Введение. Расчет электрических нагрузок и безопасность

Расчет электрических нагрузок И БЕЗОПАСНОСТЬ

ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА предприятиЯХ апк

Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся

по направлению «Агроинженерия» и «Теплоэнергетика»

Составители:

Т.Н. Стерхова

А.М. Ниязов

Ижевск

ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА

УДК

ББК

Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, утвержденного 17.03.2000г.

Учебно-методическое пособие рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, протокол № __ от “____” __________2010.

Рецензент

Составители:

Т.Н. Стерхова - к.т.н., доцент кафедры «Электротехнология с.- х. производства»; А.М. Ниязов – к.т.н., доцент кафедры «Электротехнология с.- х. производства».

	Расчет электрических нагрузок и безопасность электроустановок на предприятиях АПК.: учебно-методическое пособие / Составители: Т.Н. Стерхова, А.М. Ниязов. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009. – 28 с.
	Учебно-методическое пособие предназначено студентам очного и заочного отделений факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства для получения навыков проектирования электроустановок предприятий АПК и содержит методику расчета электрических нагрузок и безопасность электроустановок.

УДК 631

ББК 40

© ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009

©Т.Н.Стерхова, А.М.Ниязов, составление, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК МЕТОДОМ УПОРЯДОЧЕННЫХДИАГРАММ.. 5

1.1 Основные понятия и определения. 5

1.2 Методика расчета. 7

1.3 Порядок заполнения таблицы.. 11

2. Определение расчетных электрических нагрузок от однофазных электроприемников.. 15

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПИКОВЫХ НАГРУЗОК.. 18

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ.. 20

4.1Основные понятия. 20

4.2 Общие требования. 21

4.3 Заземляющие проводники. 24

4.4 Защитные проводники (РЕ-проводники) 25

4.5 Совмещенные нулевые защитные и нулевые рабочие проводники (PEN-проводники) 27

4.6 Последовательность расчета заземляющих устройств……………………………………..27

5. КЛАССИФИКАЦИЯ типов систем ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В.. 288

6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УРАВНИВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ.. 322

6.1 Основные понятия и определения. 322

ЛИТЕРАТУРА.. 376

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 398

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» и «Энергообеспечение предприятий». В нем подобран обширный справочный материал по проектированию систем электрификации объектов, необходимый для выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ. Пособие содержит шесть разделов и охватывает вопросы расчета электрических нагрузок, заземляющих устройств и устройств выравнивания электрических потенциалов на предприятиях АПК.

В первом разделе кратко отражены особенности расчета силовых электрических нагрузок методом упорядоченных диаграмм показателей графиков нагрузок. Метод широко применяется в промышленности, в ряде случаев (для расчета электрических нагрузок кормоцехов, птицефабрик, перерабатывающих предприятий) может применяться для сельскохозяйственных потребителей.

Во втором разделе представлена методика расчета электрических нагрузок от однофазных электроприемников.

В третий раздел вошли материалы по определению пиковых нагрузок, возникающих при нормальных условиях электрооборудования напряжением до 1000 В.

Четвертый раздел посвящен проектированию заземляющих устройств, представлены основные требования к заземляющим устройствам.

В пятом разделе представлены типы наиболее распространненых систем заземления электроустановок напряжением до 1000 кВ.

Шестой раздел посвящен проектированию систем уравнивания потенциалов.

Многообразие условий, которые необходимо учитывать при проектировании систем электрификации объектов различных отраслей промышленности, не позволяет в ряде случаев дать однозначные рекомендации по некоторым вопросам. Они должны решаться путем тщательного анализа специфических требований, предъявляемых к электрификации производством или отраслью промышленности, поэтому приведенные в пособии рекомендации не следует рассматривать как единственно возможные. В отдельных случаях возможны и неизбежны отступления от них, вытекающие из опыта проектирования в конкретной отрасли промышленности и специфики работы объектов.

Поскольку пособие предназначено для учебных целей, не представляется возможным всюду делать ссылки на первоисточники. По вопросам, которые изложены только частично, по тексту даются ссылки на соответствующую литературу.

Наличие данного пособия не освобождает студентов от необходимости использования другой нормативно-технической документации при детальной проработке отдельных вопросов по проектированию электроустановок.

1. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
МЕТОДОМ УПОРЯДОЧЕННЫХ ДИАГРАММ
(ЭФФЕКТИВНОГО ЧИСЛА ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ)

1.1 Основные понятия и определения

Электрическая нагрузка – величина, характеризующая потребление мощности отдельными приемниками или потребителями электроэнергии.

Приемник – индивидуальное устройство (электродвигатель, электрическая печь, электрическая лампа и т.п.), потребляющее электрическую энергию.

Потребитель – совокупность приемников объекта или предприятия в целом, объединенных в группы по следующим основным признакам:

- напряжению, роду тока, частоте тока;

- требуемой степени бесперебойного питания и степени резервирования;

- по технологическим связям и режимам работы;

- по размещению внутри помещения и стабильности расположения электрооборудования.

При проектировании систем электрификации производственных предприятий основными являются три вида нагрузок: активная мощность, реактивная мощность и ток.

Под номинальной (или установленной) мощностью электродвигателей понимается выраженная в киловаттах мощность, развиваемая двигателем на валу при номинальном напряжении, а под номинальной активной мощностью других приемников электроэнергий – потребляемая ими из сети мощность в киловаттах при номинальном напряжении.

Номинальная мощность приемников электроэнергии является достаточно достоверной исходной величиной для расчета электрических нагрузок. Длительно допустимая по нагреву суммарная номинальная мощность всех приемников групп дает первую, самую грубую оценку возможного верхнего предела значений расчетной групповой нагрузки. При этом номинальная мощность приемников всегда приводится к длительному режиму их работы.

Паспортная мощность приемников повторно-кратковременного режима (ПКР) приводится к номинальной длительной мощности при ПВ=100% по формулам:

(1)

где (отн. ед.) - паспортные данные о мощно­сти и относительной продолжительности включения приемника.

Под номинальной реактивной мощностью одного приемника понимается реактивная мощность, потребляемая им из сети (знак «плюс») или отдаваемая в сеть (знак «минус») при номинальной активной мощности и номинальном напряжении (а для синхронных двигателей и при номинальном токе возбуждения или номинальном коэффициенте мощности).

Паспортная реактивная мощность приемников ПКР приводится к длительному режиму, т. е. ПВ -100%, по формуле

(2)

Коэффициентом использования активной мощности приемника или группы приемников К_и называется отношение средней активной мощности отдельного приемника (или группы их) к ее номинальному значению, т.е.

(3)

Коэффициент использования относится, как правило, к смене с наибольшей загрузкой приемников.

Для группы приемников, состоящей из подгрупп приемников с разными режимами работы, средневзвешенный коэффициент использования активной мощности и определяется достаточным для практических расчетов приближением по формуле

(4)

где n - число подгрупп приемников с разными режимами работы, входящих в дан­ную группу; Р_с.м - средняя мощность подгруппы за наиболее загруженную смену; Р_н - номинальная мощность подгруппы приемников.

Значения коэффициента использования должны быть отнесены к тому же периоду времени (цикл, смена, год), к которому отнесены средние величины мощности, на основе которых этот коэффициент вычисляется при отнесении коэффициентов не к смене, а к другому периоду времени (например, году), в индекс вводится дополнительная буква (например, К_и.г). Аналогично определяются коэффициенты использования по реактивной мощности, К_и.р и току К_иI.

; (5)

(6)

Коэффициентом загрузки k_з приемника по активной мощности называется отношение фактически потребляемой им активной мощности (т.е. его средней нагрузки Р_с.в за время включения в течение t_ц) к номинальной мощности его:

(7)

Коэффициентом максимума активной мощности К_м называется отношение расчетной активной мощности Р_р к средней нагрузке Р_с за исследуемый период времени, т. е.

. (8)

Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены. Обычно коэффициент максимума относится к групповым графикам нагрузок, т.е. определяется величина К_м.

1.2 Методика расчета

Электрические нагрузки сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий определяют выбор всех элементов внутренних электрических питательных и распределительных сетей. Поэтому правильное определение электрических нагрузок является решающим фактором при проектировании и эксплуатации электрических сетей.

Выбор метода расчета электрических нагрузок зависит от производственного назначения объекта, режима работы технологического оборудования, требованиям к надежности электроснабжения, стабильности расположения электроприемников.

Для определения расчетной нагрузки Р_т таких объектов, как птицефабрики, кормоцеха, КЗС, АВМ и др. объектов, где не известен график работы оборудования, при­меняется метод упорядоченных диаграмм или метод эффективного числа электроприемников, по которому

Р_т = К_т Р_см = К_т • К_и • Р_н,

здесь Р_см - средняя нагрузка за наиболее загруженную смену.

Исходными данными для расчета Р_т являются: план объекта с расположением технологического оборудования и электроприемников (ЭП), количество ЭП, их номинальные (установленные) мощности, коэффициент мощности и коэффициент использования каждого ЭП.

Все ЭП разбиваются на характерные группы с примерно одинаковыми коэффициентами использования К_и и мощности cos с выделением групп ЭП с переменным и практически постоянным графиками нагрузки. К последним могут быть отнесены, например, ЭД насосов водоснабжения, вентиляторов, печей сопротивления и др. У ЭП с практически постоянным графиком нагрузки К_и > 0,6 и коэффициент заполнения суточного графика за наиболее загруженную смену К_эп > 0,9. При отсутствии таких данных все ЭП относят к ЭП с переменным графиком нагрузки. Значения К_и и cos отдельных ЭП приведены в приложении А.

Расчетная активная Р_т и реактивная Q_m нагрузка групп ЭП с переменным графиком нагрузки определяются из выражений:

Р _m= К_m Р_см= К_m К _и Р_н = К _m Р_н

Q_m = Q_см = Р_см tg при n_э>10, (9)

Q_m =1,1 Q_cv при n_э <10,

где Р_см - средняя мощность работающих ЭП за наиболее загруженную смену,

К_и - групповой коэффициент использования активной мощности,

- коэффициент использования отдельного ЭП,

К_т - коэффициент максимума активной мощности.

К_т определяется по кривым приложения А в зависимости от величины группового коэффициента использования К_и и эффективного числа ЭП n_э для данной группы ЭП по каждой группе.

Эффективное (приведенное) число ЭП - это такое число однородных по режиму работы ЭП одинаковой мощности, которое дает то же значение расчетного максимума Р_м, что и группа ЭП, различных по мощности и режиму работы

(10)

В условиях массового расчета и при большом числе ЭП рекомендуется пользоваться упрощенными способами определения п_э, допустимая погрешность которых лежит в пределах ±10%.

Пользуются следующими упрощенными способами определения п_э:

1. При п_э 4 в группе принимают п_э=п, если

, (11)

где − номинальная мощность наибольшего и наименьшего ЭП в группе.

При определении m допускается исключать мелкие ЭП, суммарная мощность которых не превышает 5% Р_н всей группы. Число этих мелких ЭП при определении п_э также не учитывается.

2. При m>3 и К_и≥0,2 (групповой)

(12)

Если найденное по этой формуле n_э оказывается большим, чем фактическое, следует принимать nэ = n.

3. При m>3 и Ки<0,2, т.е. при невозможности использования способов упрощенного вычисления n_Э, изложенных выше, определение nэ производится с помощью кривых, или по приложению А.

Порядок определения эффективного числа электроприемников пэ с помощью кривых или таблицы следующий:

- выбирается наибольший по номинальной мощности электроприемник рассматриваемой группы;

- выбираются наиболее крупные электроприемники, номинальная мощность которых равна или больше половины мощности наибольшего электроприемника группы;

- выбираются наиболее крупные электроприемники, номинальная мощность которых равна или больше половины мощности наибольшего электроприемника группы.

Определяются число п₁ и суммарная номинальная мощность Р_н1 наибольших электроприемников группы; определяются число п и суммарная номинальная мощность Р_н всех электроприемников группы; находятся значения

n*= п₁/п и Р* = Р_н1/Р_н

по полученным значениям п* и Р* по приложению Б определяется величина п_э*, а затем из выражения п_э*= n_э/n находится

п_э = п_э* • п. (13)

Расчетный максимум активной мощности группы электроприемников или многодвигательного привода, у которого имеются три или менее трех ЭП, определяется как сумма их номинальных мощностей

Р_m= , (14)

При числе электроприемников в группе больше трех, но при эффективном их числе меньше четырех, расчетная нагрузка принимается равной сумме произведений номинальных мощностей на характерные для этих приемников коэффициенты загрузки К₃, т.е.

(15)

При отсутствии данных о К_э и cos могут быть приняты их средние значения; для электроприемников с длительным режимом работы соответственно 0,9 и 0,8, а для электроприемников с ПКР соответственно 0,75 и 0,7.

4. При п_э > 200 или любых значениях К_и, а также при К_и > 0,7 и любых значениях п_э расчетную мощность допускается принять равной средней за наиболее загруженную смену (К_т =1).

Для ЭП с практически постоянным графиком нагрузки расчетная активная нагрузка принимается равной средней мощности за наиболее загруженную смену:

Р_т=Р_см = К_и Р_н. (16)

При наличии в расчетном узле электроприемников как с переменным, так и с практически постоянным графиком расчетные нагрузки этих электроприемников определяются отдельно, а суммарная расчетная нагрузка по узлу в целом - сложением максимальной нагрузки ЭП с переменным графиком (P _m1) со средней нагрузкой с практически постоянным графиком Р_т2:

Р_т= Р_т1+ Р_т2= К_т Р_см1+ Рсм₂ (17)

В тех случаях, когда мощность ЭП с практически постоянным графиком нагрузки составляет менее 25% суммарной мощности всех ЭП расчетной группы, общую расчетную нагрузку следует определять как для электроприемников с переменным графиком нагрузки. Если мощность ЭП с переменным графиком нагрузки составляет менее 25% суммарной мощности всех ЭП расчетной группы, то расчетная нагрузка определяется как для ЭП с постоянным графиком.

Результаты расчета электрических нагрузок должны быть представлены в специальных таблицах (приложение В).

1.3 Порядок заполнения таблицы

1. В графу 2 в соответствии со схемой питания записываются:

- наименование узла, для которого производится определение электрических нагрузок (силовой шкаф, питающая линия, магистраль, секция щита и т.п.);

- наименование характерных групп (с одинаковыми К_и и cos ), питающихся от данного узла.

Запись рекомендуется производить в такой последовательности:

- электроприемники длительного режима работы с переменным графиком работы. Каждый многодвигательный агрегат считается как один ЭП. В строке с наименованием такого агрегата необходимо записать число и мощность двигателей, входящих в состав многодвигательного агрегата;

- ЭП повторно-кратковременного режима работы приведением их к ПВ =100%. Для кранов с одинаковым наименованием и одинаковым К_и суммарное количество и их мощность могут вписываться в одну строку. В строке с наименованием рабочей машины необходимо записать число и мощность электродвигателей рабочей машины и их паспортные данные.

Если в числе электродвигателей рабочей машины имеются одновременно включаемые и отключаемые, то они учитываются в расчете как один электроприемник с номинальной мощностью, равной сумме номинальных мощностей одновременно включаемых и отключаемых.

Примечание:

1. При наличии синхронных двигателей необходимо указывать номинальные значения cos и .

При наличии однофазных электроприемников дается их перечень с указанием ПВ и номинального напряжения;

при наличии ЭП с практически постоянным графиком нагрузки эти электроприемники записываются под чертой прочих групп электроприемников.

2. В графе 3 в числителе записывается количество рабочих электроприемников, а в знаменателе - количество резервных.

Резервные электроприемники в расчете не учитываются. К ним относятся только явно выраженные резервные.

Взаимно резервирующие друг друга приемники, питающиеся от разных линий или секций, записываются отдельной строкой и при расчете нагрузки линии или секции учитываются наравне с рабочими.

3. В графу 4 по каждой группе записываются: при одинаковой мощности электроприемники группы - номинальная установленная мощность одного электроприемника в киловаттах, при электроприемниках различной мощности - номинальная мощность наименьшего и через тире наибольшего по мощности электроприемника в группе.

Для многодвигательного привода под термином «электроприемник» следует иметь в виду весь агрегат в целом, а под его номинальной мощностью - сумму номинальных мощностей всех двигателей агрегата.

4. В графу 5 в виде дроби записываются: в числителе - суммарная установленная мощность только рабочих электроприемников данной группы, приведенная к ПВ = 100%, в киловаттах, а в знаменателе – суммарная мощность резервных электроприемников (резервные электроприемники в определении средних и максимальных нагрузок не учитываются).

Однофазные электроприемники, приведенные к ПВ=100%, учитываются как трехфазные (без нахождения наиболее загруженной фазы и без приведения их к трехфазным).

5. Графа 6 заполняется по всей расчетной группе (по силовому шкафу, сборке, магистрали). Если т заведомо больше 3, эта величина не определяется и в графе 6 записывается «т>3».

6. Графы 7 и 8. Значения коэффициента использования и мощности для отдельных групп электроприемников выбираются по справочным материалам (приложение Г). Графа 8 для синхронных двигателей не заполняется.

7. Графа 9. Средняя активная нагрузка за наиболее загруженную смену для каждой группы электроприемников определяется по формуле

Р_см = К_и (графа 7) • Р_н (графа 5), кВт.

Нагрузка резервных электроприемников, ремонтных сварочных трансформаторов и других ремонтных электроприемников, пожарных насосов, а также электроприемников, работающих кратковременно (задвижки, вентили и некоторые др.), при подсчете средних и максимальных нагрузок не учитываются.

8. Графа 10. Средняя реактивная нагрузка за наиболее загруженную смену для каждой группы электроприемников определяется по формуле

Q_cm = Р_см (графа 9) • tg _н (графа 8), кВАр.

Для синхронных двигателей реактивная нагрузка принимается равной нагрузке с номинальным значением коэффициента мощности и определяется по формуле

q= ,

где Р_н - номинальная мощность двигателя, кВт;

tg _н - определяется по номинальному значению cos _н;

_н - номинальный КПД двигателя.

В таблице эта мощность проставляется со знаком минус.

Реактивная нагрузка от статических конденсаторов принимается равной номинальной с пересчетом ее на номинальное напряжение сети и проставляется в таблице также со знаком минус.

Реактивные нагрузки с опережающим током Q_ск и отстающим током Q_cm записываются в итоговой строке отдельно.

9. Для заполнения граф 7 и 8 по группе в целом необходимо предварительно подвести итоги по графам 5, 9 и 10. По полученным итогам определяются:

- средневзвешенное значение коэффициента использования по расчетному узлу (графа 7)

К_и = Р_см / Р_н = графа 9/графа 8

- средневзвешенное значение tg _с (графа 8)

tg _с = Q_см / Р_см =графа10 /графа 9

По полученной величине tg _c находится cos _с. Найденные значения

К_и и cos _с вносятся в итоговую строку узла соответственно в графы 7 и 8.

10. Графа 11:

- при т 3 (графа 6) эффективное число электроприемников п_э принимается равным их фактическому числу п, п_э=п;

- при т > 3 эффективное число электроприемников п_э определяется по формуле (4). Если найденное по этой формуле п_э оказывается больше, чем фактическое число ЭП, следует принимать п_э=п;

- при числе отдельных электроприемников в группе больше трех, но при п_э<4 расчетная нагрузка принимается

Р_m= _н *К_э,

где К_э, - средний коэффициент загрузки для электроприемников длительного режима, равный 0,9, и для ЭП повторно-кратковременного режима – 0,7.

В этом случае коэффициент мощности для определения расчетного тока следует принимать равным номинальному. При отсутствии данных о величине номинального коэффициента мощности он может быть принят для ЭП длительного режима 0,8 и ПКР–0,7.

11. Графа 12. Коэффициент максимума К_т определяется по приложению А или кривой [3,4] в функции эффективного числа электроприемников п_э (графа 11) и средневзвешенного К_и (графа 7).

12. Графа 13. Максимальная активная нагрузка от силовых электроприемников группы

Р_т = К_т (графа 12)•Р_см (графа 9), кВт.

13. Графа 14. Максимальная реактивная нагрузка от силовых электроприемников принимается равной:

-при п_э 10Q_m = 1,1* Q_см;

- при п_э>10Q_m =Q_см.

Максимальная реактивная нагрузка Q_ск, отдаваемая в сеть синхронными двигателями, принимается равной номинальной (графа 10) и записывается в таблице со знаком минус. Максимальная реактивная нагрузка от статиче­ских конденсаторов принимается равной номинальной.

14. Для электроприемников с практически постоянным графиком нагрузки К_т принимается равным единице и максимальная электрическая нагрузка - равной средней за наиболее загруженную смену:

Р_m = К_т* К_и* Р_н= К_и* Р_н,

Q_m = Q_см

15. Суммарные максимальные нагрузки, активные и реактивные по расчетной группе в целом для ЭП с переменным графиком и ЭП с практически постоянным графиком нагрузки определяются сложением нагрузок этих групп ЭП по формуле (9). В тех случаях, когда мощность ЭП с практически постоянным графиком составляет менее 25% суммарной мощности всех ЭП расчетной группе, допускается общую максимальную нагрузку определять по формуле

Р_m = К_т* Р_см, Q_m = Q_см

16. Графа 15. Максимальная полная нагрузка от силовых ЭП определяется по формуле

S_m=

17. Графа 16. Эта графа предназначается для записи расчетных токов (максимальных и пусковых). Пиковые токи определяются по формуле (22).

1. Для определения общих нагрузок к силовым нагрузкам необходимо добавить осветительную на­грузку. Расчетная максимальная нагрузка от электрического освещения при­нимается равной средней за наиболее загруженную смену

Р_mо= Р_смо=К_со*Р_но,

где К_с - коэффициент спроса, принимаемый по [2,5]. Для производственных зданий К_с = 0,95;

Р_т - номинальная мощность осветительной нагрузки.