Свирская Г.С., Князев В.С., Кузнецова Е.С. Внутризаводское электроснабжение
Подождите немного. Документ загружается.
31
1- трансформатор; 2 – автомат подстанции; 3 – магистральный
токопровод (шинопровод); 4 - распределительный токопровод
(шинопровод); 5 – распределительный пункт; 6 - вводной аппарат
(автомат, рубильник с предохранителем); 7 – питающий пункт; 8 –
пусковой аппарат; 9 – крупный электроприёмник
Рисунок 3.3 – Смешанная схема распределения электроэнергии
Методы определения расчетных нагрузок по элементам схемы
для различных объектов те же, что и для определения расчетных
нагрузок по объекту в целом.
3.1.6. Выбор и расчет элементов сети
Выбор элементов сети, например типа силовых пунктов или
шинопроводов, марки проводов и кабелей зависит от условий их
32
эксплуатации и от принимаемых в проекте конструктивных
решений. Необходим учет большого числа факторов и
нормативных требований, которые достаточно полно изложены в
справочной литературе, приведенной в указаниях. Расчет состоит в
подборе конкретных типоразмеров, сечений, номинальных
параметров, обеспечивающих нормальную работу в процессе
эксплуатации.
Порядок выбора и расчета элементов может быть
различным. В курсовом проекте для единообразия рекомендуется
выбирать и рассчитывать все элементы ″снизу вверх ″ - от
электроприёмника к центру питания.
Электрическая сеть до 1 кВ. На примере схемы
электроснабжения цеха промышленного предприятия порядок
выполнения операций при расчёте сетей следующий:
• На основании исходных данных для каждого
электроприёмника определяется его расчетная мощность Рр,
расчетный ток
р
I
, А по формуле:
ηϕ
⋅⋅⋅
⋅
=
Cos
н
U
p
P
p
I
3
1000
, (3.2)
где
р
I
– расчётный ток электроприёмника или группы
электроприёмников, А;
Р
р
– расчётная мощность электроприёмника или группы
электроприёмников, кВт;
U
н
- номинальное напряжение электроприёмника, В;
Cos
ϕ
- номинальный коэффициент мощности
электроприёмника;
η
- коэффициент полезного действия электродвигателя.
Данные электроприёмников (коэффициент мощности Cos
ϕ
, η,)
приводятся в справочной литературе. КПД для отдельного
электроприёмника можно определить по типу двигателя (таблицы
[10, таблицы П III - 8
÷
П III - 14]; [13, таблица 2.3]; [16, таблицы 24.1
÷
24.26]; [18, таблица 2.2].
• С учетом характеристики среды помещения, расчетного
тока Iр для каждого электроприёмника определяется пусковой
аппарат и его характеристика (марка, номинальный ток, ток
уставки теплового или комбинированного расцепителя и др.).
• По характеру пускового аппарата определяется аппарат
управления, сеть управления.
33
• Выбирается способ прокладки в цехе линий силовой
распределительной сети, марка, сечение, количество жил
проводника, диаметр трубы или металлорукава и т. д. [2, п.п.
2.12 - 2.15]; [3, п. 21.1]; [6, п. 2.1].
• Для каждого электроприёмника или группы при
подключении шлейфом определяется линейный аппарат на
распределительном пункте или шинопровод (тип,
номинальный ток, ток уставки расцепителя или ток плавкой
вставки).
• Для каждой заданной группы электроприёмников по
результатам расчета нагрузок определяется суммарная
установленная мощность узла и все его характеристики (Ру,
Кс, Рсм, Iр, Iп, Рм, Cоsϕ) (раздел 3.1.5).
• По количеству линейных аппаратов, характеристике
среды выбирается распределительный пункт или шинопровод.
• По условию среды, способу прокладки, расчетному
току Iр определяется сечение проводников (кабелей)
распределительной сети, марка кабеля. [6, п. 1.3]; [2, п.п. 2.5 -
2.10]; [3, п.п. 13.2, 13.5].
• Производится окончательный выбор силовых пунктов,
ящиков или распределительных шинопроводов. Предварительно
тип этого оборудования выбирается при разработке схемы
(раздел 3.1.4 указаний). Производится проверка по
отключающей способности и стойкости к токам короткого
замыкания (КЗ) установленных в них аппаратов. Проверяется
также электродинамическая стойкость к току КЗ ошиновок
силовых шкафов.
• По нагрузке распределительного пункта (одного или
нескольких, подключенных в ″шлейф″), определяется нагрузка
на питающую сеть и выбирается (при необходимости)
защитный аппарат (тип, номинальный ток, ток уставки и т.
д.).
• По расчетному току питающей сети, условию среды,
способу прокладки, току уставки защитного аппарата
определяется сечение и марка кабеля питающей линии.
• Все выбранные сечения проводников проверяются по
условиям защиты от тока короткого замыкания. Защитные
аппараты проверяются по условиям срабатывания при
коротком замыкании. При неудовлетворительном результате
проверки сечение проводников завышается на одну ступень,
проверка повторяется. Этот цикл повторяется до полного
34
соответствия сечений и токов уставок защитных аппаратов
условиям проверки по токам КЗ (раздел 3.1.7, 3.1.8, 3.2
указаний).
В справочной литературе приведено множество типов
различного силового электрооборудования, часть которого устарела
и снята с производства. В курсовом проекте рекомендуется
использовать:
• силовые распределительные пункты типа ШР11;
• силовые распределительные пункты с автоматами типа
ПР-11, ПР8500; ПР8800.
• магистральные шинопроводы типа ШМА;
• распределительные шинопроводы типа ШРА.
Расчет силовых пунктов состоит в выборе по номинальному току и
проверке по отключающей способности и стойкости к токам КЗ
установленных в них аппаратов. Проверяется также электродинамическая
стойкость к току КЗ ошиновок силовых шкафов. Так, например, ошиновка
ПР11 обладает стойкостью к сквозным токам КЗ до 25 кА шкафов ПР8500
- до 50 кА.
Выбор элементов силовой питающей сети цеха предварительно
производится на этапе, где принципиально решаются вопросы о
конструкции сети. Далее необходимо выбрать конкретные типы
электрооборудования и марки проводов и кабелей или шинопроводов.
Электрическая сеть выше 1000 В. Для курсового проекта, в
условиях отсутствия сведений о других объектах предприятия,
электрическая сеть выше 1000 В - внутризаводская распределительная
радиальная кабельная сеть, соединяющая цеховую распределительную
подстанцию РП 10(6) кВ с цеховой трансформаторной подстанцией
0(6)/0,4 кВ или с электроприёмниками выше 1000 В. Необходимо
выбрать марку кабеля, рассчитать его сечение. Способ канализации
задается преподавателем.
Расчётный ток электроприёмника (электродвигателя) выше 1000 В
определяется по формуле 3.2.
Сечение кабеля выше 1000 В выбирают по экономической
плотности тока и проверяют на допустимый длительный ток
нагрузки и термическую устойчивость при коротком замыкании.
Требования и рекомендации по выбору и прокладке кабелей
приведены в [6, глава 2.3]; [2, таблицы 2.38 - 2.39], характеристика
марок кабелей, область их применения в [2, таблицы 2.40
÷
2.41],
[10, глава 7 ].
3.2 Расчёт токов короткого замыкания
35
Расчёт токов короткого замыкания (КЗ) необходим для выбора
аппаратов и проводников, их проверки по условиям термической и
электродинамической стойкости при КЗ, для определения параметров
срабатывания, проверки чувствительности и согласования действия
устройств релейной защиты электроустановок.
Расчет токов КЗ производится с целью определения токов,
протекающих по участкам сети, и остаточных напряжений в момент
возможного короткого замыкания в расчетных точках. Выбор расчётных
точек производится на основе анализа схемы электроснабжения с целью
нахождения наиболее неблагоприятных условий повреждений,
определяющих выбор аппаратов и проводников.
Как правило, расчетными точками являются выводы высшего
напряжения понижающих трансформаторов, участки между выводами
низшего напряжения трансформаторов и реакторами, сборные шины
распределительных устройств, выводы электроприёмников, выводы
выключателей отходящих линий.
На стороне до 1000 В расчётными точками являются шины 0,4 кВ за
трансформатором, шины распределительных шкафов, выводы
электроприёмников.
В курсовом проекте расчётными точками являются:
• шины распределительного устройства 10 (6) кВ;
• шины щита низкого напряжения 0,4 кВ подстанции 10 (6)/0,4 кВ;
• шины распределительных устройств 0,4 кВ, выводы
электроприёмников 10 (6) кВ, 0,4 кВ.
Мощность короткого замыкания S
к
задаётся преподавателем в
исходных данных.
Для выбора аппаратов по отключающей способности, по
электродинамической и электротермической стойкости к токам КЗ
рассчитываются токи трехфазных КЗ в месте установки аппаратов. На
генераторном напряжении электрических станций – трёхфазное или
двухфазное в зависимости от того, какое из них приводит к большему
нагреву. Для проверки коэффициентов чувствительности релейной
защиты в сетях 10 (6) кВ - токи двухфазных КЗ в конце защищаемого
участка сети. Для выбора аппаратов по коммутационной способности - по
большему из значений, полученных для случаев трёхфазного и
однофазного КЗ на землю (в сетях с большими токами КЗ на землю). Для
проверки эффективности отключения однофазных КЗ в четырёхпроводных
сетях до 1 кВ - токи однофазных КЗ в конце защищаемого участка. Для
одиночных кабелей - токи трёхфазных КЗ в начале кабеля, для пучка из
36
двух и более кабелей, включённых в параллель, - токи трёхфазных КЗ за
пучком.
Порядок расчёта токов трёхфазного короткого замыкания:
1. По расчётной схеме составляется схема замещения.
На схеме замещения все элементы цепи КЗ заменены индуктивными
сопротивлениями (в сетях до 1000 В – индуктивными и активными) и
соединены в той последовательности, которая имеется на расчётной схеме.
Элементы систем электроснабжения, связывающие источники
электроэнергии с местом КЗ, вводят в схему замещения сопротивлениями,
а источники электроэнергии – сопротивлениями и ЭДС. Сопротивления и
ЭДС схемы замещения должны быть приведены к одной ступени
напряжения (основная ступень). В практических расчётах за основную
ступень удобно принимать ступень, где определяются токи КЗ. На схеме
замещения каждое сопротивление имеет цифровое обозначение в виде
дроби: в числителе – порядковый номер сопротивления, а в знаменателе –
расчётное значение его. Параметры элементов схемы замещения можно
выражать в именованных или относительных единицах.
Обычно в сетях напряжением выше 1кВ применяют относительные
единицы (о.е.), а в сетях до 1кВ – именованные единицы.
При составлении схемы замещения в относительных единицах
значения ЭДС и сопротивлений схемы выражают в долях выбранных
значений базовых величин.
2. Принимаются базисные условия.
В качестве базовых величин принимаются базовая (базисная)
мощность S
б
и базовое (базисное) напряжение U
б
.
За базисную мощность принимается суммарная мощность
генераторов, если мощности генераторов известны (или мощность
короткого замыкания на входе СЭС) или принимается S
б
=100 МВА (S
б
=1000 МВА) при неизвестной мощности генераторов, т.е. мощность
системы бесконечно большая (S
c
=
∞
).
Для основной ступени, для которой производится расчёт токов КЗ
принимается U
б
=U
ср
(среднее значение напряжения ступени
электрической цепи берётся на 5% выше номинального напряжения сети
–[6]):
U
ср
= 0,23кВ; 0,4; 0,525; 0,69; 3.15кВ; 6,3кВ; 10,5кВ; 15,75кВ; 21кВ;
37кВ.
Тогда базисные (базовые) токи и сопротивления на основной ступени
определяются по выражениям (МВ⋅А, кВ, кА, Ом):
ср
U
б
S
б
I
⋅
=
3
,
б
S
ср
U
б
S
ср
U
ср
U
б
I
б
U
б
X
2
3
3
3
=
⋅
⋅⋅
=
⋅
=
. (3.3)
37
3. Определяются значения сопротивлений отдельных элементов
цепи КЗ (по формулам и паспортным данным или по справочным данным)
в именованных или относительных единицах (индекс ∗), приведённых к
базисным условиям.
4. Определяется результирующие сопротивления цепи КЗ путём
преобразования схемы замещения и приведения её к одному
результирующему сопротивлению.
5. Определяется отношение сопротивлений источников питания
ΣX
∗расч.ИП
к полному результирующему сопротивлению цепи КЗ Z
∗рез.(цепи
КЗ)
; по значению отношения определяется вид системы: неограниченная
или ограниченная.
В практических расчётах за систему с неограниченной мощностью
принимают такую, для которой выполняется условие:
ΣX
∗расч.(ист.пит.)
≤ 0,1 ⋅ Z
∗рез.(цепи КЗ)
. (3.4)
Также за систему неограниченной мощности принимают участок
системы электроснабжения электрически значительно удалённый от
генерирующих источников (Z
∗рез.(цепи КЗ)
≥ 3 ).
6. Определяется результирующие сопротивления цепи КЗ с
учётом мощности системы (если базисная мощность не равна суммарной
мощности генераторов системы электроснабжения).
7. Определяются необходимые значения токов КЗ.
Для проверки аппаратуры системы электроснабжения необходимо
определить следующие значения токов для режима КЗ:
• ток
''
I − действующее значение сверхпереходного
периодического тока в начальный момент КЗ;
• токи
2,01,0
,
II
− действующее значение периодических токов
соответственно через 0,1сек и через 0,2сек после начала
процесса КЗ;
• ток
∞
I
−действующее значение установившегося периодического
тока при КЗ;
• ток
у
i
− ударный ток;
• ток
у
I
− наибольшее действующее значение тока КЗ за первый
период от начала процесса КЗ.
В процессе КЗ при питании от системы неограниченной мощности
напряжение на шинах электростанции считается неизменным в любой
момент времени КЗ. Тогда и значения периодических токов КЗ в любой
момент времени КЗ остаются постоянными.
Токи КЗ в этом случае определяются по формуле, о.е.:
рез
Z
б
I
рез
X
б
I
IIII
КЗ
I
∗
=
∗
=
∞
====
2,01,0
"
. (3.5)
38
Мощность КЗ определится:
рез
Z
б
S
рез
X
б
S
КЗ
S
∗
=
∗
=
,
КЗ
I
б
U
КЗ
S ⋅⋅= 3 . (3.6)
Система ограниченной мощности характеризуется непостоянством
напряжения на шинах электростанции при КЗ (формулой
∞
=== IIII
2,01,0
''
пользоваться нельзя). В таких системах для определения периодических
значений токов КЗ в различные моменты времени процесса КЗ
пользуются кривыми затухания (метод расчётных кривых) [15], [18].
С помощью кривых затухания определяются периодические значения
токов КЗ в относительных единицах для любого момента времени − I
∗ t
(по
значениям Z
∗рез
или X
∗рез
). Значения токов КЗ в именованных единицах
определяются по формуле:
б
I
t
I
tКЗ
I ⋅
∗
=
,
.
Ударный ток КЗ определится:
''
2 I
у
k
у
i ⋅⋅= . (3.7)
Коэффициент
)
01,0
1(
а
T
e
у
k
−
+=
называется ударным коэффициентом.
Значение ударного коэффициента зависит от постоянной времени цепи КЗ
а
T
, которая в свою очередь определяется отношением индуктивного и
активного сопротивлений цепи КЗ, т.е.:
КЗрез
R
КЗрез
X
R
L
а
T
.
314
.
⋅
==
. (3.8)
Значение ударного коэффициента зависит от характера
сопротивления цепи КЗ (изменяется в пределах: 1 ≤
у
k
≤ 2). В цепях КЗ с
чисто индуктивным сопротивлением (при КЗ на зажимах генераторов)
ударный коэффициент
у
k
≈ 2. В цепях электроустановок напряжением
выше 1кВ с преобладанием индуктивного сопротивления (в тех случаях,
когда не учитывается активное сопротивление) ударный коэффициент
принимается равным 1,8. В сетях до 1000 В из-за значительного
активного сопротивления происходит быстрое затухание
апериодической составляющей тока КЗ и значение
у
k
меньше (в
приближённых расчётах можно принять: на шинах цеховых ТП ударный
коэффициент
у
k
≈ 1,3, а для более удалённых точек
1≈
у
k
[13, с.214].
Наибольшее действующее значение тока КЗ за первый период от
начала процесса КЗ определяется по формуле:
39
2
)1(21;
''2
)1(21
''
−⋅+=
∞
⋅
∞
=−⋅+⋅=
у
kkIk
у
kI
у
I
. (3.9)
При ударном коэффициенте
8,1=
у
k
коэффициент
52,1=
∞
k
.
Учёт подпитки мест КЗ от электродвигателей производится в тех
случаях, когда электродвигатели непосредственно связаны с точкой КЗ и
находятся в зоне малой удалённости (не учитывается токи КЗ от
электродвигателей, удалённых от точки КЗ ступенью трансформации, через
обмотки сдвоенного реактора или длинные кабели).
Если двигатели подключены к точке КЗ кабельными линиями не
более 300м, начальное значение периодической составляющей тока КЗ
определяется без учёта внешнего сопротивления [13, с. 209]:
ном
I
d
X
Е
двиг
I
п
I ⋅==
"
"
"
0
, (3.10)
где Е
”
,
"
d
X
- сверхпереходная ЭДС и сопротивление двигателя в о.е.
по каталожным данным,
ном
I
– номинальный ток двигателя.
Апериодическая составляющая и ударный ток от двигателей:
а
T
t
e
П
I
а
i
−
⋅⋅=
0
2
,
0
2
П
I
у
к
у
i ⋅⋅= ,
а
T
e
у
к
01,0
1
−
+=
. (3.11)
При отсутствии данных для двигателей можно принять [13]:
для АД: Т
а
= 0,04 с; для СД: Т
а
= 0,06 с.
Результирующие значения сверхпереходного и ударного токов в
случае подпитки точки КЗ от двигателей определятся:
"""
двиг
I
сист
II
+=
Σ
,
двигу
i
систу
i
у
i
...
+=
Σ
. (3.12)
Отношение значений сверхпереходного и ударного токов при
двухфазном КЗ к значениям токов при трёхфазном КЗ равно:
865,0
2
3
)3(
)2(
)"3(
)"2(
===
у
i
у
i
I
I
. (3.13)
Таким образом, сверхпереходный ток и ударный ток при трёхфазном
КЗ в
15,1
3
2
=
раза больше значений токов при двухфазном КЗ.
40
Величина установившегося тока КЗ при двухфазном КЗ в удалённой
точке
≥
∗
6,0
)3(
расч
X
определится как:
)3(
865,0
)3(
2
3
)2(
∞
⋅=
∞
⋅=
∞
III
.
Установившийся ток при двухфазном КЗ на генераторном напряжении
электростанции
≤
∗
6,0
)3(
расч
X
всегда больше, чем при трёхфазном КЗ
(влияние реакции статора генератора). Для определения установившегося
тока двухфазного КЗ при питании от системы с ограниченной мощностью
пользуются теми же расчётными кривыми затухания, что и для
определения токов при трёхфазном КЗ. По оси сопротивлений
откладывают значение 2⋅
)3(
расч
X
∗
и для этого значения по кривой при t = ∞
определяют относительное значение установившегося периодического тока
трёхфазного КЗ
)3(
∞∗
I
. Относительное значение установившегося
периодического тока двухфазного КЗ в именованных единицах
определится [18]:
б
III ⋅
∞∗
⋅=
∞
)3(
3
)2(
. (3.14)
В случае питания электрических сетей напряжением до 1кВ от
понижающих трансформаторов при расчёте токов КЗ следует исходить из
условия, что подведённое к трансформатору напряжение неизменно и
равно номинальному напряжению - [6].
При расчёте токов КЗ в установках до 1000 В необходимо учитывать:
• индуктивные и активные сопротивления элементов цепи КЗ:
силовых трансформаторов с вторичным напряжением до 1кВ,
сборных шин и шин присоединённых к ним, шинопроводов, кабелей,
сопротивлений расцепителей, автоматических выключателей НН,
первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока НН,
активные сопротивления различных контактных соединений –
болтовых соединений шин, зажимов и разъёмных контактов
аппаратов и др. (в некоторых случаях следует также учитывать
переходные сопротивления в точке КЗ, сопротивление дуги в точке
КЗ и изменение сопротивлений в результате нагрева токами КЗ);
• индуктивные сопротивления питающей системы напряжением
выше 1кВ.
При трёхфазном КЗ в установках до 1000 В значение
периодической слагающей тока КЗ определяется по формулам (А, кА):
Σ
⋅
⋅
=
Z
ср
U
К
I
3
1000
)3(
, или
Σ
⋅
=
Z
ср
U
К
I
3
)3(
, (3.15)