Курсовая работа по электроснабжению цеха — скачать готовый пример проекта с пояснительной запиской

Надежное и эффективное электроснабжение — это фундамент любого современного промышленного производства. От качества проектирования системы электроснабжения (СЭС) напрямую зависит стабильность технологических процессов, безопасность персонала и экономическая рентабельность предприятия. Ошибки на этом этапе могут привести к простоям, авариям и значительным финансовым потерям.

В данном курсовом проекте детально рассматривается процесс разработки системы электроснабжения для конкретного объекта — ремонтно-механического цеха (РМЦ), входящего в состав крупного металлургического завода в г. Липецк. Назначение цеха — ремонт и настройка выходящих из строя электромеханических приборов, что делает его вспомогательным, но критически важным звеном в производственной цепочке всего предприятия.

Целью курсовой работы является разработка комплексного проекта СЭС для указанного цеха, который бы отвечал всем требованиям надежности, безопасности и экономической целесообразности.

Для достижения поставленной цели в работе последовательно решаются следующие ключевые задачи:

• Анализ технических характеристик объекта и исходных данных для проектирования.
• Расчет электрических нагрузок силового оборудования и освещения.
• Обоснованный выбор принципиальной схемы электроснабжения.
• Выбор и проверка основного оборудования цеховой подстанции: силовых трансформаторов и компенсирующих устройств.
• Расчет токов короткого замыкания (КЗ) для корректного подбора защитной аппаратуры.
• Проектирование питающей и распределительной сети цеха с выбором сечений кабелей.
• Разработка системы релейной защиты и автоматики.
• Проектирование защитного заземления и разработка мер по обеспечению электробезопасности.
• Выполнение технико-экономического обоснования (ТЭО) для подтверждения эффективности проектных решений.

Определив цели и задачи, мы можем перейти к первому шагу — детальному анализу исходных данных и технических требований к проекту.

Глава 1. Как технические характеристики объекта определяют проектные решения

На этом этапе систематизируются все исходные данные и технические требования, которые служат фундаментом для последующих инженерных расчетов. Качественный анализ на старте позволяет избежать ошибок и неоптимальных решений в дальнейшем.

Раздел 1.1. Характеристика объекта

Проектируемый объект — ремонтно-механический цех, расположенный на территории действующего металлургического завода. Его основная функция — ремонт и настройка электромеханических приборов и оборудования для нужд основного производства. Цех работает в двухсменном режиме, что необходимо учитывать при расчете нагрузок и определении графиков работы оборудования.

Раздел 1.2. Технические условия на подключение

Электроснабжение цеха осуществляется от энергосистемы предприятия. Техническими условиями определена точка подключения — главная понизительная подстанция (ГПП) завода. От ГПП электроэнергия подается на цеховую трансформаторную подстанцию. Уровень напряжения на вводе и требования к качеству электроэнергии задаются общей технологической схемой предприятия.

Раздел 1.3. Анализ потребителей электроэнергии

Все электрооборудование цеха (станки, испытательные стенды, освещение, вентиляция) было проанализировано и классифицировано по требованиям к бесперебойности питания. Согласно нормативным документам и анализу технологического процесса, электроприемники цеха относятся ко 2-й и 3-й категориям надежности. Это означает, что часть оборудования допускает перерыв в электроснабжении на время, необходимое для ручного включения резервного питания, а для остального оборудования перерывы не связаны с серьезными экономическими последствиями. Данный фактор является определяющим при выборе схемы электроснабжения.

Собрав и проанализировав все исходные данные, мы получили полную картину о потребностях объекта. Следующий логический шаг — количественно оценить эти потребности через расчет электрических нагрузок.

Глава 2. Расчет и анализ электрических нагрузок как основа проекта

Это центральный расчетный этап всего проекта. Именно от точности определения суммарной расчетной мощности зависит правильность выбора мощности трансформаторов, сечений кабелей и номиналов защитной аппаратуры. Заниженная оценка приведет к перегрузкам и отказам, а завышенная — к необоснованному удорожанию проекта.

Для выполнения расчета был выбран метод коэффициента спроса как наиболее распространенный и дающий достаточную для промышленного цеха точность. Он учитывает не только номинальную мощность каждого потребителя, но и вероятность его одновременной работы с другим оборудованием.

Процесс расчета включал несколько шагов:

1. Составление ведомости нагрузок: Была создана полная таблица всех электроприемников цеха, включая стационарное (станки) и вспомогательное оборудование, с указанием их паспортной номинальной мощности (Pн).
2. Расчет силовых нагрузок: Для групп однотипного оборудования и для цеха в целом были определены средняя и расчетная активная (Рр) и реактивная (Qр) мощности.
3. Расчет нагрузок освещения: Отдельно была рассчитана нагрузка на рабочее и аварийное освещение.
4. Определение суммарной нагрузки: Силовая и осветительная нагрузки были просуммированы для получения итоговой расчетной мощности цеха в кВт (активная) и кВА (полная).

Для наглядного представления результатов была построена картограмма электрических нагрузок — план цеха, на котором схематично показаны центры сосредоточения основных нагрузок. Это позволяет оптимально расположить распределительные щиты и минимизировать протяженность кабельных линий.

Теперь, зная точную величину требуемой мощности, мы можем приступить к проектированию архитектуры самой системы электроснабжения и выбору ее ключевых компонентов.

Глава 3. Обоснование выбора принципиальной схемы электроснабжения

Выбор архитектуры СЭС — это стратегическое решение, которое определяет надежность, гибкость и стоимость системы. Существуют три типовые схемы для промышленных объектов: радиальная, магистральная и смешанная.

Для нашего объекта, с учетом его характеристик, был проведен сравнительный анализ:

• Магистральная схема предполагает прокладку одного мощного кабеля (магистрали), от которого делаются отводы к потребителям. Она экономична по расходу кабеля, но менее надежна, так как повреждение в начале магистрали отключает всех последующих потребителей.
• Радиальная схема подразумевает прокладку отдельных линий от распределительного щита к каждому мощному электроприемнику или группе потребителей. Она требует большего расхода кабеля, но обеспечивает высокую надежность и простоту в эксплуатации.
• Смешанная схема комбинирует элементы обеих схем.

Для ремонтно-механического цеха с потребителями 2-й и 3-й категории надежности была выбрана радиальная схема электроснабжения для питания силовых распределительных щитов. Этот выбор обоснован следующими преимуществами:

• Высокая надежность: Повреждение на одной из отходящих линий не влияет на работу остальных.
• Удобство эксплуатации: Легко проводить ремонтные работы и отключать отдельные участки.
• Простота защиты: Позволяет легко настроить селективную работу аппаратов защиты.

Выбор радиальной схемы полностью соответствует принципу блочного построения СЭС, где питание взаимосвязанных агрегатов и участков организуется от отдельных секций шин, что повышает общую отказоустойчивость системы.

Графически упрощенная структурная схема внешнего и внутреннего электроснабжения была разработана для визуализации этого решения, показывая путь электроэнергии от ГПП завода до конечных потребителей в цехе.

Утвердив общую архитектуру системы, мы готовы к выполнению следующей инженерной задачи — подбору сердца системы, силовых трансформаторов.

Глава 4. Выбор и проверка ключевого оборудования подстанции

На основе расчетной нагрузки из Главы 2 подбираются и проверяются два важнейших элемента цеховой подстанции: силовые трансформаторы, которые понижают напряжение до рабочего уровня, и компенсирующие устройства, улучшающие качество электроэнергии.

Раздел 4.1. Выбор силовых трансформаторов

Процесс выбора трансформаторов состоял из трех этапов:

1. Определение количества и мощности. Исходя из расчетной нагрузки и требований к надежности (наличие потребителей 2-й категории), было принято решение установить два трансформатора. Их мощность была выбрана таким образом, чтобы при выходе из строя одного из них, второй мог нести основную ответственную нагрузку.
2. Выбор типа трансформатора. Был выбран современный силовой трансформатор типа ТМГ (трансформатор масляный герметичный). Этот выбор обусловлен его высокой надежностью, отсутствием необходимости в регулярном обслуживании масла и меньшими габаритами по сравнению с устаревшими аналогами.
3. Проверка по условиям перегрузки. Была выполнена проверка, доказывающая, что выбранные трансформаторы способны выдерживать кратковременные перегрузки, возникающие при пуске мощных двигателей, без риска повреждения.

Раздел 4.2. Расчет и выбор компенсирующих устройств

Промышленные потребители, особенно асинхронные двигатели, потребляют не только активную, но и реактивную мощность, которая не совершает полезной работы, но дополнительно нагружает сеть и приводит к потерям. Для борьбы с этим явлением применяется компенсация реактивной мощности.

Был выполнен расчет необходимой мощности компенсирующего устройства и выбрана автоматическая конденсаторная установка (УКМ). Она в автоматическом режиме подключает или отключает батареи конденсаторов, поддерживая коэффициент мощности на оптимальном уровне. Это позволяет снизить потери электроэнергии в сети и улучшить качество напряжения у потребителей.

После выбора основного оборудования необходимо рассчитать экстремальные режимы его работы, чтобы правильно подобрать защитную аппаратуру. Переходим к расчету токов короткого замыкания.

Глава 5. Расчет токов короткого замыкания для выбора защитной аппаратуры

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) — это обязательный этап проектирования, направленный на обеспечение безопасности. Его цель — определить максимальные токи, которые могут возникнуть в системе при аварийных режимах (например, при замыкании фаз). Знание этих величин необходимо для выбора коммутационных аппаратов (автоматических выключателей), способных разорвать цепь при КЗ без разрушения.

Расчет проводился в несколько этапов:

1. Составление схемы замещения. Была создана расчетная модель, в которой все элементы реальной электрической сети (энергосистема, трансформаторы, кабели, шинопроводы) были представлены в виде их эквивалентных сопротивлений.
2. Расчет сопротивлений элементов. Используя справочные данные, были вычислены активные и индуктивные сопротивления для каждого элемента схемы замещения.
3. Определение токов КЗ. Были рассчитаны значения токов для наиболее опасных видов замыканий (трехфазного и однофазного) в нескольких характерных точках схемы: на шинах ГПП, на вводе в цеховую подстанцию и у наиболее мощных и удаленных потребителей.

Для повышения точности и скорости вычислений использовалось профессиональное программное обеспечение, что является стандартом в современном проектировании. Результаты этого расчета являются исходными данными для следующей главы.

Зная максимальные токи, которые могут возникнуть в сети, мы можем перейти к детальному проектированию распределительной сети и выбору аппаратов защиты.

Глава 6. Проектирование питающей и распределительной сети цеха

На этом этапе теоретические расчеты предыдущих глав воплощаются в конкретные технические решения. Определяются марки и сечения всех кабелей и проводов, а также типы распределительных щитов и защитной аппаратуры.

Раздел 6.1. Выбор сечения кабелей и проводов

Для каждого фидера (участка сети), от ввода в цех до отдельного станка, был выполнен выбор сечения проводника. Это многофакторная задача, и проверка велась сразу по нескольким условиям:

• По допустимому нагреву: Сечение выбиралось таким, чтобы кабель не перегревался при протекании по нему номинального рабочего тока.
• По потере напряжения: Проверялось, чтобы падение напряжения на длине кабеля не превышало допустимых норм, иначе двигатели и лампы будут работать некорректно.
• По условиям срабатывания защиты: Сечение должно быть достаточным, чтобы ток однофазного КЗ в конце линии был достаточен для гарантированного срабатывания автоматического выключателя.
• По механической прочности.

Раздел 6.2. Выбор распределительных щитов и аппаратуры

На основе расчетных токов нагрузки и токов короткого замыкания была подобрана вся коммутационная и защитная аппаратура. Были выбраны типы вводно-распределительного устройства (ВРУ) и вторичных распределительных щитов. Для каждой отходящей линии были подобраны автоматические выключатели. Их выбор осуществлялся по двум ключевым параметрам:

1. Номинальный ток, соответствующий току защищаемой линии.
2. Отключающая способность, которая должна быть выше, чем расчетный ток КЗ в точке установки аппарата.

Итогом этого этапа стали однолинейные схемы электроснабжения цеха — ключевые чертежи проекта, на которых отображена вся структура сети и все выбранное оборудование.

Спроектировав силовую часть, необходимо обеспечить ее «интеллектуальное» управление и защиту. Следующий шаг — разработка системы релейной защиты.

Глава 7. Разработка принципов релейной защиты и автоматики

Если силовое оборудование — это «мышцы» системы электроснабжения, то релейная защита и автоматика (РЗиА) — это ее «нервная система». Задача РЗиА — непрерывно контролировать состояние сети и в случае возникновения ненормальных режимов (перегрузок, коротких замыканий) быстро и правильно (селективно) отключать только поврежденный участок, минимизируя последствия аварии.

В рамках проекта были разработаны следующие принципы защиты:

• Максимальная токовая защита (МТЗ): Это основной вид защиты от коротких замыканий. Она устанавливается на вводе в цех и на всех отходящих линиях и срабатывает при резком увеличении тока выше установленного порога.
• Защита от перегрузок: Реализуется с помощью тепловых расцепителей в автоматических выключателях. Она предназначена для отключения линии при длительном, но не очень большом превышении номинального тока, которое может привести к перегреву и повреждению изоляции кабелей.

Для каждого защитного аппарата были рассчитаны уставки — параметры срабатывания (значение тока и время задержки). Они были скоординированы между собой таким образом, чтобы обеспечить селективность: при КЗ на линии к станку должен сработать автомат этого станка, а не вводной автомат всего цеха.

Также была описана логика работы автоматики. Поскольку в цехе есть потребители 2-й категории, проект предусматривает установку автоматического ввода резерва (АВР) на цеховой подстанции. Это устройство при пропадании питания на основном вводе автоматически переключает потребителей на резервный трансформатор.

Особое внимание уделено надежности питания самих цепей РЗиА, ведь их стабильная работа должна быть обеспечена даже в моменты переключений и аварий в силовых цепях.

Обеспечив надежность работы оборудования, мы должны позаботиться о безопасности персонала.

Глава 8. Меры по обеспечению электробезопасности и проектирование заземления

Эксплуатация промышленных электроустановок сопряжена с риском поражения персонала электрическим током. Поэтому разработка мер электробезопасности является неотъемлемой и важнейшей частью проекта. Эти меры делятся на технические и организационные.

Ключевой технической мерой является защитное заземление. В проекте была обоснована и выбрана современная система заземления TN-C-S. Она обеспечивает надежное автоматическое отключение питания при пробое изоляции на корпус оборудования.

Был выполнен расчет заземляющего устройства (ЗУ) для цеховой подстанции. На основе требуемого сопротивления растеканию тока было определено необходимое количество и размеры вертикальных и горизонтальных заземлителей, а также схема их расположения в грунте.

Помимо заземления, в проекте предусмотрен комплекс дополнительных мер защиты:

• Защитное отключение: Быстрое срабатывание автоматических выключателей при коротких замыканиях.
• Использование пониженного напряжения: Для питания ремонтных переносных ламп используется безопасное напряжение 12 В.
• Ограждения и блокировки: Все токоведущие части надежно ограждены, а двери электрощитовых снабжены блокировочными устройствами.
• Предупреждающие плакаты и знаки безопасности, размещенные в соответствии с нормами.

Все принятые решения полностью соответствуют действующим нормам и правилам, что гарантирует высокий уровень электробезопасности на объекте.

Проект технически завершен. Финальный этап — доказать его экономическую целесообразность.

Глава 9. Технико-экономическое обоснование спроектированной системы

Любой инженерный проект должен быть не только технически грамотным, но и экономически оправданным. Цель данного раздела — доказать, что пред��оженные решения являются рентабельными. Для этого выполняется расчет капитальных затрат, будущих эксплуатационных расходов и ключевых показателей эффективности.

Расчет состоит из двух основных частей:

1. Расчет капитальных вложений (CAPEX). Была составлена смета, включающая все единовременные затраты на реализацию проекта:
   • Стоимость основного оборудования: силовые трансформаторы, распределительные щиты, компенсирующие установки.
   • Стоимость кабельно-проводниковой продукции.
   • Стоимость монтажных и пусконаладочных работ.
2. Расчет годовых эксплуатационных издержек (OPEX). Были оценены ежегодные расходы, связанные с работой спроектированной СЭС:
   • Стоимость потерь электроэнергии в трансформаторах и кабельных линиях.
   • Расходы на плановое техническое обслуживание и ремонт оборудования.
   • Амортизационные отчисления.

На основе этих данных были рассчитаны ключевые показатели экономической эффективности, такие как срок окупаемости проекта. Было доказано, что внедрение энергоэффективных решений, например, использование компенсирующих устройств, позволяет снизить эксплуатационные расходы (за счет уменьшения потерь) и в конечном итоге делает проект экономически выгодным для предприятия.

Таким образом, итоговый вывод подтверждает, что спроектированная система электроснабжения является не только надежной и безопасной, но и экономически целесообразной.

Подведя итоги технической разработки и экономического обоснования, мы можем сформулировать общие выводы по проделанной работе.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была успешно решена поставленная задача: разработана комплексная система электроснабжения для ремонтно-механического цеха металлургического завода.

В результате проделанной работы были получены следующие ключевые результаты:

• Проанализированы исходные данные и технические условия, определены характеристики объекта.
• Выполнен расчет и определена суммарная расчетная нагрузка цеха, которая послужила основой для всех последующих вычислений.
• Обоснован выбор радиальной схемы электроснабжения как наиболее оптимальной по критериям надежности и удобства эксплуатации.
• Выбрано основное силовое оборудование: два трансформатора типа ТМГ и автоматическая конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности.
• Рассчитаны токи короткого замыкания, на основе которых подобраны автоматические выключатели и другая защитная аппаратура.
• Спроектирована питающая и распределительная сеть с выбором сечений кабелей по всем необходимым условиям.
• Разработаны принципы селективной релейной защиты и автоматики, включая АВР.
• Спроектирована система защитного заземления TN-C-S и предусмотрены комплексные меры по электробезопасности.
• Технико-экономическое обоснование подтвердило экономическую целесообразность принятых проектных решений.

В целом, разработанный проект полностью соответствует техническому заданию, действующим нормам и стандартам, является технически грамотным и может служить основой для реализации системы электроснабжения реального промышленного объекта.

Список использованных источников и Приложения

Для выполнения расчетов и принятия проектных решений использовалась актуальная нормативно-техническая документация, учебники и справочники по проектированию систем электроснабжения. Список литературы оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ.

Ключевые графические материалы, являющиеся результатом работы, вынесены в приложения:

1. Приложение А: Однолинейная принципиальная схема электроснабжения цеха.
2. Приложение Б: План расположения электрооборудования и прокладки электрических сетей.
3. Приложение В: Картограмма электрических нагрузок цеха.

Список использованной литературы

1. Правила устройства электроустановок. 7-е издание- М.: Издательство НЦ ЭНАС,2002г.
2. СП31-110-2003;
3. А.К.Михайлов «Специальные вопросы электроснабжения объектов МО», 1987 год;
4. И.Б.Булат, М.А.Монахов «Пособие к курсовому и дипломному проектированию электроснабжения объектов», СПб, ВИТУ 2001;
5. А.К.Михайлов «Электроснабжение и электрическая часть станций и подстанций», часть 1, 1977 год;
6. Панасюк В.Н. «Условные обозначения в схемах электроустановок» СПб.: ВИТУ, 2005г.
7. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. «Электроснабжение» М.: ИП РадиоСофт, 2010 год;