Требования, предъявляемые к электрическим сетям

Требования , предъявляемые к электрическим сетям. Конструктивное выполнение электрических сетей определяется условиями окружающей среды. Большинство производственных помещений относится и цехам с нормальной средой. Это сухие отапливаемые и не отапливаемые помещения, не опасные по коррозии, пожару, взрыву. Сюда относятся бытовые помещения цехов, производственные помещения цехов холодной обработки металлов, сборочные, инструментальные и т.д К пожароопасным и взрывоопасным помещениям относятся помещения с такой средой, в которой сама сеть или электрооборудование представляет опасность вследствие пожара или взрыва из-за перегрева проводки или образование искр. К таким помещениям относятся цехи, где имеются пары бензина или керосина, водород, древесина, мучная пыль и другие горючие вещества. К помещениям, опасным по химической активности, относятся такие, где окружающая среда разрушающее действует на материал проводников и изоляции. Сюда относятся такие цехи, как (коксохимические), доменные, мартисовские, литейные, (травильные), электролизные, шлифовальные, сернокислотные и.т.д. В «Строительных нормах и правилах» приводится классификация помещений с точки зрения опасности по пожару и взрыву. Категории А и Б являются взрывопожароопасными, причем А более опасно; Категория В-пожароопасная; Категории Г и Д не опасны по пожару и взрыву и категории Е.взрывоопасна, но взрыв не сопровождается пожаром. Виды схем распределения электроэнергии в сетях до 1000 В Электрические сети служат для передачи и распределения ээ к цеховым потребителям промышленных предприятий. Схемы электроснабжения приемников электроэнергии зависят от мощности отдельных приемников, их количества, распределения по территории, а также должны обеспечивать надежность питания потребителей ээ, быть удобными в эксплуатации. При этом затраты на сооружение линии, расходы проводникового материала и потери ээ должны быть минимальными. Цеховые сети делят на питающие, которые отходят от ИП ( п / ст), и распределительные, и которые присоединяются электроприемники. Схемы электрических сетей могут выполняться радиальными и магистральными. Радиальные схемы характеризуются тем, что от ИП, н-р от распределительного щита трансформаторной п/ст, отходят линии, питающие крупные (двигатели) ЭП или групповые распределительные пункты, от которых, в свою очередь, отходят самостоятельные линии, питающие прочие мелкие электроприемники. Радиальные схемы обеспечивают высокую надежность питания; в них легко могут быть применены элементы автоматики. Однако радиальные схемы требуют больших затрат на установку распределительных щитов, проводку кабеля и проводов. Радиальные схемы питания показаны на рис. 5.1. Радиальная схема питания равномерно распределенных нагрузок. 1-распределительный шит п/ст 2-силовой распределительный шит 3-потребители 1 2 2 2 3 3 3 2 3 1 1-высоковольтная ЛЭП 2-силовой трансформатор 3-ГРЩ 2 4-5 вводной АВ 3 6-магистральная линия 7-силовой ЭП 4 8-осветительный щит 9-силовой щит 10-распределительная сеть 11- шит аварийного освещения 5 7 11 8 рис. 5.2 9 10 Радиальная схема питания сосредоточенных нагрузок. Рис. 5.3 Магистральные схемы в основном применяют при равномерном распределении нагрузки по площади цеха. Они не требуют установки распределительного щита на п/ст, и энергия распределяется по совершенной схеме блока « трансформатор магистраль», что упращает сооружение цеховой п/ст. Магистральная схема по сравнению с радиальной имеет следующие преимущества и надежности: 1). надежность магистральной схемы ниже, чем радиальной, т.к. при повреждении магистрали все ее потребители выходят из строя, 2). в магистральных сетях выше токи к.з, но меньше потери напряжения и мощности. 3). стоимость магистральных сетей обычно ниже стоимости радиальных за счет уменьшения количества используемой аппаратуры и меньшей стоимости монтажа. Магистральные схемы питания показаны на рис 5.2 5.2 (а) Магистральная схема питания. б) Магистральная схема с шинными сборками. в) Схема блока трансформатор магистраль. 3 3 1-Магистральный шинопровод 2-Распределительный шинопровод 3-Потребители Учитывая особенности радиальных и магистральных сетей, обычно применяют смешанные схемы электрических сетей в зависимости от характера производства, условий окружающей среды и.т.д Конструктивно сети напряжением до 1000 В выполняют комплексными шинопроводами, кабелями и изолированными проводами в коробах, на лотках и на кабельных конструкциях; кабелями и изолированными проводами, проложенными на элементах строений; кабелями и изолированными проводами в трубах. Для питания крановых двигателей и другого внутрицехового электрического транспорта применяют троллейные линии, выполненные троллеями голыми проводами, что дает возможность обеспечить контакт с токосъемником в любом месте линии. В электрических сетях ПП широко применяют шинопроводы. По конструкции они могут быть открытыми и закрытыми, по назначению магистральными и распределительными. Магистральные шинопроводы для переменного тока и для постоянного тока выполняются из алюминиевых шин, распределительные-из алюминиевых и медных шин. Применение шинопроводов объясняется их высокой монтажной готовностью, что дает возможность собирать отдельные линии шинопровода-секций. Секции представляют собой три или четыре шины, которые заключены в оболочку и скреплены самой оболочкой или специальными изоляторами. В комплект шинопроводов входят коробки с защитной и коммутационно-защитной аппаратурой и с контактами для питающего кабеля. В настоящее время на промышленных предприятиях широко используют кабели. Прокладка кабелей в защитных трубах обеспечивает достаточно надежную защиту от механических повреждений проводов, что важно для сетей промышленных предприятий, но связана с дополнительными расходами труб. Следует отметить, что прокладка проводов или кабелей в трубах, особенно в стальных, связана с возможностью повреждения изоляции и с неудобствами в эксплуатации при необходимости замены поврежденных проводов и кабелей. Такая прокладка, согласно ПУЭ, обязательно для взрывоопасных помещений. Открытая прокладка кабелей и проводов с креплением на изоляторах, тросах и других конструкциях является наиболее простой и дешевой, но не обеспечивает достаточной надежности и защиты проводов от механических повреждений. Более совершенной является прокладка проводов в лотках и коробках, выпускаемых в виде секций. Особенно удобен этот вид прокладки при большом количестве проводов и кабелей для сложных многодвигательных агрегатов и автоматических линий. Для электрических сетей следует применять проводники с алюминиевыми жилами. Проводники с медными жилами из-за дефицитности меди допускается использовать только в особых случаях, установленных ПУЭ, н-р для ответвлений к зданиям от действующих воздушных линий с медными проводами, для питания электроприводов в механизмах передвижений крановых установок и. др. Во взрывоопасных помещениях применение алюминиевых проводников не допускается. Выбор сечений проводов, жил кабелей и шин в цеховых электрических сетях. Выбор сечений проводов, жил кабелей и шин производится по следующим техническим и экономическим показателям: 1). по нагреву длительно допустимым (расчетным) током: 2). по нагреву от кратковременного выделения тепла током к.з: 3). по потере напряжения в проводах и жилах кабелей от проходящего по ним тока в нормальном и аварийных режимах: 4). по механической прочности-устойчивости к механической нагрузке; 5). по экономической плотности тока. Экономическая плотность тока Iэ по ПУЭ определяется числом часов использования максимума нагрузки и материалом провода. Экономические целесообразное сечение определяют предварительно по расчетному току линии I р и экономической плотности. (5.1) Экономическая плотность тока дается без учета некоторых существенных факторов, влияющих на выбор экономически целесообразного сечения , н-р длины питающих линий, стоимости ээ, в связи с чем (5.1) не дает удовлетворительных результатов. Проверке по экономической плотности не подлежат: • сети промышленных предприятий и сооружений до 1000В, при числе часов использования максимума нагрузки до 4000-5000ч; • -ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1000В, осветительные сети промышленных предприятий , жилых и общественных зданий; • -сети временных сооружений и устройства со сроком службы до 5 лет. Учитывая указанные отступления от величины экономической плотности, более правильным считают выбор экономически целесообразного сечение должно определяться по условию: (5.2) где З-годовые приведенные затраты, определяемое по формуле. (5.3) где С-годовые эксплуатационные расходы: суммарная стоимость потерь ээ, стоимость аммортизационных отчислений, ремонта и эксплуатации; К-годовые капитальные затраты 0,125-нормативный коэффициент. Выбор сечений проводов и жил кабелей по наибольшему длительно допустимому току выполняют по таблицам ПУЭ.Если условия окружающей среды отличаются от тех,для которых составлена таблица , то к значениям нагрузок, данным в таблице, вводят поправки. Поправки тоже приведены в ПУЭ. Выбранные сечения проверяют с точки зрения их защиты автоматическими выключателями и плавкими предохранителями. Более трудоемким является выбор сечений проводов и жил кабелей по потере напряжения. Постоянство напяжения на зажимах нагрузки зависит от стабильности напряжения на шинах ТП и от характера электрических нагрузок, подключенных к ним. Рассмотрим определение потеринапряжения на разветвленном участке сети, выполненной проводом и кабелем показанной на рис. 5.6. I1 U1 I2 U2 I3 U3 R1,;X1 R2; X2 R3; X3 I11;cos φ1 I21;cos φ2 I31;cos φ3 Токи в ответвлениях будут равны. Потери напряжения определяется как: UФ= I3 R3 cosφ3 + I2 R2 cosφ2 + I1 R1 cosφ1 +I3 R3sinφ3+ +I2 R2sinφ2+ I1 R1sinφ1; В общем виде потери напряжения определяют по формуле. UФ= IRcosφ + IХsinφ где k-число ответвлений. Если можно пренебречь индуктивным сопротивлением, то потери напряжения в одной фазе. UФ= IRcosφ В трех фазной системе значения междуфазных потерь напряжения равно. Uл= UФ После выбора сечения по номинальным параметрам провода и кабели проверяют на термическую стойкость к током к.з. Максимально допустимыми кратковременными превышениями температуры Оg при К.З считают: • для кабелей с медными жилами и бумажной изоляцией 280 0 С; • с алюминиевыми жилами 200 0 С. Температура нагрева кабеля при нормальном режиме ( до к.з ) определяют по формуле. н=0+( д+о) где θ н -температура жилы кабеля до поступления к.з; θ о-температура окружающей среды; θ д-допустимая температура при нормальном режиме (=60оС) Iр-расчетный ток нагрузки I -допустимый ток для для выбранного сечения. Проверка сечения кабеля на термическую стойкость к токам к.з производится по формуле. (5.10) где α-расчетный коэффициент, определяемый ограничением допустимой температуры нагрева жилы кабеля α=7 для медных жил, α=12 для алюминиевых жил. I∞ -установившийся ток к.з, t n-приведенное время к.з Кабели, защищенные плавкими предохранителями, на термическую стойкость к токам к.з не проверяются, поскольку за время срабатывания предохранителя, выделившееся тепло не успевает разогреть кабель до опасной температуры. При расчете сети внутрицехового электроснабжения условно принимают, что питательные сети выполняются магистральными шинопроводами (ШМА), подключенными к трансформатору. От ШМА питаются распределительными шинопроводами, пролеженные вдоль пролета цеха. Расчетный ток ШМА принимается по номинальному току силового трансформатора. Ток участка распределительной сети: (5.11) где i н- ток нагрузки на 1 м, А /м. - длина расчетного участка сети распределительного шинопровода, м. S- суммарная расчетная максимальная нагрузка цеха без электрического освещения, кВА. макс - коэффициент максимума. Ил - напряжение линии, кВ.  - длина всех распределительных шинопроводов цеха, м. Потери напряжения в питающем магистральном шинопроводе не должна превышать 1,5 - 1,8 % и определяется по формуле. (5.12) где  I расч - сумма моментов токовых нагрузок линии, Акм. Для распеделительных шинопроводов с равномерной нагрузкой потеря напряжения не должна превышать 2 - 2,5% и определяется по формуле. (5.13). При определении экономически целесообразного сечения, чтобы определить стоимость потерь ээ, подсчитаем потери для; а) магситрального шинопровода при нескольких распределенных нагрузках Эшма=3∙ΣI2∙r∙ч∙10-3 (5.14) б) распределительного шинопровода при равномерно распределенной нагрузке. (5.15) В формулах (5.14) и (5.15) Iрасч, I- cоответственно расчетный ток линии и ток участка линии (шинопровода), А. R ,r - cоответственно сопротивление линии и участка линии (шинопровода), Ом.  - время потерь, зависящее от числа часов использования максимума нагрузки Ти и коэффициента мощности. Стоимость годовых потерь ээ (5.16) С - стоимость ээ, потери ээ в магистральном и распределительном шинопроводах, кВт. На основании полученных данных о стоимости, капитальных затрат и годовых потерь сравниваемых вариантов определяют годовые затраты и строят зависимости З=f (s), по которым выбирают сечение s с минимумом годовых затрат. Выбор коммутационно - защитной аппаратуры. В процессе эксплуатации цеховых сетей и электрооборудования требуется отключение и включение сети источника питания, а т.ж надежная защита их от аварийных режимов. Такую (защиту) функцию осуществляют коммутационно - защитные аппараты цеховой сети. В цеховой сети могут возникать следующие ненормальные по току режимы работы: а). увеличение тока вследствие перегрузки; б). увеличение тока вследствие к.з; в). увеличение тока в момент пуска или самозапуска ЭД низшего напряжения. Для защиты проводов и кабелей от ненормальных режимов в сетях напряжением до 1000В устанавливаются предохранители и автоматические выключатели. В качестве аппаратов защиты электрических сетей и установок промпредприятий следует широко применять предохранители. Основной рабочий элемент предохранителя - плавкая вставка, изготовленная из сплава легкоплавких металлов, укрепленная в корпусе предохранителя. Плавкие вставки выдерживают токи на 30 - 50 % выше номинальных в течение 1ч и более. При токах, превышающих номинальный ток плавких вставок на 60 - 100 %, они плавятся за время, меньше 1ч. Наиболее распростроненные предохранители, применяемые для защиты электроустановок напряжение до 1кВ: ПР - предохранитель с разборным патроном без наполнителя; ПН - предохранитель с наполнителем и с разборным патроном; НПН - предохранитель с наполнителем и с неразборным патроном. Основные типы предохранителей имеют номинальные токи от 15 до 1000А, т.е они практически удовлетворяют почти все существующие электроустановки промышленных предприятий. По конструктивному выполнению предохранители можно разделить на две группы: с наполнителем, наполненные с меллюзеристым кварцевым песком ; без наполнителя. Предохранители выбираются по следующим условиям: 1). номинальное напряжение предохранителя должно быть больше или равно номинальному напряжению сети; 2). Предохранитель в условиях нормальной эксплуатации не должен перегреваться сверх допустимых для него температур, для этого необходимо соблюдать условие: (5.17) (5.18) где I н.пр, I н. вст - соответственно номинальные токи предохранителя и плавкой вставки. Кн - коэффициент надежности, зависящей от рода нагрузки. В расчетах ориентировочно можно принимать: Кн =1,1 - 1,2 - для постоянных нагрузок (электрическое освещение , электронагрев и др.). Кн= 1,2 - для сварочных аппаратов. Кн= 2 - 2,5 - электродвигателей, пускаемых напрямую. Iр - расчетный ток линии, приведенный к ПВ = 100%. 3 Предохранитель не должен отключать линию при перегрузках нормальной эксплуатации (пусковые токи). Для выполнения этого условия, ток плавкой вставки можно выбрать упрощенным методом : • при легком пуске (время перегрузки tпер=2сек) • при среднем пуске (время перегрузки tпер=3,5сек) • при тяжелом пуске (время перегрузки tпер=10сек) 4. Отключающая способность Отключаемый ток КЗ ( действующие значения) должен быть меньше , чем предельно отключаемый ток. 1. Селективность Предохранитель должен отключать линию при появлении опасной для нее токов КЗ в минимальное время, но по возможности селективно так, чтобы в первую очередь отключать дефектное ответвление , где произошло повреждение, а не поврежденная линия оставалась в работе. В примере на рисунке 5.4. , при повреждении одного из двигателей должен сработать предохранитель П4, отключающий только поврежденный элемент. Если повреждение произошло на линии , то должен сработать предохранитель П3 защищающий трансформатор. Считается, что избирательности в работе предохранителей можно достичь в том случае, если номинальные токи плавких вставок последующего и предыдущего предохранителей различаются не менее чем на две ступени по направлению потока энергии. П1 П4 П2 П3 Более дорогостоящими, но и более совершенными по сравнению с плавкими предохранителями являются автоматические выключатели. Эти аппараты, многократного действия, снабженные устройствами выдержки времен, обеспечивают избирательные действия защиты. Автоматические выключатели бывают установочного и подстанционного типа. Установочные автоматические выключатели выпускаются с номинальным током до 630 А, а подстанционные свыше 630А. Эти аппараты защищают от перегрузки и коротких замыканий. В зависимости от назначения и вида защиты автоматические выключатели могут иметь электромагнитные, тепловой или комбинированный расцепители. Автоматические выключатели выбираются по следующим условиям : 1. По напряжению. Uн.а > Uн.с. Где Uн.а ; Uн.с. - номинальные напряжения соответственно АВ и сети. 2. По расчетному рабочему току. Iн.а≥ IР Iн.тр≥ IР Iн.зм≥ IР Где Iн.а , Iн.тр, Iн.зм - номинальные токи соответственно АВ, теплового и электромагнитного расцепителей 3. По тепловому току (пусковому) Iн.тр = In Iн.зм = (1.25-1.3) In Iн.тр = 1.5 In Iн.зм > In tтр.n=1.5 t.n Где tтр.n - фактическое время срабатывание теплового расцепителя при прохождении теплового (пускового) тока t.n - продолжительность пикового тока 4. По току КЗ. Iот,а > I iуд.д > iуд.p Где Iот,а - допустимая величина отключаемого тока КЗ автоматом iуд.д - допустимое значение ударного тока КЗ iуд.p -расчетное значение ударного тока КЗ 5. По селективности У автоматических выключателей имеющих тепловые расцепители селективность может быть обеспечена при условии Iнб = 1.5 Iн.м Где Iнб , Iн.м - номинальные токи наибольшего и наименьшего по величине тока автоматов. Обеспечит избирательность действия выключателей, имеющих электромагнитные расцепители очень трудно, а селективность автоматического выключателя замедленного действия обеспечивается подбором выдержки времени. Построение карты селективности Для проверки избирательности в работе защитных аппаратов строят карты селективности для той точки (цепочки) цепи , где установлены аппараты защиты с наибольшими номинальными данными. Последовательно переходя к ступени в сторону источника питания, наносятся защитные характеристики аппаратов, установленных в этих ступенях защиты и проверяется селективность в работе. При построении карты селективности необходимо учитывать, что не должны быть пересечения защитных характеристик. Пересечения характеристик свидетельствуют о неселективном срабатывании аппаратов. Литература 1.1. Федоров А.А. Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М. ЭАИ 1984. Стр 88-123 1.2. Ермилов А.А. Электроснабжение промышленных предприятий. М. Э 1990г 1.3. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок М.ВШ 1990 стр. 42-78 1.4. Ю. Л. Мукосеев Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия 1.5. Э. М. Ристхейн Электроснабжение промышленных установок, М. ЭАИ, 1991 стр. 121-158 1.6. А. А. Федоров, Э.М. Ристхейн Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия, 1981 стр 70-91 Контрольные вопросы. 1. Какие требования предъявляются к электрическим сетям до 1000В? 2. Какие виды схем распределения электроэнергии вы знаете? 3. Условия выбора предохранителя. 4. Условия выбора автоматических выключателей . 5. Почему строим карту селективности ? Как его строить? 6. Недостатки и преимущества магистральной схемы. 7. Как выполняется радиальная схема? 8. Какой вид схемы можно использовать, в зависимости от категории приемников?