Системы электроснабжения промышленных предприятий

Лекция 1 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРЯТИЙ Под электроснабжением согласно ГОСТ 19431-84 «Энергетика и электрификация. Термины и определения» понимается - обеспечение потребителей электрической энергией. Под потребителями подразумеваются предприятия, организации и т.д., электроприёмники которых присоединены к электрическим сетям и используют электрическую энергию (ЭЭ). Приёмниками электрической энергии (ЭП) принято считать устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую, химическую и т.д.). циональному назначению принято делить на четыре группы: - электропривод; - электротехнологические установки; - электрическое освещение; - устройства управления и обработки информации. Первые две группы принято называть силовыми электроприёмниками. С P,Q ГПП P,Q Распределительная сеть внутризаводского электроснабжения напряжением 6...20 кВ P,Q P,Q Q P,Q ТЭЦ Цеховые электрические сети напряжением 0,22...0,66 кВ P,Q Q P,Q P,Q Дизельэлектростанция Рис.1.1 Подсистема внутризаводского электроснабжения Точка раздела баланса принадлежности сетей предприятия и энергосистемы Подсистема внешнего электроснабжения 35...220кВ В зависимости от профиля деятельности предприятия доля участия указанных групп в общем балансе электропотребления предприятия не одинакова и колеблется в широких пределах. Так, на машиностроительных предприятиях основными ЭП являются электроприводы различных механизмов, а в электрометаллургии – электротехнологические установки. Последняя группа, с точки зрения электропотребления, ничтожна по сравнению с тремя первыми. Выделение их в отдельную группу объясняется особыми требованиями к их системам электроснабжения в части обеспечения надёжности электроснабжения и качества электроэнергии. Системы электроснабжения предназначены для передачи, приёма и распределения электроэнергии. Они состоят из подстанций, электрических сетей и местных источников электроэнергии. Систему электроснабжения современного среднего и крупного предприятия можно рассматривать как сложную систему, состоящую из подсистем внешнего, внутризаводского и внутрицехового электроснабжений. На рис.1 показана примерная структурная схема СЭС промышленного предприятия. Отметим, что часть системы внешнего электроснабжения, заключённая между источником и ГПП, как правило, находится на балансе энергосистемы. Чаще всего СЭС являются централизованными и значительно реже – автономными. Первые из них подключаются к электрическим сетям энергоснажающих организаций, а вторые питаются только от внутренних источников. К автономным системам относятся, например, СЭС объектов, расположенных в труднодоступных районах, воздушных и водных судов, а также автотранспорта. Систему электроснабжения предприятия вместе с его электроприемниками принято называть электрохозяйством предприятия. 1. Принципы построения СЭС ПП При проектировании рациональных СЭС ПП следует основываться на ряде принципов, к основным из которых отнесем следующие. 1. Максимальное приближение источников высокого напряжения к электроустановкам потребителей (центрам электрических нагрузок), благодаря чему сводятся к минимуму расход проводникового материала на сооружение электрической сети и потери электроэнергии в ней. Сказанное относится как к выбору места расположения ГПП на территории ПП, так и ТП в цехах либо между ними. 2. Разукрупнение подстанций. Это, прежде всего, относится и цеховым ТП как в отношении их максимальной мощности, так и расположения на площади цеха. Применение данного принципа позволяет сооружать относительно простые и экономичные цеховые электрические сети. 3. Глубокое секционирование СЭС во всех ее звеньях, начиная от сборных шин подстанции ЭС и кончая сборными шинами вторичного напряжения цеховых ТП. Данное решение позволяет существенно упростить построение и эксплуатацию схемы электроснабжения, уменьшить токи короткого замыкания (к.з.), хотя при неравномерной нагрузке раздельно работающих сборных шин подстанций и других элементов СЭС это приводит к некоторому увеличению потерь электроэнергии в сети. 4. Широкое применение скрытого (горячего) резерва и отказ от явного (холодного) резервирования. Специальные резервные, нормально не нагруженные линии и трансформаторы, как правило, не должны предусматриваться. Резерв закладывается в самой СЭС, в которой все элементы должны нести постоянную нагрузку, а в послеаварийном режиме (при повреждении одного из элементов) остальные должны быть в состоянии принять на себя нагрузку временно выбывшего элемента путем перераспределения ее между оставшимися в работе с использованием допускаемой ПУЭ перегрузочной способности электрооборудования. При таком построении СЭС снижаются потери электроэнергии, а надежность электроснабжения увеличивается, т.к. исправность нагруженных кабелей и трансформаторов постоянно самоконтролируется, а восстановление питания потребителей происходит автоматически. С этой целью на секционных аппаратах должны предусматриваться схемы автоматического ввода резерва (АВР). 5. Выбор рациональной схемы электроснабжения, т.е. схемы, обладающей достаточно высокими показателями экономичности, надежности, удобной в эксплуатации и т.д. При этом необходимо учитывать мощности, расположение и концентрацию электроприемников, не допускать обратных потоков мощности и т.п. 6. Рациональное (оптимальное) решение вопросов компенсации реактивной мощности. Оно заключается в правильном выборе мест установки и мощности отдельных источников реактивной мощности, обеспечивающем минимум затрат на компенсацию реактивной мощности. 7. Применение рациональных систем передачи и распределения электроэнергии на ПП. Здесь предполагается использование и новых прогрессивных способов передачи электроэнергии и конструкций элементов СЭС: токопроводов, кабельных эстакад, кабельных линий напряжением 110 кВ и т.д. 8. Возможность перспективного развития проектируемой СЭС. Следует предусматривать оптимальные в экономическом отношении пути увеличения приема, передачи и распределения электроэнергии между возросшим количеством электроприемников ПП с учетом увеличения мощности отдельных, уже существующих потребителей. 9. Структура СЭС ПП должна обеспечивать возможность задания рациональных (оптимальных) режимов работы отдельных ее элементов: воздушных к кабельных линий, токопроводов, трансформаторов, позволяющих уменьшить в процессе эксплуатации потери электроэнергии. 2. Подстанции СЭС ПП Подстанции предназначены для приема, преобразования и распределения электроэнергии. Они являются важным звеном СЭС ПП, имеют широкую номенклатуру пополнения в зависимости от мощности, напряжения и назначения. Подстанции подразделяют на: - узловые распределительные 110...500 кВ (УРП); - главные понизительные (ГПП) и подстанции глубоких вводов (ПГВ) 110, 220/6,10,35 кВ; - центральные распределительные 6, 10 кВ (ЦРП) - распределительные (пункты) 6, 10 кВ (РП); - цеховые трансформаторные подстанции 6,10/0,38, 0,66 кВ (ТП); - электропечные (ЭПП) и преобразовательные; - низковольтные (ниже 1000 В) распределительные(пункты) (РПН). УРП получают энергию от энергосистемы и распределяют ее (без трансформации или с частичной трансформацией) по линиям 110, 220 кВ. Обычно УРП имеют значение районных понижающих подстанций энергосистемы и питают подстанции ряда предприятий. На ГПП (ПГВ) осуществляется трансформация напряжения с 35, 110, 220 кВ на 6,10 кВ, иногда 35 кВ. На пониженных напряжениях и происходит распределение энергии по подстанциям ПП, ЦРП выполняет те же функции, что и ГПП предприятия, но без трансформации напряжения. Они используются обычно на ПП малой, иногда средней мощности. РП, как и ЦРП, служат только для приема и распределения энергии по ТП и отдельным электроприемникам высокого напряжения. Рис.3.1. Схема главной понизительной подстанции напряжением 110-220 кВ Выбор числа и мощности трансформаторов ГПП. На промышленных предприятиях широко применяются силовые понижающие трансформаторы, в основном трехфазные. Эти трансформаторы подразделяются на двухобмоточные, трехобмоточные и с расщепленными обмотками вторичного напряжения. Двухобмоточными выполняются понижающие трансформаторы напряжений 6...10/0,38...0,66 кВ мощностью до 2500 кВА включительно, применяемые в цеховых ТП; трансформаторы мощностью до 16 MBА включительно напряжением 35...110/6...10 кВ, устанавливаемые на ГПП (ПГВ), а также согласующие трансформаторы напряжением 10/6 кВ. Трансформаторы с расщепленными обмотками имеют две или более вторичных обмоток одинакового напряжения 6 или 10 кВ на 50 или 100% номинальной мощности трансформатора каждая. Имеются исполнения трансформаторов с расщепленными обмотками разных напряжений: 6 и 10 кВ. Это позволяет экономично строить СЭС на напряжении 10 кВ при наличии большого числа электродвигателей на напряжение 6 кВ. Трансформаторы с расщепленными обмотками выпускаются мощностью 25 MBА и более с первичным напряжением 35, 110 и 220 кВ. Трехобмоточные трансформаторы 110...220/35/6... 10 кВ на ГПП применяются реже, например, при наличии на ПП потребителей большой мощности, которые целесообразно питать на напряжении 35 кВ. Кроме того, на напряжении 35 кВ могут питаться соседние небольшие ПП, городские или удаленные потребители. По роду изоляции и способу охлаждения трансформаторы подразделяются на масляные, с негорючим заполнением (совтоловые), сухие, сухие с литой изоляцией и тд. Типы и исполнения трансформаторов выбираются в зависимости от условий их установки, температуры, состояния окружающей среды и т.п. Экономичные и надежные масляные трансформаторы имеют преимущество перед другими типами трансформаторов как при наружной, так и при внутренней установке. Для наружной установки применяются трансформаторы типа ТМ, для внутренней установки в комплектных трансформаторных подстанциях - типа ТМЗ. В загрязненных зонах предприятий для наружной установки применяются масляные трансформаторы с усиленной изоляцией вводов. Сухие трансформаторы выпускаются, мощностью до 1600 кВА включительно с первичный напряжением не выше 10 кВ. В основном они применяются там, где недопустима установка масляных трансформаторов по условиям пожарной опасности. Сухие трансформаторы неустойчивы к грозовым перенапряжениям, при работе создают повышенный уровень шума. Их нужно устанавливать в сухих, непыльных помещениях с относительной влажностью не более 65 %. Электротехническая промышленность с 1985-1986 гг. начала освоение новой серии силовых понижающих трансформаторов 110/10 кВ с форсированной системой охлаждения. Отличительной особенностью новой серии является многоступенчатая система охлаждения на основе введения дополнительно к стандартным системам охлаждения вида М и Д форсированной системы охлаждения вида НДЦ включающей в себя направленную принудительную циркуляцию масла в активной части, принудительную циркуляцию масла в радиаторах системы охлаждения вида Д и дополнительную установку на баке трансформатора охлаждающих устройств системы охлаждения вида ДЦ. Осваивается следующая шкала новой серии трансформаторов: 10000 16000 25000 ТНДЦН  / 110 ; ТНДЦН  / 110 ; ТНДЦН  / 110 ; 6300 10000 16000 40000 63000 80000 ТРНДЦН  / 110 ; ТРНДЦН  / 110 ; ТНДЦН  / 110 ; 25000 40000 63000 В обозначении трансформаторов в числителе указана номинальная мощность Sтн, соответствующая наиболее эффективной системе охлаждения НДЦ, а в знаменателе проектная мощность Sпр при использовании системы охлаждения вида Д. Трансформаторы новой серии предназначены для установки на подстанциях ПП и энергосистем. Чаще всего они применяются на ПП, имеющих большое число печей ДСП. На ГПП число трансформаторов в большинстве случаев принимается равным двум. Это, как правило, обеспечивает надежное электроснабжение потребителей всех категорий при достаточно простой схеме и конструкции понизительной подстанции. При наличии на промышленном предприятии одной ГПП и отсутствии электрической связи с другими источниками, трансформаторы ГПП питают всю нагрузку предприятия. В этом случае на ГПП устанавливаются два силовых трансформатора. Их мощность выбирается примерно равной 0,7...0,8 суммарной нагрузки предприятия. Следует иметь в виду, что загрузка трансформаторов ГПП в нормальном режиме может быть несколько выше 0,7, если на ПП имеются потребители 3-й категории, которые в послеаварийном режиме можно временно отключить. Номинальная мощность каждого трансформатора определяется из соотношений: Sрп , Sтн  Nт  Кз.доп где Sрп – полная расчетная нагрузка предприятия определяется как: Sрп  Рр 2  QЭ1  QТ , ГПП  2 где QЭ1 - экономически целесообразная реактивная мощность на стороне внешнего напряжения главной понизительной подстанции, потребляемая предприятием от энергосистемы ( tg 35  0,27 ; tg 110  0,31 ); Qэ1  РРVI  tg . Выбор мощности трансформаторов новой серии ТНДЦН и ТРНДЦН имеет свои особенности. В нормальном режиме, когда у трансформаторов ГПП включена только система охлаждения Д, должно выполняться соотношение: Sр.п. Sпр  2 В послеаварийном или ремонтном режиме ГПП, когда отключается один из трансформаторов, у другого трансформатора производится включение системы охлаждения НДЦ. В этом случае трансформатор может нормально передавать мощность Sт.н., которая примерно в 1,6 раза больше его проектной мощности Sпр. С учетом же перегрузочной способности (до 40%) максимальная мощность трансформатора повышается до: Sт.н.=1,4 · Sт.н.=1,4 · 1,6 · Sпр=2,24 · Sпр и он может питать все предприятие. 3. Внутризаводские электрические сети напряжением 6-10 кВ Внутризаводское распределение электроэнергии выполняется по радиальным, магистральным или смешанным схемам в зависимости от территориального размещения нагрузок, их величин, требуемой степени надежности питания и других особенностей рассматриваемого промышленного объекта. Все три вида схем нашли широкое распространение в СЭС действующих ПП Схемы распределения электроэнергии внутри ПП, как правило, имеют ступенчатое построение. Число ступеней зависит от мощности ПП и распределения нагрузок на его территории. В большинстве случаев применяются одно- или двухступенчатые схемы, т.к. большее число ступеней усложняет коммутацию, релейную защиту и, самое главное, увеличивает капитальные вложения в электрические сети. Схемы с числом ступеней более двух допускается выполнять при развитии СЭС и только в случаях их техникоэкономической целесообразности. На крупных ПП на первой ступени распределения электроэнергии по кабельным сетям напряжением 6,10 кВ целесообразно применение радиальных схем, связывающих пункты питания ГПП, TЭЦ с промежуточными распределительными пунктами, к которым подключаются линии второй ступени распределения электроэнергии - цеховые ТП, высоковольтные электроприемники. Если же ПП энергоемкие, как, например, заводы черной, цветной металлургии или химии, то на первой ступени распределения рекомендуются магистральные схемы, выполненные жесткими или гибкими токопроводами напряжением 6...35 кВ. еняются радиальные и магистральные схемы. При этом сооружение РП, как правило, целесообразно при числе отходящих от нее линий не менее восьми. Вопрос об установке высоковольтного РП в цехе, или для группы цехов необходимо рассматривать при наличии в них высоковольтных потребителей электроэнергии и, прежде всего, электродвигателей. На второй ступени распределения электроэнергии от РП к цеховым ТП и отдельным электроприемникам на напряжение 6, 10 кВ могут быть применены также радиальные или магистральные схемы. Рис. 3.1. Внутризаводская схема электроснабжения ПП На ПП средней мощности на первой ступени распределения электроэнергии примНа небольших ПП в ряде случаев целесообразно применение одноступенчатых схем литания с установкой РП лишь для отдельных удаленных групп потребителей. Радиальные схемы. Радиальные схемы целесообразны, когда потребители расположены в различных направлениях от пункта питания. Преимущественное применение находят одно- и двухступенчатые схемы. Двухступенчатые радиальные схемы с промежуточными РП применяются главным образом на больших и средних предприятиях для питания через РП большого числа ТП и высоковольтных электроприемников (электропечные, насосные, компрессорные, преобразовательные подстанции и т.п.), т.к. нецелесообразно загружать основные центры питания (ГПП, ТЭЦ) большим количеством мелких отходящих линий. От промежуточных РП осуществляется питание одно- и двухтрансформаторных цеховых ТП, а также отдельных электропечей и электродвигателей напряжением 6,10 кВ. При этой схеме вся коммутационная аппаратуре устанавливается на РП, а на цеховых ТП предусматриваются только выключатели нагрузки, разъединители или же в большинстве случаев выполняется глухое присоединение трансформаторов. Питание двухтрансформаторных подстанций радиальными линиями осуществляется от разных секций: сборных шин РП (ГПП). Пропускная способность каждой линии и трансформатора рассчитывается на покрытие всех нагрузок в нормальном режиме и дополнительно ответственных нагрузок 1-й и 2-й категорий в послеаварийном режиме, когда выходит из работы одна линия или трансформатор. При применении радиальных схем осуществляется глубокое секционирование всей СЭС начиная от основных центров питания и кончая сборными шинами напряжением до 1000 В цеховых подстанций и низковольтных распределительных пунктов. На секционных аппаратах обычно предусматривается АВР. Магистральные схемы. При магистральных схемах уменьшается число ячеек распределительных устройств ГПП или РП, к которым подключаются отходящие линии – в этом заключается одно из преимуществ магистральных схем распределения электроэнергии. Магистральные линии целесообразны при последовательном расположении групп электролриемников на территории ПП. На многих ПП, прежде всего крупных, токи к.з. в СЭС достаточно большие, и сечение кабельных линий, отходящих от сборных шин ГПП или РП, приходится завышать исходя из условий их термической стойкости. В этих случаях магистральные схемы позволяют лучше, чем радиальные, использовать сечение кабелей, выбранное по току к.з. и по экономической плотности тока, и уменьшить число ячеек на РП. Последнее особенно существенно при применении в распределительных устройствах дорогих ячеек с выкатными тележками. Магистральные схемы подразделяют на одиночные с одно- и двухсторонним питанием, кольцевые, схемы с несколькими (двумя или более) параллельными (сквозными) магистралями. По степени надежности эти схемы можно подразделить на две основные группы. В первую группу входят простые магистральные схемы: одиночные и кольцевые - которые, как правило, уступают радиальным схемам по надежности электроснабжения и удобству эксплуатации. Одиночные магистрали без резервирования (рис.3.3,а) могут быть применены лишь в тех случаях, когда допустим перерыв питания не только на время отыскания и отключения поврежденного участка магистрали, но и его восстановления. 6, 10 кВ 0,4 кВ 0,4 кВ Рис. 3.3 Схема одиночных магистральных линий Такие схемы применяются для потребителей 3-й категории. Недостатком одиночных магистральных схем является невозможность резервирования по вторичному напряжению соседних однотрансформаторных подстанций, т.к. они питаются от одной магистрали и при отключении ее обесточиваются одновременно все. Для устранения этого недостатка близко расположенные однотрансформаторные подстанции, питаемые от разных одиночных магистралей, можно резервировать по низковольтной стороне (рис.3.3,б). Одиночные магистрали с общей резервной линией (рис.3.4) применяются в тех случаях, когда присоединенные к магистрали группы подстанций допускают перерыв питания на время, необходимое для отыскания и отключения поврежденного участка этой схемы. Они могут быть приняты для питания потребителей 3-й и 2-й категорий. Недостатком этой схемы является наличие дополнительных резервных кабелей, не находящихся под нагрузкой. F F F F Рис. 3.4. Схема одиночных магистралей с Рис.35. Кольцевая магистральная линия общей резервной линией 5, 10 кВ РП АВР ТП а) АВР б) РП Кольцевые магистрали (рис. 3.5) практически не находят применения на ПП. Они целесообразны лишь при соответствующем расположении подстанций, когда единичная мощность трансформаторов не превышает 630 кВА, и используются для питания потребителей 3-й и частично 2-й категорий. Ко второй группе магистральных схем относятся схемы с несколькими (двумя и более) параллельными сквозными магистралями, которые являются схемами высокой надежности и могут быть применены для питания потребителей любой категории. Двойные сквозные магистрали подключаются к ГПП или РП с двумя секциями сборных шин и применяются, в частности, для питания двухтрансформаторных подстанций без сборных шин на высшем напряжении (рис.З.б.а) или РП с двумя секциями сборных шин (рис.3.6, б). Первая схема имеет широкое применение на ПП, а вторая используется реже. Каждый трансформатор двухтрансформаторной подстанции или каждая секция спорных шин РП питается от различных магистралей. Каждая магистраль рассчитана на покрытие основных нагрузок ТП или РП с учетом допустимой ее перегрузки. Секции сборных шин распредустройств ТП или РП нормально работают раздельно, а в случае аварии на одной из магистралей электроприемники переключаются на оставшуюся в работе магистраль. При необходимости это может быть сделано автоматически при помощи устройств АВР, установленных на секционных автоматах ТП или секционных выключателях РП. Число трансформаторов, присоединяемых к одной магистрали, зависит от их мощности и значения питаемых объектов. Чем больше мощность трансформаторов, тем меньшее число их можно присоединить к одной магистрали: не более двух-трех трансформаторов мощностью 1000...2500 кВА и не более трех-четырех мощностью 250...630 кВА.