Вернуться к содержанию
4. Проектирование высоковольтных распределительных сетей
4.1. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ
Ознакомиться с этапы проектирования распределительной сети предприятия.
Изучить типовые схемы высоковольтных распределительных сетей.
Ознакомиться со способами прокладки высоковольтных линий.
Выбрать сечения линий распределительной сети предприятия.
4.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Этапы проектирования распределительной сети предприятия:
1) Выбор схемы распределительной сети.
2) Выбор номинального напряжения.
3) Выбор конструктивного выполнения распределительной сети.
4) Выбор сечений линий распределительной сети.
Схемы распределительных высоковольтных сетей выполняются радиальными, магистральными или смешанными. На выбор схемы влияют:
категория потребителей по надежности электроснабжения;
взаимное расположение потребителей относительно друг друга и центра питания;
вид графика нагрузки цеха.
Для высоковольтных распределительных сетей предприятий используются следующие уровни номинального напряжения Uн = 6, 10, 20, 35 кВ. Экономичность СЭС объектов в значительной степени зависит от выбора номинальных напряжений. Принятыми в проектах напряжениями распределительных сетей определяются размеры капитальных вложений, потери электроэнергии, расход цветных металлов, годовые эксплуатационные издержки и другие технические, эксплуатационные и экономические показатели.
При возможности получения электроэнергии от источника питания при двух и более напряжениях выбор из них экономически целесообразного осуществляется на основе сравнения вариантов по приведенным затратам. При одинаковых приведенных затратах или небольшом преимуществе (до 10 %) варианта с низшим напряжением предпочтение следует отдавать более высокому напряжению. Напряжения 10 и 6 кВ используются в питающих и распределительных сетях малых и средних предприятий, а также на второй и последующих ступенях распределения электроэнергии крупных предприятий. Для внутризаводской системы электроснабжения в качестве основного следует применять номинальное напряжение 10 кВ.
Применять напряжение 6 кВ для распределительных сетей допускается в исключительных случаях при соответствующем обосновании. Например, при преобладании на проектируемом объекте электроприемников 6 кВ или при питании значительной части электроприемников от шин 6,3 кВ заводской ТЭЦ.
Как правило, выбор номинального напряжения производится на основе технико-экономических расчетов.
По территории промышленных предприятий кабельные сети прокладывают подземными способами – в траншеях, кабельных каналах, туннелях и блоках или надземными – на кабельных эстакадах и в кабельных галереях. Подземные способы прокладки кабельных сетей защищают их от грозовых и атмосферных воздействий. Проложенный под землей кабель в меньшей мере создают электромагнитные помехи.
Прокладка кабельных подземных коммуникаций нецелесообразна при неблагоприятных грунтовых условиях – высоком уровне грунтовых вод, наличия химически активных веществ, разрушающих кабельные оболочки.
Надземная прокладка кабелей проводится во всех случаях, когда это позволяют условия среды, плотность застройки территории предприятия и другие факторы. Надземная прокладка легка и доступна при обслуживании и замене кабелей.
Способ прокладки кабельных линий выбирают в зависимости:
от величины и размещения нагрузок, плотности застройки предприятия;
от компоновки электротехнических помещений;
от наличия технологических, транспортных коммуникаций;
от параметров и расположения источников питания;
от уровня грунтовых вод;
от степени загрязнения окружающей среды и грунта и др.
Выбор сечений линий высоковольтных распределительных сетей производится по следующим условиям:
по допустимому нагреву от длительно протекающего тока нагрузки;
по механической прочности (провода воздушных линий);
по потере напряжения;
по термической стойкости;
по экономической плотности тока.
Выбор сечений по допустимому нагреву
Выбор сечений линий по допустимому нагреву следует производить по расчётному току, протекающему по линии, с учётом условий охлаждения проводника.
За расчётный ток линии, питающей высоковольтный электроприемник, принимается номинальный ток ЭП.
Например, для линии, питающей высоковольтный электродвигатель:
,
А, (24)
где
Рн
– номинальная мощность двигателя, кВт;
сosφ
– коэффициент мощности;
– кпд электродвигателя.
Для линии, питающей однотрансформаторную КТП:
,
А, (25)
где Sp – расчетная нагрузка КТП на высокой стороне, отличающаяся от нагрузки на низкой стороне на потери в трансформаторе.
При выборе сечений по допустимому нагреву необходимо учесть условия охлаждения кабелей, которые могут отличаться от тех условий, для которых приведены значения длительно допустимых токов (Iд). Значения допустимых токов приводятся для определенных температур окружающей среды: для воздуха – 25 оС, для земли – 15 оС.
Условия охлаждения кабелей учитываются двумя поправочными коэффициентами: температурным (Кt), и прокладки (Кп), учитывающим влияние способа прокладки на ухудшение теплоотвода с поверхности кабеля.
Условие выбора сечения по допустимому нагреву с учетом условий охлаждения кабельной линии, питающей высоковольтный ЭП или однотрансформаторную КТП:
.
(26)
Для линий, питающих двухтрансформаторную КТП, определяются токи двух режимов работы подстанции: нормального (оба трансформатора работают раздельно на свою нагрузку), послеаварийного (после аварийного отключения одного из трансформаторов оставшийся в работе трансформатор питает всю нагрузку подстанции). Токи нормального режима работы (Iрн) и послеаварийного режима (Iра) определяются по формулам:
,
А, (27)
,
А. (28)
По допустимому нагреву сечение линии, питающей двухтрансформаторную КТП выбирается по току послеаварийного режима работы с учётом поправочных коэффициентов по условию:
,
(29)
где Кдоп – коэффициент допустимой аварийной перегрузки на кабель напряжением до 10 кВ включительно.
Значения коэффициента допустимой аварийной перегрузки зависят от вида изоляции жил кабеля: для резиновой изоляции (буква Р в марке кабеля) Kдоп = 1,1, для поливинилхлоридной (В) – 1,15. Для бумажной изоляции Кдоп = 1,1-1,5 в зависимости от первоначальной загрузки кабеля, способа прокладки и длительности перегрузки.
Проверка сечений по потере напряжения
Условие проверки по потере напряжения:
,
(30)
где
– суммарные потери напряжения, %;
– потери напряжения в трансформаторе
ГПП,
– потери напряжения
в линии, %;
– допустимые потери напряжения, %;
=
5 % – для цеховых трансформаторов (КТП);
=
10 % – для высоковольтных ЭП.
Потери напряжения во вторичной обмотке трансформатора определяются по формуле:
,
%, (31)
где – коэффициент загрузки трансформатора; Uка, Uкр – соответственно активная и индуктивная составляющие напряжения короткого замыкания трансформатора, %; сosср – средневзвешенный коэффициент мощности нагрузки трансформатора.
,
(32)
где Sрт – расчетная нагрузка трансформатора, кВА; Sнт – номинальная мощность трансформатора, кВА.
,
%, (32)
где Pк – мощность потерь короткого замыкания трансформатора, кВт.
,
%, (33)
где Uк – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.
Потери напряжения в линиях напряжением до 35 кВ определяют по формуле:
,
%, (34)
где Ip – расчётный ток нормального режима работы, А; l – длина линии, км; Uн – номинальное напряжение линии, В; ro, xo – удельные активное и индуктивное сопротивления линии, Ом/км.
Сечения высоковольтных линий выбираются по экономической плотности тока. Экономическое сечение соответствует оптимальному соотношению капитальных и эксплуатационных затрат и рассчитывается по формуле:
,
мм2,
(32)
где Ip – расчетный ток линии в нормальном режиме работы, А; jэ – экономическая плотность тока, А/мм2.
Стандартное экономическое сечение выбирается ближайшее.
4.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Выбор исходных данных.
Спроектировать распределительную сеть предприятия, если от шин ГПП запитаны следующие виды потребителей:
I вариант: высоковольтный электродвигатель I категории по надёжности электроснабжения; сосредоточенная нагрузка (два электродвигателя и две КТП) III категории, три КТП в разных цехах, в одном из которых преобладают потребители I категории, во втором – II и в третьем – III категории по надёжности электроснабжения.
II вариант: высоковольтный электродвигатель III категории по надёжности электроснабжения; сосредоточенная нагрузка (два электродвигателя и две КТП) I категории, три КТП в разных цехах, в одном из которых преобладают потребители I категории, во втором – II и в третьем – III категории по надёжности электроснабжения.
III вариант: высоковольтный электродвигатель II категории по надёжности электроснабжения; сосредоточенная нагрузка (два электродвигателя и две КТП) II категории, три КТП в разных цехах, в одном из которых преобладают потребители I категории, во втором – II и в третьем – III категории по надёжности электроснабжения.
Во всех вариантах цеха расположены относительно друг друга и центра питания (ГПП) так, что технически невозможно их совместное питание.
Выбрать схему распределительной сети.
Обосновать выбор номинального напряжения сети.
Выбрать способы прокладки кабельных линий и указать выбранные марки кабелей.
Произвести выбор сечений линий по следующим условиям: по допустимому нагреву от длительно протекающего рабочего тока.
Выбор сечений произвести для следующих линий:
1) питающей высоковольтный электродвигатель;
2) питающей однотрансформаторную КТП;
3) питающих двухтрансформаторную КТП.
Для выбора сечений необходимо задаться номинальной мощностью электродвигателя (Рн = 600-1000 кВт), расчётными нагрузками КТП на высокой стороне:
– для однотрансформаторной Sp = 200-2500 кВА;
– для двухтрансформаторной Sp = 400-3500 кВА.
Рассчитать токовые нагрузки линий по формулам (26)-(29). Значения поправочных коэффициентов приведены в табл. 7, 9.
Произвести проверку сечений, выбранных по допустимому нагреву, по потере напряжения.
Для проверки сечений по потере напряжения необходимо задаться длиной линий l = (100-1000) м. Потери во вторичной обмотке трансформатора принять равными 2,5 %.
Таблица 7
Поправочные температурные коэффициенты на токи для кабелей, неизолированных и изолированных проводов
Условна температура среды, °С |
Нормированная температура жил, °С |
Поправочные коэффициенты на токи при расчетной температуре среды, °С |
|||||||||||
–5 и ниже |
0 |
+5 |
+10 |
+15 |
+20 |
+25 |
+30 |
+35 |
+40 |
+45 |
+50 |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
80 |
1,14 |
1,11 |
1,08 |
1,04 |
1 |
0,96 |
0,92 |
0,88 |
0,83 |
0,78 |
0,73 |
0,68 |
25 |
80 |
1,24 |
1,2 |
1,17 |
1,13 |
1,09 |
1,04 |
1 |
0,95 |
0,9 |
0,85 |
0,8 |
0,74 |
25 |
70 |
1,29 |
1,24 |
1,2 |
1,15 |
1,11 |
1,05 |
1 |
0,94 |
0,88 |
0,81 |
0,74 |
0,67 |
15 |
65 |
1,18 |
1,14 |
1,1 |
1,05 |
1 |
0,95 |
0,89 |
0,84 |
0,77 |
0,71 |
0,63 |
0,55 |
25 |
65 |
1,32 |
1,27 |
1,22 |
1,17 |
1,12 |
1,06 |
1 |
0,94 |
0,87 |
0,79 |
0,71 |
0,61 |
15 |
60 |
1,2 |
1,15 |
1,12 |
1,06 |
1 |
0,94 |
0,88 |
0,82 |
0,75 |
0,67 |
0,57 |
0,47 |
25 |
60 |
1,36 |
1,31 |
1,25 |
1,2 |
1,13 |
1,07 |
1 |
0,93 |
0,85 |
0,76 |
0,66 |
0,54 |
Продолжение табл. 7
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
55 |
1,22 |
1,17 |
1,12 |
1,07 |
I |
0,93 |
0,86 |
0,79 |
0,71 |
0,61 |
0,5 |
0,36 |
25 |
55 |
1,41 |
1,35 |
1,29 |
1,23 |
1,15 |
1,08 |
1 |
0,91 |
0,82 |
0,71 |
0,58 |
0,41 |
15 |
50 |
1,25 |
1,2 |
1,14 |
1,07 |
1 |
0,93 |
0,84 |
0,76 |
0,66 |
0,54 |
0,37 |
– |
25 |
50 |
1,48 |
1,41 |
1,34 |
1,26 |
1,18 |
1,09 |
1 |
0,89 |
0,78 |
0,63 |
0,45 |
– |
Таблица 8
Поправочные коэффициенты на количество работающих кабелей,
лежащих рядом в земле (Кп)
Расстояние между осями кабелей, мм |
Значение коэффициента снижения продолжительно допустимого тока при количестве кабелей |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
100 |
1,0 |
0,84 |
0,72 |
0,68 |
0,64 |
0,61 |
200 |
1,0 |
0,88 |
0,79 |
0,74 |
0,70 |
0,68 |
300 |
1,0 |
0,90 |
0,82 |
0,77 |
0,74 |
0,72 |
Таблица 9
Допустимая на период ликвидации послеаварийного режима перегрузка для кабелей напряжением до 10 кВ с бумажной
изоляцией (Кдоп)
Коэффициент предварительной нагрузки |
Вид прокладки |
Допустимая перегрузка по отношению к номинальной при длительности максимума, ч |
||
1 |
3 |
6 |
||
0,6 |
В земле |
1,5 |
1,35 |
1,25 |
В воздухе |
1,35 |
1,25 |
1,25 |
|
В трубах (в земле) В земле |
1,30 |
1,20 |
1,15 |
|
0,8 |
В земле |
1,35 |
1,25 |
1,20 |
В воздухе |
1,30 |
1,25 |
1,25 |
|
Длительно допустимые токи для различных марок кабелей приведены в прил. 7 и прил. 8.
Значения удельных сопротивлений проводников приведены в прил. 9.
Выбрать экономические сечения кабельных линий. Экономической плотность тока приведена в прил. 10.
Подготовить отчет о выполнении практической работы в соответствии с указанными требованиями.
Защитить отчет преподавателю в период до 9 контрольной недели. Защита отчета будет учитываться при выставлении очередных оценок текущей успеваемости.
4.5. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет о выполнении работы должен содержать:
наименование и цель работы;
результаты принятых решений и расчетов, выводы;
ответы на контрольные вопросы.
4.6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Начертить и пояснить радиальные схемы для питания высоковольтных электродвигателей I, II, III категории по надежности электроснабжения.
Начертить и пояснить радиальные схемы для питания цеховых КТП I, II, III категории по надежности электроснабжения.
Привести примеры одиночных магистральных схем.
Двойные магистральные схемы.
Факторы, влияющие на выбор схемы распределительной сети предприятия.
Дать понятие температурного поправочного коэффициента.
При каких способах прокладки высоковольтных кабельных линий необходимо учитывать коэффициент прокладки?
С какой целью при выборе сечений линий, питающих двухтрансформаторную КТП, вводится коэффициент допустимой аварийной перегрузки?
От чего зависит Кдоп?
Дать понятие потерь напряжения.
С какой целью сечения высоковольтных линий проверяются по потере напряжения?
Дать понятие экономического сечения.
Способы прокладки кабельных линий высоковольтных распределительных сетей.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Справочник по энергоснабжению и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий/ Под общ. ред. С. И. Гамазина, Б. И. Кудрина, С. А. Цырука. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – 745 с.
Электроснабжение промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования. НТП ЭПП-94. – М., 1994.
Кудрин, Б. И. Системы электроснабжения: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования / Б. И. Кудрин. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 352 с.
Коробов, Г. В. Электроснабжение. Курсовое проектирование / Г. В. Коробов, В. В. Картавцев, Н. А. Черемисинова. – СПб.: Лань, 2011. – 192 с.
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=702
Приложение 7
Длительно допустимый ток для трехжильных кабелей на напряжение 6 кВ с медными и алюминиевыми жилами с пластмассовой изоляцией, прокладываемых в земле и в воздухе
Расстояние между осями кабелей, мм |
Токовые нагрузки, А |
||||
В земле |
В воздухе |
||||
Поливинил- хлорид и полиэтилен |
Сшитый полиэтилен |
Поливинил- хлорид и полиэтилен |
Сшитый полиэтилен |
||
10 |
70/55 |
79/62 |
65/50 |
73/57 |
|
16 |
92/70 |
104/79 |
85/65 |
96/73 |
|
25 |
122/90 |
138/102 |
110/85 |
124/96 |
|
35 |
147/110 |
166/124 |
135/105 |
153/119 |
|
50 |
175/130 |
198/147 |
165/125 |
186/141 |
|
70 |
215/160 |
243/181 |
210/155 |
237/175 |
|
95 |
260/195 |
294/220 |
255/190 |
288/215 |
|
120 |
295/220 |
333/249 |
300/220 |
339/249 |
|
150 |
335/250 |
379/283 |
335/250 |
379/283 |
|
185 |
380/285 |
429/322 |
385/290 |
435/328 |
|
240 |
445/335 |
503/379 |
460/345 |
|
|
Примечания:
1. В числителе данные для кабелей с медными, знаменателе с алюминиевыми жилами.
2. Допустимые токи для кабелей, проложенных в воде, определяются умножением показателей таблицы на коэффициент 1,3.
Вернуться к выполнению задания
Приложение 8
Допустимый длительный ток для одножильных кабелей на напряжение 6 и 10 кВ с медными и алюминиевыми жилам с изоляцией из сшитого полиэтилена, прокладываемых в земле и в воздухе, А
-
Сечение,
мм2
Сечение
экрана,
мм2
Медь
Алюминий
Воздух
Земля
Воздух
Земля
º
ºº
ººº
º
ºº
ººº
º
ºº
ººº
º
ºº
ººº
50
16
245
290
220
230
185
225
170
175
70
300
360
270
280
235
280
210
215
95
370
435
320
335
285
340
250
260
120
425
500
360
380
330
390
280
295
150
25
475
560
410
430
370
440
320
330
185
545
635
460
485
425
505
360
375
240
645
745
530
560
505
595
415
440
300
740
845
600
640
580
680
475
495
400
35
845
940
680
730
675
770
540
570
500
955
1050
750
830
780
865
610
650
630
1115
1160
830
940
910
1045
680
750
800
1270
1340
920
1030
1050
1195
735
820
Примечание. Допустимые токи указаны для разных вариантов прокладки одножильных кабелей, проложенных в виде треугольника и в ряд.
Вернуться к выполнению задания
Приложение 9
Удельные активные и индуктивные сопротивления
высоковольтных трехжильных кабелей
Сечение жилы, мм2 |
Активное сопротивление жил при +20ºС, Ом/км |
Индуктивное сопротивление, Ом/км, при номинальном напряжении кабеля, кВ |
||||
алюминиевых |
медных |
6 |
10 |
20 |
35 |
|
4 |
7,74 |
4,6 |
- |
- |
- |
- |
6 |
5,17 |
3,07 |
- |
- |
- |
- |
10 |
3,1 |
1,84 |
0,11 |
0,122 |
- |
- |
16 |
1,94 |
1,15 |
0,102 |
0,113 |
- |
- |
25 |
1,24 |
0,74 |
0,091 |
0,099 |
0,135 |
- |
35 |
0,89 |
0,52 |
0,087 |
0,095 |
0,129 |
- |
50 |
0,62 |
0,37 |
0,083 |
0,09 |
0,119 |
- |
Продолжение прил. 9
70 |
0,443 |
0,26 |
0,08 |
0,086 |
0,116 |
0,137 |
95 |
0,326 |
0,194 |
0,078 |
0,083 |
0,11 |
0,126 |
120 |
0,258 |
0,153 |
0,076 |
0,081 |
0,107 |
0,12 |
150 |
0,206 |
0,122 |
0,074 |
0,079 |
0,104 |
0,116 |
185 |
0,167 |
0,099 |
0,073 |
0,077 |
0,101 |
0,113 |
240 |
0,129 |
0,077 |
0,0587 |
0,071 |
0,075 |
- |
Вернуться к выполнению задания
Приложение 10
Экономическая плотность тока
Проводники |
Экономическая плотность тока, А/мм2, при числе часов использования максимума нагрузки в год |
||
более 1000 до 3000 |
более 3000 до 5000 |
более 5000 |
|
Неизолированные провода и шины: |
|
|
|
медные |
2,5 |
2,1 |
1,8 |
алюминиевые |
1,3 |
1,1 |
1,0 |
Кабели с бумажной и провода с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с жилами: |
|
|
|
медными |
3,0 |
2,5 |
2,0 |
алюминиевыми |
1,6 |
1,4 |
1,2 |
Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией с жилами: |
|
|
|
медными |
3,5 |
3,1 |
2,7 |
алюминиевыми |
1,9 |
1,7 |
1,6 |
Вернуться к выполнению задания