Расчет и выбор электрооборудования низковольтных распределительных сетей промышленных предприятий

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина



В. Э. Фризен, С. Л. Назаров




РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ



Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
13.03.02— Электроэн е ргети ка и электротехн и ка


2-е издание, исправленное



Екатеринбург
Издательство Уральского университета 2021

УДК 621.316.176 <075.8}
ББК 31.279.2-О22я73
     Ф88
Рецензенты:
     В. С. Копырин, преф. кафедры «Энергетика» НЧОУ ВО «Технический университет У ГМ К», канд. техн, наук;
     А. А. Чума нов, региональный координатор по работе с вузами (ООО «ТД Электротехмонтаж»)

     Научный редактор — проф., д-р техн. наук Ф. Н. Сарапуле

     В оформлении обложки использованы фотографии с сайтов http://www. montazaskiban.com/storitve/; https://eneiEy £ioup.zp. ua/260—0/t ransformator-silo voy-1 re h faz nyy- suhoy- ts-40010069- u 1 - ud-11 /fu action. mysqli- connect/.

     Фризен. Василий Эдуардович.
Ф88      Расчет и выбор эле ктрообору дован и я и из ковольтн ых распре де л итель-
     ных сетей промышленных предприятий : учебное пособие / В. Э. Фризен, С. Л. Назаров ; М-во науки и высш, образовании РФ. — 2-е изд., испр. — Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2021. — 19+с.

         ISBN 978-5-7996-3302-8

         В учебном пособии приведена последовательность и состав расчетных и проектных работ, осуществляемых при выборе электрооборудования распределительной сети низкого напряжения промышленного предприятия. Даны рекомендации по выбору проводников внутренней электропроводки к узлам нагрузки, приведены примеры расчетов, осуществляемых при выборе проводников, трансформаторов, аппаратов защиты, электродов системы заземления электроустановки. В приложениях приведены варианты заданий к практическим работам по дисциплине «Электрооборудование промышленных предприятий», справочная информация.
         Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций, учреждений».
         Первое издание вышло в 2018 г.

         Библиогр.: 21 назв. Табл 19. Рис. 38.

                                                      УД К 621.316.176 (075.8)
                                                      ББК 31.279.2-022я73



ISBN 978-5-7996-3302-8

                                             © Уральский федеральный университет, 2018
                    © Уральски й федеральный университет, 2021,

                                           с изменениями

Оглавление



  Предисловие....................................         5

  1. Составление технического задания на проектирование...6

  2. Расчет электрических нагрузок...................... 15

  3. Выбор проводников по нагреву....................... 24

  4. Проверка проводников по допустимой потере напряжения.30

  5. Расчет троллейных линий.........................    37

  6. Расчет механических нагрузок на проводники воздушной линии электропередач...............................    45

  7. Расчет токов к. з...............................    52
    7.1. Расчет токов к. з. в относительных единицах......53
    7.2. Расчет токов к. з. в именованных единицах........57
    7.3. Однофазные замыкания на вторичных шинах трехфазных трансформаторов...........................61

  8. Расчет термического действия токов к. з. на проводники......................................    93

  9. Выбор аппаратов защиты от сверхтоков...............100

  10. Расчет системы заземления цеха....................108

  11. Расчет компенсирующего устройства.................116
     11.1. Расчет требуемой мощности компенсирующего устройства.....................................    116
     П.2. Расчет гармоник токов по измеренному значению гармонических составляющих напряжения на зажимах обмотки НН трансформатора............119


— 3 —

     11.3. Анализ режима работы конденсаторной установки.122
     11.4. Расчет силового резонансного фильтра......127
     11.5. Расчет компенсирующего устройства, выполненного по схеме «расстроенный фильтр*................  138
     11.6. Выбор схемы компенсирующего устройства........144

   Библиографический список........................  149

   Приложение 1..................................    152
   Приложение 2..................................    157
   Приложение 3..................................    158
   Приложение 4..................................    161
   Приложение 5..................................    163
   Приложение 6..................................    168
   Приложение 7..................................    170
   Приложение 8..................................    177
   Приложение 9..................................    179
   Приложение 10.................................    182
   Приложение 11.................................    189
   Приложение 12.................................    191

— 4 —

Предисловие




   В учебном пособии объединены указания к расчетам, выполняемым при выборе электрооборудования и проектировании систем электроснабжения потребителей напряжением до 1000 В. При проектировании элементов системы электроснабжения производятся различные по объему расчетные работы для определения сечения токоведущих жил проводников, мощности питающих трансформаторов и устройств компенсации реактивной мощности.
   Учебное пособие построено в форме пошагового выполнения расчетных работ, осуществляемых обычно при проектировании системы электроснабжения производстве иного участка или цеха промышленного предприятия. В примерах показана последовательность расчетов, выполненных при проектировании электроснабжения и выборе электрооборудования условного цеха механической обработки.
   В пособии приведена справочная информация, которая требуется при выполнении расчетов, выдержки из ГОСТов, правил и других нормативных документов, используемых на различных этапах проектирования.

— 5 —

1. Составление технического задания на проектирование




   При выборе электрооборудования и проектировании системы электроснабжения необходимо руководствоваться начальным набором сведений об объекте, для которого выполняются работы. Для того чтобы в самом начале выполняемых работ сложилось понимание того, что предстоит сделать, составляется задание на проектирование. Задание на проектирование системы электроснабжения участка или цеха промышленного предприятия обычно содержит: состав электроприемников и их пространственное расположение в цехе; сведения о месте ввода электропитания в цех или на участок; общие требования к конструкции и взаимному расположению электропроводок, щитов и сборок; указываются требуемые габариты проходов в электроустановке, соответствующие требованиям существующих норм безопасной эксплуатации, строительным нормам, правилам устройства электроустановок.
   Разделы технического задания могут быть сгруппированы следующим образом:
   1.    Цель работы. В этом разделе производится разъяснение того, для чего производится работа, электроснабжение какого объекта будет осуществляться, где он расположен. В рамках поставленной цели формируются основные задачи проекта.
   2.    Исходные данные для проектирования. В этом разделе перечисляются все условия, определяющие тип применяемых линий и электропроводок, приводится список электроприемников с соответствующими характеристиками (категория надежности электроснабжения, количество, установленная мощность, коэффициент использования и коэффициент реактивной мощности и др.). Обычно в этом разделе технического задания также содержится строительный план помещения с указанием расположения конкретных электроприемников, полученный на предшествующих проекту этапах проектирования здания

— 6 —

1. Сссганлежетеяннеского задания на проектимваже

или сооружения. Если место расположения определяется входе проектирования системы электроснабжения (проектирование осуществляется одновременно с выполнением строительной части проекта), то указываются условия размещения приемников. Также на предварительном этапе проекта могут быть определены типы применяемых электропроводок. В этом случае требования к электропроводкам также излагаются в данном разделе технического задания.
   3.    Технические требования к проектируемым элементам системы электроснабжения. В этом разделе специально оговариваются требования к параметрам качества электроэнергии, которые должны быть обеспечены проектируемой системой электроснабжения. Приводятся параметры системы обеспечения безопасной эксплуатации электроустановок, требования к обеспечению очередности срабатывания защит и пр.
   В тексте технического задания обычно указываются ссылки на нормативные документы, в соответствии с которыми предъявляются те или иные требования к оговоренным в тексте параметрам и к правилам оформления результатов проектирования. Последние обычно приводятся в конце основного текста.
   Рассмотрим пример технического задания на проектирование системы электроснабжения цеха механической обработки*.


Пример 1. Техническое задание на проектирование

   Цель работы: разработка элементов систем внешнего и внутреннего электроснабжения цеха механической обработки. При этом должны быть решен ы следующие задачи:
   1. Определить категорию надежности электроснабжения электроприемников.
   2. Выбрать место расположения распределительных устройств.
   3. Определить нагрузку и выбрать в соответствии с расчетом силовой трансформатор ЦТП.


    * В пр ил. 1 приведены таблицы с вариантами заданий, воспользовавшись которыми можно составить собственное задание на проектирование системы электроснабжения аналогичного цеха механической обработки, нос другим составом и характером нагрузок.

— 7 —

Расчет и Еыбар эпектримэудобатя ндюволытых раслэедимтЕльнш сетей прсшшге-иto; пкдпииттй

   4. Определить нагрузку, выбрать и провести проверку проводников питающей высоковольтной воздушной линии.
   5. Определить нагрузку, выбрать и провести проверку проводников внутренней системы электроснабжения цеха, включая троллейные линии.
   6. Выбрать аппараты защиты от сверхтоков, установленные на ЦТП и в РП. Определить параметры срабатывания расцепителей. Построить времятоковые характеристики аппаратов.
   7. Провестирасчетиопределитьконструкцию контурногозаземлителя.
   8. Провести расчет фильтрокомпенсирующего устройства. Выбрать конденсаторы, определить индуктивность реакторов.



Исходные данные для проектирования


   Внешнее электроснабжение цеха осуществляется с помощью воздушной ли ни и напряжением 10 кВ, длина которой и условия прокладки приведены ниже:

   Длина линии                        5 км
   Длина пролета                      150м
   Район по гололеду                  II
   Район по ветру                     IV
   Тип местности                      В
   Высота центра тяжести провода      15 м

   Состав оборудования цеха приведен в табл. 1.



Характеристика цеха механической обработки

    Потребители электроэнергии условно подразделяются на основные (обеспечивающие технологический процесс) и вспомогательные (освещение, вентиляция, нетехнологичес кий транс порт и т. п.). Основные потребители относятся к потребителям второй категории надежности электроснабжения, часть вспомогательных потребителей (аварийное освещение) — к первой.
    Количество единиц основного технологического оборудования цеха кратно двум, что предопределяет наличие в цехе двух работающих

— 8 —

1. Сссганлежетеяннеского задания на проектимваже

параллельно технологических линий, расположенных вдоль по двум сторонам цеха. Такое разделение обеспечивает технологическое резервирование основного оборудования. В этом случае в соответствии с Нормами технологического проектирования [1, п. 3.7] взаимно резервирующие электроприемники следует отнести к I категории надежности эле ктроснабжен и я.
Таблица 1

Состав и характеристики потребителей цеха

                                              Коли-    Номиналь-   Коэффи-    Коэффици-  
          На-                                 чество ная (установ- циент ис- ент реактив-
         значе-          Наименование ЭП       ЭП,   ленная) мощ-  пользова-  ной МОЩНО- 
          ние                                  шт.   ность одного  ния         СТИ tfi/  
                                                        ЭП, кВт                          
Технологическая нагрузка Сверлильный станок     4          6         0,14        1,33    
                         Фрезерный станок       6         11         0,14        1,33    
                         Токарный станок        10        11         0,14        1,33    
                         Пресс                  2         18         0,30        1,17    
                         Станок-автомат         4         24         0,14        1,33    
                         Конвейер               2         10         0,60        1,00    
                         Камерная печь сопро-   2         35         0,55        0,33    
                         тивления                                                        
                         Индукционная зака-     12        32         0,60        0,75    
                         лочная установка                                                
                         Точечная сварка        2         17         0,35        1,51    
                         Дуговая сварка         2         11         0,30        2,67    
     Вспомогатель-       Кран-балка           1           37         0,06        1,98    
      ная нагрузка       Вытяжные               15         1         0,65        0,75    
                         Приточные              2         25         0,65        0,75    
                         Тепловая завеса        2         28         0,65        0,75    
                         Освещение рабочее      2         22           1         0,75    
                         Освещение аварийное    2          4           1         0,75    

   В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) [2, п. 1.2.20] электроприемники первой категории надежности электроснабжения должны получать питание от двух независимых взаимно резервирующих источников электропитания. Таким образом, электроснабжение потребителей цеха должно осуществляться от двух взаимно резервирующих линий электроснабжения; в цеховой трансформаторной подстанции (ЦТП) необходимо у стан овить 2 трансформатора,

— 9 —

Расчет и Еыбар эпектримэудобатя ндюволытых раслэедимтЕльнш сетей прсшшге-иto; пкдпииттй

подающих питание на 2 секции шин подстанции, соединяемых секционным выключателем. Система электроснабжения должна также обеспечивать автоматический ввод резерва (АВР) при аварии как на одной из питающих линий, так и на внутренних элементах системы электроснабжения — одном из трансформаторов или одной из шин ЦТП.
   Между технологическими линиями имеется центральный проход для транспортировки крупных грузов с помощью кран-бал к и или тележек. Основной транспорт деталей и заготовок вдоль технологической линии осуществляется с помощью конвейеров, расположенных вдоль каждой из стен цеха.
   Приточная вентиляция осуществляется с помощью вентиляторов, установленных в венткамерах. Вытяжная вентиляция осуществляется с помощью крышных вентиляторов, получающих питание от отдельного узла нагрузки — щита вентиляции, установленного на крыше здания. Тепловые завесы установлены у каждой из дверей сквозного прохода цеха.
   Питание линий, как рабочего, так и аварийного освещения, осуществляется от соответствующих щитов. Расположение щитов в цехе должно определяться условием минимальной длины линий освещения, идущих от щитов, а также удобством обслуживания. Рациональным решением будет размещение щитов освещения на стенах цеха вблизи технологических площадок или в свободных проходах вдоль стен.
   Состав нагрузок, характер их расположения и требования к надежности электроснабжения во многом предопределяют тип внутрицеховой электропроводки. Для питания технологической нагрузки целесообразно использовать магистральные шинопроводы, проложенные вдоль стен цеха. Это объясняется, во-первых, возможностью гибко перестраивать систему электроснабжения при изменении состава электроприемников, во-вторых, низкой стоимостью монтажа и, в-третьих, тем, что выход из строя одного элемента технологической цепи останавливает ее полностью, т. е. надежность системы электроснабжения соответствует в данном случае надежности потребителей. Остальные потребители (освещение, вентиляция ит. п.) должны получать питание по отдельным линиям. Это могут быть кабели, проложенные на лотках вдоль шинопроводов (к щитам освещения, венткамерам, тепловой завесе) или в трубах (к щиту вентиляции). Все эти потребители могут получать питание от отдельной сборки. В этом случае можно сэкономить на ячейках комплектного распределительного устройства цехо

— 10 —

1. Сссганлежетеяннеского задания на проектимваже

вой трансформаторной подстанции (КРУ ЦТП). Указанная сборка может быть размещена в помещении ЦТП и представляет собой щит с двухсторонним обслуживанием, на котором закреплены аппараты защиты отходящих к потребителям линий.
   Размеры цеха и цеховой трансформаторной подстанции определяются индивидуально исходя из состава электрообрудования цеха. Общие требования по размещению оборудования следующие: одна единица оборудования, кроме станков автоматов и печей сопротивления, занимает рабочую площадку размером 3x3 м. Стан ок-авто мат и печь сопротивления занимают 2 таких площадки (соответственно 3x6 м), которые могут располагаться как вдоль, так и поперек технологической линии. Технологическое оборудование располагается вдоль технологической линии в 2 ряда с каждой стороны цеха. Вдоль стен размещаются конвейеры, ширина которых составляет 1 м. Проходы с каждой из сторон конвейера должны составлять не менее 1 м. С каждого из торцов линий должны быть оставлены технологические площадки для складирования заготовок и готовой продукции размером ПхЦ м. Ширина центрального прохода — 4 м; размеры ворот — 4x4 м; высота расположения троллей кран-балки — 6 м; расстояние от пола до шинопровода — 2,5 м; высота цеха — 8 м. План участка цеха приведен на рис. I. На плане буквами обозначены: СвС — сверлильный станок; ТС — токарны й станок; ФС — фрезерный станок; СтС — строгальный станок; СА — ста но к-автомат; П — пресс; ИЗУ — индукционная закалоч ная установка; ДСв — дуговая сварка; ТСв — точечная сварка; ЭПС — электрическая печь сопротивления; КБ — кран-балка; В К — венткамера с приточным вентилятором; ТЗ — вентилятор тепловой завесы; ШВ — щит питания вытяжных вентиляторов; ЩО — щит освещения.
   Размеры ЦТП определяются следующими соображениями. В ЦТП установлено 2 трансформатора одинаковой мощности, один из которых находится в работе, а другой — в резерве. Размеры трансформаторов определяются их расчетной мощностью, но для расчетов рабочей площади ЦТП могут быть приняты равными 4x4 м. В соответствии с Правилами устройства электроустановок [2, пп. 4.2.121, 4.2.122] установим расстояние между трансформаторами — 2 м, между стеной и трансформатором — не менее 1,5 м. Ячейки ЦТП располагаются в 2 ряда за каждым из трансформаторов и соединяются шинным мостом.

— 11 —

Расчет и Еыбар эпектримэудобатя ндюволытых раслэедимтЕльнш сетей прсшшге-иto; пкдпииттй

Рис. 1. Пример плана расположения оборудования в цехе

   Ширина ячейки — 1 м. Количество ячеек ЦТП определяется следующим образом: 2 ячейки — ввод, по одной ячейке на каждый из магистральных шинопроводов, одна ячейка на питание сборки (распределительного пункта или РП); одна ячейка для подключения компенсирующего устройства, одна ячейка на секционный выключатель и одна — резерв. Общее количество ячеек составит таким образом 8 шт по 4 на каждую сторону'. Расстояние от трансформатора до вводной ячейки — 1,5 м, от ячеек ЦТП до РП — 1,5 м и от РП до стены — 2 м. План ЦТП приведен на рис. 2. На плане буквами обозначены: Тр-р — силовой трансформатор; БК — батарея конденсаторов; РП — распределительный пункт.
   Расположение ЦТП относительно цеха может выбираться произвольно. Здесь можно рекомендовать 2 наиболее приемлемых варианта. Первый вариант — расположение ЦТП рядом с одной из стен примерно посередине цеха в зоне центра электрических нагрузок. В этом случае можно за пи тать технологическую нагрузку как по двум шинопроводам относительно большого сечения, так и по четырем шинопроводам меньшего сечения. В последнем случае существенно экономится расход цветного металла. Однако шинопровод к противоположной от ЦТП стене необходимо будет проводить под полом цеха, что затрудняет его обслуживание, или потребуется использовать кабельные вставки большого сечения. Второй вариант расположения — с наружной стороны у одного из углов цеха. В этом случае шинопровод к противоположной стене проходит по внутренней стороне фасада здания

— 12 —