощности электродвигателя Pэл.м, которую он потребляет из сети:

P_эл.м1= Р_н.м1/ КПД_двиг1=1600/0,966=1656,31 кВт.

Полученный результат означает, что двигатель проходит условие мощности. Из параметров определяем, что он соответствует и условию напряжения. Как следствие – данный двигатель подходит для заданной СЭС. Однако необходимо произвести уточняющие расчёты характеристик двигателя.

2. Рассчитаем полную мощность S_эл.м1 электродвигателя, которую он потребляет из сети:

S_эл.м1=Р_эл.м1/cosφ_м1=1656,31/0,89=1861,02 кВА.

2.Силовой трансформатор Т1

Для установления условий выбора находим полную суммарную мощность, протекающую через трансформатор:

S_сум1 = S_м12+(Р₁+Р₂+Р₃+P₄+Р_сн)/cosφ = 5178,02 кВА.

По суммарной мощности и по напряжению установки выбираем трансформатор исходя из следующих условий:

S_н.тр≥S_{расч.тр} – условие полной мощности;

U_вн≥U_уст.в – условие высшего напряжения;

U_нн≥U_уст.н – условие низшего напряжения.

Выбираем трансформатор типа ТДН-6300/110У1.

Краткое описание:

Трансформаторы ТДН предназначены для преобразования переменного тока напряжением 110 кВ в энергию низшего напряжения (6; 10 кВ) и поддержания заданного уровня напряжения в распределительных сетях в районах, отдаленных от промышленных зон, и для работы в электрических сетях общего назначения.

Трансформаторы ТДН изготавливаются для стран с умеренным климатом, в которых перепад температур - от -45°С  до +40°С. Это соответствует климатическому исполнению У1. Охлаждение обеспечивается малообъемными радиаторами из овальных труб. Регулирование напряжения трансформатора ТДН под нагрузкой осуществляется переключающим устройством в нейтрали обмотки ВН. Бак силового трансформатора ТДН снабжается арматурой для заливки, отбора проб, слива и фильтрации трансформаторного масла, подключения системы охлаждения и вакуум-насоса.

Структура обозначения [1]:

ТДН-6300/110У1

Т – трехфазный;

Р – расщепление обмоток на стороне низшего напряжения;

Н – регулирование напряжения под нагрузкой;

6300 – номинальная мощность трансформатора, кВА;

110 – класс напряжения обмотки высшего напряжения ВН, кВ;

У1 – климатическое исполнение У и категория размещения 1.

Параметры трансформатора [11]:

Номинальная мощность: 6300 кВА;

Напряжение на обмотке ВН: 121 кВ;

Напряжение на обмотке НН: 6,3 или 10,5 кВ;

Общая масса: 10300 кг.

Исходя из параметров, определяем, что данный трансформатор соответствует условиям. Производим расчёт дополнительных параметров:

1.    Максимальная рабочая  мощность трансформатора с учётом перегрузки:

Sраб.мах=1,5•Sн.тр,

где  Sн.тр – номинальная мощность, передаваемая по сети через трансформатор.

Sраб.мах=1,5•6300=9450 кВА.

2.    Ток, протекающий по обмоткам трансформатора (расчёт производится для обеих обмоток раздельно):

I=Sтр/(√3•U).

А) Максимальный ток в обмотке ВН:

Iраб.мах(вн)=9450/(√3•110)=50,5 А;

B) Максимальный ток в обмотке НН:

Iраб.мах(нн)=9450/(√3•6)=926,47 А.

3.Силовой трансформатор Т5

Для установления условий выбора находим полную суммарную мощность, передаваемую потребителю через трансформатор в нормальном режиме:

S_уст.тр=Р_нагр/cosφ_нагр=800/0,82=975,6 кВА.

По суммарной мощности и по напряжению установки выбираем трансформатор исходя из следующих условий:

S_н.тр≥S_{расч.тр} – условие полной мощности;

U_вн≥U_уст.в – условие высшего напряжения;

U_нн≥U_уст.н – условие низшего напряжения.

Выбираем трансформатор типа ТМ-1000/10У1.

Краткое описание:

Трансформаторы стационарные трехфазные понижающие силовые масляные двухобмоточные общего назначения типа ТМЗ предназначены для нужд народного хозяйства. Они пригодны для внутренней и наружной установки для работы на высоте до 1000 м над уровнем моря и температурах окружающего воздуха от -45°С до +40°С (от -60°С до +40°С для трансформаторов исполнения «Хл») [5].

Трансформаторы не предназначены для работы в агрессивной и взрывоопасной среде, а также при тряске и вибрации.

Параметры трансформатора [6,7]:

Номинальная мощность: 1000 кВА;

Напряжение на обмотке ВН: 6 или 10 кВ;

Напряжение на обмотке НН: 0,4 кВ;

Полная масса: 3500 кг.

Исходя из параметров, определяем, что данный трансформатор соответствует условиям. Производим расчёт дополнительных параметров:

1.    Максимальная рабочая мощность трансформатора с учётом перегрузки:

Sраб.мах=1,5•6300=9450 кВА,

2.     Ток, протекающий по обмоткам трансформатора: 

А) Номинальный рабочий ток в обмотке ВН:

Iн.тр=990/(√3•6)= 97,06 А.

B) Максимальный ток в обмотке ВН:

Iраб.мах(вн)=1485/(√3•6)= 145,6 А.

C) Максимальный ток в обмотке НН: 

Iраб.мах(нн)=1485/(√3•0,4)= 2183,8 А.

4.Кабель W4

Выбор кабеля производится, исходя из понятия «экономическая плотность тока». Экономическая плотность тока – это величина, равная силе тока, проходящей через единицу площади проводника, без каких-либо последствий для него.

Из предыдущих расчётов находим необходимые значения:

1.        Ток рабочего нормального режима I_н= 97,06 А.

2.        Ток рабочего максимального режима с учётом возможной перегрузки трансформатора I_{раб.мах}=145,6 А.

В исходном задании находим условия выбора кабеля: он имеет алюминиевые жилы и прокладывается в воде. Для кабеля с алюминиевыми жилами, поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией и Т_MAX=4300 часов находим стандартное значение экономической плотности тока: J_эк=1,9 А/мм² [9].

По ней находим площадь сечения:

Sэ= I_{раб.мах}/J_эк=145,6/1,7=85,65 мм².

Определяем ближайшее большее стандартное сечение кабеля S=95 мм².

Выбираем кабель АВВГ-6 3х95 (ож).

Краткое описание:

АВВГ - силовой кабель, состоящий из внешней поливинилхлоридной (ПВХ) оболочки и изоляции с алюминиевыми жилами [3].

Данные кабели применяются для прокладки [2]:

• в воздухе в случае отсутствия опасности механических повреждений в ходе эксплуатации;
• в сухих или сырых помещениях (туннелях), шахтах, производственных помещениях, частично затапливаемых сооружениях при наличии среды со слабой, средней и высокой коррозионной активностью;
• на специальных кабельных эстакадах;

Кабели работают в диапазоне температур от -50^оС до +50^оС.

Параметры кабеля:

Номинальное напряжение: 10 кВ;

Сечение кабеля: 95 мм²;

Пропускаемый ток =195 А.

Структура обозначения [4]:

АВВГ

А – Алюминиевая токопроводящая жила;

В – Изоляция жил из ПВХ ;

В – Оболочка кабелей из ПВХ;

Г – Защитные покровы отсутствуют.

Условие выбора кабеля:

I_{раб.мах} < I_доп ,

где I_{раб.мах} – максимальное значение тока при эксплуатации кабеля;

I_доп =195 А ≥ I_{раб.мах}=145,6  А

Условие выполняется с запасом.

5.Выключатель Q3

Для выбора высоковольтного выключателя Q3 необходимо найти полную мощность, протекающую через него, а также максимальный рабочий ток утяжеленного режима:

РΣ = Р₁+P₂+Р₃+P₄ = 800+190+800+365 = 2155 кВт;

S_m1 = P_m1/ cosφ_m = 1600/0,89 = 1797,8 кВ∙А;

SΣ = S_m1 + PΣ/cosφ =1797,8 + 2155/0,82 = 1797,8 + 2628 = 4425,8 кВ∙А.

I_{раб.мах}= S_Σ /(√3•U_н) = 4425,8/(√3•6) = 433,9 А.

Условия выбора:

U_н≥U_уст - условие напряжения;

I_н≥ I_{раб.мах} – условие тока.

Выбираем выключатель LF1

Краткое описание:

Выключатели серии LF – трехфазные, внутренней установки. В качестве изолирующей среды в них использован элегаз – шестифтористая сера. Данные выключатели предназначены и используются для коммутации номинальных токов и отключения токов КЗ в системах электроснабжения 6 или 10 кВ.

Параметры выключателя:

Номинальное напряжение: 6,3 кВ;

Номинальный ток: 630 А.

Исходя из параметров, определяем, что данный выключатель выполняет оба условия.

6.Автоматический выключатель QF1

Выбор производится, исходя из максимального тока в обмотке НН трансформатора T5 (трансформатор нагрузки):

I_{раб.мах} = 1,5·S_тр/(√3 ·U3) = 1,5∙1000/(√3 ·0,38) = 2322 А

Условия выбора:

U_н>U_уст – условие напряжения,

где U_уст – линейное напряжение на том участке сети, где предусматривается установка аппарата.

I_рас<I_н – условие тока,

где I_рас – расчетный максимальный ток продолжительного рабочего режима в участке цепи, где предусматривается установка аппарата.

Выбираем автоматический выключатель ВА-СЭЩ АS-06-40 Е.

Краткое описание:

Автоматические выключатели - коммутационные электрические аппараты, предназначенные для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов. Они относятся к аппаратам ручного управления, но многие из них имеют электромагнитный привод, что позволяет управлять ими на расстоянии. Выключатели рассчитаны для работы в продолжительном режиме при температуре окружающего воздуха от -40°С до +40°С [8].

Автоматический воздушный выключатель ВА-СЭЩ АS-06-40 Е рассчитан на номинальный ток от 630 до 4000 А [10].

Он может применяться:

• как вводный, фидерный и межсекционный выключатель в трехфазных распределительных устройствах;
• для включения сетей, электродвигателей, генераторов, трансформаторов, конденсаторов с их защитой, так как они оснащены цифровым реле отключения;
• для автоматического отключения потребителей электроэнергии в случае наступления аварийного режима.

Параметры автоматического выключателя:

Номинальное напряжение: 0,4 кВ;

Максимальный номинальный ток: 4000 А;

Исходя из параметров, определяем, что выключатель соответствует обоим условиям.

Список литературы:

1. Группа компаний Аксис: Трансформаторы силовые ТРДН, ТДН двухобмоточные масляные [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.axistrans.com/transformatori/trdn/ (дата обращения: 23.03.2016)
2. «Кабельные системы»: Кабель АВВГ-6 [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.kabel-s.ru/producer/66/cat/2 (дата обращения: 25.03.2016)
3. «Камский кабель»: Кабели в ПВХ изоляции: АВВГ-6 [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.kamkabel.ru/production/catalog/kabeli-obshhepromyshlennye/silovye-v-PVKH-izolyatsii/silovye-v-PVKH-izolyatsii_1522.html (дата обращения: 25.03.2016)
4. Компания «КабСар»: Кабель АВВГ-6 [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. —: http://kabsar.ru/kabel19_1 (дата обращения: 25.03.2016)
5. ООО «Номэк»: Назначение – Трансформаторы силовые масляные ТМ, ТМФ, ТМЗ [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.nomek.ru/node/476 (дата обращения: 23.03.2016)
6. ООО «Номэк»: Приложение 28. Трансформатор ТМ-1000/10 [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.nomek.ru/node/516 (дата обращения: 23.03.2016)
7. ООО «Номэк»: Технические данные – Трансформаторы силовые масляные ТМ, ТМФ, ТМЗ [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.nomek.ru/node/477 (дата обращения: 23.03.2016)
8. Школа для электрика: Автоматические выключатели [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/23-avtomaticheskie-vykljuchateli.html (дата обращения: 25.03.2016)
9. Элек.ру – Портал электротехнического рынка: ПУЭ, издание 7: Глава 1.3. Выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока и по условиям короны [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.elec.ru/library/direction/pue/razdel-1-3-6.html (дата обращения: 23.03.2016)
10. Электротехническая компания «ВЭК»: Автоматические выключатели ВА-СЭЩ 0,4-1 кВ [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://zaovec.ru/catalog.aspx?item=1717 (дата обращения: 25.03.2016)
11. Энергоспецкомплект: Каталог: Трансформаторы силовые масляные [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.energospec.ru/catalog/product/551 (дата обращения: 23.03.2016)
12. iElectro: Двигатель 4АЗМ-1600/6000УХЛ4 [Электронный ресурс] — Режим доступа: свободный. — URL: http://www.ielectro.ru/gelem168883.html (дата обращения: 26.03.2016)