Глава третья.
РАСЧЕТЫ В ПРОЕКТАХ СЕТЕЙ.
3-1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАСЧЕТОВ.
В процессе проектирования инженер создает модель устройства или сооружения. Чаще всего такой моделью является проект, состоящий из комплекта схем, чертежей, таблиц и описаний, включая вспомогательные материалы в виде спецификаций оборудования и материалов, сметы. Моделью может быть макет, построенный в определенном масштабе.
Процесс проектирования обычно состоит из многих последовательных этапов и, как правило, является итеративным.
Вначале на основе логического анализа и обработки исходных данных создаются несколько предположений о возможных вариантах построения схемы сети электроснабжения. При этом проектировщик руководствуется своей интуицией и опытом, накопленным в проектной организации.
Для оценки этих предположений делаются некоторые расчеты, носящие предварительный характер, например, расчет ожидаемых электрических нагрузок отдельных крупных технологических агрегатов, цехов и предприятия в целом. На этом этапе проектирования расчеты нагрузок выполняются на основании статистических сведений об удельных расходах электроэнергии на единицу продукции.
На основе данных о длине линий электропередачи, кабелей или токопроводов и их пропускной способности при различных напряжениях намечаются возможные номинальные напряжения проектируемой сети. Определяется возможное количество и мощности трансформаторов, намечаются схемы распределительных устройств и варианты их размещения на предприятии.
На основе этих предварительных расчетов из первоначальных предположений выбирается несколько вариантов схем и конфигурации сети, намечаются способы конструктивного исполнения основных устройств.
Выбранные варианты сравниваются между собой на основе технико-экономических расчетов. Вариант, имеющий наиболее благоприятные технико-экономические показатели, принимается для детального изучения и дальнейшего проектирования.
Таким образом, основной задачей расчетов является нахождение оптимального проектного решения, отвечающего требованиям технологического процесса проектируемого предприятия при наименьших затратах на сооружение и эксплуатацию системы электроснабжения.
Для решения поставленных задач выполняются следующие проектные работы: расчеты нагрузок; выбор номинальных напряжений сети; определение количества и мощности трансформаторов главных понизительных подстанций; выбор места расположения главных понизительных подстанций на генплане предприятия; определение мощностей и размещение цеховых подстанций; выбор конфигурации сетей; расчет токов короткого замыкания; выбор коммутационной аппаратуры, изоляторов и проводников; определение потерь, отклонений и колебаний напряжения, выбор способов регулирования напряжения; решение вопросов компенсации реактивной мощности; разработка и размещение устройств противоаварийной сетевой автоматики; определение мер пожарной безопасности в кабельных сооружениях и на подстанциях; молниезащита линий и сооружений сетевого хозяйства предприятия.
В соответствии с основными техническими решениями, принятыми на основании расчетов, производится детальная конструктивная разработка сетевых устройств, разрабатываются чертежи-задания на проектирование строительной части сетевых сооружений.
3-2. РАСЧЕТЫ НАГРУЗОК.
Результаты расчетов нагрузок являются исходными материалами для всего последующего проектирования.
Целью расчетов является прогнозирование графика и определение расчетной нагрузки с помощью теоретических методов и опытных данных по аналогичным производствам, и на основе изучения влияния технологии производства на характер электрических нагрузок.
Расчетной нагрузкой Рр называется такая неизменная во времени нагрузка, которая вызывает такой же перегрев проводников над окружающей температурой или тепловой износ изоляции, как и реальная переменная во времени нагрузка.
Важное значение при проектировании сетей электроснабжения имеют и такие характеристики графиков нагрузки, как величина и повторяемость возникновения пиков и провалов, выходящих за уровни расчетных нагрузок, вызывающих колебания напряжения и частоты переменного тока, а также перегрузки сетевых устройств.
При проектировании промышленных сетей расчетные нагрузки определяются обычно по группам различных электроприемников, получающих питание от распределительных устройств и понизительных трансформаторов.
Исходной базой для определения расчетной нагрузки групп электроприемников является установленная мощность — сумма номинальных мощностей всех электроприемников группы и график изменения их нагрузки за один цикл технологического процесса. Если все электроприемники группы связаны между собой единым технологическим процессом и нагрузки за цикл каждого технологического процесса могут быть рассчитаны (поточное, автоматизированное производство), то в этих случаях строится суммарный график нагрузки, на основе которого и определяется расчетная нагрузка. В большинстве случаев, когда невозможно заранее установить закономерность изменения нагрузки отдельных электроприемников или электроприемники группы обслуживают независимые друг от друга технологические процессы (например, отдельные станки), применяются теоретические методы расчета.
Оценка нагрузки необходима на первых этапах проектирования. Практически необходимо по возможности просто, с погрешностью ±15%, определить среднюю нагрузку цеха или предприятия за наиболее загруженную смену Рсм.
Для этой цели необходимо иметь данные о годовом производстве продукции М, знать годовое число работы Тг, удельный расход электроэнергии па единицу продукции w0 и располагать сведениями об организации работы предприятия по сменам и в течение года.
Сведения о количестве продукции, годовом числе часов работы и организации производства по сменам и в течение года определяются в технологической части проекта. Удельные расходы электроэнергии на единицу продукции могут быть определены на основании анализа статистических данных по отдельным отраслям промышленности.
Средние значения активной Рсм и реактивной Qсм нагрузок за наиболее загруженную смену определяются по формулам
где Рсг и Qcr — среднегодовые активная и реактивная нагрузки; а — годовой коэффициент энергоиспользования, учитывающий неравномерность работы по сменам, сезонные колебания нагрузки, изменения энергопотребления в предпраздничные и праздничные дни.
Для некоторых предприятий, работающих в три смены, приближенные значения коэффициента а следующие:
Алюминиевые заводы 0,95
Цинковые и магниевые, электролизные заводы 0,92
Глиноземные заводы ... 0,85
Заводы черной металлургии .. 0,70—0,75
доменные цехи .. 0,70
прокатные цехи 0,65
Обогатительные и агломерационные фабрики 0,75
Коксохимические производства ... 0,82
Вспомогательные цехи заводов черной и цветной металлургии 0,55
Заводы тяжелого машиностроения ... 0,65
Среднегодовые активная Рсг и реактивная Qсг нагрузки определяются на основе годовых расходов активной Wсг и реактивной Vг энергии по формулам
где Тг— годовое число часов работы.
Величина Тг зависит от организации работы по сменам и в течение года. Для непрерывных производств Тг определяется расчетом с учетом остановок агрегатов на ремонт. Для агрегатов с многолетними периодами работы без ремонтов Тг может быть принято в пределах 7900—8200 ч.
Для производств, работающих в одну, две или три смены и при этом не работающих в еженедельные выходные и праздничные дни, величины Тг могут быть приняты по табл. 3-1.
Таблица 3-1
Годовое число часов работы
Годовые расходы активной и реактивной 14 энергии могут быть определены из выражений
где М — годовое количество единиц продукции; — удельный расход электроэнергии на единицу продукции; tgφ — тангенс угла, соответствующий коэффициенту мощности нагрузки Рсг.
Расчет нагрузок по удельным расходам электроэнергии может производиться, когда индивидуальные или объединенные в группы электроприемники имеют неизменную нагрузку на протяжении всей наиболее загруженной смены. При этом расчетная нагрузка, совпадающая в этом случае со средней за наиболее загруженную смену, определяется на основе опытно-статистических данных о расходе электроэнергии на производство единицы продукции. К таким электроприемникам могут быть отнесены, например, преобразовательные агрегаты для питания электролизных установок, конвейеры для непрерывной подачи материалов на дробильных или обогатительных фабриках, шаровые мельницы для измельчения угля, руды и тому подобных материалов и другие.
В этих случаях расчетная нагрузка определяется по формуле
(3-7)
где Мсм — количество единиц продукции, т, шт. и т. п., производимое за наиболее загруженную смену; w0 — удельный расход электроэнергии на единицу продукции, кВт-ч на единицу продукции;
Тц — продолжительность смены (цикла), ч; Рсм — средняя нагрузка за наиболее загруженную смену, кВт.
Метод расчета по технологическому графику может дать достаточно точные результаты в случае автоматизированных, строго ритмичных поточных производств. В этих случаях индивидуальные и групповые графики нагрузки носят периодический характер с определенной продолжительностью цикла.
При использовании метода технологического графика необходимо сложить ординаты графиков нагрузки всех электроприемников, наложенных с известным относительно Друг друга сдвигом во времени.
Для нахождения расчетной нагрузки определяется максимальная средняя нагрузка по графику за интервал времени 30 мин. Этот 30-минутный интервал на графике, соответствующий максимуму средней нагрузки, можно, например, найти, перемещая вдоль оси времени построенного графика прозрачную координатную сетку с двумя вертикальными линиями, нанесенными с интервалом, соответствующим 30 мин (рис. 3-1).
При отсутствии известных заранее графиков прибегают к расчетам нагрузки, пользуясь различными методами, использующими определенные показатели графиков. Графики и расчетные нагрузки могут быть связаны между собой некоторыми коэффициентами, в той или иной степени отражающими фактические нагрузки и их характер.
Наиболее распространенными коэффициентами при расчетах нагрузок являются коэффициенты спроса, максимума и использования нагрузки.
Коэффициент спроса Ко связывает расчетную нагрузку Рр непосредственно с номинальной мощностью электроприемников
(3-8)
Поскольку расчетная нагрузка определяется количеством электроприемников и характером их графиков нагрузки, коэффициент спроса не может полноценно характеризовать особенности этих различных в общем случае графиков. Только при достаточно большом количестве электроприемников, однотипных по характеру графиков, коэффициент спроса может с достаточной степенью точности служить для определения расчетной нагрузки.
Расчет по коэффициентам спроса практически может применяться при наличии пяти-шести и более однотипных по режиму работы электроприемников (например, металлорежущие или ткацкие станки, подъемные краны, сварочные аппараты и т. п.).
Коэффициент спроса является величиной, которая определяется в результате обследования действующих предприятий, которое должно проводиться по отдельным характерным группам электроприемников для различных технологических установок.
На основании обработанных данных обследований приводятся рекомендуемые коэффициенты спроса для различных групп электроприемников (табл. 2-2 [1-6]), Развитие автоматизации производства и повышение эффективности использования технологического оборудования приводят к росту коэффициентов спроса, т. е. к росту нагрузок предприятий при неизменных номинальных мощностях электроприемников. Необходимо систематически вести наблюдения за ростом нагрузок и вносить коррективы в значения коэффициентов спроса.
Коэффициент максимума нагрузки характеризует превышение расчетной нагрузки Рр над средней Рсм за наиболее загруженную смену или цикл производства:
(3-9)
Коэффициент максимума нагрузки является важным показателем графика нагрузки, определяющим связь между средней и расчетной нагрузками; может быть равным или больше единицы. Коэффициент максимума зависит от количества электроприемников в данной группе и коэффициента использования (табл. 2-7, с. 51 [1-6]).
Коэффициент использования Ки является основным показателем графика нагрузки и характеризует связь между номинальной мощностью электроприемников и ожидаемой нагрузкой, создаваемой этими электроприемниками в наиболее загруженную смену или за наиболее загруженный цикл производства:
(3-10)
Коэффициент использования определяется непосредственно опытным путем, по показаниям счетчиков электроэнергии и паспортным данным электроприемников. Так же, как и коэффициент спроса, этот коэффициент может расти при повышении степени использования электроприемников, и поэтому необходимо систематически вести обследования действующих предприятий с целью уточнения расчетных коэффициентов для отдельных групп электроприемников. Значения Ки приведены в справочной литературе (табл. 2-2, [1-6]).
Следует обратить внимание на взаимную связь основных коэффициентов, характеризующих графики нагрузок, а именно:
Все методы расчетов нагрузок, имеющих практическое применение, сводятся к методам определения приведенных выше коэффициентов.
Наиболее естественными и отвечающими физической сущности электрических нагрузок являются методы, использующие вероятностный подход к решению задачи.
Метод упорядоченных диаграмм, рекомендованный «Руководящими указаниями по определению электрических нагрузок промышленных предприятий», относится к числу методов, использующих математические методы теории вероятностей. Для метода упорядоченных диаграмм характерно установление приближенной связи расчетной нагрузки Рр с показателями режима работы электроприемников.
Метод упорядоченных диаграмм позволяет наиболее точно и сравнительно быстро рассчитывать нагрузки.
Подробное изложение метода упорядоченных диаграмм приведено в [3-1 и 1-6].
В основе этого метода лежит установленная аналитическим путем и проверенная на практике зависимость коэффициента спроса Кс от основных показателей режима работы отдельных независимых электроприемников и от их эффективного числа nэф.
Под эффективным числом электроприемников nэф подразумевается
(3-11)
где Ра — сумма номинальных мощностей всех электроприемников, входящих в расчетный узел (агрегат, часть цеха, цех и т. п.); рн.г — сумма номинальных мощностей электроприемников одной группы; т — количество групп электроприемников.
Если все электроприемники имеют одинаковую мощность рн, то эффективное число электроприемников nэф будет равно их действительному числу п:
(3-11а)
поэтому эффективное число электроприемников nэф есть число равных по мощности электроприемников с определенным режимом работы, которые при той же суммарной номинальной мощности Ра имеют упорядоченную диаграмму, одинаковую с диаграммой реальных электроприемников. Число nэф в общем случае меньше п, кроме случая одинаковых по мощности электроприемников, т. е. pн.г=const, когда nэф=n.
Опыт применения метода упорядоченных диаграмм показывает, что вычисление nэф при большом числе и разнообразии электроприемников, имеющихся на промышленных предприятиях, вызывает затруднения ввиду недостаточности исходных данных и громоздкости вычислений.
Практические расчеты нагрузок по методу упорядоченных диаграмм выполняются путем нахождения средних нагрузок за максимально загруженную смену Рсм, а затем по последним определяются получасовые максимумы Рм, которые и являются расчетными нагрузками для выбора проводников сетей и мощностей трансформаторов.
Средние нагрузки Рсм по характерным группам электроприемников подсчитываются путем умножения суммарной установленной мощности Рн данной группы (приведенной к ПВ=100%) на коэффициент использования Ки:
(3-14)
Величины Ки и Кс приведены в табл. 2-2 [1-6].
Расчетные нагрузки определяются по 3-13.
Для электроприемников мощностью более 200— 250 кВт вычисленные величины Рм, расчетные коэффициенты и Ки или Кс=КиKм должны быть уточнены путем анализа заданного технологического режима работы с точки зрения электрических нагрузок.
Результаты расчетов нагрузок должны быть сопоставлены с нагрузками, полученными на основании данных об удельных расходах электроэнергии на аналогичных предприятиях. В случае значительных расхождений нагрузок, полученных по различным методам расчетов, следует выяснить причины этих расхождений и внести коррективы.
При проектировании новых крупных предприятий следует произвести дополнительные обследования нагрузок на аналогичных установках и уточнить расчетные коэффициенты.
Практические расчеты нагрузок выполняются при помощи расчетных таблиц [1-6].
Расчетная нагрузка Рр=Рм представляет собой возможный максимум, который может быть превзойден в редких случаях. Поэтому выбранные с учетом расчетных нагрузок проводники, аппараты, трансформаторы будут иметь необходимые запасы, обеспечивающие нормальную работу электрической сети в реальных условиях эксплуатации при проектной производительности предприятия.
Определение пиковых нагрузок.
Для расчета сетей, выбора трансформаторов и другого оборудования кроме расчетной нагрузки Рр=Рм необходимо знать максимальные пики нагрузки, создаваемые отдельными мощными электроприемниками (пусковые токи электродвигателей, толчки нагрузки от дуговых электропечей, прокатных двигателей металлургических заводов и т. п.).
Если расчетная нагрузка определяется как максимум средней или эффективной нагрузки за интервал времени 30 мин, то пиковая нагрузка определяется как максимум за некоторый малый интервал времени.
Выбор интервала времени, к которому относится понятие пика, определяется конкретными условиями поставленной задачи. Например, для оценки влияния графика нагрузки на колебание освещенности от ламп накаливания необходимо определить пики нагрузки за интервал 1—2 с. Для оценки потери напряжения на выводах машины для точечной сварки может потребоваться значение пика нагрузки за интервал менее 1 с.
Пики характеризуются частотой повторения, крутизной нарастания и спада, а также абсолютным значением превышения над средней нагрузкой.
Значения пиков нагрузки принимаются за основу в расчетах колебаний напряжения, выбора устройств и уставок защиты, при проверке электрических сетей по условиям самозапуска электродвигателей после глубоких посадок напряжения, имеющих место при коротких замыканиях.
Пиковые нагрузки, создаваемые электродвигателями при пуске, определяются пиковым током. Для электродвигателей, работающих с отстающим током, пиковый ток, может быть определен как арифметическая сумма наибольшего пускового тока ίп.м и тока Iм максимальной получасовой нагрузки, уменьшенного на значение номинального тока Iн.м электродвигателя, имеющего наибольший пусковой ток, с коэффициентом принятым в расчете нагрузок для этого механизма:
(3-15)
Когда в группе электроприемников имеются относительно мощные синхронные двигатели, работающие
с опережающим или отстающим током, или когда число электроприемников в группе мало и их установленные мощности значительно отличаются друг от друга, определение пикового тока следует вести по формуле
(3-16)
где
суммарные средние активные и реактивные нагрузки всех электроприемников в наиболее загруженную смену; рсм и qсм —средняя нагрузка (активная и реактивная) пускаемого двигателя в наиболее загруженную смену. Знак считается положительным при работе с отстающим током и отрицательным при опережающем токе; К'м — коэффициент максимума для группы электроприемников без пускаемого двигателя; в большинстве случаев может быть принят равным Кк, найденному для всей рассчитываемой группы электроприемников.
Пиковые токи определяются специальными расчетами, когда в состав группы электроприемников входят мощные приемники с ударными нагрузками (безмаховичные агрегаты или ионные преобразователи для главных приводов прокатных станов, мощные дуговые электропечи и т. п.), а также при расчете самозапуска электродвигателей [3-2].
Пиковые токи отдельных электроприемников определяют по заводским данным электродвигателей (кратность пускового тока), по напряжениям короткого замыкания трансформаторов для дуговых печей и т. д.
