1. ВВЕДЕНИЕ

В этом разделе необходимо кратко осветить состояние и современное развитие горных работ, электроснабжение предприятий и электрификации всей страны, основные направления технического прогресса в энергетике, горнорудной промышленности.

Технический прогресс в горнорудной промышленности связан с разработкой, созданием и внедрением мощного, высокопроизводительного оборудования с большой единичной мощностью и качественно новыми энергетическими характеристиками. Внедрение такого оборудования способствует повышению производительности труда и качеству выпускаемой продукции, но одновременно обуславливает рост электропотребления, требует применения совершенных схем и систем автоматизированного электропривода и электроснабжения. Это вызвано увеличением объемов вскрышных и добычных горных работ, увеличением глубины карьеров, вовлечением в переработку бедных руд. Требуется постоянное совершенствование систем электроснабжения, повышение эффективности и надежности работы применяемого электрического оборудования, применения нового электрооборудования на базе полупроводниковой и микроэлектронной техники.

Увеличение мощности горнотранспортного оборудования осуществляется в основном за счет повышения подводимого напряжения. На роторные экскаваторы уже сегодня подводится напряжение 35-кВ. Разработаны буровые станки на напряжение 6-10кВ. Применение такого напряжения значительно упрощает схему электроснабжения буровых станков, в 4-5 раз уменьшает сечение жил питающих кабелей (по сравнению с напряжением 380 В). Предполагается повысить напряжение питания одноковшовых экскаваторов до 10-35 кВ, а контактных сетей электрифицированного карьерного железнодорожного транспорта до 25 кВ однофазного переменного тока. Этим достигается значительное снижение потерь электроэнергии, экономия цветных металлов.

Особое внимание в настоящее время уделяется разработке и освоению электрооборудования и аппаратуры, повышающей надежность и электробезопасность систем электроснабжения горнорудных предприятий. В соответствии с этим на экскаваторах используются вакуумные выключатели ВНВП-10/320, ВНВ-10/630, устанавливаемые в комплектных распределительных устройствах КРУЭ-6Э-400-10 У. Внедрение вакуумных выключателей повышает безопасность обслуживания высоковольтных распределительных устройств, срок их службы, надежность работы, снижает затраты на ремонт и обслуживание в 8-10 раз.

Совершенствование существующего электротехнического оборудования, создание нового, разработка принципиально новых схем электроснабжения направлено несущественное повышение производительности горнотранспортного оборудования.

Основное направление в снижении потерь электроэнергии — осуществление принципа приближения источников питания к потребителям, т о есть глубокий ввод напряжения в карьер с использованием комплектных передвижных трансформаторных подстанций, понижающих напряжение с 35—110 кВ до 6-10 кВ. Такие трансформаторные подстанции должны устанавливаться в непосредственной близости от оборудования в карьере и перемещаться вслед за продвижением фронта горных работ. Горные машины и механизмы подключаются к подстанциям короткими воздушными и кабельными линиями через приключательные пункты. Первая ступень защиты карьерных линий электропередачи должна выполняться в приключательных пунктах, чтобы исключить простои всего оборудования, подключенного к одной линии. В настоящее время при коротком замыкании на одной машине срабатывает максимальная токовая защита на подстанции карьера, и отключает линию, к которой подключены другие экскаваторы, буровые станки, на время поиска места повреждения и отключения неисправного электрооборудования. Защита карьерных линий электропередачи от атмосферных и коммутационных перенапряжений должна осуществляться с применением новых образцов разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений типа ОПНК-6, ОПНК-Ю.

На горных машинах расширяется область применения новых систем автоматизированного электропривода, обеспечивающих высокое быстродействие в переходных режимах и необходимое качество регулирования. Это тиристорные возбудители синхронных двигателей экскаваторов, тиристорный электропривод вращателя станков шарошечного бурения с тиристорными преобразователями ТЕЗ-160/460 Р-У2,

ГЕЗ-250/460 Р-У2, тиристорный электропривод карьерных экскаваторов.

Тиристорный электропривод основных механизмов экскаваторов применяется для возбуждения генераторов и двигателей постоянного тока в системах генератор-двигатель и в качестве комплектного преобразователя вместо электромашинного агрегата.

В качестве возбудителей генераторов применены моноблочные тиристорные преобразователи ПТЭМ-1Р-2.

Отличительными особенностями преобразователей ПТЭМ-1Р-2 являются: малые габариты и масса; высокая концентрация электроники и хорошая помехозащищенность; безналадочность и взаимозаменяемость; эффектная самодиагностика. При отказах машинист экскаватора заменяет неисправный

тиристорный преобразователь резервным. На это потребуется 10-15 мин., чем практически исключаются простои машин

Технический прогресс в горнорудной промышленности тесно связан с внедрением новой техники с улучшенными энергетическими характеристиками, в которой применяются современная коммутационная и регулирующая аппаратура, средства автоматики и электроники, элементов микропроцессорной техники. В связи с этим большое значение приобретают вопросы правильного выбора оборудования, знание технических показателей устройств, аппаратов и приборов, умение осуществлять качественное обслуживание, монтаж и ремонт.

2. ВЫБОР РОДА ТОКА И ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ

В этом разделе необходимо кратко обосновать выбор рода тока для электроснабжения потребителей. Необходимо убедительно доказать достоинства и недостатки постоянного и переменного тока, правильно выбрать род тока.

В разделе также необходимо обосновать выбор величины основного рабочего напряжения на участке, цехе, карьере, фабрике и т.д., а также значений напряжений распределительных сетей.

При выборе и обосновании величины напряжения необходимо помнить о требованиях, предъявляемых сегодня к системам электроснабжения железорудных горно-обогатительных предприятий, о прогрессивном направлении в электроснабжении предприятий — глубоком вводе высокого напряжения.

3. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Надежность электроснабжения цехов и подразделений горно-обогатительных комплексов зависит от правильного выбора мощности и числа трансформаторов на главных понизительных подстанциях, где могут быть установлены один или два силовых трансформатора. Двухтрансформаторные подстанции экономически более эффективны, так как для таких подстанций схемы электрических соединений получаются наиболее простыми, с минимальными затратами на коммутационную аппаратуру. Один из трансформаторов на подстанции может быть включен или отключен при нормальном режиме работы. Лучшим решением является включение в работу обоих трансформаторов в нормальном режиме при работе каждого трансформатора раздельно на разные секции шин 6 кВ или 10 кВ. При выводе одного из трансформаторов в ремонт или при аварии второй должен обеспечивать 80% расчетной нагрузки.

Мощность трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях, выбирается по величине мощности электрооборудования, установленного на горных машинах, в цехах предприятия, с учетом их перегрузочной способности.

Для правильного определения мощности трансформатора подстанции необходимо составить таблицу .нагрузки (таблица 3.1), в которой учитывается вся высоковольтная и низковольтная нагрузка.

Таблица 1- Нагрузка оборудования

Наименование оборудования

Количество оборудования, шт

Мощность единицы оборудования, кВт

Суммарная установленная мощность, кВт

Коэффициент спроса Ксп

cosφ

tgφ

Расчетная мощность

Время работы оборудования, часов в сутки

Коэффициент использования активной мощности, Кв

Расход электроэнергии

Ррасч, кВт

Qрасч, квар

Активной энергии Wа, кВт•ч

Реактивной энергии Wр, квар•ч

Высоковольтная нагрузка 6 кВ

Итого по нагрузке 6 кВ

Всего

Перед выполнением расчетов и заполнением таблицы 3.1 необходимо подробно и внимательно ознакомиться с содержанием раздела, определить пункты, по которым необходимо выполнить расчеты применительно к участку цеха, подразделения предприятия. Данные об установленном оборудовании, если они не указаны в задании на курсовой проект, необходимо получить в отделе энергетика цеха, предприятия. Некоторые данные представлены в таблицах 3.2-3.4.

3.1. Расчетная мощность по экскаваторной нагрузке (одноковшовые экскаваторы)

3.1.1 Суммарная установленная мощность Σ Pуст. Высоковольтного оборудования каждого типа экскаваторов определяется по номинальной мощности сетевого двигателя и мощности двигателей вспомогательных механизмов, которые получают питание от трансформаторов мощностью 30-400 кВ • А, устанавливаемых на экскаваторах (см. таблицу 3.2)

∑Руст. = (Рдв + Рт ) n , (3.1)

где ∑Руст. - суммарная установленная мощность высоковольтного оборудования, кВт;

Рдв - мощность высоковольтного двигателя, кВт;

Рт - активная мощность приводов вспомогательных механизмов экскаваторов, кВт;

Рт ═ Sном.т • Cosφт, (3,2)

Sном.т - номинальная мощность трансформатора, установленного на экскаваторе, кВ•А;

Cosφт, - коэффициент мощности трансформаторов, установленных на экскаваторах (Cosφт = 0, 70 . . . 0, 75);

n - количество работающих экскаваторов одного типа на участке.

3.1.2. Расчетная мощность по экскаваторной нагрузке с учетом пиков мощности и допустимой перегрузки трансформаторов

Ррасч.э=К сп. т • ∑Руст (3.3)

Qрасч.э = Ррасч.э* tgφдв (3.4)

где - Ррасч.э , Qрасч.э -расчетная активная и реактивная мощности кВт, к вар;

Ксп.т - коэффициент спроса, принимаемый по таблице 3.5;

tgφдв - определяется по значению коэффициента мощности приводных (сетевых) двигателей при номинальной нагрузке (для асинхронных двигателей Cosφдв. =0,9..0,92; для синхронных двигателей —. Cosφдв. = 0, 8 . . . 0, 9 опережающий).

3.4. Расчетная мощность трансформатора на подстанции

3.4.1. Расчетная мощность трансформатора на ГПП определяется:

Sт.расч (3.5)

где Sт.расч - расчетная мощность трансформатора на подстанции,кВ*А;

где ∑Ррасч. , ∑Qрасч - суммарная расчетная мощность, принимаемая по строке "всего" и графе "расчетная мощность" табл. 3.1, кВт, квар.

3.4.2. По расчетной мощности Sт.расч по таблице 3.7 выбирается мощность трансформатора, равная или ближайшая в ряду мощностей силовых трансформаторов 10, 16, 25, 40, 100, 160 и т.д., кВ • А.

К установке на подстанции принимаются два трансформатора из условия, что оба трансформатора будут работать каждый на свою систему шин, но при отключении одного из них другой должен обеспечивать питание 80% нагрузки. Возможность такой работы трансформаторов проверяется по величине коэффициента загрузки.

Вставить в таблицу 2 – краткая характеристика выбранного трансформатора.

Таблица 2- Краткая техническая характеристика трансформатора

Тип трансформатора
Номинальная мощность, кВ • А
Напряжение первичной обмотки, кВ
Напряжение вторичной обмотки, кВ
Потери мощности Рхх, кВт
Потери мощности Рк.э, кВт
Напряжение Uк, %

3.4.3. Коэффициент загрузки трансформаторов в нормальном режиме работы:

β2 (3.6)

где β1 - коэффициент загрузки трансформаторов, %;

Sт.расч - расчетная мощность трансформаторов (п. 3.4.1), кВ*А

Sт.ном - мощность трансформатора, принимаемого к установке (п. 3.4.2), кВ*А;

3.4.4. Коэффициент загрузки одного трансформатора при отключении другого

β2 (3.7)

Величина β2 не должна превышать значений 120-130%. Если значение β2 получилось больше, необходимо выбрать трансформаторы другой мощности и повторить проверочные расчеты.

В таблице 3.8 указываем краткую техническую характеристику принятого окончательно к установке трансформатора.

3.8. Расход электроэнергии всеми типами приемников определяется

Wа = Kв • Ррасч. * t (3.8)

Wр= Qpacч. *t (3.9)

где Wа -расход активной энергии,«Вт • ч;

Wp - расход реактивной энергии, квар • ч;

Кв -коэффициент использования активной мощности во времени (принимается по таблице 3.6).

Ррасч., Qpacч - расчетная активная и реактивная мощность, принимаемые по строке "всего" и графе "Расчетная мощность" таблицы 3.1,кВт, квар;

t - время работы оборудования в течение суток, ч.

3.9. Расчетный (средневзвешенный) коэффициент мощности

Cosφср.взв. определяется по величине tgφ из соотношения:

tgφ= (3.10)

где Wа , Wр - расход активной и реактивной энергии, кВт • ч, квар • ч.

Cosφ. =

4. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением до и выше 1000 В может быть выполнен в абсолютных (именованных) или относительных единицах. В практике более широкое применение находит способ относительных единиц, так как значения расчетных величин в относительных единицах более удобны для оценки влияния того или иного участка схемы на результаты расчетов. Для учебных целей применяется обычно метод именованных единиц. Используя этот метод, производим расчет токов короткого замыкания. Расчет токов короткого замыкания необходимо начать с вычерчивания однолинейной схемы электроснабжения от шин районной подстанции до потребителя. На этой же схеме вычерчивается эквивалентная расчетная схема токов короткого замыкания с указанием величины индуктивных сопротивлений отдельных элементов, дается обозначение расчетных точек короткого замыкания (см. пример схемы на рис. 4.1). Расчетные точки короткого замыкания на схеме указывает руководитель проекта при проверке правильности выполнения однолинейной схемы электроснабжения. На схеме электроснабжения должна быть указана длина воздушных и кабельных линий (и километрах), наименование подстанций, величина напряжений на шинах подстанций. Условные обозначения электрических аппаратов, элементов схемы электроснабжения, торных машин должны соответствовать действующим стандартам. Для выполнения расчетов токов короткого замыкания в задании на курсовой проект должны быть указаны мощность или ток короткого замыкания Sк ( Iк ) на шинах районной подстанции. При известной мощности Sк определяется в п. 4.1 ток короткого замыкания. При заданном токе короткого замыкания Iк расчеты следует начинать с п. 4.2, определяя сопротивление системы.

4.1. Расчет токов короткого замыкания в сетях выше 1000 В

4.1. Ток короткого замыкания на шинах районной подстанции

Iк ; (4.1)

где Iк - ток короткого замыкания на шинах районной подстанции, А;

Sк - мощность короткого замыкания, MB • А;

U - напряжение на шинах подстанции, принимаемое но следующему ряду: 0,23; 0,4; 0,69; 6,3; 10,5; 37; 115; 154; 230 кВ.

4.1.2. Индуктивное сопротивление системы до шин подстанции

Хс ; (4.2)

где Хс - сопротивление системы до шин 37, 115, 154 кВ районной подстанции, Ом;

Uном. - номинальное напряжение, В;

Iк - ток короткого замыкания, определенный в п. 4.1 или заданный в задании, А.

4.3. Индуктивное сопротивление линии электропередачи от районной подстанции до подстанции предприятия:

Хлэп. = Хо • L; (4.3)

где Хлэп. - индуктивное сопротивление линии, Ом;

Хо - индуктивное сопротивление одного километра линии электропередач, Ом/км, принимаемого

для воздушной линии 6 . . . 220 кВ Л'о = 0,4 Ом/км;

для кабельных линий 3 . . . 10 к В Л'0 = 0, 08 Ом/км;

для кабельных линий 35 к В и выше Хо = 12 Ом/км;

L - длина воздушных или кабельных линий, км.

4.4. Результирующее индуктивное сопротивление до шин подстанции на предприятии:

Хрез1 = Хс + Хлэп.; (4.4)

где Хрез.1 - результирующее сопротивление, Ом;

Хс,-,Хлэп. - индуктивное сопротивление системы и ЛЭП, Ом.

4.5. Ток короткого замыкания на шинах высокого напряжения подстанции предприятия:

Iк1 ; (4.5)

где Iк1 - ток короткого замыкания на шинах, А;

1,05 -коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в системе на 5% от номинального;

Uном. - номинальное напряжение, принимаемое из ряда напряжений 6000, 10000, 35000, 110000, 154000 В;

Хрез.1 - результирующее индуктивное сопротивление, Ом.

Рис. 4.1. Исходная схема и схема замещения к расчетам токов короткого замыкания

4.6. Индуктивное сопротивление трансформаторов, работающих на подстанции

Хт ; (4.6)

где Х т - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, Ом;

Uном. - номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора, В (принимается по паспортным данным, см. таблицу 3.8);

Uк- напряжение короткого замыкания трансформатора, % (принимается по паспортным данным см. таблицу 3.8);

ST- мощность принятого к установке на подстанции трансформатора, кВ • А, (см. таблицу 3.8).

4.7. Результирующее сопротивление до шин 6 кВ подстанции

Хб.рез.2 Хpeз.1+ Хт) ; (4.7)

где Хб.рез.2 - базисное результирующее сопротивление до шин 6 кВ подстанции, Ом;

Хpeз.1 - результирующее сопротивление в точке 1, Ом;

Хт - индуктивное сопротивление обмоток трансформаторов на подстанции, Ом, обычно трансформаторы на подстанции работают каждый на свою систему шин, поэтому принимается то значение, которое получено в п. 4.6. При работе двух трансформаторов на общую систему шин (параллельная работа двух трансформаторов) значение, Хт , полученное в п. 4.6, необходимо уменьшить вдвое;

Uб - базисное напряжение на шинах 6кВ (Uб принимается 6,3 или 37 к В);

Uном - номинальное напряжение на шинах высшего напряжения, кВ ( Uнoм. принимается 35, 110, 150 к В).

4.8. Ток короткого замыкания на шинах 6 кВ подстанции

Iк2 ; (4.8)

где Iк2 — ток короткого замыкания на шинах 6 к В подстанции, А;

4.9. Результирующее индуктивное сопротивление до шин КТП,

приключательного пункта в карьере, КТП, РП, РУ на фабриках и других объектах, ТП в городе:

Хрез.3 = Хб.рез 2 + Хлэп.1; (4.9)

где .Хрез.3 - результирующее индуктивное сопротивление Ом;

Хлэп.1- индуктивное сопротивление воздушной или кабельной линии,Ом, идущей от шин 6 кВ подстанции до КТП, РП, ТП (определяется по формуле, см. п. 4.3)

Хлэп.1 = Хо • L1 ; (4.3).

4.10. Ток короткого замыкания на шинах KTП, РП, ТП, приключательного пункта и т.д.

Iк3 ; (4.10)

где Iк3 - гок короткого замыкания в точке 3, А;

4.11. Результирующее индуктивное сопротивление до вводного шкафа экскаватора, ввода высоковольтного двигателя, силового трансформатора в ТП и.т.д.:

Хрез.4 = Хб.рез 3 + Хлэп.2; (4.11)

где Хрез.4- результирующее индуктивное сопротивление, Ом;

Хлэп.2- индуктивное сопротивление линии, Ом, определяемое в п.п. 4.3 и 4.9.

Хлэп.2 = Хо • Lк ; (4.3).

Хо - индуктивное сопротивление одного километра линии электропередач, Ом/км,

Lк - длина воздушных или кабельных линий, км.

4.12. Ток короткого замыкания на зажимах вводного шкафа экскаватора, двигателя:

Iк4 ; (4.12)

где Iк4 - ток короткого замыкания, А;

4.13. Ударный ток короткого замыкания в каждой расчетной точке

iуд. = 2, 55 к; (4.13)

где iуд - ударный ток короткого замыкания, А;

Iк - ток короткого замыкания в каждой расчетной точке, А.

4.14. Действующее (установившееся) значение тока короткого замыкания в каждой расчетной точке:

Iy ; (4.14)

Где Iу – действующее значение тока короткого замыкания, А;

Iк - ток короткого замыкания в каждой точке, А.

4.15. Амплитудное значение короткого замыкания в каждой расчетной точке:

Iа (4.15)

где Iа - амплитудное значение тока короткого замыкания, А;

Iк - ток короткого замыкания в каждой точке, А.

4.16. Ток короткого замыкания при двухфазном замыкании для каждой расчетной точки:

= 0, 865 Iк; (4.16)

где - ток двухфазного короткого замыкания, А;

Iк- ток короткого замыкания в каждой расчетной точке, А.

4.17. Ток термической стойкости токам короткого замыкания. Токоведущие части аппаратов, провода и кабели при коротких замыканиях могут нагреваться до температуры, значительно больше той, что при нормальном режиме. Для того, чтобы токоведущие части были устойчивы к токам короткого замыкания, проводится проверка аппаратуры по току:

Iтерм.(t.) ; (4.17)

где Iтерм.(t.)- ток термической стойкости, рассчитываемый для времени действия тока

t = 5 с и t = 10 с;

Iк - ток короткого замыкания в каждой расчетной точке, А;

tn- приведенное время, в течение которого установившийся ток короткого замыкания Iу выделяет то же количество тепла, что и изменяющийся во времени ток короткого замыкания за действительное время t, с;

; (4.18)

где tn - приведенное время действия тока короткого замыкания, с;

tn.а - периодическая составляющая приведенного времени, с;

= здесь: β" = (4.19)

где Iа - амплитудное значение тока короткого замыкания (принимается по п. 4.15), А;

Iу - установившееся значение тока короткого замыкания (принимается по п. 4.14), А;

- периодическая составляющая приведенного времени, с, принимается по таблице 4.1 в зависимости от значенийβ".

Значения tn.n. в табл. 4.1 рассчитаны для действительного времени t = 5 с. Тогда приведенное время для времени t = 5 с будет

;

Приведенное время для действительного времени t = 10 с

;

4.18. Мощность короткого замыкания в каждой расчетной точке

Sк Uном (4.20)

где Sк- мощность короткого замыкания, к В • А;

I к - ток короткого замыкания, А;

Uном.- номинальное напряжение, В.

4.19. Значения токов короткого замыкания и мощности короткого замыкания в каждой расчетной точке записываем в таблицу 4.

Расчетная точка	Iк, кА	iуд, кА	Iу, кА	Iа, кА	, кА	Iтерм.(5.), кА	Iтерм.(10.), кА	Sк, кВ•А
К
К1
К2
К3
К4

5. РАСЧЕТ ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛЭП, ВЫБОР ШИНОПРОВОДОВ

Для расчета электрических сетей необходимо использовать схему электроснабжения, составленную в разделе 4.

Конечная цель расчета электрических сетей — определение наименьшего сечения проводов воздушных и жил кабельных линий по тепловому нагреву (по току нагрузки).

Выбранное сечение проводов воздушных ЛЭП проверяется далее по механической прочности, по экономической плотности тока, по допустимой потере напряжения. Для кабельных линий выбранное по току нагрузки сечение жилы проверяется по экономической плотности тока, допустимой потере напряжения, на термическую стойкость при коротких замыканиях.

При этом необходимо помнить, что по экономической плотности тока сечение проводов рассчитывается (проверяется) только для стационарных линий, подающих питание на подстанции карьера (на поверхности и внутри карьера), на фабрики или отдельные цеха предприятия. Воздушные линии 6 кВ внутри карьера являются временными передвижными линиями, поэтому такие линии по экономической плотности тока не проверяются. По экономической плотности тока не производится расчет линии напряжением до 1000 В при длительности использования максимума нагрузки до 5000 часов в год.

Окончательное сечение провода или жилы кабеля выбирается наибольшее, полученное по результатам расчетов.

5.1 Расчет сечения проводов воздушных линий карьера (передвижные линии)

5.1.1. Расчетный ток нагрузки экскаватора (определяется для каждого типа экскаватора отдельно).