2 Специальная часть

2.1 Определение расчетных нагрузок

Электроприемники разбиваются на группы: трехфазного длитель­ного режима (ДР), трехфазного повторно-кратковременного (ПКР), одно­фазного повторно-кратковременного (ПКР), ОУ - осветительная уста­новка. Выбираются виды распределительных устройств (РУ):

• ШМА — ма­гистральный шинопровод;

• РП - распределительный пункт;

• ЩО - щит ос­вещения.

Исходя из понятия первой категории надежности электроснаб­жения, составляется схема электроснабжения с учетом распределения на­грузки представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема электроснабжение цеха (смешанная)

Таблица 2.1- Сводная ведомость нагрузок по цеху

Наименование РУ и ЭП	Нагрузка установленная							Нагрузка средняя за смену						Нагрузка максимальная
	Рн, кВт	n	Рн.Σ, кВт	kи	cosφ	tgφ	m	Рсм, кВт	Qсм, квар	Sсм, кВ·А	nэ	kм	kм'	Рм, кВт	Qм, квар	Sм, кВ·А	Iм, А
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
РП1
Токарно-револьверные многоцелевые станки	10	2	20	0,14	0,5	1,73		2,8	4,8	5,6
Кран-балки	4	3	12	0,1	0,5	1,73		1,2	2,07	20,7
Токарные станки с ЧПУ	8	2	16	0,14	0,5	1,73		2,24	3,8	4,41
Сверлильно-фрезерные станки	6,4	4	25,6	0,14	0,5	1,73		3,5	6,2	7,15
Кондиционеры	4,8	1	4,8	0,7	0,8	0,75		3,36	2,5	4,87
Токарные станки с ЧПУ повышенной точности	9,2	4	36,8	0,14	0,5	1,73		5,1	8,9	10,28
Координатно-сверлильные горизонтальные станки	12,5	3	36,6	0,14	0,5	1,73		5,1	8,8	10,18
Всего по РП-1	54,9	19	151,1	0,16	0,5	1,6	3	23	36,6	43,2	17	1,77	1,0	40,8	36,6	54,9	66,5
РП-2
Строгальный станок	15	1	15	0,17	0,65	1,17		2,55	2,9	3,8
Шлифовальный станок	7,5	1	7,5	0,14	0,5	1,73		1,05	1,8	2,9
Наждачный станок	3	1	3	0,14	0,5	1,73		0,42	0,7	0,7
Токарные многоцелевые прутковопатронные модули	18	2	36	0,14	0,5	1,73		5,042	8,7	10
Токарные вертикальные полуавтоматы с ЧПУ	35	3	105	0,14	0,5	1,73		14,7	25,4	29,2
Продолжение таблицы 2.1
Координатно-сверлильные вертикальные станои	11	3	33	0,14	0,5	1,73		4,62	7,9	9,19
Всего по РП2	89,5	11	199,5	0,12	3,2	1,6	3	28,4	47,4	8,7	8	2,31	1,1	3,5	166	47,5	13,4
ОУ и ЩО			13,4	0,85	0,95	0,33		11,4	3,8	12				11,4	3,8	12	117
Всего на ШН								62	88	108,25				55	206	144
Потери														2,8	2,06	3,47
Всего на ВН														70	21,22	151,1

Осветительная нагрузка определяется методом удельной мощности по формуле (2.1):

Р_оу = Р_уд ·S (2.1)

где Р_уд — удельная мощность освещения, Вт / м²;

S - площадь цеха, м.

Р_оу = 10·(48х28)·10^-3=13,4 кВт,

Данные для колонок 5, 6, 7 для отдельных электроприемников бе­рутся из Таблицы 5 (Рекомендуемые значения коэффициентов) или из Таблицы 1.2 (Технические данные электроприемников) Приложения.

Колонка 4: находится путем умножения номинальной мощности ЭП на их количество, т.е. Р_н.Σ =Р_нn, кроме РП2 с 1-фазными ЭП и ЩО.

Так как на РП1, РП2, ЩО электроприемники одного наименования, итоговых расчетов не требуется.

Расчеты для ШМА1 и ШМА2 выполняются следующим образом.

Определяется показатель силовой сборки формула (2.2):

т = , (2.2)

где Р_н.нб, Р_н.нм — номинальные приведенные к длительному режиму активные мощности электроприемников наибольшего и наименьшего в группе, кВт.

Результат заносится в колонку 8 таблицы 2.1.

т = - для первой силовой сборки, т.е. >3.

т = - для второй силовой сборки, т.е. >3.

Мощности активная Р_см, реактивная Q_см и полная S_см определяются по формулам (2.3 -2.5):

Р_см = k_иР_н, (2.3)

Где К_и- коэффициент использования электроприемников

Р_н- номинальная активная групповая мощность

Q_см = Р_смtgφ (2.4)

Где Р_см- средняя активная мощность за наиболее нагруженную смену

tg q- коэффициент реактивной мощности

S_см = , (2.5)

где Q_см - средняя реактивная мощность за наиболее нагруженную смену

Результаты заносятся в таблицу 2.1 в колонки 9, 10, 11 соответственно.

РП-1

- Для токарно-револьверные многоцелевые станки:

Р_см =0,14·20 = 2,8кВт;

Q_см = 1,732,8=4,8квар;

-Кран-балки

Р_см =120,60,1=0,93 кВт;

Q_см = 1,73·0,93=1,6 квар;

-Токарные станки с ЧПУ

Р_см =160,14=2,24 кВт;

Q_см = 1,73·2,24=3,8 квар;

-Сверлильно-фрезерные станки

Р_см =25,60,14=3,584 кВт;

Q_см = 1,73·3,58=6,2 квар;

-Кондиционеры

Р_см =4,80,7=3,36 кВт;

Q_см = 0,75·3,36=2,5 квар;

-Токарные станки с ЧПУ повышенной точности

Р_см =36,80,145,152 кВт;

Q_см = 1,73·5,15=8,9 квар;

-Координатно-сверлильные горизонтальные станки:

Р_см =36,60,145,124 кВт;

Q_см = 1,73·5,128,8/квар;

Путем сложения вычисленных мощностей находим среднюю нагрузку за смену для РП-1.

Р_см.Σ = 2,8+0,93+2,24+3,53,365,15,1=23,03 кВт;

Q_см.Σ = 4,8+1,6+3,8+6,22,58,98,8= 36,6квар;

S_см.Σ =43,2 кВ·А.

РП-2

-Строгальный станок

Р_см =150,172,55;

Q_см = 1,17·2,55=2,9квар;

-Шлифовальный станок

Р_см =7,50,141,05;

Q_см = 1,73·1,051,8квар;

-Наждачный станок

Р_см =30,140,42;

Q_см = 1,7·0,42=0,7квар;

-Токарные многоцелевые прутковопатронные модули

Р_см =360,145,04;

Q_см = 1,73·5,04=8,7квар;

-Токарные вертикальные полуавтоматы с ЧПУ

Р_см =1050,1414,7;

Q_см = 1,73·14,7=25,4квар;

-Координатно-сверлильные вертикальные станки

Р_см =330,144,62;

Q_см = 1,73·4,62=7,9квар;

Путем сложения вычисленных мощностей находим среднюю нагрузку за смену для РП-2:

Р_см.Σ = 2,55+1,05+0,42+5,0414,74,62=28,4 кВт;

Q_см.Σ = 2,9+1,8+0,7+8,725,47,9=47,4 квар;

S_см.Σ = 55,2 кВ·А.

Определяются средний коэффициент использования группы электроприемников, k_и.ср, косинус сдвига ????cosφ, коэффициент реактивной мощности, tgφ для РП-1 и РП-2, результаты заносятся в колонки 5, 6, 7 в таблицы 2.1 и рассчитываются по формулам (2.6-2.8):

k_и.ср = , (2.6)

cosφ = , (2.7)

tgφ = , (2.8)

Для РП-1 и РП-2:

k_и.ср = ,

cosφ = ,

tgφ =

Расчет эффективного (приведенного) числа электроприемников n_э (результат заносится в колонку 12 таблицы 2.1.

Для РП-1: по результатам расчетов имеем n=19; k_и.ср =0,16; m 3.

19 ≥ 5; 0,16< 0,2; 12,5 ≥ 3.

По таблице 6 [Шеховцов В.П. Страница 25] определяем п_э = п = 8

≥5

≥0,2

≥3

Постоянная

пэ = п

k_м=1,77

Для РП-2: по результатам расчетов имеем n35=; k_и.ср =0,12; m =3.

11≥ 5; 0,12 ≥ 0,2; 35≥ 3.

По таблице 6 [Шеховцов В.П. Страница 25] определяем п_э = п = 8

≥5

≥0,2

≥3

Постоянная

пэ = п

k_м=2,31

Определяется k_м = F(k_и.ср, п_э), результат заносится в колонку 13.

Для РП-1: по результатам расчетов имеем n_э =8; k_и.ср =0,63.

По таблице 7 [Шеховцов В.П. Страница 26] находим k_м =1,3.

Для РП-2: по результатам расчетов имеем n_э =8; k_и.ср =0,62.

По таблице 7 [Шеховцов В.П. Страница 26] находим k_м =1,3.

Определяются мощности активная Р_м , реактивная Q_м, полная S_м по формулам (2.9-2.10):

Результаты заносятся в колонки 15, 16, 17 таблицы 2.1.

Для РП-1:

Р_м=k_мР_см.Σ (2.9)

где k_м - коэффициент максимума реактивной нагрузки;

Р_см.Σ- средняя активная мощность.

Q_м= Q_см (2.10)

где k_м- коэффициент максимума реактивной нагрузки;

Q_см- средняя реактивная мощность.

S_м = (2.11)

где P_м- максимальная активная мощность;

Q_м- максимальная реактивная мощность.

Р_м =1,77∙23=40,8 кВт;

Q_м = 1∙36,6=36,6 квар;

S_м =54,9 кВ∙А;

Для РП-2:

Р_м =0,12∙28,4=3,5 кВт;

Q_м = 3,5∙47,4= 166 квар;

S_м =47,5 кВ∙А;

Определяется ток на РУ по формуле (2.12):

I_м(РП1)= ; (2.12)

где S_м- полная максимальная мощность

U_л- напряжение между двумя линейными проводами

Результат заносится в колонку 18 таблицы 2.1.

Для РП

I_м(РП1)= ;

Для РП₂

I_м(РП2)= ;

Для ЩО

I_м(ЩО)= ;

Определяются потери в трансформаторе, результаты заносятся в колонки 15, 16, 17 таблицы 2.1 Потери активной мощности ΔР_т приблизительно можно считать равным двум процентам от максимальной полной мощности на шинах низкого напряжения рассчитывается по формуле (2.13):

ΔР_т = 0,02S_м(нн) (2.13)

где S_м- полная максимальная мощность низкого напряжения.

ΔР_т = 0,02 • 144 = 2,9 кВт;

Потери реактивной мощности ΔQ_т можно принять равным десяти процентам от максимальной полной мощности на шинах низкого напряжения рассчитывается по формуле (2.14):

ΔQ_т =0,1·S_м(нн) (2.14)

где S_м- полная максимальная мощность низкого напряжения.

ΔQ_т = 0,1•144= 14,4 квар;

Полные потери в трансформаторе рассчитывается по формуле (2.15):

ΔS_т = (2.15)

где ∆Р_т- приблизительные активные потери в трансформаторе;

∆Q_т- приблизительные реактивные потери в трансформаторе.

ΔS_т = = 14,7 кВ·А.

С учетом потерь в трансформаторе определяются максимальные нагрузки на шинах высокого напряжения ШВН и записываются в строку «Всего на ВН». В данном случае полная максимальная мощность на стороне высокого напряжения составит: S_m(ВН) =151,5 кВ·А.

Определяется расчетная мощность трансформатора с учетом потерь, но без компенсации реактивной мощности по формуле (2.16):

S_т > S_р = 0,7·S_m(ВН) (2.16)

где S_р- расчётная полная мощность с учётом потерь в трансформаторах;

S_m(ВН) - полная мощность высокого напряжения.

S_т = 0,7·151,5= 106,5 кВ·А.

По таблице 9 [Шеховцов В.П. Страница 25] выбирается масляный трансформатор типа ТМ мощностью 160 кВ·А. Согласно второй категории надежности на цеховой ТП необходимо установить два трансформатора. Выбранная мощность цехового трансформатора проверяется на перегрузочную способность в аварийном режиме: 1,4·S_т ≥ S_m(ВН); 1,4·160 ≥ 224кВ·А, т.к. условие выполняется, следовательно, мощность выбрана правильно. К установке принимается комплектная трансформаторная подстанция КТП х 160-10/0,4 .

R_т = 16,6 мОм; ΔР_хх = 0,73 кВт;

Х_т= 41,7 мОм; ΔР_кз = 2,65 кВт;

Z_т= 45 мОм; u_кз =4,5 %;

Z_т⁽¹⁾ = 487 мОм; i_кз =2,4 %.

Определяем коэффициент загрузки трансформатора рассчитывается по формуле (2.17):

(2.17)

где S_нн- полная мощность на шинах низкого напряжения;

S_т- полная мощность одного трансформатора;

S_{н Т}- номинальная мощность трансформатора;

n- число включенных трансформаторов в одинаковой мощности.

Средневзвешенный коэффициент мощности по цеху рассчитывается по формуле (2.18):

сosφ_ср = (2.18)

где Р_см∑- активная средняя мощность

S_см∑- полная средяя мощность

сosφ_ср =

Компенсацию реактивной мощности по опыту эксплуатации производят до получения значения сosφ_к = 0,92…0,95, в нашем примере сosφ_ср =0,5, потому необходимо скомпенсировать реактивную мощность.

2.2. Расчет и выбор компенсирующего устройства

Для выбора компенсирующего устройства (КУ) необходимо знать:

- расчетную реактивную мощность КУ;

- тип компенсирующего устройства;

- напряжение КУ.

Расчетную реактивную мощность КУ можно определить по формуле (2.19):

Q_к.р = αР_м(tgφ – tgφ_к), (2.19)

где α - коэффициент, учитывающий повышение cosφ естественным спо­собом, принимается α = 0,9;

tgφ; tgφ_к - коэффициенты реактивной мощ­ности до и после компенсации.

Компенсацию реактивной мощности по опыту эксплуатации произ­водят до получения значения соsφ_к = 0,92 ... 0,95.

Задавшись cosφ_к из этого промежутка, определяют tgφ_к.

Значения Р_м, tgφ выбираются по результату расчета нагрузок из «Сводной ведомости нагрузок» таблицы 2.1.

Задавшись типом КУ, зная Q_к.р и напряжение, выбирают стандарт­ную компенсирующую установку, близкую по мощности.

Применяются комплектные конденсаторные установки (ККУ) или конденсаторы, предназначенные для этой цели по формуле (2.20):

tgφ_ф = tgφ – Q_к.ст/αР_м (2.20)

где Q_к.ст — стандартное значение мощности выбранного компенсирую­щего устройства КУ, квар.

По tgφ определяют cosφ.

По tgφ_ф определяется фактический коэффициент мощности cosφ_ф по формуле (2.21) :

сosφ_ф = cosφ(arccosφ) (2.21)

Структура условного обозначения компенсирующих устройств представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Структурная схема условного обозначения компенсирующего устройства

Результаты расчетов первого раздела, заносим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты расчетов первого раздела

Параметр	сosφ	tgφ	Рм, кВт	Qм, квар	Sм, кВА
Всего на НН без КУ	0,85	0,63	393,6	210,1	473,1

Расчет сosφ по формуле (2.22)

сosφ= (2.22)

где Р_см∑- активная средняя мощность;

S_см∑- реактивная средняя мощность.

сosφ=

tgφ= (2.23)

Требуется:

—рассчитать и выбрать компенсирующее устройство КУ;

—выбрать трансформатор с учетом КУ;

Определяется расчетная мощность КУ по формуле (19):

Q_к.р = 0,9·55,8 (0,8 - 0,33) =23,6 квар.

Принимается cosφ_к = 0,95, тогда tgφ_к = 0,33.

По таблицам 13, 14 [Шеховцов В.П. Страница 31] выбираются две конденсаторные установки 1 х УК2-0,38-25

Определяются фактические значения tgφ и cosφ после компенсации реактивной мощности по формуле (2.24):

tgφ_ф= (2.24)

где tgφ- выбираются по результату расчета нагрузок из «Сводной ведомости нагрузок» таблицы 2.1.

Q_{к ст-}- стандартное значение мощности выбранного компенсирую­щего устройства;

α - , учитывающий повышение cosφ естественным способом;

Р_м- активная максимальная мощность.

tgφ_ф=

Это 19^о20^' и оно соответствует cosφ_ф = cos19^о20^' =4.

Результаты расчетов заносятся в таблицу 2.3. Определяется расчетная мощность трансформатора с учетом потерь по формулам (2.25-2.28)

Q_м = Q_м - Q_м.ку (2.25)

где Р_м- максимальная активная нагрузка

Q_м.ку- максимальна реактивная нагрузка компенсирующего устройства

Q_м =210,1 – 100 = 110,1 квар;

S_м= ;

S_p = 0,7·429,2 = 300,5 кВ·А;

ΔР_т = 0,02·408,7 = 8,2 кВт;

ΔQ_т = 0,1·408,7 = 40,9 квар;

ΔS_т =

Р_м.ку= Р_м + ΔР_т.ку кВт, (2.26)

где Р_м- максимальная активная нагрузка

ΔР_т.куприблизительные активные потери компенсирующего устройства

Р_м.ку= 393,6 +8,2=401,8 кВт;

Q_м.ку= Q_м.ку+ ΔQ_т.ку (2.27)

где Q_м.ку- максимальна реактивная нагрузка компенсирующего устройства

ΔQ_т.ку- приблизительные реактивные потери компенсирующего устройства

Q_м.ку=110,1+40,9=151 квар.

S_м.ку= (2.28)

Где Р_мку- максимальная активная нагрузка компенсирующего устройства

Q_м.ку- максимальна реактивная нагрузка компенсирующего устройства

S_м.ку=

Выбирается силовой трансформатор : типа ТМ 160-10/0,4 кВ, мощностью 400 кВ·А с техническими параметрами:

R_т = 5,5 мОм; ΔР_хх = 0,95 кВт;

Х_т= 17,1 мОм; ΔР_кз = 5,5 кВт;

Z_т= 18 мОм; u_кз =4,5%;

Z_т⁽¹⁾ = 195 мОм; i_кз =2,1%.

Определяется коэффициент загрузки трансформатора по формуле (2.29):

k_з = (2.29)

где s_нн- полная мощность на шинах низкого напряжения ;

s_т- полная мощность трансформатора

k_з =

Таблица 2.3 - Сводная ведомость нагрузок цеха

Параметр	cosφ	tgφ	Рм, кВт	Qм, квар	Sм, кВА
Всего на НН без КУ	0,85	0,63	393,6	210,1	473,1
КУ				2х50
Всего на НН с КУ	0,94	0,35	393,6	110,1	408,7
Потери			8,2	40,9	41,7
Всего ВН с КУ			401,8	151	429,2

При питании потребителей от сети 380 В значение Q_к устанавливают равным стандартной мощности ба­тарей конденсаторов, ближайшей к расчетной реак­тивной нагрузке потребителя. В цехах промышленных предприятий батареи ста­тических конденсаторов рекомендуется размещать у групповых распределительных пунктов, на подстан­ции, магистральных и распределительных шинопроводах. Если распределительная сеть выполнена только ка­бельными линиями, конденсаторную установку (КУ) любой мощности рекомендуется присоединять непо­средственно к шинам цеховой подстанции. При пита­нии от одного трансформатора двух и более магист­ральных шинопроводов к каждому из них присоединя­ется только по одной батарее конденсаторов. Общая расчетная мощность батарей распределяется между шинопроводами пропорционально их суммарной реак­тивной нагрузке.

Если нагрузка распределена равномерно по шинопроводу, то точка присоединения конденсаторов L_ш, опре­деляется по формуле (2.30):

L_ш = L₀+(1- Q_к/(2Q))·L, (2.30)

где L₀ - длина магистральной части шинопровода, м (рисунок 1);

L — длина рас­пределительной части шинопровода, м (рисунок 1);

Q_к — мощность конденсаторов, квар;

Q — суммарная реак­тивная мощность шинопровода, квар.

Чтобы обеспечить при отключении разряд статических конденсаторов, к батарее должно быть постоянно подключено разрядное сопротивление, например трансформатор напряжения (для батарей высокого напряжения) или лампы накаливания (для батарей низкого напряжения).

Рисунок 2.1 - Схема нагрузки шинопровода

Разрядное сопротивление, Ом, определяют по фор­муле (2.30):

(2.30)

где U_ф — фазное напряжение сети, кВ.

В сети напряжением 380 В в качестве разрядных сопротивлений рекомендуется применять три группы по две последовательно соединенные лампы на 220 В, подключенные треугольником параллельно батарее конденсаторов.