Основные этапы проектирования системы электроснабжения на примере завода черной металлургии

Введение в проектирование

Курсовое проектирование системы электроснабжения — это комплексная инженерная задача, цель которой — разработать надежную, безопасную и экономически эффективную систему для конкретного объекта. В данном руководстве мы пошагово разберем все этапы выполнения такой работы на примере завода черной металлургии. Выбор этого объекта неслучаен: металлургические предприятия относятся к наиболее сложным и энергоемким потребителям, что делает их проектирование особенно интересной задачей. Проектирование здесь требует глубокого учета как технологического назначения, так и колоссальной электрической мощности предприятия.

Эта статья задумана как детальная «дорожная карта» для студента. Мы последовательно пройдем все ключевые этапы, которые необходимо отразить в курсовой работе:

• Анализ исходных данных и специфики объекта.
• Расчет электрических нагрузок — фундамент всего проекта.
• Выбор и обоснование принципиальной схемы электроснабжения.
• Технико-экономический расчет числа и мощности трансформаторных подстанций.
• Расчет токов короткого замыкания для обеспечения безопасности.
• Выбор конкретного электрооборудования и кабельных сетей.
• Оформление пояснительной записки и графической части проекта.

Теперь, когда общая цель ясна, перейдем к фундаменту любого проекта — тщательному анализу исходных данных и специфики нашего объекта.

Анализ исходных данных и специфика объекта проектирования

Начало любого проекта — это систематизация входной информации. Основой для работы служат технические документы, которые определяют все дальнейшие расчеты. Как правило, в их состав входят:

• Генеральный план предприятия: показывает взаимное расположение цехов, зданий и сооружений, что необходимо для трассировки сетей и размещения подстанций.
• Перечень электроприемников: содержит список всего оборудования с указанием номинальной мощности (Рн), напряжения, режима работы и других характеристик.
• Требования к надежности электроснабжения: определяют, какие потребители к какой категории относятся, что напрямую влияет на выбор схемы.

Завод черной металлургии имеет ряд ключевых особенностей, которые необходимо учесть с самого начала. Для этого типа предприятий характерны очень высокие удельные плотности электрических нагрузок и наличие мощных асинхронных и синхронных электродвигателей, создающих значительные пусковые токи. Большинство потребителей на таком заводе относятся к категориям высокой ответственности:

1. Потребители I категории: Оборудование, перерыв в электроснабжении которого может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный экономический ущерб или нарушение сложных технологических процессов (например, электропечи, насосы системы охлаждения).
2. Потребители II категории: Электроприемники, перерыв в питании которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям рабочих и механизмов (например, большинство станков, конвейеры).

Правильная классификация потребителей — это критически важный шаг, так как именно он определяет требования к резервированию питания и, как следствие, всю структуру будущей системы электроснабжения.

Расчет электрических нагрузок как фундамент всего проекта

Расчет электрических нагрузок — самый ответственный этап проектирования. Любая ошибка, допущенная здесь, неизбежно приведет к неверному выбору сечения кабелей, мощности трансформаторов и номиналов защитных аппаратов. Фактически, от точности этих расчетов зависит техническая корректность и экономическая целесообразность всего проекта. Существует несколько методов определения расчетной нагрузки, каждый из которых имеет свою область применения.

Среди наиболее известных можно выделить:

• Метод упорядоченных диаграмм: Наиболее точный метод, который учитывает графики работы каждого электроприемника. Однако он очень трудоемкий и требует детальной информации о технологическом процессе, что не всегда доступно в рамках курсового проектирования.
• Метод коэффициента максимума: Наиболее распространенный в учебной и инженерной практике метод, обеспечивающий достаточную для большинства случаев точность при меньшей трудоемкости. Он основан на использовании статистических коэффициентов, учитывающих одновременность работы различного оборудования.

В рамках курсовой работы чаще всего используется именно метод коэффициента максимума. Алгоритм его применения для одного цеха или узла нагрузки выглядит следующим образом:

1. Определяется средняя активная (Рсм) и реактивная (Qсм) мощность группы электроприемников за наиболее загруженную смену. Для этого суммируются номинальные мощности всех потребителей, умноженные на их индивидуальные коэффициенты использования (Ки).
2. Вычисляется эффективное число электроприемников (nэ) — условная величина, показывающая, сколько однотипных по мощности и режиму работы потребителей эквивалентны рассматриваемой группе.
3. По значению nэ и суммарному коэффициенту использования (Ки.сум) из справочных таблиц находится коэффициент максимума (Км).
4. Расчетная активная мощность (Рр) определяется как произведение средней мощности на коэффициент максимума (Рр = Км * Рсм).
5. Определяется расчетная реактивная (Qр) и, наконец, полная мощность (Sр), которая и будет использоваться для выбора трансформаторов и кабелей.

Этот расчет выполняется для каждого цеха и для предприятия в целом, формируя основу для всех последующих этапов проектирования.

Проектирование схемы электроснабжения, отвечающей требованиям надежности и экономичности

После того как расчетные нагрузки определены, необходимо разработать «скелет» системы — принципиальную схему электроснабжения. При ее проектировании руководствуются несколькими ключевыми принципами: надежность, экономичность, удобство обслуживания и возможность будущего расширения. Схемы электроснабжения промышленных предприятий строятся по ступенчатому и блочному принципу, что позволяет логически разделить систему на управляемые сегменты.

Существует три основных типа схем:

• Радиальная схема: Каждая подстанция или крупный потребитель получает питание по отдельной, не связанной с другими линии. Это обеспечивает максимальную надежность, так как повреждение на одной линии не влияет на другие. Однако такая схема требует большего расхода кабеля и более сложного распределительного устройства на источнике питания.
• Магистральная схема: Несколько потребителей подключаются к одной общей линии (магистрали). Это более экономичный вариант, но менее надежный — повреждение в начале магистрали приводит к отключению всех последующих потребителей.
• Смешанная схема: Комбинирует элементы радиальной и магистральной схем, что позволяет достичь компромисса между надежностью и стоимостью. Например, питание до распределительных пунктов может быть радиальным, а от них до цеховых ТП — магистральным.

Для завода черной металлургии с преобладанием потребителей I и II категорий надежности наиболее оправданным является применение радиальной или смешанной схемы, так как они обеспечивают необходимый уровень бесперебойности питания.

Типичная иерархия системы электроснабжения такого предприятия выглядит следующим образом: высокое напряжение от энергосистемы подается на ГПП (главную понизительную подстанцию). С ГПП электроэнергия распределяется по РП (распределительным пунктам), а оттуда — на ТП (цеховые трансформаторные подстанции), где напряжение понижается до 0,4 кВ для питания конечных потребителей.

Как правильно выбрать число и мощность цеховых трансформаторных подстанций

Выбор «сердца» цеховой сети — трансформаторной подстанции (ТП) — является ключевой задачей, напрямую связанной с надежностью и экономичностью. Главный вопрос, который здесь решается: сколько трансформаторов устанавливать на одну ТП — один или два? Ответ диктуется категориями надежности потребителей, которых эта ТП питает.

Для потребителей I и II категорий, которые преобладают на металлургическом заводе, стандартом де-факто является установка двухтрансформаторных подстанций. Такая схема обеспечивает необходимое резервирование: в нормальном режиме каждый трансформатор работает независимо, питая свою секцию шин. В случае аварии на одном из трансформаторов или на его питающей линии, специальное устройство автоматического ввода резерва (АВР) мгновенно подключает всех потребителей к оставшемуся в работе трансформатору.

Методика выбора мощности трансформатора для такой подстанции следующая:

1. Берется расчетная нагрузка цеха (Sр), определенная на предыдущем этапе.
2. Мощность каждого из двух трансформаторов (Sном.тр) выбирается такой, чтобы в нормальном режиме он был загружен не более чем на 60-70%. Это делается для того, чтобы в аварийном режиме, когда один трансформатор примет на себя всю нагрузку цеха, его перегрузка не превышала допустимых значений. Таким образом, Sном.тр ≥ Sр / (2 * Кзагр), где Кзагр — рекомендуемый коэффициент загрузки (0,6-0,7).
3. Выбранная мощность округляется до ближайшего стандартного значения по ГОСТ.
4. Важно также заложить определенный запас мощности (10-20%). Это необходимо для покрытия кратковременных пиковых нагрузок и обеспечения возможности подключения нового оборудования в будущем без замены трансформаторов.

Однотрансформаторные подстанции применяются для потребителей III категории или для потребителей II категории, если есть возможность резервирования питания по низковольтным сетям от соседней ТП.

Расчет токов короткого замыкания для обеспечения безопасности и надежности системы

Короткое замыкание (КЗ) — это аварийный режим, при котором ток в сети многократно превышает номинальные значения. Расчет токов КЗ является обязательным этапом проектирования, преследующим две главные цели:

1. Проверка оборудования на стойкость. Огромные токи КЗ создают мощные электродинамические силы, способные механически разрушить шины и аппараты, а также вызывают сильный нагрев, который может расплавить токоведущие части. Расчет позволяет убедиться, что выбранное оборудование (выключатели, кабели, шины) выдержит эти воздействия.
2. Выбор уставок релейной защиты. Чтобы быстро и селективно отключить поврежденный участок, релейная защита должна быть настроена на определенные значения тока. Расчет токов КЗ дает эти значения, позволяя отделить аварийный режим от нормальных рабочих перегрузок.

Хотя детальный расчет сложен, его методология для курсового проекта может быть упрощена до следующего алгоритма:

• Составление схемы замещения. Вся реальная электрическая цепь от энергосистемы до точки КЗ представляется в виде упрощенной схемы, состоящей из активных и индуктивных сопротивлений. В схему включаются сопротивления системы, силовых трансформаторов, реакторов и кабельных линий.
• Определение сопротивлений элементов. Используя справочные данные, вычисляются сопротивления всех элементов, приведенные к одной ступени напряжения.
• Расчет суммарного сопротивления. Определяется полное сопротивление цепи от источника питания до выбранной точки КЗ.
• Вычисление тока КЗ. По закону Ома определяется ток в начальный момент времени (ударный ток, который важен для проверки на электродинамическую стойкость) и установившееся значение тока КЗ (для проверки на термическую стойкость).

Такой расчет необходимо провести для нескольких характерных точек системы: например, на шинах 10 кВ главной понизительной подстанции (ГПП) и на шинах 0,4 кВ самой удаленной цеховой ТП, чтобы оценить максимальные и минимальные возможные значения токов КЗ.

Финальный этап, где расчеты превращаются в спецификацию оборудования

На этом этапе все ранее выполненные расчеты — нагрузок и токов короткого замыкания — находят свое практическое применение. Инженерная работа завершается подбором конкретных марок аппаратов и кабелей, которые будут составлять спроектированную систему. Этот процесс можно разбить на несколько логических шагов.

1. Выбор высоковольтных выключателей (6-10 кВ):
Выбор осуществляется по нескольким ключевым параметрам. Во-первых, номинальное напряжение и номинальный ток аппарата должны быть не ниже, чем в сети. Во-вторых, и это самое главное, его номинальный ток отключения (отключающая способность) должен быть больше, чем расчетное значение тока трехфазного короткого замыкания в точке его установки. Также проверяется электродинамическая и термическая стойкость выключателя.

2. Выбор силовых кабелей:
Алгоритм выбора сечения кабеля двухступенчатый. Сначала сечение выбирается по экономическим соображениям или по длительно допустимому току, который должен быть больше расчетного тока нагрузки линии. Затем выбранное сечение обязательно проверяется по условию термической стойкости при протекании тока короткого замыкания. Если кабель не проходит проверку, выбирается следующее, большее сечение.

3. Выбор прочего оборудования:
Помимо выключателей и кабелей, подбираются и другие важные элементы системы:

• Разъединители: выбираются по номинальному напряжению и току; служат для создания видимого разрыва цепи при ремонтах.
• Измерительные трансформаторы тока и напряжения: необходимы для подключения приборов измерения (амперметров, вольтметров, счетчиков) и устройств релейной защиты.
• Предохранители: используются для защиты линий и оборудования от токов КЗ и перегрузок, в основном в сетях до 1000 В.

В результате этого этапа формируется спецификация оборудования — полный перечень всех элементов системы с указанием их типов и основных характеристик.

Оформление результатов и состав графической части проекта

Завершающий шаг курсовой работы — это грамотное и структурированное представление всех полученных результатов. Пояснительная записка должна не просто содержать расчеты, но и демонстрировать логику принятия инженерных решений. В итоговой части записки следует кратко резюмировать основные результаты. Например: «В результате курсового проекта была спроектирована система электроснабжения для завода черной металлургии с расчетной мощностью ХХ МВт. Система основана на смешанной схеме электроснабжения с применением двухтрансформаторных подстанций для обеспечения надежного питания потребителей I и II категорий».

Неотъемлемой и самой важной частью проекта является графическая часть, которая визуализирует предложенные решения. В ее обязательный состав входят:

• Принципиальная однолинейная схема электроснабжения предприятия. Это главный чертеж, показывающий всю иерархию системы: от точки подключения к энергосистеме через ГПП, РП до цеховых ТП и крупных потребителей. На схеме указываются марки и параметры основного оборудования.
• Генеральный план предприятия. На этом чертеже наносятся расположения цехов, всех спроектированных подстанций и трассы прокладки высоковольтных кабельных сетей (6-10 кВ).
• Схемы отдельных узлов. Для более детального представления могут потребоваться чертежи распределительных устройств, например, план и разрезы камеры КСО (камеры сборной одностороннего обслуживания) или щита низкого напряжения 0,4 кВ.

Все чертежи и пояснительная записка должны быть оформлены в строгом соответствии с требованиями ГОСТ, что является важным критерием оценки работы.

Список использованной литературы

1. Б.Ю. Липкин Электроснабжение промышленных предприятий и установок. Москва. В.Ш.
2. Е.А. Конюхова Электроснабжение объектов ACFDEMAМосква 2006
3. Н.П. Постников, Г.М. Рубашов Электроснабжение промышленных предприятий Москва В.Ш.
4. В.А. Боровиков, В.К. Косарев , Г.А. Ходот Электрические схемы электрических сетей Москва В.Ш
5. Б.А. Князевский, Б.Ю. Липкин Электроснабжение промышленных предприятий и установок Москва В.Ш.
6. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий (под общей редакцией А.А. Фёдорова) Москва. Энергоиздат.
7. Ю.Д. Сибикин, М.Ю. СибикинЭлектробезопасность при эксплуатации электроустановок промышленных предприятий. Москва. В.Ш.
8. И.Е. Цигельман Электроснабжение гражданских зданий и коммунальных предприятий Москва В.Ш.