Вопросы для самопроверки

1. Перечень технических условий на присоединение электроустановок потребителей.

2. Как делятся приемники по характеру использования электроэнергии?

3. Режимы нейтрали электроустановок до 1 кВ и выше 1 Кв.

4. Применение и назаначение электропривода на промышленном предприятии.

5. Охарактеризуйте уровни системы электроснабжения предприятия.

Лекция 3 Основные требования, предъявляемые к системам электроснабжения. Надежность электроснабжения

Исторически построение систем электроснабжения исходило из ново­го строительства: на незанятой площадке нужно было создать новый завод, организовать новое производство, построить новый цех. Наука и обучение исходили из наличия данных по электроприемникам, по технологическим режимам, по условиям присоединения сетей и разме­щения сооружений в пространстве. Сейчас на решения по электроснаб­жению все в большей степени накладывают ограничения построенные здания и сооружения, действующие подстанции и сети. Если завод существует десятки лет, то экономически выгодно сохранить, например, коробку здания, организовать техническое перевооружение производства (цеха), реконструировать отделение, модернизировать оборудование на участке цеха. Тогда требуется обследование существующей схемы электроснабжения, в частности распределительной сети 10 кВ и низковольтной 0,4 кВ; выполнение анализа и системная оценка осу­ществленных решений; прогнозирование электрических нагрузок, учет технологических тенденций и возможностей получения электротех­нического оборудования.

Исходными данными, на основе которых разрабатывается предварительная схема электроснабжения и делается запрос в энергосистему на выдачу технических условий, являются:

1) технологические задания, требования и условия;

2) электриче­ские ограничения и правила.

Технологическое задание содержит общие сведения по производству (цеху), включая наименование, производительность, характеристику выпускаемой продукции, генеральный план (план цеха). Так как на любом предприятии цехов несколько и они технологически различны, то и технологические задания выдаются различными специалистами (отделами, организациями). Генплан объединяет их (план цеха, отде­ления, участка содержит вначале основную технологическую линию, агрегат, а затем дополняется установкой электроприемников всеми участниками проектирования). Генплан и перечень цехов с их техно­логическими характеристиками позволяют приступить к разработке схемы.

Существует некоторая оценка принимаемых решений по электроснабжению, зависящая от величины предприятия и определяющая требования к системе электроснабжения. Понятия "крупное предприятие" и "мелкое предприятие" условны: различные отрасли осуществляют деление по-разному. При близкой численности работающих и площади по генплану машиностроительный завод имеет электрическую мощность в 10 раз меньшую, чем алюминиевый. Крупный молочный и крупный металлургический комбинаты имеют мощность, различающуюся в 100 раз. Условно по мощности предприятия можно подразделять по установленной мощности Р_у электроприемников 1УР и по макси­мальной Р_max на границе раздела 6УР. По установленной мощности предлагалось деление на крупные с Р_у = 75100 МВт, средние 5-75 МВт, небольшие (мелкие) до 5 МВт. Более правильно подразделять предприятия по значению Р_тах, так как она является определяющей при выдаче технических условий, выборе электрооборудования и проводников.

Классифицируем предприятия с точки зрения электрики, опираясь на физические представления электротехники и используя значение активной мощности, которое можно связать с уровнями системы электроснабжения:

, (3.1)

где U- напряжение; I - ток; cos  - коэффициент мощности.

Наименьшим предприятием будет предприятие (организация) - потребитель (любой), питающееся от 2УР по одной линии через ШР 0,4 кВ. Исключим из рассмотрения практически не встречающиеся уже случаи, когда на предприятии один электроприемник. Теоретически за­дача сводится к определению параметров линии Л-8 (см. рис. 1.1, лекция 1.).

Пусть линия выполнена бронированным или небронированным трех-жильным кабелем с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмас­совой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновых обо­лочках. При прокладке в земле и при сечении токопроводящей жилы 185 мм² (максимально допускаемое) и допустимом по ПУЭ длительном токе 385 А, среднем cos = 0,8 максимальная передаваемая мощность по (3.1) Р_тах = - 0,38 • 385 • 0,8 = 202 кВт, при расчетном k_c = 0,6 это обеспечит Р_у около 340 кВт.

Применение четырехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1 кВ и прокладка их в воздухе снижает передаваемую мощность, не изменяя оценки. Два-три ввода на предприятие обеспечи­вают потребителей электроэнергии с присоединенной мощностью до 1000 кВ • А, т. е. обеспечивается передача мощности по 0,4 кВ до значения, когда возникает необходимость в установке трансформатора 10/0,4 кВ (появление ЗУР).

Большая часть потребителей, которые являются мини-предприятиями и составляют около 90% всех промышленных, сельскохозяйственных, строительных, транспортных предприятий и объединений, предприятий связи, материально-технического снабжения, торговли и общественного питания, коммунального хозяйства и бытового обслуживания, кооперативов и других объектов электрики, имеют нагрузку не выше 700 кВ • А, электроснабжение их осуществляется от 2УР, а присоединенная мощность менее 1000 кВ • А.

При увеличении нагрузки и невозможности передачи мощности по линиям 0,4 кВ (в городах, как правило, кабельным) устанавливаются трансформаторы 10(6)/0,4 кВ. Обычно это двухтрансформаторные подстанции 2 х 630 или 2 х 1000 кВ • А . Для удаленных и обособленных потребителей, имеющих небольшую плотность нагруз­ки, могут устанавливаться трансформаторы меньшей мощности: 100, 250, 400 кВ • А (на выбор накладываются ограничения на потери и отклонения напряжения, которые относительно велики в сетях 0,4 кВ). Применяется и установка трансформаторных подстанций различной мощности, имеющих соединение на низкой стороне через магистрали или ШР. При числе трансформаторов свыше шести возника­ет экономическая целесообразность сооружения распределительной подстанции РП 10(6) кВ.

При питании предприятия от трансформаторов ЗУР происходит со­вмещение уровней 3 и 6УР. Само предприятие относят к мелким, и их около 10% общего количества объектов электрики. Оно имеет нагрузку до 5000 кВт при присоединенной мощности трансформаторов свыше 1000 до 8000 кВ • А. На мелких предприятиях возникает разветвленная сеть 2УР и появляются, инженеры-электрики, обслуживающие щит низкого напряжения от автоматического выключателя АВМ и вниз, включая 1УР. Высоковольтная часть, как правило, вместе с трансформатором, обслуживается электроснабжающей организацией (на мини-предприятиях обслуживание по договору шкафов осуще­ствляется сторонними организациями). Для питания трансформатора мощностью 1000 кВ • А при напряжении 10 кВ длительный ток согласно (3.1) обеспечивается кабелем сечением 10 мм². Поэтому к каждому из трансформаторов ЗУР прокладывается один кабель, сечение которого определяется механической прочностью (в блоках – не менее 95 мм²) и токами короткого замыкания (на многих заводах - не менее 70 мм²).

Появление РП 10(6) кВ характеризует превращение предприятия в среднее, означает организацию 4УР при совмещении 4 и 6УР (как пра­вило, происходит переключение на РП всех собственных трансформато­ров). Количество средних предприятий составляет около 1%. Мощность секции РП 10 кВ определяется высоковольтным выключателем, уста­новленным на вводе и пропускающем обычно 1000 или 1600 А, и под­водимыми кабелями, число которых конструктивно принимается не более четырех, а сечение каждого - не более 185 мм². При прокладке кабелей 4 х 150 мм² на ввод с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной изоляцией и изоляцией нестекающими массами в свинцовой или алюминиевой оболочке при допустимом длительном токе 275 А при прокладке в земле общая пере­даваемая мощность на секцию без понижающих коэффициентов соста­вит при cos = 0,9, загрузке секции 0,7 и напряжении 10 кВ около 12 МВт, на напряжении 6 кВ пр I_p = 300 А - около 9000 кВт. Нагруз­ка на подстанцию в целом на 10 кВ - порядка 15 МВт (на 6кВ -10 МВт).

Сооружение трех и более РП приводит к необходимости, если отсут­ствует возможность электроснабжения на генераторном напряжении, сооружения одной-двух ГПП с совмещением некоторых РП с РУ глав­ной понизительной подстанции. Как правило, в этом случае ОРУ ПО кВ и трансформаторы 110/10 кВ обслуживаются энергосистемой, начинает функционировать участок сетей и подстанций, имеются разветвленные распределительные сети, формируются районы электроснабжения.

Для крупных предприятий (с нагрузкой свыше 100 МВт) характерно обязательное сооружение районной подстанции (иногда нескольких), собственной или районной ТЭЦ (котельной). Различие между крупным и средним предприятиями качественное и заключается в том, что напряжение 110 кВ и выше становится обычным рабочим: производятся переключения и другие эксплуатационные действия с обо­рудованием и линиями. Распределительные сети характеризуются боль­шими кабельными потоками: сооружением кабельных туннелей, эста­кад, блоков; мощными шинопроводами 10(6) кВ. Прокладываются кабели 110 кВ и выше, воздушные линии 110 кВ становятся развет­вленными. Возникают цех сетей и подстанций с трансформаторно-масляным хозяйством и центральная электротехническая лаборатория (ЦЭТЛ). Районы электроснабжения ориентируются на технологические производства и в большой степени функционируют самостоятельно. По существу каждый район превращается в среднее предприятие. Круп­ные предприятия единичны и в каждой отрасли известны.

Предприятия с нагрузкой, приближающейся (превосходящей) к 1000 МВт, можно классифицировать как особо крупные. По парамет­рам они не отличаются от энергосистемы, математически они равномощны. Происходят качественные изменения и возникают вопросы построения таких систем, более близкие к специальности сети и систе­мы и в дальнейшем рассматриваемые лишь в части, относящейся к электроснабжению.

Деление предприятий на мини, мелкие, средние, крупные и в неко­торых случаях на особо крупные позволяет конкретизировать основ­ные требования к системам электроснабжения и увязать их с техниче­скими условиями энергосистем. Решение по электроснабжению, при­нимаемое для какого-либо уровня, затрагивает лишь частично следую­щий уровень, а иногда один из элементов еще и следующего уровня. Например, подключение мини-предприятия с максимальной нагрузкой 50 кВт (что соответствует кузнечному участку – 5ШР, р_н = = 93 кВт, I_p = 83 А) обычно требует определения места (точки) под­ключения на щите низкого напряжения трансформатора 10/0,4 кВ, реже -- замены трансформатора на следующий габарит, еще реже -установки нового с оборудованием ячейки на РП 10 кВ или изменения защиты в действующей ячейке. Такое подключение, образно говоря, не требует сооружения Саяно-Шушенской ГЭС, где каждый агрегат имеет мощность 640 МВт. Нормально, если затраты (капитальные вло­жения) на следующий уровень составляет около 10%.

После получения технологических сведений о составе проектируемо­го объекта (это может быть часть предприятия или даже отдельный электроприемник 1УР) и предварительного генплана (плана размеще­ния) производится оценка и систематизация потребителей электро­энергии, которая осуществляется обычно по следующим основным эксплуатационно-техническим признакам: производственному назна­чению и связям, режимам работы, мощности, напряжению и роду тока; территориальному размещению, требованиям к надежности электроснабжения, стабильности расположения электроприемников. При проектировании электроснабжения предприятия потребителем считается каждый объект (здание, сооружение, участок, помещение, линия, агрегат и др.), выделенный технологом.

Надежность электроснабжения определяется числом независимых источников питания и схемой электроснабжения. По надежности элект­роснабжения в соответствии с требованиями ПУЭ электроприемники разделяются на три категории.

К I категории относят электроприемники, перерыв электроснабже­ния которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостояще­го основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Примеры электропотребителей I категории: котлы-утилизаторы, насосы водоснабжения и канализации, газоочистки, приводы вращаю­щихся печей, печи с кипящим слоем, газораспределительные пункты, станы непрерывной прокатки, водоотлив, подъемные машины, вен­тиляторы высокого давления и обжиговые, аварийное освещение.

Из состава I категории выделяется особая группа электроприем­ников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудо­вания.

Во II категорию входят электроприемники, перерыв электроснабжения, которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, наруше­нию нормальной деятельности значительного числа городских и сель­ских жителей.

К III категории относят все остальные электроприемники, не подхо­дящие под определения I и II категорий. Это главным образом различ­ные вспомогательные механизмы в основных цехах, цеха несерийного производства.

Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнер­гией от двух независимых взаимно резервирующих источников пита­ния. Перерыв электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания от другого.

Независимым источником питания называется источник, на котором сохраняется регламентированное напряжение при исчезновении его на другом или других источниках питания. К числу независимых источ­ников питания относятся две секции или системы шин одной или двух электростанций и подстанций при одновременном соблюдении двух условий:

1) каждая из секций или систем шин в свою очередь имеет питание от независимого источника питания;

2) секции (системы) шин не связаны между собой или имеют связь, автоматически отключаю­щуюся при нарушении нормальной работы одной из секций (систем) шин.

Электроприемники II категории рекомендуется обеспечивать элект­роэнергией от двух независимых источников питания. Для электро­приемников II категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Для электроприемников III категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерыв электроснабжения, необходимый для ремонта или замены поврежден­ного элемента системы электроснабжения, не превышает 1 сут.

Главная понизительная подстанция считается одним источником, если питается по одной двухцепной линии, и двумя, если питается по двум одноцепным линиям (на разных опорах или если питается по двум кабельным линиям, проложенным по разным трассам). ТЭЦ может считаться за несколько источников питания, если при выходе из строя генератора или при аварии на секции остальные секции (гене­раторы) сохраняют работу.

Отдельной трассой для кабельной линии считаются отдельные (само­стоятельные) траншея, блок, туннель (для последнего случая отдельной трассой может считаться прокладка в трехстенном туннеле). Электро­снабжение потребителей I категории должно осуществляться от двух независимых источников по отдельным трассам.

Иерархия уровней должна обеспечивать требования к надежности на каждом из уровней от 6УР и ниже. ПУЭ нормирует категорию элект­роприемника. Но начиная от 2УР речь идет уже о потребителях. Отдель­ный электроприемник, например электродвигатель пушки доменной летки, обеспечивающий технологический процесс, но не имеющий тех­нологического резерва, не может быть отнесен к особой категории. Если технологами устанавливается одна машина с электрическим при­водом, который запитывается от шин щита низкого напряжения или шин высоковольтного РУ по одному кабелю, то такой потребитель не может быть отнесен к потребителям особой категории. Вероятность отказа механической части технологического агрегата, собственно электродвигателя, коммутационной аппаратуры, аппаратуры управле­ния, питающих и контрольных кабелей не зависит от надежности си­стемы электроснабжения.

Надежность электроснабжения электроприемников I категории для потребителей мелких и мини-предприятий обеспечивается сверху. При устройстве перемычек и автоматических переключений для соединения вводов ШР, питающихся от разных трансформаторов, следует исклю­чить возможность подачи напряжения снизу на линии и трансформаторы, и соединение на параллельную работу через сети 0,4 кВ разных секций РП и ГПП. Это повышает опасность попадания под напряжение и созда­ет возможность протекания уравнительных и аварийных токов через соединение на 2УР.

При проектировании, построении и эксплуатации систем электро­снабжения промышленных предприятий следует предусматривать гиб­кость системы и оптимизацию параметров путем выбора номинальных напряжений, условий присоединения к энергосистеме, определения электрических нагрузок и требований к надежности и качеству электро­снабжения, рационального выбора числа и мощности трансформаторов, схем и конструкций распределительных и цеховых электрических се­тей, средств компенсации реактивной мощности и регулирования напря­жения, системы обслуживания и ремонта электрооборудования и т. д. Эти задачи непрерывно усложняются из-за роста общего количества электроприемников, увеличения их единичных мощностей, использо­вания электроэнергии непосредственно в технологических процессах.

Проектирование электроснабжения крупных предприятий следует выполнять с возможностью реализации схемы развития на 20 лет, для средних - на перспективу 5, в отдельных случаях 10 лет, для мел­ких - на 1-2 года (как правило, без разработки ТЭО, выполняя сразу рабочую документацию). Подключение мини-предприятий производит­ся по рабочим чертежам и часто в сокращенном объеме (или по месту).

Схемы питания крупных цехов и объектов, проектируемых отдель­ными комплексами, должны быть увязаны с общей схемой электро­снабжения завода. Схема должна строиться так, чтобы все ее элементы постоянно находились под нагрузкой, а при аварии или плановом ремон­те оставшиеся могли принять на себя нагрузку, обеспечив функциониро­вание основных производств. В период послеаварийного и ремонтного режимов элементы сети могут быть перегружены в пределах, допускае­мых ПУЭ. Следует предусмотреть ограничение токов КЗ предельны­ми уровнями, определяемыми на перспективу, и мероприятия, обеспе­чивающие снижение потерь энергии.

При определении объема резервирования и пропускной способности системы электроснабжения не следует учитывать возможность совпаде­ния планового ремонта элементов электрооборудования и аварии в системе электроснабжения, за исключением случаев питания электро­приемников особой группы. Следует, как правило, применять схемы электроснабжения с глубокими вводами, когда источники напряжения максимально приближены к потребителям электроэнергии. При по­строении схем электроснабжения может предусматриваться параллель­ная работа линий, трансформаторов и секций шин подстанций.

Выбор схем (магистральные или радиальные) и конструктивного выполнения (воздушные или кабельные) линии ПО кВ и выше для 5УР определяется технико-экономическими сравнениями с учетом осо­бенностей данного предприятия, электрической нагрузки, взаимного расположения районных подстанций и ГПП, ожидаемой перспективы развития существующей схемы электроснабжения, степени загрязнен­ности атмосферы, возможности прокладки коммуникаций к ГПП. Связи заводских сетей напряжением ПО кВ и выше с энергосистемой должны осуществляться таким образом, чтобы при выходе из строя одной из питающих линий РП ПО кВ или ГПП 220/110 кВ оставшиеся в работе линии 110 кВ и выше покрывали всю нагрузку предприятия. При выходе же из строя одного из источников питания (ТЭЦ или УРП) оставшиеся в работе источники питания должны обеспечить покрытие питания основных потребителей, включая потребителей I категории.

Выбор пропускной способности линий, питающих предприятие, ГПП, РП должен производиться с таким расчетом, чтобы в аварийных и ремонтных режимах исключалось ограничение нагрузки как основных, так и вспомогательных цехов и объектов. При этом в аварийных режи­мах должны полностью использоваться резервные связи на всех напря­жениях, а также допустимая перегрузка оборудования и сетей.

Большинство ГПП выполнено двухтрансформаторными и по упрощенным схемам: с глухим присоединением к трансформатору без коммутационной аппаратуры, с ремонтными разъединителями или отделителями на вводах, с отделителями и короткозамыкателями. Распределительные устройства РУ 10(6) кВ по возможности совмещаются с РУ цеховых подстанций. На стороне 10(6) кВ ГПП применяется одинарная секцио­нированная по числу обмоток, трансформаторов (ветвей сдвоенных реакторов) система сборных шин. С учетом систематически случающих­ся аварийных отключений по стороне ПО и 220 кВ (два-пять за год) осуществляется возврат к установке выключателей на стороне высокого напряжения: присоединение трансформаторов ГПП к магистральным линиям 110–220 кВ путем глухих отпаек с помощью отделителей и короткозамыкателей вызывает возражение и неприменимо для питания ответственных потребителей.

Получили широкое распространение различные комплектные устрой­ства:

1) комплектное распределительное устройство (КРУ) в сетях 10(6) кВ со шкафами на номинальные токи 630-3200 А и номинальные токи отключения 20 кА (КРУ 2-10, KXII), 31,5 кА (КР 10/500) и в отдельных случаях КРУ со шкафами на номинальные токи до 5000 А и токи отключения 58 кА (КР 10-Д9). В КРУ устанавливаются мало­масляные выключатели (в основном типов ВМП и ВМГ с отключаемой мощностью 850 MB·А при 10 кВ), а при необходимости частых комму­таций - выключатели с электромагнитным гашением дуги;

2) комп­лектные трансформаторные подстанции 10 (6)/0,4 кВ с трансформато­рами мощностью 250-2500 кВ·А. Исполнение трансформаторов в КТП: сухие, масляные, заполненные негорючей жидкостью;

3) комплектные конденсаторные установки (ККУ) для компенсации реактив­ной мощности в сетях с неискаженной синусоидальной формой кривой напряжения без резкопеременного графика реактивной нагрузки;

4) комплектные полупроводниковые выпрямительные подстанциии установки (КПП, КВПП, КПУ) для питания сетевых нагрузок на на­пряжение 230 и 460 В и питания специальных электроприемников;

5) комплектные симметричные экранированные токопроводы 10 кВ на номинальные токи до 3200 А (серии КСТП и ТКС-10).