2 Расчет электрических нагрузок 0,4 кВ

Промышленные предприятия потребляют около двух третей вырабатываемой в стране энергии. Основными элементами систем электроснабжения промышленных предприятий являются электрические сети, а также различные трансформаторные и преобразовательные подстанции. Выбор этих элементов производится по расчетным электрическим нагрузкам. Занижение расчетных нагрузок приведет к перегревам элементов систем электроснабжения и ускоренному их износу, завышение расчетных нагрузок проводит к излишним капиталовложениям и затратам на системы электроснабжения. Из сказанного ясно, какое важное значение имеют разработка и внедрение в практику проектирования систем электроснабжения научно обоснованных и достаточно точных методов расчета электрических нагрузок.

Расчет начинают с определения номинальной мощности каждого электроприемника независимо от технологического процесса, средней мощности (мощности, затраченной в течении наиболее загруженной смены) и максимальной расчетной мощности участка, цеха, завода.

При отсутствии данных о количестве электроприемников допускается определять нагрузку по методу коэффициента спроса . Метод коэффициента спроса наиболее прост, широко распространен. Он заключается в использовании выражения

Таблица 2.1- Характеристики групп электроприемников

Группы ЭП	Мощность ЭП , кВт			Кс
1	2	3	4	5
Литейный цех
Металлорежущие станки	347	0,45	1,98	0,15
Вентиляторы	815	0,8	0,75	0,75
ПТС	1561	0,5	1,732	0,35
Освещение	187	0,95	0,33	0,96
Насосы	1067	0,85	0,62	0,75
Печи сопротивления	1388	0,95	0,33	0,9
Индукционные печи	6940	0,35	2,67	0,8
Очистные барабаны	200	0,65	1,17	0,5
Механический цех
Металлорежущие станки	2082	0,45	1,98	0,15
Вентиляторы	659	0,8	0,75	0,75
ПТС	94	0,5	1,73	0,35
Дуговая сварка	3х80	0,5	1,73	0,5
Освещение	94	0,95	0,3	0,96
Насосы	659	0,85	0,62	0,75
Печи сопротивления	1301	0,95	0,33	0,9
Прессы	520	0,65	1,169	0,25

Продолжение таблицы 2.1

1	2	3	4		5
Ножницы горячей резки	312	0,7		1,02		0,6
Испытательный цех
Вентиляторы	99	0,8	0,87		0,75
ПТС	52	0,5	1,73		0,35
Освещение	52	0,95	0,33		0,96
Насосы	798	0,85	0,62		0,75
Выпрямители	58	0,8	0,75		0,6
Испытательный стенд	121	0,64	1,2		0,4
Цех термообработки
Металлорежущие станки	168	0,45	1,98		0,15
Вентиляторы	286	0,8	0,75		0,75
ПТС	115	0,5	1,73		0,35
Освещение	94	0,95	0,3		0,96
Насосы	581	0,85	0,62		0,75
Печи сопротивления	2602	0,95	0,33		0,9
Агрегаты непрерывного травления	90	0,8	0,75		0,45
Ремонтно-механический цех
Металлорежущие станки	474	0,45	1,98		0,15
Вентиляторы	104	0,8	0,75		0,75
Освещение	26	0,95	0,33		0,96
Насосы	78	0,85	0,62		0,75
Шлифовальные станки	64	0,6	1,33		0,45
Цех обработки
Металлорежущие станки	520	0,45	1,98		0,15
Вентиляторы	1192	0,8	0,75		0,75
ПТС	15	0,5	1,73		0,35
Дуговая сварка	3х80	0,5	1,73		0,5
Освещение	234	0,95	0,33		0,96
Насосы	1110	0,85	0,62		0,75
Печи сопротивления	1735	0,95	0,33		0,9
Гибочное оборудование	328	0,65	1,17		0,45
Цех металлопокрытий
Металлорежущие станки	278	0,45	1,98		0,15
Вентиляторы	208	0,8	0,75		0,75
ПТС	42	0,5	1,73		0,35
Освещение	62	0,95	0,33		0,96
Насосы	390	0,85	0,62		0,75
Печи сопротивления	1388	0,95	0,33		0,9
Выпрямители	116	0,8	0,75		0,6
Агрегаты гальванического и горячего покрытия	61	0,78	0,8		0,65
Сборочный цех
Металлорежущие станки	416	0,45	1,98		0,15
Вентиляторы	494	0,8	0,75		0,75
ПТС	12	0,5	1,73		0,35

Продолжение таблицы 2.1

1	2	3	4	5
Дуговая сварка	4164	0,5	1,73	0,5
Освещение	109	0,95	0,33	0,96
Насосы	694	0,85	0,62	0,75
Печи сопротивления	520	0,95	0,33	0,9
Прессы	573	0,65	1,319	0,25
Ленточно-шлифовальный станок	97	0,87	0,57	0,45
Деревообрабатывающий цех
Металлорежущие станки	295	1,98	1,98	0,15
Вентиляторы	52	0,75	0,75	0,75
ПТС	104	1,73	1,73	0,35
Освещение	43	0,33	0,33	0,96
Насосы	33	0,62	0,62	0,75
Автоматическая линия деревообработки	36	1,17	1,17	0,5
Компрессорная
Вентиляторы	17	0,8	0,75	0,75
Освещение	3	0,95	0,33	0,96
Компрессор	1	0,8	0,74	0,65
Склад
ПТС	21	0,5	1,73	0,35
Освещение	21	0,95	0,33	0,96
Вентиляторы	2	0,8	0,75	0,75
Административное здание
Вентиляторы	52	0,8	0,75	0,75
Освещение	271	0,95	0,33	0,96
Лифт	36	0,55	1,52	0,15

Расчет начинают с определения номинальной мощности каждого электроприемника независимо от технологического процесса, средней мощности (мощности, затраченной в течении наиболее загруженной смены) и максимальной расчетной мощности участка, цеха, предприятия.

При отсутствии данных о количестве электроприемников допускается определять нагрузку по методу коэффициента спроса . Метод коэффициента спроса наиболее прост, широко распространен. Он заключается в использовании выражения

(2.1)

по известной (задаваемой) величине и табличным значениям

, (2.2)

где - средневзвешенный коэффициент мощности нагрузки цеха, и т.д.

По таблице 2.2 выбираем .

Таблица 2.2 - Расчет нагрузок по цехам 0,4 кВ

Группы ЭП	, кВт		cos φ		, кВт	, кВА	, квар
1	2	3	4	5	6	7	8
Литейный цех
Металлорежущие станки.	347	0,15	0,45	1,98	52,05	103,059	19645,84
Вентиляторы.	815	0,75	0,8	0,75	611,25	458,43
ПТС	1561	0,35	0,5	1,732	546,35	946,28
Освещение.	187	0,96	0,95	0,33	179,52	59,24
Насосы.	1067	0,75	0,85	0,62	800,25	496,155
Печи сопротивления.	1388	0,9	0,95	0,33	1249	412,17
Индукционные печи.	6940	0,8	0,35	2,67	5552	14823,84
Очистные барабаны	200	0,5	0,65	1,17	100	117
Итого:					9090,42	17416,18
Механический цех
Металлорежущие станки.	2082	0,15	0,45	1,98	312,3	618,354	3185,61
Вентиляторы.	659	0,75	0,8	0,75	494,25	370,69
ПТС	94	0,35	0,5	1,73	32,9	56,917
Дуговая сварка	3х80	0,5	0,5	1,73	120	207,6
Освещение.	94	0,96	0,95	0,3	90,24	27,072
Насосы.	659	0,75	0,85	0,62	494,25	306,435
Печи сопротивления.	1301	0,9	0,95	0,33	1170,9	386,397
Прессы	520	0,25	0,65	1,169	130	151,97
Ножницы горячей резки	312	0,6	0,7	1,02	187,2	190,944
Итого:					3032,04	2316,377
Испытательный цех
Вентиляторы	99	0,75	0,8	0,87	74,25	64,6	1000,75
ПТС	52	0,35	0,5	1,73	18,2	34,5
Освещение.	52	0,96	0,95	0,33	49,92	16,47
Насосы.	798	0,75	0,85	0,62	598,5	371,07
Выпрямители	58	0,6	0,8	0,75	34,8	26,1
Испытательный стенд	121	0,4	0,64	1,2	48,4	58,08
Итого:					824,07	567,81
Цех термообработки
Металлорежущие станки	168	0,15	0,45	1,98	25,2	49,896	3474,41
Вентиляторы	286	0,75	0,8	0,75	214,5	160,875
ПТС	115	0,35	0,5	1,73	40,25	69,63
Освещение	94	0,96	0,95	0,3	90,24	27,072
Насосы	581	0,75	0,85	0,62	435,75	270,17

Продолжение таблицы 2.2

1	2	3	4	5	6	7	8
Печи сопротивления	2602	0,9	0,95	0,33	2341,8	772,8
Агрегаты непрерывного травления	90	0,45	0,8	0,75	40,5	30,38
Итого:					3188,24	1380,81
Ремонтно-механический цех
Металлорежущие станки	474	0,15	0,45	1,98	71,1	140,778	383,92
Вентиляторы	104	0,75	0,8	0,75	78	58,5
Освещение	26	0,96	0,95	0,33	24,96	8,24
Насосы	78	0,75	0,85	0,62	58,5	26,27
Шлифовальные станки	64	0,45	0,6	1,33	28,8	37,44
Итого:					261,36	281,22
Цех обработки
Металлорежущие станки	520	0,15	0,45	1,98	78	154,44	4506,5
Вентиляторы	1192	0,75	0,8	0,75	894	670,5
ПТС	15	0,35	0,5	1,73	5,25	9,08
Освещение	234	0,96	0,95	0,33	224,64	74,13
Насосы	1110	0,75	0,85	0,62	832,5	516,15
Печи сопротивления	1735	0,9	0,95	0,33	1561,5	515,3
Гибочное оборудование	328	0,45	0,65	1,17	147,6	172,7
Итого:					3863,49	2319,9
Цех металлопокрытий
Металлорежущие станки	278	0,15	0,45	1,98	41,7	82,566	2132,55
Вентиляторы	208	0,75	0,8	0,75	156	117
ПТС	42	0,35	0,5	1,73	14,7	25,431
Освещение	62	0,96	0,95	0,33	59,52	19,64
Насосы	390	0,75	0,85	0,62	292,5	181,35
Печи сопротивления	1388	0,9	0,95	0,33	1249,2	412,24
Выпрямители	116	0,6	0,8	0,75	69,6	52,2
Агрегаты гальванического и горячего покрытия	61	0,65	0,78	0,8	39,65	31,72
Итого:					1922,87	922,14
Сборочный цех
Металлорежущие станки	416	0,15	0,45	1,98	62,4	123,6	6072,8
Вентиляторы	494	0,75	0,8	0,75	370,5	277,88
ПТС	12	0,35	0,5	1,73	4,2	7,3
Дуговая сварка	4164	0,5	0,5	1,73	2082	3601,86
Освещение	109	0,96	0,95	0,33	104,64	34,53
Насосы	694	0,75	0,85	0,62	520,5	322,71
Печи сопротивления	520	0,9	0,95	0,33	468	154,44
Прессы	573	0,25	0,65	1,319	144	189,94

Продолжение таблицы 2.2

Ленточно-шлифовальный станок	97	0,45	0,87	0,57	43,65	24,88
Итого:					3799,89	4737,051
Деревообрабатывающий цех
Металлорежущие станки	295	0,15	0,45	1,98	44,25	87,62	307,12
Вентиляторы	52	0,75	0,8	0,75	39	29,25
ПТС	104	0,35	0,5	1,73	36,4	62,97
Освещение	43	0,96	0,95	0,33	41,28	13,62
Насосы	33	0,75	0,85	0,62	24,75	15,35
Автоматическая линия деревообработки	36	0,5	0,65	1,17	18	21,06
Итого:					203,68	229,86
Компрессорная
Вентиляторы	17	0,75	0,8	0,75	12,75	9,56	19,642
Освещение	3	0,96	0,95	0,33	2,88	0,95
Компрессор	1	0,65	0,8	0,74	0,65	0,481
Итого:					16,28	10,99
Склад
ПТС	21	0,35	0,5	1,73	7,35	12,72	35,52
Освещение	21	0,96	0,95	0,33	20,16	6,65
Вентиляторы	2	0,75	0,8	0,75	1,5	1,125
Итого:					29,01	20,49
Административное здание
Вентиляторы	52	0,75	0,8	0,75	39	29,25	328,58
Освещение	271	0,96	0,95	0,33	260,16	85,85
Лифт	36	0,15	0,55	1,52	5,4	8,208
Итого:					304,56	123,31

3. Выбор цеховых трансформаторных подстанций

1. Выбор числа и мощности цеховых трансформаторных подстанций

Так как выбор числа и мощности силовых трансформаторов оказывает существенное влияние на рациональное построение схем электроснабжения промышленного предприятия, он должен быть технически и экономически обоснован. Для удобства эксплуатации систем электроснабжения необходимо стремиться к применению не более двух – трех стандартных мощностей трансформаторов, что ведет к сокращению складского резерва и облегчает взаимозаменяемость трансформаторов.

Для цеховых трансформаторов существует экономически выгодная номинальная мощность (), которая принимается в зависимости от удельной плотности расчетной нагрузки:

при;
при;
при.
,	(3.1)

где – расчетная нагрузкаj-ого цеха на стороне 0,4 кВ, кВА;

– площадьj-ого цеха, м².

После определения экономически выгодной мощности трансформаторов для j-ого цеха, определяем необходимое число трансформаторов () в цехе:

,

(3.2)

где – номинальная мощность трансформатора j-ого цеха, кВА;

– коэффициент загрузки трансформатора j-ого цеха;

• при двухтрансформаторной подстанции и преобладании потребителей 1-ой категории ;

• при двухтрансформаторной подстанции потребителями 2-ой и 3-ей категории ;

• при однотрансформаторной подстанции потребитель 3-ей категории .

Далее рассчитываем фактический коэффициент загрузки трансформатора j-ого цеха:

.

(3.3)

Вышеописанной методикой пользуются при больших мощностях цехов, когда >2.

Пример расчета (литейный цех + компрессорная):

Принимаем

Для остальных цехов расчеты производим аналогичным образом. Результаты выбора числа и мощности цеховых трансформаторов сводим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Выбор мощности цеховых трансформаторов

Назначение помещения	Категория электроснабжения	, кВА	кВА	, м2	, кВА/ м2		, кВА	Число трансформаторов
								Расчетное	Принятое
Литейный цех	I	19645,84	19665.48	19620	1,002	0,7	2500	11,24	12	0,66
Компрессорная	I	19,642
Механический цех	II	3185,61	7660,77	14832	0,52	0,85	2500	3,61	4	0,77
Испытательный цех	II	1000,75
Цех термообработки	II	3474,41
Ремонтно-механический цех	II	383,92	13766,99	28908	0,476	0,85	2500	6,48	7	0,79
Цех обработки	II	4506,5
Цех металлопокрытий	II	2132,55
Сборочный цех	II	6072,8
Деревообрабатывающий цех	II	307,12
Склад	III	35,52
Административное здание	III	328,58

Таблица 3.2 – Паспортные данные выбранных цеховых трансформаторов

Тип трансформатора	Номинальная мощность , кВА	Напряжение обмоток , кВ		Потери, кВт		, %	, %
		ВН	НН
ТМГ – 2500/10	2500	10,5	0,4	2,8	24	6	0,8

2. Компенсация реактивной мощности на стороне 0,4 кВ

Передача реактивной мощности сопровождается дополнительными потерями электроэнергии и напряжения (за счет реактивной составляющей, пропорциональной реактивной нагрузке и индуктивному сопротивлению, что снижает качество электроэнергии), затратами на увеличение мощностей трансформаторов и сечения проводников сетей.

Принимая во внимание вышеизложенное, компенсация реактивной мощности (КРМ) и повышение коэффициента мощности имеют большое значение в системах электроснабжения промышленного предприятия. Под КРМ подразумевается установка конденсаторных батарей – источников реактивной мощности, благодаря которым повышается пропускная способность сетей и трансформаторов, уменьшаются потери напряжения и электроэнергии.

При числе цеховых трансформаторов более трех суммарная расчетная мощность конденсаторных батарей в сети 0,4 кВ определяется по выражению:

,

(3.4)

где – мощность батарей, установленных вj-ом цехе, по первому критерию, квар;

– мощность батарей, установленных вj-ом цехе, по второму критерию, квар.

Первый критерий является показателем целесообразности сокращения числа трансформаторов за счет увеличения степени КРМ.

Второй критерий является показателем целесообразности увеличения мощности конденсаторных батарей для снижения потерь энергии в трансформаторах и сети 10 кВ.

По первому критерию минимальное число трансформаторов, необходимое для питания расчетной нагрузки, определяется по выражению:

,

(3.5)

где – добавка до ближайшего целого числа;

– расчетная активная мощностьj-ого цеха на стороне 0,4 кВ, кВт;

– фактический коэффициент загрузки трансформаторовj-ого цеха;

– номинальная мощность трансформаторов j-ого цеха, кВА.

Выражение (3.5) предполагает полную КРМ, однако при этом может получиться большое значение мощности . Поэтому определяется экономически оптимальное число трансформаторов:

,

(3.6)

где – дополнительное число трансформаторов, определяемое по рисунку 3.1.

а)

б)

Рисунок 3.1 – Графики для определения дополнительного числа трансформаторов: а) при ; б) при, где 1 – зона m=0; 2 – зонаm=1; 3 – зонаm=2

По выбранному количеству трансформаторов вычисляют наибольшую реактивную мощность, которую целесообразно передавать через трансформаторы в сеть 0,4 кВ:

.

(3.7)

Тогда мощность конденсаторов по первому критерию будет определяться по выражению:

,

(3.8)

где – расчетная реактивная мощностьj-ого цеха на стороне 0,4 кВ, квар.

Если , то по первому критерию установка компенсирующих устройств не требуется и следует принять.

Мощность конденсаторных батарей по второму критерию определяется по выражению:

,

(3.9)

где – расчетный коэффициент, определяемый по рисунку 3.2, значение которого зависит от показателейи.

а)

б)

Рисунок 3.2 – Графики для определения коэффициента : а) при радиальной схеме питания трансформаторов; б) при магистральной схеме питания трансформаторов

Исходя из того, что завод находится в центре России и работает в две смены, а расстояние от ГПП до цехов не превышает 0,5 км, принимаем для расчетов: =12,=2 для цехов с=630 кВА и=1000 кВА,=5 для цехов с=2500 кВА. Тогда с учетом магистральной схемы питания трансформаторов принимаем:=0,5 для цехов с=630 кВА и=1000 кВА,=0,45 для цехов с=2500 кВА.

Если по результатам расчетов , то следует принять.

Пример расчета КРМ при числе цеховых трансформаторов более трех (механический цех + испытательный цех + цех термообработки):

;

;

;

принимаем ;

.

Для остальных цехов расчеты производим аналогичным образом. Результаты расчета КРМ в сети 0,4 кВ при числе цеховых трансформаторов более трех сводим в таблицу 3.3.

При числе цеховых трансформаторов три и менее суммарная мощность компенсирующих устройств определяется по выражению:

,

(3.10)

где – тангенс угла сдвига фаз нагрузкиj-ого цеха на стороне 0,4 кВ до компенсации реактивной мощности;

– коэффициент мощности, заданный системой.

Произведем уточнение расчетных нагрузок на стороне 0,4 кВ и мощностей цеховых трансформаторов с учетом КРМ.

Расчетная реактивная нагрузка j-ого цеха на стороне 0,4 кВ с учетом установки компенсирующих устройств:

.

(3.11)

Полная расчетная мощность j-ого цеха на стороне 0,4 кВ с учетом установки компенсирующих устройств:

.

(3.12)

Расчетная мощность цеховых трансформаторов j-ого цеха с учетом установки компенсирующих устройств на стороне 0,4 кВ:

.

(3.13)

Фактический коэффициент загрузки трансформаторов j-ого цеха с учетом установки компенсирующих устройств на стороне 0,4 кВ:

.

(3.14)

Пример уточнения расчетных нагрузок и мощностей трансформаторов с учетом КРМ на стороне 0,4 кВ (Литейный цех и компрессорная):

;

;

;

Принимаем для установки два трансформатора с номинальной мощностью 2500 кВА.

.

Для остальных цехов расчеты производим аналогичным образом. Результаты уточнения расчетных нагрузок и мощностей трансформаторов с учетом КРМ на стороне 0,4 кВ сводим в таблицу 3.5.

Присвоим номера трансформаторным подстанциям.

Таблица 3.6 – Номера трансформаторных подстанций

Назначение помещения	№ трансформаторной подстанции
Литейный цех	ТП-1, ТП-2, ТП-3
Компрессорная
Механический цех	ТП-4, ТП-5
Испытательный цех
Цех термообработки
Ремонтно-механический цех	ТП-6, ТП-7, ТП-8
Цех обработки
Цех металлопокрытий
Сборочный цех
Деревообрабатывающий цех
Склад
Административное здание