Пример выполнения курсовой работы: «Проект электроснабжения главной вентиляторной установки»

Введение, где мы определяем цели и задачи курсового проекта

Главные вентиляторные установки (ГВУ) играют ключевую роль в обеспечении безопасности и поддержании технологических процессов на многих промышленных объектах, особенно в горнодобывающей, металлургической и химической отраслях. Они представляют собой мощные и энергоемкие системы, от бесперебойной работы которых зависят не только производственные показатели, но и жизнь людей. Именно поэтому надежность системы электроснабжения ГВУ является первостепенной задачей при проектировании.

Данная работа представляет собой пошаговый пример выполнения курсового проекта, целью которого является разработка комплексного проекта электроснабжения для главной вентиляторной установки. Мы не просто приведем формулы, а продемонстрируем логику принятия инженерных решений на каждом этапе.

В ходе работы будут последовательно решены следующие ключевые задачи:

• Анализ и систематизация исходных данных для проектирования.
• Расчет электрических нагрузок силового оборудования и осветительной сети.
• Выбор силовых трансформаторов и устройств компенсации реактивной мощности.
• Расчет и выбор сечений кабельных линий и аппаратов защиты.
• Расчет токов короткого замыкания для проверки выбранного оборудования.
• Проектирование контура защитного заземления.
• Разработка графической части проекта, включая принципиальную однолинейную схему.

Определив цели и задачи, мы можем перейти к первому необходимому шагу любого проектирования — анализу исходных данных.

Раздел 1. Анализируем исходные данные для нашего проекта

Основой любого точного расчета служат корректные исходные данные. В данном разделе мы систематизируем всю информацию, которая станет фундаментом для наших проектных решений. Важно не просто перечислить параметры, а понимать, для чего каждый из них необходим.

Основные исходные данные для проекта:

1. Данные по потребителям электроэнергии:
   • Главная вентиляторная установка: два асинхронных двигателя мощностью Pном = 250 кВт каждый, напряжением 0,4 кВ, cos(φ) = 0,88, работающих в длительном режиме. Эти данные — основа для расчета силовой нагрузки.
   • Маслонасос: один двигатель Pном = 15 кВт, cos(φ) = 0,82.
   • Ремонтная мастерская: группа станков общей установленной мощностью 40 кВт.
2. Данные по объекту:
   • Здание ГВУ: размеры 30×12 м, высота потолков 6 м. Коэффициенты отражения поверхностей: потолок — 50%, стены — 30%, пол — 10%. Эти параметры понадобятся нам для расчета освещения.
   • Условия среды: нормальная, невзрывоопасная.
3. Данные по системе электроснабжения:
   • Источник питания: шины 10 кВ подстанции, мощность системы Sкз = 250 МВА. Это значение необходимо для расчета токов короткого замыкания.
   • Расстояние от главной понизительной подстанции до ГВУ: 350 м.

Вся дальнейшая работа будет опираться на действующие нормативные документы, которые являются обязательными к применению:

• ПУЭ (Правила устройства электроустановок) — основной документ, регламентирующий выбор и проверку оборудования.
• ГОСТы — на электротехническое оборудование.
• СНиПы и СанПиНы — для расчета и проектирования системы освещения.

Имея на руках все необходимые данные, мы приступаем к первому и одному из самых ответственных этапов расчета — определению электрических нагрузок.

Раздел 2. Выполняем расчет электрических нагрузок

Правильный расчет электрических нагрузок — это фундамент всего проекта. От этих значений зависит выбор мощности трансформаторов, сечений кабелей и номиналов защитной аппаратуры. Для промышленных установок, подобных ГВУ, где потребители работают не всегда одновременно и с полной загрузкой, используется метод коэффициента спроса (Кс). Он позволяет определить не просто сумму номинальных мощностей, а реальную, ожидаемую нагрузку на систему.

Расчет выполняется пошагово для определения активной (Рр), реактивной (Qр) и полной (Sр) расчетной мощности.

1. Расчет нагрузок двигателей ГВУ и вспомогательного оборудования.

Расчетная активная мощность определяется как:

Рр = Кс * Рном

Расчетная реактивная мощность:

Qр = Рр * tg(φ)

Принимая коэффициент спроса для двигателей ГВУ Кс = 0,9 и для маслонасоса Кс = 0,75, получаем:

• Для двигателей ГВУ (2 шт.): Рр = 2 * 0,9 * 250 кВт = 450 кВт; Qр = 450 * tg(arccos(0.88)) = 234 кВАр.
• Для маслонасоса: Рр = 1 * 0,75 * 15 кВт = 11,25 кВт; Qр = 11,25 * tg(arccos(0.82)) = 8,3 кВАр.

2. Расчет суммарной нагрузки на шинах 0,4 кВ.

Суммируем активные и реактивные мощности всех потребителей:

• ΣРр = 450 + 11,25 = 461,25 кВт
• ΣQр = 234 + 8,3 = 242,3 кВАр

Теперь находим полную расчетную мощность, которая и станет основой для выбора трансформатора:

Sр = √(ΣРр² + ΣQр²) = √(461,25² + 242,3²) ≈ 521 кВА

Этот результат показывает, что для питания нашей ГВУ потребуется трансформаторная подстанция, способная длительно отдавать мощность порядка 521 кВА. Именно на это значение мы будем ориентироваться в Разделе 4. После того как мы определили основные силовые нагрузки, необходимо рассчитать систему, обеспечивающую безопасные условия труда — рабочее и аварийное освещение.

Раздел 3. Проектируем систему искусственного освещения

Проектирование освещения — не менее важная задача, чем расчет силовых нагрузок. От качества освещения напрямую зависит безопасность персонала и удобство обслуживания оборудования. Наша цель — обеспечить нормативную освещенность в помещении ГВУ, которая, согласно СНиП и СанПиН, для таких объектов составляет 150-300 Лк.

В качестве источника света выбираем светодиодные промышленные светильники — они обладают высокой энергоэффективностью, долгим сроком службы и хорошей защитой от пыли и влаги, что важно для условий ГВУ. Для расчета их количества применим наиболее распространенный метод коэффициента использования светового потока.

Алгоритм расчета следующий:

1. Определение индекса помещения (i). Он зависит от геометрических размеров помещения:
   

   i = (A * B) / (h * (A + B))

   где A и B — длина и ширина (30 и 12 м), h — высота подвеса светильников над рабочей поверхностью (принимаем h = 5 м).
   
   i = (30 * 12) / (5 * (30 + 12)) = 1.71

2. Определение коэффициента использования светового потока (η). Он находится по справочным таблицам в зависимости от индекса помещения и коэффициентов отражения поверхностей. Для нашего случая (i=1.71, потолок 50%, стены 30%) принимаем η ≈ 0.55.
3. Расчет необходимого светового потока (Ф).
   

   Ф = (Ен * S * kз) / (N * η)

   где:

   • Ен — нормативная освещенность (принимаем 200 Лк).
   • S — площадь помещения (30 * 12 = 360 м²).
   • kз — коэффициент запаса, учитывающий старение ламп и загрязнение светильников (принимаем 1.4).
   • N — количество светильников.
4. Определение количества светильников. Выбираем светильник с потоком Фл = 8000 лм. Тогда необходимое количество N:
   

   N = (Ен * S * kз) / (Фл * η) = (200 * 360 * 1.4) / (8000 * 0.55) ≈ 23 шт.

   Принимаем к установке 24 светильника для симметричного размещения в 3 ряда по 8 штук.

Общая мощность системы освещения составит 24 шт. * 75 Вт/шт. = 1800 Вт или 1,8 кВт. Эта нагрузка будет учтена в общей нагрузке на трансформатор. Теперь, зная полную нагрузку (силовую и осветительную), мы можем приступить к выбору сердца системы электроснабжения — силовых трансформаторов.

Раздел 4. Подбираем силовые трансформаторы и средства компенсации реактивной мощности

Сердцем любой понижающей подстанции является силовой трансформатор. Его выбор — одно из самых ответственных решений в проекте. Ошибка на этом этапе может привести либо к необоснованным капитальным затратам, либо к аварийным перегрузкам и отключениям.

1. Выбор количества и мощности трансформаторов.

Наша расчетная нагрузка составила Sр ≈ 521 кВА. ГВУ относится к потребителям I категории надежности, что требует наличия двух независимых источников питания. Поэтому мы выбираем два трансформатора, каждый из которых в нормальном режиме работает на свою секцию шин, а в аварийном — способен принять на себя всю нагрузку.
Исходя из расчетной нагрузки и стандартной шкалы мощностей, выбираем два трансформатора типа ТМГ мощностью Sном = 400 кВА каждый. В нормальном режиме каждый будет загружен примерно на 260 кВА (65%), что является экономичным режимом. В послеаварийном режиме один трансформатор сможет нести нагрузку 521 кВА, что является допустимой перегрузкой (521/400 ≈ 1.3 или 130%).

2. Компенсация реактивной мощности.

Асинхронные двигатели, составляющие основу нашей нагрузки, потребляют не только активную, но и значительную реактивную мощность (мы рассчитали Qр ≈ 242 кВАр). Она не совершает полезной работы, но загружает кабели и трансформаторы, увеличивая потери. Для снижения этих потерь и повышения коэффициента мощности (cos φ) применяют компенсирующие устройства — как правило, конденсаторные установки (КУ).

Наша задача — повысить итоговый cos(φ) до нормативного значения, например, 0,95. Требуемая мощность КУ рассчитывается по формуле:

Qку = Рр * (tg(φ1) — tg(φ2))

Где φ1 — фактический угол (соответствует cos(φ) ≈ 0.88), а φ2 — желаемый (соответствует cos(φ) = 0,95).

Qку = 461,25 * (tg(arccos(0.88)) — tg(arccos(0.95))) ≈ 461,25 * (0,52 — 0,33) ≈ 88 кВАр.

На основе этого расчета по каталогу выбираем автоматическую конденсаторную установку ближайшей большей стандартной мощности, например, АКУ-0,4-100-25 УХЛ4 мощностью 100 кВАр. С выбранным источником питания мы можем перейти к проектированию «артерий» нашей системы — кабельных сетей.

Раздел 5. Рассчитываем и выбираем кабели, а также аппараты защиты

Теперь необходимо спроектировать «кровеносную систему» нашего объекта — кабельные линии, которые свяжут трансформаторы, распределительные щиты и конечных потребителей. Выбор сечения кабеля и аппарата защиты — это всегда компромисс между надежностью, безопасностью и стоимостью.

Процедура выбора для каждой линии состоит из нескольких обязательных шагов:

1. Определение расчетного тока линии (Iр).
   

   Iр = Sр / (1.73 * Uном)

2. Выбор сечения кабеля по длительно допустимому току (Iдд). По справочным таблицам ПУЭ для выбранного типа кабеля (например, ВВГнг-LS) и способа прокладки подбирается сечение, у которого Iдд ≥ Iр.
3. Проверка сечения по потере напряжения (ΔU). Потеря напряжения от трансформатора до самого удаленного потребителя не должна превышать 5%.
   

   ΔU% = (P*L / (c*S) + Q*L / (c*S)) * 100 / U²

   (упрощенная формула, где L-длина, S-сечение, P,Q — мощности)

4. Выбор автоматического выключателя. Номинальный ток автомата (Iн.ав) должен быть больше или равен расчетному току линии, а его отключающая способность — больше ожидаемого тока короткого замыкания.

Пример расчета для линии питания одного двигателя ГВУ (Рном = 250 кВт):

• Расчетный ток: Iр = 250000 / (1.73 * 380 * 0.88) ≈ 433 А.
• Выбор кабеля: По таблицам ПУЭ для кабеля ВВГ, проложенного в лотке, для тока 433 А требуется два параллельных кабеля сечением 185 мм² каждый или один сечением 240 мм² (но с ним сложнее работать). Принимаем решение о прокладке двух параллельных кабелей 2х(ВВГнг-LS 4х185).
• Проверка по потере напряжения: Выполняется расчет, который должен показать, что ΔU не превышает допустимых пределов.
• Выбор автомата защиты: Выбираем автоматический выключатель в литом корпусе с номинальным током Iн.ав = 500 А и регулируемыми уставками.

Аналогичная процедура выполняется для всех остальных линий: от трансформатора 10/0,4 кВ до главного распределительного щита (ГРЩ), от ГРЩ до щита освещения и других потребителей. Мы выбрали аппараты защиты, но чтобы убедиться, что они сработают корректно в аварийном режиме, необходимо выполнить расчет токов короткого замыкания.

Раздел 6. Выполняем расчет токов короткого замыкания

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) — это, по сути, стресс-тест нашего проекта. Мы должны определить максимальные токи, которые могут возникнуть в системе при аварии, и убедиться, что выбранное нами оборудование способно их выдержать и отключить без разрушения. Этот расчет критически важен для обеспечения безопасности персонала и пожарной безопасности объекта.

Расчет выполняется для нескольких характерных точек схемы, как правило, на шинах 10 кВ, на выводах 0,4 кВ трансформатора и на клеммах наиболее мощных потребителей.

Порядок расчета:

1. Составление схемы замещения. Все элементы реальной электрической цепи (энергосистема, трансформаторы, кабели, реакторы) представляются в виде их индуктивных и активных сопротивлений.
2. Расчет суммарного сопротивления. Определяется полное сопротивление цепи от источника питания до точки КЗ путем суммирования сопротивлений всех элементов на схеме замещения.
   

   Zкз = Zсистемы + Zтрансформатора + Zкабеля

3. Определение тока КЗ. Начальное значение трехфазного тока КЗ определяется по закону Ома:
   

   Iкз = Uном / (1.73 * Zкз)

4. Расчет ударного тока КЗ (iуд). Это пиковое значение тока в первый момент КЗ, которое оказывает наибольшее электродинамическое воздействие на оборудование.
   

   iуд = kуд * 1.41 * Iкз

   (где kуд — ударный коэффициент, зависящий от параметров цепи)

5. Проверка оборудования. Полученные значения сравниваются с паспортными данными ранее выбранного оборудования.
   • Отключающая способность автоматических выключателей должна быть больше расчетного тока КЗ.
   • Электродинамическая стойкость всего оборудования (шин, изоляторов) должна быть больше ударного тока КЗ.

Например, если расчетный ток КЗ на шинах 0,4 кВ составил 18 кА, а мы выбрали автоматические выключатели с отключающей способностью 25 кА, то наш выбор является корректным. Если бы ток КЗ оказался выше, проект пришлось бы пересмотреть. Разобравшись с аварийными режимами в самой сети, перейдем к не менее важной системе безопасности — защитному заземлению.

Раздел 7. Проектируем контур защитного заземления

Защитное заземление предназначено для защиты людей от поражения электрическим током при случайном прикосновении к корпусам электрооборудования, которые оказались под напряжением в результате пробоя изоляции. Проектирование заземляющего устройства (ЗУ) является обязательным требованием ПУЭ для всех электроустановок.

Цель расчета — определить конструкцию ЗУ (количество и размеры электродов), которая обеспечит нормативное сопротивление растеканию тока.

Алгоритм проектирования:

1. Определение требуемого сопротивления. Согласно ПУЭ, для электроустановок напряжением до 1000 В (наша сеть 0,4 кВ) сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом.
2. Выбор конструкции ЗУ. Как правило, используется комбинированное ЗУ, состоящее из вертикальных и горизонтальных заземлителей. Вертикальные — это стальные стержни длиной 3-5 м, забиваемые в грунт. Горизонтальный — это стальная полоса, соединяющая верхние концы вертикальных электродов в единый контур.
3. Расчет сопротивления одного вертикального заземлителя. Оно зависит от его длины и удельного сопротивления грунта (которое берется из геологических изысканий или справочников).
4. Определение необходимого количества заземлителей. Предварительное количество электродов (n) рассчитывается по формуле:
   

   n = R1 / (Rзу * ηисп)

   где R1 — сопротивление одного стержня, Rзу — требуемое сопротивление (4 Ом), ηисп — коэффициент использования, учитывающий взаимное экранирование электродов.

5. Финальный расчет и компоновка. После определения количества электродов производится уточненный расчет с учетом сопротивления горизонтального заземлителя. На плане подстанции или здания ГВУ показывается схема расположения контура заземления с указанием всех размеров.

В результате мы получаем проект ЗУ, например: 10 вертикальных стержней из круглой стали диаметром 16 мм и длиной 5 м, объединенных по периметру полосой 40х4 мм. Теперь, когда все расчеты выполнены и оборудование выбрано, необходимо визуализировать наш проект в виде схем.

Раздел 8. Разрабатываем графическую часть проекта

Графическая часть — это язык инженера, который позволяет наглядно и однозначно представить все принятые проектные решения. Для курсовой работы по электроснабжению она является не менее важной, чем пояснительная записка с расчетами. Чертежи должны быть выполнены в соответствии с требованиями ЕСКД (Единой системы конструкторской документации).

Ключевыми документами в графической части являются:

1. Однолинейная схема электроснабжения.

Это главный чертеж проекта. На нем в упрощенном виде (одной линией) изображается вся цепь прохождения электроэнергии от точки подключения на шинах 10 кВ до конечных потребителей. На схеме обязательно указывается:

• Высоковольтные ячейки на стороне 10 кВ с выключателями и разъединителями.
• Силовые трансформаторы с указанием их типа и мощности (например, ТМГ-400/10/0,4).
• Вводные и секционные автоматические выключатели на шинах 0,4 кВ.
• Отходящие линии к каждому потребителю (двигателям ГВУ, щиту освещения).
• Для каждой линии указывается марка и сечение кабеля (например, 2х(ВВГнг 4х185)), а также тип и номинальный ток аппарата защиты (АВТ. ВА-55, 500А).
• Указываются приборы учета и конденсаторные установки.

2. План расположения электрооборудования.

На этом че��теже на плане здания ГВУ и прилегающей территории показывается физическое размещение основного оборудования:

• Здание трансформаторной подстанции (ТП).
• Главный распределительный щит (ГРЩ).
• Электродвигатели вентиляторов и другого оборудования.
• Трассы прокладки основных кабельных линий.
• Схема размещения светильников в помещении ГВУ.
• Контур защитного заземления.

Качественно выполненная графическая часть наглядно демонстрирует итог всей проделанной расчетной работы. Завершив расчетную и графическую части, остается подвести итоги проделанной работы.

Заключение, где мы подводим итоги и формулируем выводы

В ходе выполнения данного курсового проекта была решена комплексная инженерная задача по разработке системы электроснабжения для главной вентиляторной установки. Все поставленные во введении цели были достигнуты.

В рамках работы были последовательно выполнены следующие ключевые этапы:

• Проведен анализ исходных данных.
• Выполнен расчет электрических нагрузок силового оборудования и сети освещения.
• На основе расчетов выбраны два силовых трансформатора ТМГ-400/10/0,4 и конденсаторная установка мощностью 100 кВАр.
• Рассчитаны и выбраны сечения кабельных линий и аппараты защиты для всех присоединений.
• Проведен проверочный расчет токов короткого замыкания, подтвердивший корректность выбора защитной аппаратуры.
• Спроектировано заземляющее устройство, отвечающее требованиям безопасности.
• Разработана основная проектная документация в виде однолинейной схемы и плана расположения оборудования.

Главный вывод: в результате курсового проектирования был разработан технически грамотный и экономически обоснованный проект электроснабжения ГВУ. Все проектные решения приняты в строгом соответствии с действующими нормативными документами, такими как ПУЭ, ГОСТ и СНиП, что обеспечивает надежность и безопасность эксплуатации установки.

Пример оформления списка использованной литературы:

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание 7.
2. ГОСТ 29322-2014. Напряжения стандартные.
3. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий / под ред. А.А. Федорова. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Каталоги продукции электротехнических заводов-производителей (Schneider Electric, ABB, IEK).

Список использованной литературы

1. Бердов И.А. “Электромеханическое оборудование и электроснабжение горных работ”, методическое пособие для практических занятий для студентов специальности ЭГП. Екатеринбург: УГГА, 1998.
2. Бердов И.А. “Электроснабжение открытых горных работ”, методическое пособие по выполнению дипломного проекта для студентов специальности ГМО. Екатеринбург: УГГУ, 2005.
3. Бердов И.А. “Электромеханическое оборудование и электроснабжение открытых горных работ”, методические указания по выполнения курсового проекта и раздела ВКРИ для студентов специальности ЭГП. Екатеринбург: УГГА, 2002.
4. Цигельман И.Е. “Электроснабжение предприятий”, изд. М:Высшая школа, 1988.
5. Гладилин А.В. “Основы электроснабжения горных предприятий”, изд. М:Недра, 1980.
6. ПУЭ, ред. 2005.