Электрические сети энергоемких предприятий

ПЕТР ИВАНОВИЧ АНАСТАСИЕВ. АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ ЕРМИЛОВ, МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ ЗЕЛЕНЕЦКИЙ.
ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ФРОЛОВ
Электрические сети энергоемких предприятий, Москва. «Энергия», 1971.

Книга посвящена вопросам устройства и проектирования электрических сетей 6—220 кВ энергоемких промышленных предприятий. В книге приведены общая характеристика современных сетей, электрические и механические расчеты, дано описание элементов сетевых устройств, рассмотрены вопросы защиты линий и подстанций от перенапряжений.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занятых проектированием, сооружением и эксплуатацией электрических сетей промышленных предприятий.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Крупные энергоемкие предприятия черной и цветной металлургии и химии имеют большой и все возрастающий удельный вес в нашей промышленности и предъявляют большие требования к их надежному и экономичному электроснабжению. Данная книга посвящена основным вопросам проектирования сетей и подстанций таких предприятий на первой и второй ступенях электроснабжения при напряжениях 110—220 и 6—10 кВ. В задачу книги не входят вопросы цехового распределения энергии при напряжениях 380—660 в.
В гл. 1 рассмотрены основные требования к построению систем электроснабжения крупных предприятий, выбору напряжений на разных ступенях, качеству электроэнергии, способам компенсации реактивной мощности. Приведены наиболее характерные схемы распределения энергии.
Глава 2 посвящена конструктивным элементам электрических сетей.
В гл. 3 и 4 приведена методика электрического и механического расчетов внутризаводских распределительных сетей, включая характеристики проводов, кабелей, токопроводов и трансформаторов.
Главы 5 и 6 содержат указания по защите от перенапряжений подстанций и линий электропередачи с учетом специфики крупных промышленных предприятий, имеющих вращающиеся электрические машины. В ней учтены рекомендации Всесоюзной конференции по заземлениям и труды ВНИИЭ и ЛПИ по вопросам защиты вращающихся машин.
Своей основной задачей авторы ставили обобщение опыта проектирования электрических сетей крупных энергоемких предприятий.
В книге использованы материалы и опыт работы проектных институтов Тяжпромэлектропроект, Электропроект, Энергосетьпроект, Теплоэлектропроект, а также материалы Главэлектромонтажа Минмонтажспецстроя.

Авторы

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

1-1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГОЕМКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ КАК ПОТРЕБИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Современные крупные энергоемкие предприятия характеризуются следующими основными факторами:
а) Большими величинами суммарных установленных мощностей электроприемников, которые по планам развития крупных комбинатов достигнут 1 500—2 000 МВт. Мощность установленных трансформаторов на горно-обогатительных комбинатах уже сейчас составляет около 200—300 МВА с тенденцией дальнейшего значительного роста. Сильно возросла суммарная установленная мощность электроприемников отдельных агрегатов, например блюминга с 18 000 до 35 000 кВт, а широкополосного стана 2 000 горячей прокатки — до 170 000 кВт, что примерно вдвое превышает мощности аналогичных станов, сооруженных около десяти лет назад.
б) Крупными единичными мощностями электроприемников, многие из которых характеризуются резко переменной циклически повторяющейся ударной нагрузкой. Единичные мощности электродвигателей, достигли 20 000 кВт, электропечей — 45 и более МВт, серий электролиза — 100 000 МВт.
в) Наличием электроприемников, предъявляющих особые требования к бесперебойности электроснабжения.
г) Непрерывным ростом электропотребления за счет резкого повышения производственных мощностей и большого расширения области применения электроэнергии в технологических процессах, в частности в электролизе и электротермии. Потребляемая крупными комбинатами мощность уже сейчас составляет 300-370 МВт, а по намечаемым планам развития она превысит 700— 1 000 МВт.
д) Наличием загрязненных зон, предъявляющих дополнительные требования к электроснабжению и электрооборудованию.
е) Особыми требованиями к электрооборудованию предъявляемыми крупными комбинатами, расположенными в районах Крайнего Севера.

1-2. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ

а) Технико-экономические расчеты. Оптимальные решения вопросов электроснабжения обычно находятся путем технико-экономического сравнения нескольких возможных вариантов в соответствии с [Л. 3]. Сравниваемые варианты должны быть взаимозаменяемыми по надежности и качеству и в равной степени удовлетворять требованиям производства вне зависимости от примененных схем, выбранного напряжения и других показателей. Все они должны соответствовать требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) и других директивных документов. Сравнение вариантов производится при оптимальном режиме работы рассматриваемого объекта или всех объектов предприятия или промышленного узла.
Технико-экономические показатели вариантов должны определяться при одинаковом уровне цен и равных технических уровнях. В большинстве случаев целесообразно применять укрупненные показатели стоимости при условии их периодической корректировки и обновления или же использовать стоимости объектов или их элементов по ранее выпущенным проектам.
Специальные сметные калькуляции составляются лишь в очень редких случаях—при отсутствии укрупненных показателей, проектировании особо крупных энергоемких объектов: электролиз, электротермия и т. п., где электрическая часть имеет большой удельный вес. Выбор варианта производится по суммарным приведенным затратам (3). Если намечаемый срок строительства не больше 1 года, а ежегодные издержки, производства постоянны, то эти затраты определяются по следующей формуле:

где К — одновременные капитальные вложения; Ив— ежегодные издержки производства при нормальной эксплуатации, включая отчисления на реновацию; р — коэффициент приведения или нормативный коэффициент эффективности, равный 0,15.
Величины К и Ии обычно определяются лишь для изменяющихся элементов электроснабжения, входящих в сравниваемые варианты.
При сроке строительства больше 1 года или если все расчетные величины изменяются по годам, а также при реконструкции электроснабжения сравнение вариантов делается по более сложным формулам, приведенным в [Л. 2].
Ежегодные издержки производства определяются по формуле
где Яр—амортизационные отчисления на реновацию; Икр — амортизационные отчисления на капитальный ремонт; Им — затраты на приобретение топлива, сырья, материалов, энергии (включая потери ее), необходимых для осуществления производственного процесса; Иэ — расходы по эксплуатации, включающие расходы на текущий ремонт, заработную плату, общепроизводственные расходы и определяемые по действующим нормативам.
Ежегодные издержки по эксплуатации жилищных и культурно-бытовых объектов учитываются лишь в тех случаях, когда принятые решения освобождают значительное количество эксплуатационного персонала, например при широком применении телемеханизации и автоматизации электроснабжения.
Амортизационные отчисления на реновацию ИР определяются по формуле
где рр — приведенная норма (или коэффициент) амортизационных отчислений на реновацию в относительных единицах; Кос, — капитальные вложения в основные фонды.
Амортизационные отчисления на капитальный ремонт. Определяются по формуле

где Рк.р — действующая норма амортизации на капитальный ремонт в относительных единицах.
Величина Им определяется по формуле

где — годовые издержки на потери
активной мощности; Им.р = ЗукОк — годовые издержки на компенсацию реактивной мощности; ДРСк— среднеквадратичные годовые потери активной мощности, которые приближенно можно принять равными среднегодовым потерям АР с, у=Су,аТг— стоимость 1 кВт-года электроэнергии; Су.э — стоимость 1 квт-ч электроэнергии; Тт — годовое время включения электроустановки; Qk — реактивная мощность компенсирующих установок (конденсаторы и компенсаторы; Зу.к — удельные расчетные затраты на 1 кВар компенсирующей реактивной мощности.
Ежегодные расходы на эксплуатацию Иэ определяются по действующим нормативам.
Ниже приведены суммарные расчетные коэффициенты отчислений рг от капитальных затрат для различных элементов системы электроснабжения, которыми можно пользоваться при сравнении вариантов.
Кабельные линии............................................................................... 0,2
Воздушные линии на металлических опорах 0,2 Воздушные линии на деревянных опорах из
пропитанной древесины..................................................... 0,25
Воздушные линии на деревянных опорах
с железобетонными пасынками..................................... 0,22
Воздушные линии на железобетонных опорах 0,19
Подстанции............................................................................................ 0,23—0,25
Вращающиеся машины................................................................ 0,26—0,31
Ртутные выпрямители.................................................................... 0,27
Статические конденсаторы........................................................ 0,25
Устройства автоматики и телемеханики ... 0,24

где рр — коэффициент амортизационных отчислений на реновацию; рк.р — коэффициент амортизационных отчислений на капитальный ремонт; рэ — коэффициент отчислений на эксплуатацию, материалы, сырье и энергию; р — коэффициент приведения равный 0,15.
Система ценообразования, к сожалению, не всегда отражает действительную стоимость оборудования и материалов. Поэтому может оказаться, что выводы, полученные из экономической оценки по суммарным приведенным затратам 3, не согласуются с необходимостью

применения нового оборудования, пока еще не выпускаемого серийно. Новое электрооборудование в период его освоения стоит дороже, чем при серийном производстве. Следовательно, для правильного выбора вариантов при применении нового электрооборудования, кроме цен периода освоения, нужно иметь хотя бы ориентировочные перспективные цены, которые должны установиться при нормальном массовом производстве.
Стоимость электроэнергии, как правило, определяется по действующим тарифам, за исключением случаев, когда сооружение крупного предприятия в районе с малоразвитой маломощной энергосистемой потребует ввода крупных энергетических мощностей с соответствующим резким уменьшением стоимости энергии. В этих случаях следует применять перспективные цены, получаемые в планирующих органах Министерства электрификации и энергетики. При анализе результатов техникоэкономических расчетов с учетом перспективы нужно учитывать, что обычно электроэнергия удешевляется быстрее, чем электрооборудование.
Формулы и методика [Л. 3] не учитывают в надлежащей степени факторы надежности, качества, технических и эксплуатационных преимуществ сравниваемых вариантов, в частности вариантов, в которых в различной степени применено новое электрооборудование с лучшими характеристиками. В тех случаях, когда сравниваемые варианты равноценны или очень близки по результатам технико-экономических расчетов (ТЭР) (различаются не более чем на 5—10%, т. е. зачастую в пределах точности расчета), предпочтение, как правило, следует отдавать варианту с лучшими качественными и перспективными показателями, перечисленными ниже. Так, например, можно утверждать, что вариант имеет лучшие показатели по сравнению с другим, если он:
требует меньше электрооборудования и материалов;
имеет меньшие потери напряжения благодаря отсутствию холодного резерва и меньшему числу трансформаций;
в большей степени рассчитан для индустриального монтажа, более удобен для эксплуатации, имеет большую гибкость при расширении и реконструкции;
имеет лучшие показатели в отношении локализации ударных нагрузок (см. § 1-7, в);
более перспективен для дальнейшего развития системы электроснабжения;
более надежен при размещении электрооборудования в загрязненных зонах.
б) Требования к надежности. Надежность в общем виде может быть охарактеризована, как способность системы электроснабжения и отдельных ее элементов обеспечивать бесперебойное питание электроэнергией предприятия в целом и отдельных его объектов таким образом, чтобы не имели место срывы плана выпуска продукции и недопустимые аварии в электрической и технологической частях. Надежность характеризуется повреждаемостью [Л. 2], ожидаемой продолжительностью бесперебойной работы, математическим ожиданием длительности перерыва в питании электроэнергией, а также ожидаемым ущербом от перерыва в питании и другими факторами.
Надежность обеспечивается рациональными схемами и конструктивными решениями системы электроснабжения, в частности разумным объемом заложенных в нее резервов, а также главным образом надежностью входящих в нее основных составных элементов, в частности электрооборудования. Последнее часто является решающим, но оно, к сожалению, в минимальной степени зависит от проектировщика.
Основным фактором, влияющим на выбор схемы питания, является соотношение электроприемников разных категорий. Все электроприемники I категории должны обеспечиваться питанием не менее чем от двух независимых источников, причем перерыв в питании допускается лишь на время, необходимое для автоматического включения резерва. Наиболее многочисленны электроприемники II категории, причем некоторые из них по предъявляемым ими требованиям к питанию ближе к I категории, а другие — к III категории.
Электроприемники II категории, бесперебойная работа которых необходима для функционирования основных производств, должны по возможности обеспечиваться резервированием наравне с электроприемниками I категории. Вообще же резервирование электроснабжения электроприемников II категории должно обосновываться технико-экономическими расчетами с учетом вероятного ущерба от перерыва в электроснабжении (см. § 1-2в). Для электроприемников II категории допускаются перерывы в электроснабжении на время, необходимое для ручного включения резерва дежурным персоналом и даже выездной бригадой для подстанций, не имеющих постоянного дежурства.
При резервировании электроприемников разных категорий возникают большие затруднения в осуществлении раздельного их питания, так как они почти всегда смешаны территориально и их очень трудно разделить. Поэтому автоматизация резервирования часто применяется также для электроприемников II категории, так как она не требует значительных дополнительных затрат. При преобладании нагрузок I и II категорий автоматическое резервирование нужно предусматривать, начиная с высших ступеней электроснабжения. Если же суммарная мощность электроприемников I категории невелика, то целесообразны более дешевые решения при помощи резервных перемычек небольшой мощности. Иногда резервирование целесообразно делать не на подстанции, чтобы не усложнять ее, а на цеховых силовых пунктах, к которым приключены электроприемники I категории. Питание этих пунктов производится от разных подстанций или разных секций подстанций и для переключения применяется простейшая автоматика. Электроприемники III категории допускают перерыв в питании на время ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения продолжительностью не более 1 суток, в течение которых должно быть обеспечено восстановление их питания.
В эксплуатации выявились электроприемники, внезапное прекращение питания которых угрожает жизни людей или же взрывами и разрушениями основного технологического оборудования, что может вызвать длительные простои предприятия. Эти электроприемники требуют особо повышенной бесперебойности питания для безаварийного останова производства, но отнюдь не для продолжения его. Электроприемники этой особой группы трудно поддаются точному определению и выявляются на основе требований технологии с учетом специфики проектируемого объекта. Но нужно делать это очень осмотрительно и не завышать мощность этой группы приемников без особой необходимости.
К числу электроприемников особой группы можно отнести, например, такие, останов которых вызывает нарушение управления сложным технологическим процессом, без чего невозможен безаварийный его останов. К ним относятся электродвигатели задвижек и запорной арматуры, приводы вентиляторов, компрессоров, центробежных насосов, аварийное освещение в некоторых видах химического производства, а также некоторые механизмы доменной печи, некоторые электроприемники производства искусственного волокна, химии и др. Прекращение вентиляции в некоторых производствах может вызвать опасную концентрацию горючих или токсических газов; останов насосов может вызвать пожар или взрыв.
Примеры схем электроснабжения указанных групп приведены в § 1-4.
в) Критерии надежности. Очень трудной задачей является разумное сочетание требований к надежности и экономичности. Основным критерием при определении степени надежности и оптимальной степени резервирования является сопоставление затрат, необходимых для повышения надежности электроснабжения, с величиной вероятного народнохозяйственного ущерба, могущего произойти при перерыве в питании [Л. 2, 32].
Ущерб подразделяется на прямой Уп и дополнительный Уд. В прямой ущерб входят простой рабочей силы, повреждение или выход из строя оборудования, убытки от энергетических потерь и от расстройств или ухудшения технологического процесса, брака продукции, порчи сырья, материалов и т. п. Дополнительным ущербом являются убытки от недовыпуска продукции, вызванного перерывом в питании. Необходимо иметь в виду, что общая величина и отдельные составляющие ущерба зависят от многих факторов, в частности от характера производства. В некоторых случаях убытки сводятся только к простою рабочей силы и недовыпуску продукции, причем последний очень часто может быть восполнен путем использования резервного оборудования, сверхурочной работы, форсировки производства.
Ущерб от недовыпуска продукции должен определяться с учетом особенностей производства, возможностей технологического резервирования и других мероприятий чисто технологического характера, наличия промежуточных складов и емкостей, запаса полуфабрикатов и т. п. Эту составляющую ущерба во многих случаях можно не учитывать. Особо нужно рассматривать электроемкие производства: электролиз, электропечи, крупную электросварку и т. п., в которых электроэнергия является основным технологическим фактором. Необходимо учитывать, что фактический простой производства ta почти всегда больше времени перерыва электроснабжения tэ, так как к нему добавляется время tTex, необходимое для достижения нормальной производительности агрегата, цеха или другого элемента производства, т. е.
tn = ta + t тех-
Величина tTex зависит от технологического процесса и колеблется в очень широких пределах: от 5 мин до 2 ч. Величина ta складывается из времени отключения источника питания и времени, необходимого для восстановления электроснабжения электроприемника после восстановления питания. Существует минимальная продолжительность перерыва питания t0, которая не отражается на работе потребителя.
Величина ущерба, его вероятность и частота очень трудно поддаются более или менее точному определению, тогда как единовременные капитальные затраты денежных средств и материальных ценностей на повышенное резервирование являются совершенно реальными и зачастую дефицитными величинами. Поэтому при технико-экономическом сравнении вариантов электроснабжения с разными объемами резервирования и, следовательно, с принципиально различными величинами ущерба следует иметь в виду, что уменьшение ущерба АУ при варианте с большим резервированием, как правило, должно быть больше дополнительных затрат, связанных с повышенным резервированием, т. е.
АУ>(рАК + АС),
где АК—увеличение единовременных капитальных затрат при варианте с большей степенью резервирования, руб; АС — дополнительные ежегодные издержки при дорогом варианте (на вспомогательные материалы, персонал и т. п.), руб; р — коэффициент, учитывающий все годовые отчисления на дополнительные капитальные вложения, суммарная величина которого ориентировочно может быть принята равной 0,25 (точнее см. § 1-3); ЛУ — уменьшение годового ущерба при варианте с большей степенью резервирования; величина АУ представляет собой разность между предполагаемыми ущербами при вариантах с большей и меньшей степенью резервирования.
В заключение необходимо отметить, что для правильного и оптимального решения вопросов надежности необходимо:
избегать излишеств в резервировании и автоматике, так как чрезмерно большое число аппаратов первичной и вторичной коммутации, кроме удорожания системы, вызывает ее усложнение и сильно затрудняет эксплуатацию без дальнейшего увеличения надежности; целесообразный объем резервирования обусловливается требованиями электроприемников к бесперебойности их питания, а также надежностью самого электрооборудования и кабелей, их ремонтопригодностью и степенью повреждаемости;
тщательно продумывать все «мелочи», так как даже небольшие ошибки в проектах вызывают тяжелые аварии, порчу оборудования и останов производства; так, например, на одном крупном металлургическом заводе произошла тяжелая авария из-за отсутствия весьма несложной блокировки в устройстве АВР, вызвавшего его ложное действие;
знать и изучать технологию и протекание основных производственных процессов в данной отрасли промышленности, а также последствия, вытекающие вследствие прекращения питания;
критически относиться к указаниям технологов в отношении требований к надежности питания;
учитывать степень резервирования в технологической части и наличие параллельных технологических потоков;
прорабатывать систему питания при послеаварийных режимах, предусматривая питание электроприемников, обеспечивающих сокращенную работу предприятий с ограничением мощности или хотя бы поддержание «горячего» резерва, с тем чтобы после восстановления нормального питания можно было быстрее и легче возобновить работу по заданной производственной программе.