Электроснабжение цеха сварки узлов

кузнечно-прессовых  цехов. В кратковременном режиме работает подавляющее большинство  электроприводов вспомогательных  механизмов металлорежущих станков, а  также механизмов для открывания фрамуг, гидравлических затворов, заслонок и т.п.

В повторно-кратковременном  режиме работают электродвигатели мостовых кранов, тельферов, подъемников и  аналогичных им установок, а также  сварочные аппараты, для которых  характерны постоянные большие броски мощности.

Самостоятельную группу электроприемников составляют нагревательные 
аппараты и электропечи, работающие в продолжительном режиме с постоянной 
или маломеняющейся нагрузкой, их осветительные приборы (лампы накаливания и люминесцентные), отличительной особенностью которых является резкое 
изменение нагрузки в течение суток и постоянство нагрузки при включенном 
освещении.

По техническому заданию необходимо разработать проект электроснабжения цеха сварки узлов. Цех сварки узлов  относится к цехам основного  производства, простой которого приведёт к массовому недоотпуску продукции, т.е. он относится ко второй категории по надёжности электроснабжения. В состав 
оборудования цеха сварки узлов не входят приёмники первой категории.

Все электроприёмники разбиты на группы и даны суммарные  мощности и 
число приёмников в каждой группе. Задан коэффициент ПВ = 40%, напряжение 
питания первичной цепи U_вн = 10 кВ и требуемый коэффициент мощности cosφ 
= 0,95.

Цех сварки узлов занимает площадь 18×48 = 864 м², при стандартном расположении осей через 6 м и ширине пролёта в 9 м это означает, что цех четырёх пролётный с 8 осями, что подтверждается и наличием 4 мостовых кранов, которые располагают попарно на пролёт, каждый на пол пролёта.

Конкретное  расположение оборудования определяется требованиями 
технологического процесса. Расположим оборудование относительно равномерно по площади цеха, практически одинаково во всех пролётах, это упростит схему

Лист ст

8

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

электроснабжения  и повысит её надёжность и ремонтопригодность, так 
как элементы схемы будут дублировать друг друга. Состав промышленного 
оборудования цеха позволяет это сделать, многие виды оборудования имеют 
чётное число единиц. Единичные приёмники можно разбить по пролётам с учётом их мощности. Расположим мощный (420 кВт) и большой по занимаемой 
площади прокатный стан в одном пролёте, а во втором расположим компрессор 
(100 кВт), станки фрезерный и сверлильный (40 кВт + 6 кВт) и оба ковочных 
вальца (120 кВт) – это уравновесит общее потребление электроэнергии по обоим пролётам. Особенностью цеха является наличие двух машинных преобразователей (2400 кВт), через которые запитываются индукционные нагреватели (2000 кВт). При расчёте наиболее нагруженного режима будем рассматривать их максимальную нагрузку в 2400 кВт, считая, что разница в 400 кВт идёт на потери на преобразование. Но как количество потребителей принимаем 10, так как каждый из нагревателей может работать в своём режиме, включаясь не одновременно. Таким образом, рассматриваем потребление энергии системой: индукционные нагреватели – машинные преобразователи с общей установленной мощностью 4400 кВт, с номинальной мощностью потребления 2400 кВт.

В цехе предусмотрены  две рабочие смены.

По электробезопасности  цех относится к классу ПО (повышенной опасности), так как в цехе очень много токоведущих частиц (пыли, стружки и т.д.) 
металла, которые оседают на ЭО. Также возможно соприкосновение обслуживающего персонала одновременно с корпусом ЭО и конструкциями, связанными с землей.

2. Основная  часть.

2.1 Расчёт силовых электрических нагрузок.

Расчёты цеховых  нагрузок на всех ступенях до цеховых  трансформаторных подстанций включительно, проводят пользуясь методом упорядоченных  диаграмм показателей [1, стр.64; 2, стр.64]. I уровень электроснабжения – это 
линии электрической сети, связывающие отдельные ЭП с распределительным 
пунктом, к которому они подключены; II уровень электроснабжения – линии

Лист ст

9

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

распределительной сети напряжением до 1 кВ, обеспечивающие связь силовых 
распределительных пунктов, щитов, а также магистральные шинопроводы; III 
уровень электроснабжения — шины 0,4 кВ цеховой трансформаторной подстанции; IV уровень электроснабжения — шины РП10(6) кВ и линии, подходящие к ним. В случае отсутствия РП10(6) кВ IV и V уровни идентичны; V 
уровень электроснабжения — шины низшего напряжения ГПП, ПГВ, опорной подстанции района; VI уровень электроснабжения — граница раздела балансовой принадлежности сетей энергосистемы и промышленного предприятия. К цеховому электроснабжению относятся I,II и III уровень электроснабжения.

По соответствующим  таблицам [1, табл.2.11; 3,табл.24-3] для указанных 
нагрузок выбираем значения коэффициент использования К_и и cosφ, зная который можно рассчитать значение tgφ. Затем находим среднюю нагрузку за максимально загруженную смену Р_см и Q_см по формулам:

Р_см = К_и·Р_ном; Q_см = Р_см/tgφ, причём для приёмников с ПВ в качестве номинальной мощности берётся установленная мощность, приведённая к ПВ = 
100%:

, где Р_н – мощность по паспорту. В повторно- 
кратковременном режиме работают электродвигатели мостовых кранов, тельферов, подъёмников и аналогичных им установок, а также сварочные аппараты, для которых характерны постоянные большие броски тока. В кузнечном цехе такие приёмники есть. Для сварочных автоматов .

Для группы приёмников определяем средневзвешенный коэффициент использования:

, где ∑Р_см – суммарная мощность по группе приемников за наиболее загруженную смену, ∑Р_н - суммарная установленная мощность по 
группе. Аналогично определяем и ∑Q_см.

Лист ст

10

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Находим коэффициент  – отношение максимальной мощности приёмника в группе к минимальной из этой же группы.

Затем определяем эффективное  число электроприёмников п_э:

, этой формулой рекомендовано  пользоваться при числе приёмников в группе до 5, в противном случае можно пользоваться упрощёнными способами определения п_э [2, стр.57].

При числе фактических  приёмников в группе четыре и более  и при т ≤ 3, 
допускается считать число приёмников п_э равным фактическому.

При т > 3 и К_и.ср ≥ 0,2 принимаем , если окажется, что п_э >

п, принимаем п_э=п.

Затем находим коэффициент  максимума К_м по значениям К_и и п_э [1, 
табл.2.13].

Находим Р_макс = К_м·∑Р_см, в соответствии с практикой проектирования 
принимаем при п_э ≤ 10 Q_макс = 1,1 Q_cм, при п_э > 10 Q_макс =Q_см.

Затем определяем полную мощность:

и находим расчётный максимальный ток

Однотипные расчёты  сводим в сводную таблицу. Расчёт нагрузок является ориентировочным, его точность из-за возможных изменений технологического процесса и неточности расчётных коэффициентов (учитывая динамику 
изменения коэффициентов во времени) невысока, поэтому точность вычислений ограничиваем третьей значащей цифрой.

Лист ст

11

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Таблица 1.

Средневзвешенный коэффициент  использования К_и.ср = 2133,5/4485,6 = 0,475

т > 3 – максимальная мощность отдельного приёмника 200 кВт (индукционные нагреватели), минимальная мощность многих приёмников будет менее 20 кВт, получаем условие для применения формулы ,

п_э = 2·4485,6/200 ≈ 44,86, принимаем п_э = 45.

Коэффициент максимума, найденный экстраполяцией по таблице 2.13 [1]: 
К_м = 1,126. 

Р_макс = 1,126·2133,5 = 2411,5 кВт, Q_макс1 = 1734,2 квар.

Полная расчетная мощность.

 кВА – особенностью цеха является 
высокое энергопотребление;

Лист ст

12

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

расчетный максимальный ток силовых приёмников:

2.2 Расчёт осветительной нагрузки.

Для выбора трансформатора необходимо учитывать нагрузку осветительной  сети. Предварительный расчёт проводим методом удельной мощности. По 
табл. 4-1 [7, стр.329-332] для кузнечного цеха минимальная освещённость составляет Е_н = 200 лк. Используем для освещения светильники с лампами ДРЛ. 
Удельная мощность общего равномерного освещения при освещённости 100 лк, 
при высоте подвеса 8-12 м, при площади помещения S = 600÷1500 м² составляет P_o.yд100 = 6,1Вт/м² [10, табл.5-40, стр.160]. Отсюда искомая мощность освещения

Р_о.р = Р_о.уд100·S_ц·К_с.о·Е_н/100 = 6,1·864·0,9·200/100 = 9486,7 ≈ 9,5 кВт,

здесь S_ц – площадь цеха, К_с.о = 0,9 - коэффициент спроса осветительных установок (табл.2.7[5]).

Устанавливаем лампы  типа ДРЛ с ПРА без конденсаторов, для них 

cosφ = 0,57; потери 10%, [3,табл.24-32].

Получаем Q_o.p = P_o.p·tgφ = 9,5·1,44 =13,7 квар.

Расчётная мощность с  учётом освещения: 

2.3 Предварительный выбор  трансформатора.

Правильный выбор числа  и мощности трансформаторов на цеховых  трансформаторных подстанциях является одним из основных вопросов рационального построения СЭС.

Выбор мощности трансформаторов  производится исходя из расчетной нагрузки объекта электроснабжения, числа  часов использования максимума  нагрузки, темпов роста нагрузок, стоимости электроэнергии, допустимой перегрузки трансформаторов и их экономической загрузки.

Лист ст

13

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Наивыгоднейшая (экономическая) загрузка цеховых трансформаторов  зависит от категории ЭП, от числа  трансформаторов и способов резервирования.

Совокупность допустимых нагрузок, систематических и аварийных  перегрузок определяет нагрузочную  способность трансформаторов, в  основу расчета которой положен  тепловой износ изоляции трансформатора. Допустимые 
систематические нагрузки и аварийные перегрузки не приводят к заметному 
старению изоляции и существенному сокращению нормальных сроков службы.

В целях упрощения  и удешевления для цеховых  трансформаторов следует 
широко применять присоединение трансформаторов только через разъединители или присоединение по схемам: разъединитель – предохранитель, выключатель нагрузки – предохранитель [2, стр.171].

Конструктивно цеховые  трансформаторные подстанции следует  выполнять в виде подстанций, пристроенных к стенам цехов. Основа помещения – каркас из стального профиля, расположенный на фундаменте, покрытый сверху тонкой листовой сталью, с боков – стальная сетка. Такое решение является наиболее дешевым, обеспечивающим быстрый монтаж (5–10 дней) и позволяет использовать полностью перегрузочную способность трансформаторов в послеаварийных режимах.

Цеховые подстанции желательно выполнять с числом трансформаторов  не более двух. Для потребителей третьей и частично второй категории, возможно, рассматривать вариант  установки одного трансформатора с осуществлением резервного питания от соседней трансформаторной подстанции. В этом случае резервная подстанция является второй подстанцией и должна иметь запас мощности.

Двухтрансформаторные  подстанции экономически обычно более  целесообразны, чем подстанции с одним или большим числом трансформаторов. Все остальные решения (подстанции с тремя и большим числом трансформаторов) являются обычно более дорогими. Однако они могут быть необходимы в ряде случаев.

При проектировании подстанции необходимо учитывать требование резервирования, исходя из следующих основных положений.

Лист ст

14

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Потребители первой категории должны иметь питание  от двух независимых источников электроэнергии; при этом может быть обеспечено резервирование питания и всех других потребителей. При питании потребителей первой категории от одной подстанции для обеспечения надежности питания необходимо иметь минимум по одному трансформатору на каждой секции шин; при этом мощность трансформаторов должна быть выбрана так, чтобы при выходе из строя одного из них второй (с учетом допустимой перегрузки) обеспечивал питание всех потребителей первой категории.

Одновременно  следует отметить, что на цеховых  подстанциях с двумя трансформаторами рабочие секции шин низшего напряжения целесообразно держать в работе раздельно. При таком режиме ток к.з. уменьшается в два раза 
и облегчаются условия работы аппаратов напряжением до 1000 В. При отключении одного из работающих трансформаторов второй принимает на себя нагрузку отключившегося в результате включения секционного автомата. Ввод 
резервного питания для потребителей первой категории должен осуществляться автоматически.

Потребители второй категории должны быть обеспечены резервом, вводимым автоматически или действиями дежурного персонала. Потребители третьей категории могут получать питание от однотрансформаторной подстанции при наличии «складского» резервного трансформатора.

Так как в  цехе преобладают приемники 2-й категории, то целесообразно выбрать 2 трансформатора для установки на цеховую трансформаторную подстанцию.

Номинальную мощность трансформаторов определяем по условию

; – где β_т – коэффициент загрузки трансформатора, для приемников второй категории принимается 0,7...0,8, тогда при выходе из строя

Лист ст

15

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

одного из них, второй окажется загруженным не более чем на 140%, что допустимо в аварийных условиях.

 кВт.

В качестве цеховых ТП обычно принимают комплектные подстанции 
КТП. Двухтрансформаторные КТП состоит из 2 комплектных однотрансформаторных частей, расположенных рядом друг с другом и соединённых через РУ низкого напряжения. Применим двухтрансформаторный КТП типа 2КТПМ-2500-10/0,4 на общую номинальную мощность 5000 кВ·А (табл. 27.24 [4, Т.2], табл. 48.3 [6] (ближайший меньший номинал мощности 2×1600 кВт) с напряжением ВН – 10 кВ, НН – 0,4 кВ. В КТП установлены трансформаторы типа ТНЗ с негорючим жидким диэлектриком (совтолом), потери х.х. Р_хх = 3900 Вт, потери к.з Р_к.з. = 24000 Вт, напряжение к.з. U_к.з.. = 5,5%, ток х.х. I_х.х. = 1,0%.

2.4 Расчёт годового потребления  активной и реактивной электроэнергии  и средневзвешенного cosφ.

График электрических  нагрузок строят на основании данных о величинах 
нагрузки отдельных групп потребителей с учетом режима их работы. Суммируя 
нагрузки отдельных групп потребителей, получают суточный график нагрузки предприятия. Но в большинстве случаев суммарную нагрузку определяют расчетом, не построением суммарного совмещенного графика

Суммарную нагрузку на шинах  напряжением выше 1000 В определяют также с учетом нагрузки высоковольтных потребителей (Р_вв, Q_вв), потерь мощности в трансформаторах (ΔР_т, ΔQ_т) и потерь в высоковольтной линии (ΔР_л,. Q_л).

Для окончательного выбора мощности трансформаторов и параметров высоковольтной сети принимают потери в трансформаторах и линиях [1, стр.67]:

ΔР_т= 0,02S_нн, ΔQ_т = 0,1S_нн, ΔР_л = 0,03S_нн, где S_нн – расчетная мощность на 
шинах низшего напряжения до 1000 В за максимально нагруженную смену с 
учетом потерь в этой сети.

Лист ст

16

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата