Методика выполнения курсового проекта по теме «Электроснабжение промышленного предприятия»

Система электроснабжения — это кровеносная система любого современного промышленного предприятия. От ее надежности, безопасности и эффективности напрямую зависит стабильность технологических процессов, качество выпускаемой продукции и безопасность персонала. Курсовой проект по этой дисциплине является не просто набором расчетов, а комплексной инженерной задачей, в ходе которой студент должен продемонстрировать умение применять теоретические знания на практике. Его основная цель — освоить методику проектирования, научиться работать с нормативной документацией и принимать обоснованные технические решения.

В этом руководстве мы пошагово разберем все этапы выполнения курсовой работы. В качестве учебного полигона будет использован сквозной пример — проектирование системы электроснабжения для шлифовального цеха. Это позволит не просто изучить формулы, но и увидеть логику их применения на конкретном объекте. Все расчеты и выборы оборудования будут опираться на ключевые нормативные документы, такие как:

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ);
• Отраслевые нормы технологического проектирования (НТП);
• Государственные стандарты (ГОСТы) и своды правил (СП).

Теперь, когда цели и задачи ясны, необходимо собрать и проанализировать исходные данные, которые станут фундаментом для всех дальнейших расчетов.

1. Анализируем исходные данные и характеризуем объект

Первый шаг в любом проектировании — это глубокое понимание объекта. Для нашего примера, шлифовального цеха, мы имеем дело с производственным помещением, где протекает технологический процесс, связанный с металлообработкой. Это определяет специфику нагрузок: наличие мощных асинхронных двигателей, высокие требования к качеству электроэнергии и необходимость обеспечения бесперебойной работы ключевого оборудования.

Работа с исходными данными начинается с изучения генерального плана цеха. Этот документ позволяет «прочитать» объект: увидеть расположение станков, вспомогательного оборудования (вентиляции, освещения), трассы прокладки будущих кабельных линий и местоположение цеховой трансформаторной подстанции. Главная задача на этом этапе — сгруппировать электроприемники по технологическому признаку и месту расположения.

Далее следует ключевой этап анализа — определение категории надежности электроснабжения для каждого потребителя. Согласно ПУЭ, потребители делятся на три категории:

1. I категория: Электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего оборудования или массовый брак продукции. В условиях шлифовального цеха к этой категории могут относиться, например, системы аварийной вентиляции или пожаротушения.
2. II категория: Потребители, перерыв в питании которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям рабочих и механизмов. Большинство технологического оборудования цеха (шлифовальные станки) будет относиться именно к этой категории.
3. III категория: Все остальные электроприемники, не подпадающие под первые две категории. Это, как правило, вспомогательные системы, некритичные для основного технологического процесса, например, освещение бытовых помещений.

Обоснованное присвоение категорий формирует главные требования к будущей системе электроснабжения. Для потребителей I и II категорий необходимо предусматривать резервные источники питания. После того как мы поняли, что и с какой степенью надежности нужно запитать, следующим логическим шагом будет определение количества необходимой электроэнергии.

2. Осваиваем методику расчета электрических нагрузок

Расчет электрических нагрузок — это основа, на которой строятся все последующие проектные решения: от выбора мощности трансформаторов до сечения кабелей. Важно понимать физический смысл мощностей: активная мощность (P, кВт) совершает полезную работу, реактивная мощность (Q, квар) создает электромагнитные поля, необходимые для работы двигателей, а полная мощность (S, кВА) является их геометрической суммой и определяет нагрузку на трансформаторы и кабели.

В курсовом проектировании наиболее распространенным является метод коэффициента спроса. Он достаточно прост и дает приемлемую для учебных целей точность. Рассмотрим алгоритм расчета на примере группы шлифовальных станков.

1. Сбор исходных данных: Из паспортных данных каждого станка выписывается его номинальная (установленная) мощность (Рном).
2. Определение коэффициентов: Для группы однотипного оборудования по справочным таблицам определяются коэффициент использования (Ки) и коэффициент спроса (Кс). Ки показывает, насколько в среднем загружен двигатель, а Кс — какова вероятность одновременной работы всех станков группы.
3. Расчет активной нагрузки: Расчетная активная мощность группы (Рр) определяется по формуле: Pр = Кс * ΣРном, где ΣРном — суммарная номинальная мощность всех станков в группе.
4. Расчет реактивной нагрузки: Сначала находится средневзвешенный коэффициент мощности (cosφ) для группы, затем по нему — tgφ. Расчетная реактивная мощность (Qр) вычисляется как: Qр = Pр * tgφ.
5. Расчет полной нагрузки: Полная мощность (Sр) находится по теореме Пифагора: Sр = √(Pр² + Qр²).

Этот расчет необходимо провести для каждой группы технологического оборудования. Отдельно рассчитываются нагрузки вспомогательных систем — освещения (рабочего и аварийного) и вентиляции. Все полученные данные сводятся в итоговую таблицу нагрузок, где указываются суммарные расчетные значения P, Q и S для всего цеха. Эта таблица является главным документом для перехода к следующему этапу.

Зная, какая мощность требуется нашему цеху, мы можем приступить к выбору сердца системы электроснабжения — силовых трансформаторов цеховой подстанции.

3. Как грамотно выбрать число и мощность трансформаторов

Цеховая трансформаторная подстанция (ТП) или комплектная трансформаторная подстанция (КТП) служит для понижения высокого напряжения (обычно 6 или 10 кВ) до потребительского уровня 0.4 кВ. Выбор ее ключевых элементов — силовых трансформаторов — должен быть тщательно обоснован.

Первый вопрос, на который нужно ответить: сколько трансформаторов устанавливать? Ответ напрямую зависит от определенной ранее категории надежности потребителей:

• Если в цехе есть потребители I или II категории, необходимо установить два трансформатора. В нормальном режиме они работают параллельно, а в случае аварии одного из них второй принимает на себя наиболее ответственную нагрузку.
• Если все потребители относятся к III категории, достаточно установки одного трансформатора.

Для нашего шлифовального цеха, где основное оборудование относится ко II категории, мы выбираем двухтрансформаторную подстанцию.

Далее следует пошаговый расчет мощности. Номинальная мощность каждого из двух трансформаторов (Sном.тр) должна быть больше половины расчетной нагрузки цеха (Sр.цеха), но при этом удовлетворять условию послеаварийного режима. Важнейшим параметром здесь является коэффициент загрузки (Кзаг). Для обеспечения долговечности и экономичности он не должен быть слишком низким (недоиспользование) или слишком высоким (перегрузка). Оптимальные значения Кзаг в нормальном режиме зависят от категории потребителей:

• Для двухтрансформаторных ТП с потребителями I категории: 0.6 — 0.7
• Для двухтрансформаторных ТП с потребителями II категории: 0.7 — 0.8

Предположим, расчетная нагрузка нашего цеха составила 800 кВА. При выборе двух трансформаторов по 630 кВА каждый, суммарная мощность составит 1260 кВА. Коэффициент загрузки будет 800 / 1260 ≈ 0.63, что является хорошим показателем для II категории. В случае аварии одного трансформатора, на втором останется нагрузка, которую он сможет выдержать (с учетом допустимых перегрузок). Выбор двух трансформаторов по 1000 кВА был бы экономически неоправданным из-за их низкой загрузки в нормальном режиме.

Таким образом, после сравнения нескольких стандартных вариантов (например, 630 кВА, 1000 кВА) выбирается наиболее оптимальный с технико-экономической точки зрения. Мы определили источник питания для цеха. Теперь необходимо спроектировать распределительную сеть, которая доставит энергию от подстанции к каждому потребителю.

4. Проектируем схему и рассчитываем элементы распределительной сети

Проектирование распределительной сети начинается с разработки однолинейной схемы электроснабжения. Это главный чертеж, который графически отображает всю структуру: от вводов на шины 0.4 кВ трансформаторной подстанции до каждого распределительного щита и конечного потребителя (станка, светильника). На схеме указываются выбранные трансформаторы, кабели, а также аппараты защиты.

Ключевая задача на этом этапе — выбор сечений кабелей и проводов для всех питающих линий (фидеров). Основным методом расчета является выбор сечения по длительно допустимому току. Алгоритм прост: зная расчетную мощность, потребляемую группой оборудования (например, группой из трех станков), вычисляется их расчетный ток. Затем по справочным таблицам из ПУЭ подбирается стандартное сечение кабеля, длительно допустимый ток которого должен быть больше или равен расчетному. При этом необходимо учитывать поправочные коэффициенты, зависящие от условий прокладки (в воздухе, в земле, количество кабелей в пучке).

Однако просто выбрать кабель по нагреву недостаточно. Необходимо убедиться, что напряжение у самого удаленного потребителя в линии не упадет ниже допустимого предела. Для этого выполняется проверочный расчет по потере напряжения (ΔU). Потери напряжения в сети до 1000 В не должны превышать 4-5% от номинального. Если расчет показывает, что падение напряжения больше, необходимо выбрать кабель следующего, большего сечения и повторить проверку. Это гарантирует качество электроэнергии и нормальную работу электродвигателей.

Вся работа по выбору кабельной продукции ведется с использованием справочников, где приведены подробные таблицы с характеристиками различных марок кабелей (АВВГ, ВВГ, КГ и др.). Сеть спроектирована для работы в нормальном режиме. Но любая система должна быть готова к аварийным ситуациям, поэтому следующим шагом является расчет токов короткого замыкания.

5. Выполняем расчет токов короткого замыкания

Короткое замыкание (КЗ) — это одно из самых опасных аварийных явлений в электроустановках. Токи, возникающие при КЗ, могут в десятки раз превышать номинальные, вызывая термические и электродинамические разрушения оборудования. Цель этого расчета — определить ожидаемые значения токов КЗ в ключевых точках спроектированной схемы, чтобы на их основе грамотно выбрать защитную аппаратуру.

Расчетными точками обычно являются:

• Шины 0.4 кВ трансформаторной подстанции.
• Вводы в главные распределительные щиты цеха.
• Выводы на мощные одиночные электроприемники.

Для выполнения расчета реальная электрическая схема преобразуется в схему замещения. В ней все элементы (система, трансформатор, кабели, воздушные линии) заменяются их эквивалентными сопротивлениями (активными и реактивными). Суммируя эти сопротивления от источника питания до точки КЗ, мы получаем полное сопротивление цепи короткого замыкания. Зная это сопротивление, можно рассчитать ток трехфазного короткого замыкания по закону Ома.

Расчет ведется пошагово: сначала определяется сопротивление энергосистемы, затем к нему прибавляется сопротивление выбранного нами трансформатора, далее — сопротивление кабельной линии от ТП до распределительного щита и так далее до точки КЗ.

В ходе расчета определяются несколько ключевых параметров тока КЗ, в первую очередь — ударный ток (максимальное мгновенное значение) и периодическая составляющая установившегося тока. Эти значения являются критически важными, поскольку именно по ним будет проверяться коммутационная аппаратура (автоматические выключатели) на способность выдержать и отключить аварию. Имея на руках значения токов нормального режима и аварийных токов КЗ, мы можем перейти к финальному этапу проектирования силовой части — выбору аппаратов защиты.

6. Подбираем аппаратуру защиты и управления

Аппараты защиты — это «солдаты» нашей системы электроснабжения, которые должны мгновенно реагировать на любую нештатную ситуацию. Их главные функции — это защита линий и электрооборудования от перегрузки (небольшого, но длительного превышения тока) и от короткого замыкания (мгновенного многократного скачка тока).

В современных сетях до 1000 В в качестве аппаратов защиты преимущественно используются автоматические выключатели. Методика их выбора включает несколько проверок:

1. Выбор по номинальному току: Номинальный ток расцепителя автомата должен быть больше или равен расчетному току нагрузки линии, которую он защищает.
2. Проверка по отключающей способности: Наибольший ток КЗ, который способен отключить автомат, должен быть больше, чем расчетный ток КЗ в точке его установки. Если это условие не выполняется, автомат будет разрушен при первой же серьезной аварии.
3. Проверка на чувствительность к перегрузке и КЗ: Автомат должен надежно срабатывать как при небольших перегрузках, так и при минимально возможных токах КЗ (например, в конце длинной линии).

Особое внимание уделяется обеспечению селективности (избирательности) защиты. Это означает, что при КЗ на отходящей линии (например, к одному станку) должен сработать только автомат этой линии, а не вводной автомат всего цеха. Это достигается правильным подбором номиналов и характеристик срабатывания автоматов на разных уровнях иерархии (ввод в цех -> ввод в щит -> отходящая линия). Силовая часть проекта завершена. Теперь необходимо уделить внимание не менее важной системе — электрическому освещению.

7. Разрабатываем систему электрического освещения цеха

Проектирование промышленного освещения — задача, требующая соблюдения санитарных норм и правил для создания комфортных и безопасных условий труда. Первым шагом является определение нормируемой освещенности для шлифовального цеха согласно отраслевым нормативным документам (например, СНиП или СП). Этот показатель измеряется в люксах (лк).

Далее, исходя из условий производственной среды (наличие пыли, влаги), выбирается тип светильников. Для промышленных помещений, как правило, применяют светильники с высокой степенью защиты от пыли и влаги (IP54 и выше). Тип источника света (светодиодный, люминесцентный) выбирается исходя из требований к цветопередаче и энергоэффективности.

Расчет необходимого количества светильников чаще всего производится методом коэффициента использования светового потока. Этот метод учитывает световой поток одной лампы, размеры помещения, цвет стен и потолка, а также высоту подвеса светильников. По результатам расчета определяется общее число светильников, необходимое для достижения нормируемой освещенности.

После этого разрабатывается план их рационального расположения, чтобы обеспечить равномерное освещение рабочих поверхностей без слепящего эффекта. Все светильники разбиваются на группы, каждая из которых подключается к отдельному автомату в щитке освещения (ЩО). На последнем этапе рассчитывается суммарная нагрузка на сеть освещения, и по ней выбираются сечения питающих кабелей и номиналы защитных автоматов для ЩО. Мы спроектировали все основные системы. Последний инженерный расчет, обеспечивающий безопасность персонала, — это расчет заземляющего устройства.

8. Проектируем заземляющее устройство для электроустановки

Защитное заземление (ЗУ) предназначено для обеспечения электробезопасности людей. Его задача — при пробое изоляции на корпус электрооборудования создать цепь с малым сопротивлением, что приведет к протеканию большого тока и, как следствие, к срабатыванию аппарата защиты, отключающего поврежденный участок. Главный нормативный параметр для ЗУ в установках до 1000 В — его сопротивление растеканию тока, которое, согласно ПУЭ, не должно превышать 4 Ом.

Конструктивно заземляющее устройство чаще всего выполняют в виде замкнутого контура из горизонтальной стальной полосы, к которой приварены вертикальные стальные стержни (электроды), забитые в землю.

Расчет ЗУ сводится к определению необходимого количества вертикальных заземлителей для достижения нормируемого сопротивления. Расчет является пошаговым и учитывает несколько ключевых факторов:

• Удельное сопротивление грунта (ρ): Это основной параметр, зависящий от типа почвы (глина, песок, суглинок) и ее влажности. Он берется из справочных таблиц.
• Размеры заземлителей: Длина и диаметр вертикальных стержней, сечение горизонтальной полосы.
• Коэффициент использования: Этот коэффициент учитывает взаимное экранирование стержней — чем ближе они расположены друг к другу, тем менее эффективно работает каждый из них.

По результатам расчета определяется необходимое количество стержней, и на плане изображается схема их расположения вокруг объекта (например, по периметру цеховой подстанции). Все инженерные расчеты выполнены. Финальный этап — это грамотное оформление результатов нашей работы в виде пояснительной записки и графических материалов.

Заключение и оформление работы

В результате проделанной работы был выполнен комплексный проект системы электроснабжения шлифовального цеха. В заключении курсового проекта необходимо кратко перечислить основные результаты: была рассчитана суммарная электрическая нагрузка, которая составила (например) 800 кВА; на ее основе для цеховой подстанции выбраны два трансформатора мощностью по 630 кВА каждый; спроектирована распределительная сеть 0.4 кВ с выбором сечений кабелей и аппаратов защиты, обеспечивающих надежную и безопасную работу; рассчитаны токи короткого замыкания; разработаны системы рабочего освещения и защитного заземления.

Основной вывод, который следует сделать: спроектированная система электроснабжения полностью отвечает требованиям по надежности (для II категории), электробезопасности и экономичности, что подтверждено выполненными расчетами.

Результаты работы оформляются в виде пояснительной записки и графической части. Структура пояснительной записки должна соответствовать академическим требованиям:

1. Титульный лист
2. Задание на курсовой проект
3. Содержание
4. Введение
5. Основная часть (со всеми разделами расчетов, которые мы рассмотрели)
6. Заключение
7. Список использованной литературы
8. Приложения (при необходимости)

Графическая часть обычно включает следующие чертежи:

• План расположения силового оборудования и электрических сетей.
• Однолинейная принципиальная схема электроснабжения цеха.
• План сети электрического освещения.

Список использованной литературы

1. Алиев И.И. «Справочник по электротехнике и электрооборудованию» М.: В.Ш., 2012.
2. Киреев Э.А «Электроснабжение промышленных предприятий» М.:, 2011.
3. Кисаримов Р.А «Справочник электрика» М.: РадиоСофт, 2012.
4. Кужеков С.Л «Практическое пособие по электрическим сетям и оборудованию» Ростов – на – Дону.:Феникс, 2010.
5. Перетокин С.Б «Методические указания, проектирования, расчет и искусственное освещение» Омск.: МГУТУ, 2013,
6. Шеховцов В.П. «Расчет и проектирование систем электроснабжения» М.: Форум – Инфра, 2013.