Элементы устройства электрических сетей

 

Конструктивные особенности различных электрических сетей определяются их назначением, величинами напряжения и электрических нагрузок, местом прокладки линий, их протяженностью и другими факторами. Несмотря на большие отличия в устройстве различных электрических сетей, все они имеют сходные по назначению элементы.

В качестве токоведущих элементов применяют металлические провода и кабели; для изоляции токоведущих элементов другот друга и от земли служат электроизоляционные материалы и конструкции; во всех сетях установлены коммутирующие аппараты, устройства защиты и контроля.

Воздушные линии. Воздушные линии имеют три основных элемента: провода, изоляторы, опоры. Для воздушных линий применяют в основном алюминиевые, стальные, сталеалюминиевые провода, большей частью многопроволочные.

Провода закрепляют на фарфоровых изоляторах, которые, в свою очередь, укреплены на опорах (рис. 13.6, а, 6). В зависимости от величины рабочего напряжения в линии применяют изоляторы (рис. 13.7, а, б) разной конструкции: подвесные в виде гирлянды, штыревые с креплением на штырях или крюках. Конструкция опор также зависит от значения рабочего напряжения линии. На рис. 13.6, а показана деревянная опора с креплением проводов на штыревых изоляторах. Для линий высокого напряжения применяют также железобетонные и металлические опоры.

 

 

а) б) а) б)

Рис. 13.6 Рис. 13.7

 

Кабельные линии. Для устройства кабельных линий электросетей применяют силовые кабели. Кабельные линии дороже воздушных и их применяют там, где воздушные линии проложить невозможно по тем или другим причинам (например, внутри зданий и на территориях промышленных предприятий,на улицах городов и других густонаселенных пунктов).

Внутренние кабельные проводки выполняют открыто по стенам (рис. 13.8, а) и поверхностям строительных конструкций в металлических трубах, в кабельных лотках и коробах, в кабельных каналах (рис. 13.8, б). Кабели прокладывают также в специальных помещениях, являющихся частями зданий (кабельные этажи, двойные полы, кабельные шахты и т. д.), подвешивают на тросах.

 

 

а) б) в)

Рис. 13.8

 

Наружную прокладку кабелей выполняют также по стенам и несгораемым поверхностям зданий и сооружений открытоили в трубах; подвешивают кабели на тросах или применяют специальные тросовые кабели.

На территориях предприятий, населенных пунктов кабели прокладывают также в земляных траншеях непосредственно в земле (рис. 13.8, в) или в специальных блоках из труб, кабельных каналах, тоннелях.

Электропроводки. Для доведения электроэнергии непосредственно к электроприемникам применяют кабели, а также изолированные провода с одно- или многопроволочными жилами, с резиновой или поливинилхлоридной электроизоляцией. Электропровода некоторых марок имеют защитную оболочку хлопчатобумажную или металлическую.

Марку провода и способ прокладки выбирают, учитывая характер производства, тип помещения, условия окружающей среды, удобство прокладки и эксплуатации, а также предназначение провода. Например, провод АППВ используется для открытой прокладки, а провод АППВС — для скрытой проводки в каналах или под штукатуркой.

В качестве распределительных элементов цеховых электросетей, кроме групповых распределительных пунктов (РП) и щитков (РЩ), широко применяют шинопроводы, прокладывая их вдоль цехов или технологических линий. В шинопроводах низкого напряжения применяют плоские алюминиевые, голые или с изоляционным покрытием шины. Для защиты шин от механических повреждений их помещают в кожухи, обычно металлические. Ответвления от магистральных шинопроводов выполняют с помощью специальных вставок.

Трансформаторные подстанции. Назначение и роль трансформаторных подстанций в системах передачи и распределения электрической энергии были отмечены ранее. Теперь рассмотрим некоторые вопросы их устройства применительно к подстанциям промышленных предприятий, главным образом цеховых, наиболее близко расположенных к электроприемникам. На трансформаторных подстанциях в любом случае имеются трансформаторы (один или несколько), распределительные устройства (РУ). При необходимости устанавливают вспомогательные устройства: аккумуляторные батареи или другие источники для питания вторичных цепей (цепей управления, контроля, защиты), конденсаторные батареи для компенсации реактивной мощности и др.

На промышленных предприятиях применяют открытую (наружную) или закрытую (в помещениях) установку оборудования трансформаторных подстанций. Каждый из этих видов установок имеет свои преимущества и недостатки и вопрос о применении того или другого вида решается технико-экономическим сравнением.

Распределительные устройства на подстанции собирают из отдельных элементов, изготовленных заранее (сборные РУ), но во многих случаях, особенно для закрытых цеховых подстанций, предпочитают комплектные РУ, полностью смонтированные на заводе-изготовителе, а на подстанции их устанавливают и делают необходимые подключения линий и трансформаторов.

На цеховых подстанциях часто установлено только одно РУ на одной стороне низкого напряжения (НН), а на другой стороне имеется только ввод высокого напряжения (ВН). На рис. 13.9 в качестве примера показана сборная цеховая трансформаторная подстанция, где первичное напряжение 6 кВ понижается до рабочего напряжения цеховой сети 380/220 В.

К трансформатору 4, установленному в отдельной камере, напряжение подано посредством кабеля 1, через разъединитель 3 с рычажным приводом 2. Вторичное напряжение поданонашины распределительного щита, который находится в соседнем помещении, где смонтированы также разъединитель 5 с рычажным приводом 7 и шинопровод 6, который выходит в производственное помещение для питания установленных там электродвигателей. Кшинам НН присоединены также кабельные линии к осветительной нагрузке.

Рис. 13.9 Рис. 13.10

 

Комплектная трансформаторная подстанция для внутренней установки показана на рис. 13.10, где 1 — распределительное устройство, 2 — силовой трансформатор, 3 — ввод высокого напряжения.

 

 

Выбор проводов и кабелей

 

Электрические сети должны удовлетворять многим технико-экономическим требованиям, из которых отметим основные: безопасность для жизни и здоровья людей, пожарная безопасность, надежность и бесперебойность электроснабжения, высокое качество электроэнергии (прежде всего отклонение напряжения в сети от номинального напряжения электроприемников должно быть в допустимых пределах), высокая экономичность (наименьшие капитальные и эксплуатационные расходы).

Выполнение этих и других требований обеспечивается правильным выбором оборудования, материалов, проводов и кабелей, высоким качеством строительной части и монтажа, выполнением всех правил технической эксплуатации. Рассмотрим вопросы выбора проводов и кабелей применительно к цеховым электросетям.

Выбор сечений проводов и кабелей по допустимому нагреву. В проводах и кабелях, нагруженных электрическим током, выделяется теплота, в связи с чем они нагреваются. Процессы нагревания и охлаждения проводов здесь не рассматриваются, так как в предыдущей главе уже рассмотрены аналогичные процессы применительно к электродвигателям. Напомним лишь о том, что установившаяся температура провода тем больше, чем больше потери энергии в нем и чем хуже условия теплоотдачи в окружающую среду.

Длительная надежная служба проводов и кабелей может быть гарантирована, если их температура не превышает допустимой величины, которая зависит от длительности действия тока, материалов токоведущих жил и электроизоляции.

Допустимой температуре соответствует допустимый ток I_дп. Значения допустимых токов для различных типов (марок) и поперечных сечений проводов и кабелей указаны в справочных таблицах. Они установлены с учетом условий прокладки, температуры окружающей среды (25 °С — воздуха и 15 °С — почвы).

Для того, чтобы выбрать сечение провода или кабеля по нагреву в длительном режиме, надо прежде всего найти расчетное значение тока в линии, принимая по графику нагрузки наибольшую из средних нагрузок длительностью 30 минут в течение смены (получасовой максимум).

Затем в таблице допустимых токов для заданных (выбранных) типа провода (кабеля) и условий прокладки надо найти значение допустимого тока, удовлетворяющего условию

I_дп ≥ I_р. (13.1)

Выбранной величине I_дпв таблице указано соответствующее сечение токопроводящей жилы провода или кабеля.

В данном случае сечение провода будет выбрано правильно, если значение допустимого тока равно значению расчетного тока I_р, а при отсутствии в таблице равной величины взята ближайшая большая.

В тех случаях, когда температура окружающей среды отличается от расчетной или надо проложить рядом несколько кабелей, условия охлаждения изменяются, поэтому допустимые токи для тех же поперечных сечений токоведущих жил уточняют с помощью поправочных коэффициентов k_п: I′_дп = k_п I_дп.

Однако на этом выбор сечения провода или кабеля не завершается, так как выбранное по длительно допустимому току оно может не удовлетворять требованиям экономичности в отношении потери напряжения в сети.

Выбор сечений проводов и кабелей с учетом защитных аппаратов. В электрических сетях напряжением до 1000 В для защиты электроприемников, а также питательных и распределительных линий от коротких замыканий и перегрузок применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Конструкции плавких предохранителей различны в зависимости от рабочего напряжения в сети, но все они имеют патрон, в котором крепится сменная плавкая вставка из легкоплавкого металла. Защитное действие заключается в том, что в случае превышения определенного значения тока плавкая вставка плавится (перегорает) и отключает электрическую цепь.

Для предохранителейуказывают следующие технические данные: номинальное напряжение U_п.т, номинальный ток патрона I_п.т, номинальный ток плавкой вставки I_п.в.

Плавкая вставка предохранителя должна отвечать двум требованиям: не перегорать при длительном рабочем токе нагрузки I_р, [(формула (13.2)], не перегорать при пусковых (пиковых) токах [(формула (13.3)]

I_п.в ≥ I_р; (13.2)

I_п.в ≥ I_max / α (13.3)

Выбирая предохранитель, рабочий ток I_р одиночного электроприемника принимают равным его номинальному току I_р = I_ном, для группы электроприемников I_р = k_c I_у, где I_у — сумма номинальных токов установленных электроприемников, присоединяемых к данной линии;k_c — коэффициент спроса, учитывающий, что электроприемники могут работать не одновременно и с неполной нагрузкой.

При выборе плавкой вставки по пусковому условию определяют

I_max = I_п + I′_р. (13.4)

Применение выражений (13.3) и (13.4) чаше всего связано с пиковыми нагрузками при пуске электродвигателей. Поэтому I_п — это пусковой ток одного двигателя, наибольший в данной группе двигателей; I′_р — рабочий ток группы двигателей, за исключением двигателя с наибольшим пусковым током.

Коэффициент α принимают в зависимости от типа предохранителя и условий пуска (легкий, тяжелый пуск) от 1,6 до 3.

Автоматические выключатели (автоматы) используют для обычных включений и выключений электрических целей (если они редки), но главное их назначение для автоматического размыкания цепи при длительных перегрузках (действует тепловая защита), при коротких замыканиях и других пиковых перегрузках (действует электромагнитная максимальная защита); при понижении напряжения действует электромагнитная минимальная защита.

Выбор сечения проводника с учетом аппарата защиты (или проверку сечения, выбранного по нагреву) осуществляют по условию

I_дп > k_зI_н.з, (13.5)

где I_дп — допустимый ток для выбранного сечения провода; I_н.з — номинальный ток плавкой вставки или уставка автомата; k_з — кратность допустимого длительного тока по отношению к току защитного аппарата.

Сечение провода (кабеля) принимают наибольшее по условиям (13.1) и (13.5).

Защита в электрических сетях должна действовать избирательно (селективно), т. е. отключать только тот участок, в котором произошло короткое замыкание или который длительно перегружен.

Выбор сечений проводов по допустимой потере напряжения. Электроприемники работают нормально, если напряжение в электросети U_c равно их номинальному напряжению U_ном. Стандартами установлены допустимые отклонения напряжения.

Причины отклонения различны, но главная из них связана с потерей напряжения в проводах, которые имеют активное и индуктивное сопротивления.

Потеря напряжения ΔU — это алгебраическая разность между напряжением U₁у источника питания и напряжением U₂ в месте подключения электроприемника. Ее выражают в вольтах или в процентах к номинальному напряжению:

ΔU = U₁– U₂; (13.6)

ΔU % = 100 ΔU / U_ном. (13.7)

Исходя из допустимых отклонений напряжения, определены допустимые потери напряжения в электросетях (на участке от подстанции до электроприемника).

В силовых сетях напряжением до 1000 В допустимая потеря напряжения составляет 6–7 % от номинального, в осветительных сетях — 2–3 %.

В линии постояного тока длиной l потеря напряжения ΔU = IR = 2I l / (γS). Отсюда можно определить сечение провода линии, если задано допустимое значение потери напряжения: 2I l / (γ ΔU) или

S = , (13.8)

где Р — мощность нагрузки; γ — удельное сопротивление материала провода.

Эта формула пригодна также для однофазной линии переменного тока, если нагрузка выражена активной мощностью, а индуктивное сопротивление линии не учитывается.

Если нагрузка присоединена в нескольких точках линии на расстоянии от ее начала l ₁; l ₂; l ₃ (рис. 13.11) и задана величинами мощности Р₁, Р₂, Р₃, то при одинаковом сечении проводов на всех участках линии из формулы (13.8) легко получить формулу

S = . (13.9)

Для трехфазной линии при тех же условиях

S = ; S = . (13.10)

 

 

Рис. 13.11

 

 

13.4 Некоторые вопросы эксплуатации электрических установок

 

Надежность и экономичность электроснабжения зависят не только от устройства электрических сетей, но в такой же мере от качества эксплуатации.

Эксплуатация электроустановок объединяет множество различных вопросов. Из них кратко рассмотрим некоторые вопросы экономии электроэнергии, безопасность обслуживания, контроль электроизоляции.

Компенсация реактивной мощности. В целях экономии электроэнергии применяют различные меры. В их числе — рациональное ведение технологического процесса, правильная эксплуатация электрооборудования. Большое значение имеет компенсация реактивной мощности в электрических сетях и установках. Подсчитано, что при увеличении коэффициента мощности на 0,01 в масштабе всей страны можно дополнительно получить около 500 млн. кВт-ч электроэнергии.

Энергетический процесс в катушке индуктивности, включенной в цепь переменного тока, характеризуется активной мощностью P = UI cos φ и реактивной Q = UI sin φ.

В этом отношении катушке индуктивности подобны многочисленные устройства переменного тока: асинхронные двигатели, индукционные нагревательные установки, трансформаторы, воздушные линии электропередачи и др.

Получая от генераторов электрическую энергию, эти устройства передают или преобразуют ее в другие виды энергии (активная мощность Р). Одновременно они обмениваются электромагнитной энергией с источниками (реактивная мощность Q). Этот обмен нежелателен, но неизбежен, так как без магнитного поля и периодического накопления энергии в нем перечисленные устройства работать не могут. Если реактивная мощность устройства не равна нулю, то его коэффициент мощности cos φ <1.

На каждом предприятии одновременно работают электродвигатели, трансформаторы и другие устройства. Чем больше их число и меньше коэффициенты мощности, тем больше общая реактивная мощность электрооборудования производственного участка, цеха, всего предприятия.

Величина общей реактивной мощности установки или электрооборудования предприятия в целом зависит еще и от правильного выбора, степени загрузки электродвигателей, трансформаторов, от соблюдения правил эксплуатации электрообо­рудования.

Для выяснения влияния величины реактивной мощности на экономические показатели электрических установок рассмотрим электроприемник (например, асинхронный двигатель), работающий с постоянной активной мощностью при постоянном напряжении в сети.

Ток в электроприемнике, а, следовательно, и в проводах, соединяющих его с источником энергии, при этих условиях зависит от величины реактивной мощности Q: I = S/U = . Чeмбольше реактивная мощность электроприемника, тем больший ток будет в самом приемнике, в генераторе, соединительных проводах, трансформаторе и в других элементах сети электроснабжения. Мощность тепловых потерь пропорциональна квадрату тока и сопротивлению проводов ΔР = I²R. Очевидно, чем больше ток приемника, тем больше потери энергии во всех элементах электрической цепи.

Стоимость потерянной энергии входит в эксплуатационные расходы. Уменьшение реактивной мощности электроприемников ведет к уменьшению их токов, сокращению потерь энергии и расходов на эксплуатацию.

Из приведенных рассуждений следует, что реактивную мощность установок, потребляющих реактивную энергию, надо по возможности сокращать.

На практике это достигается правильным выбором мощности асинхронных двигателей, трансформаторов, рациональной эксплуатацией их без недогрузки или работы вхолостую; упорядочением технологического процесса для повышения коэффициента мощности.

Эти и другие меры уменьшения реактивной мощности, связанные с выбором, установкой и эксплуатацией электрооборудования, называют естественными.

В тех случаях, когда естественные меры не могут обеспечить оптимальной величины реактивной мощности установки, принимают искусственные меры ее компенсации. Одной из таких мер является включение параллельно к электроприемникам переменного тока, обладающим индуктивностью, батарей конденсаторов.

Сущность компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов видна из векторной диаграммы, построенной для схемы параллельного соединения электроприемника (например, асинхронного двигателя или группы двигателей) с батареей конденсаторов (рис. 13.12, а, б).

 

а) б)

Рис. 13.12

До включения конденсаторов ток в подводящих проводах I_д отстает по фазе от напряжения на угол φ₁. После включения их реактивная составляющая I_1p тока двигателя частично компенсируется емкостным током I_с, в связи с чем ток в подводящих проводах уменьшается до I, а угол сдвига фаз – до φ₂ (в обменном энергетическом процессе между генератором и приемником участвует меньшее количество электромагнитной энергии).

Активная составляющая тока в проводах не изменяется, т. е. по активной мощности режим цепи остается прежним: I cos φ₂ = I _д cos φ₁.

Ток батареи конденсаторов I_C = I_д sin φ₁ — I sin φ₂, учитывая, что I_д = Р / U cos φ₁, I = Р / U cosφ₂, получим формулы для определения тока и мощности конденсаторной батареи:

I_C = (tg φ₁ — tg φ₂), (13.11)

Q_C = P (tg φ₁ — tg φ₂), (13.12)

I, U — ток и напряжение электроприемника; Р, Q — активная и реактивная мощности электроприемника; φ₁, φ₂ — фазовые углы установки до и после компенсации реактивной мощности.

Защитное заземление в электроустановках. Металлические части электроустановок преднамеренно соединяют с землей, имея в виду следующие цели: безопасность обслуживания электрооборудования, обеспечение нормальной работы электрооборудования в заданных режимах, защиту электроустановок от атмосферных перенапряжений.

При эксплуатации электрических сетей, промышленного и бытового электрооборудования имеется опасность поражения электрическим током. Поэтому при устройстве и эксплуатации электроустановок предусматривают меры, гарантирующие их безопасное обслуживание. Тем не менее не лишним будет напомнить о необходимости личной предосторожности каждого, кто эксплуатирует электрооборудование, пользуется электрическими устройствами или просто находится на территории электроустановок.

Опасность поражения электрическим током возникает в случае непосредственного прикосновения человека к токоведущим частям, между которыми имеется разность потенциалов или которые находятся под напряжением относительно земля. Однако поражение возможно и в случае прикосновения к металлическим частям электрооборудования, нормально не находящимся под напряжением. Металлические корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников, каркасы распределительных щитов, шкафов, пультов управления, металлические конструкции линий электропередач, подстанций и распределительных устройств, броня и металлические оболочки кабелей, стальные трубы электропроводок, вторичные обмотки измерительных трансформаторов — каждая из этих частей может оказаться под напряжением в случае повреждения электроизоляции.

Рис. 13.13

Для того чтобы избежать опасности поражения электрическим током, все перечисленные части электрооборудования подлежат заземлению. Этой цели могут служить естественные заземлители, находящиеся в земле металлические части зданий и сооружений, трубопроводы (кроме тех, которые предназначены для транспортировки горючих и взрывных жидкостей и газов), металлические оболочки кабелей и т. п.

При отсутствии подходящих естественных заземлителей делают искусственное заземляющее устройство. В землю закладывают (или забивают) электроды длиной 2,5—3 м из угловой, круглой или полосовой стали, верхние концы которых на глубине 0,7—0,8 м соединяют между собой полосовой или круглой сталью. Заземляемые части электроустановки соединяют с заземлителем металлическими проводами (обычно из стали). На рис. 13.13 показано распределение потенциала на поверхности земли в случае пробоя изоляции электрооборудования и возникновения тока через заземляющий электрод в землю.

По мере удаления от электрода объем грунта, в ко­тором распределяется ток, быстро растет, плотность тока соответственно уменьшается и уже на расстоянии 20 м потенциал практически равен нулю.

При расчете и изготовлении заземляющего устройства учитывают, что в случае пробоя изоляции электрооборудования (т. е. при коротком замыкании на корпус) к телу человека может быть приложена разность потенциалов между корпусом и землей (напряжение прикосновения U_пр) или разность потенциалов между участками поверхности земли, на которые опираются ноги идущего или стоящего человека (напряжение шага U_ш).

Степень поражения электрическим током зависит от величины, длительности и пути тока в теле человека.

Значение этого тока можно найти из равенства I_чR_ч = I_зR_з и установить, что он тем меньше, чем больше сопротивление тела человека R_ч, чем меньше сопротивление заземляющего устройства R, и ток через заземлитель I_з.

Защита от статического электричества. Технологические процессы, в ходе которых происходит трение твердых или жидких диэлектриков о металлические поверхности, изолированные от земли, сопровождаются возникновением зарядов статического электричества. Примером таких процессов является транспортировка сыпучих веществ или жидкостей по металлическим трубопроводам, перемешивание и разбрызгивание жидкостей, изготовление полимерных материалов и изделий и т. п.

Накопление зарядов создает разность потенциалов относительно земли, которая может достигать десятков киловольт.

Если не принимать мер защиты от накопления зарядов, может произойти искровая разрядка между частями технологической установки или на землю, последствиями которого могут быть взрыв, пожар, травмы.

Для защиты от статического электричества при проектировании технологических процессов предусматривают меры, устраняющие причины возникновения зарядов. В частности, повышают электропроводность обрабатываемых или транспортируемых материалов, увеличивают электропроводность воздуха путем увлажнения или ионизации, заземляют части технологического оборудования, на которых может возникать статический заряд. При наличии заземляющего устройства для электрооборудования или грозозащиты их можно использовать для защиты от статического электричества, а при отсутствии их изготовляют специальное заземление.

Контроль электроизоляции. Вероятность поражения электрическим током практически отсутствует там, где строго выполняют правила устройства и правила технической эксплуатации электроустановок.

Неудовлетворительное состояние электроизоляции создает опасность поражения электрическим током, возникновения пожара, нарушения электроснабжения. Поэтому в электрических установках осуществляют контроль состояния электроизоляции.

Рис. 13.14

Один из способов контроля основан на измерении напряжения между токоведущими жилами и землей. Например, в трехфазной сети напряжением до 1000 В три вольтметра включают звездой по схеме рис. 13.14.

Если изоляция в нормальном состоянии, все вольтметры показывают фазное напряжение, одинаковое во всех фазах.

При уменьшении сопротивления изоляции в одной фазе показание вольтметра уменьшится, а в двух других увеличится. Это является сигналом для обслуживающего персонала об отклонении качества изоляции от нормального.

По показаниям вольтметра, включенного по определенной схеме, можно измерить сопротивление изоляции в электроустановке, не находящейся под рабочим напряжением.

Другой способ контроля изоляции — измерение ее сопротивления мегаомметром — применяют, когда рабочее напряжение на электроустановке отсутствует.

Для измерения сопротивления изоляции проводов линии отключают электроприемники и линию от источника напряжения. Зажимы мегаомметра соединяют с проводниками, между которыми измеряют сопротивление изоляции:

зажим Л — с токоведущей жилой провода, зажим 3 — с землей или с жилой другого провода. Затем приводят в действие мегаомметр и на его шкале отсчитывают величину сопротивления. Она должна быть не менее 0,5 МОм. Аналогично измеряют сопротивление изоляции электрических машин и аппаратов.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ R

1. Установленная мощность: Ру = . 2. Коэффициент использования установленной мощности: kи = . 3. Коэффициент спроса: kи = Pmax / Py 4. Коэффициент загрузки электроприёмника: kз = Pср / Pном 5. Сечение провода линии: S = , S = для трёхфазной цепи: S = ; S = 6. Ток и мощность конденсаторной батареи: IC = (tg φ1 — tg φ2), QC = P (tg φ1 — tg φ2)

 

Схемы	Обозначения	Единицы измерения
	Рn – номинальная мощность Рср – средняя активная мощность Рmax – максимальная расчетная мощность Ру – установленная мощность Р – мощность нагрузки l – длина линии g - удельное сопротивление материала провода U – напряжение D U – потеря напряжения Р, Q – активная и реактивная мощности j1, j2 – фазовые углы установки до и после компенсации реактивной мощности	1 Вт 1 Вт 1 Вт 1 Вт 1 Вт     1 В 1 В 1 Вт, 1Вар

 

Примеры решения задач Ë

 

1. Механический цех, отстоящий от заводской трансформаторной подстанции на 150 м, обеспечива­ется энергией переменного тока напряжением 400/230 В. Цех имеет три группы электродвигателей.

Первая группа, состоящая из 10 двигателей мо­щностью по 7,5 кВт с cosφ₂ = 0,89, КПД η₁ = 0,87, удалена от ввода на 10 м; вторая — из 6 двигателей мощностью по 4 кВт с соsφ₂ = 0,8 и КПД η = 0,83, удалена от ввода на 25 м; третья — из 12 двигателей мощностью по 5,5 кВт с cosφ₂ = 0,72 и КПД η = 0,85, удалена от ввода на 35м. Допустимая потеря напряжения в линии 4% от U_ном, плотность тока I = 2,5 А/мм². Произвести расчет распреде­лительной сети.

 

Дано:   n1 = 10 Р1 = 7,5 кВт с cos φ2 = 0,89 η1 = 0,87 n2 = 6 Р2 = 4 кВт с cos φ2 = 0,8 η2 = 0,83 n3 = 12 Р1 = 5,5 кВт с cos φ2 = 0,72 η3 = 0,85 ΔU = 4 % J = 2,5 А/мм^2

Решение   1. Определяем допустимую потерю на­пряжения в линии от трансформаторной подстанции до нагрузки: ΔU = = = 9,2 В. 2. Напряжение на зажимах наиболее удаленной группы электродвигателей U2 = U1 – ΔU = = 230 – 9,2 = 220,8 В. 3. Определяем активную мощность отдельных групп двигателей с учетом коэффициента спроса: Р1 = Σ КсР1г = n1КсР21 = 10ּ0,65ּ7500 = 48750Вт, Р2 = Σ КсР2г = n2КсР22 = 6ּ0,65ּ4000 = 15600Вт, Р3 = Σ КсР3г = n3КсР23 = 12ּ0,6ּ5500 = 39000Вт.

Произвести расчет распределительной сети

 

4. Находим активные составляющие токов при номинальном напряжении:

I_1а = = = 165 А,

I_2а = = = 61,7 А,

I_3а = = = 170 А.

5. Определяем реактивные составляющие токов:

I_1р = I_1а sin φ = 165ּ0,45 = 74 А,

I_2р = I_2а sin φ = 61,7ּ0,6 = 37 А,

I_3р = I_3а sin φ = 170ּ0,7 = 119 В.

6. Общий ток на участке от ТП до ввода в цех

I = = = 458 А.

7. Находим сечения проводов линии по заданной потере напряжения:

S_U = = = 220 мм².

8. Выбираем провод сечением 240мм². Проверяем сечение проводов линии по допустимому нагреву:

S₁ = I / J = 458 / 2,5 =183 мм².

9. Сравнивая полученный результат с сечением проводов линии по допустимой потере напряжения, устанавливаем, что расчетное сечение линии превы­шает в 1,3 раза сечение линии по нагреву.

Определяем ток срабатывания автомата, защи­щающего линию от коротких замыканий и от продолжительной перегрузки

10. Токи расцепителя:

мгновенного I_уст ≥ К_вI = 1,7 ּ 458 = 778 А;

теплового I_{ном расц} ≥ α I = 1 ּ 458 А = 458 А.

11. Для защиты линии выбираем автомат ком­бинированного действия типа АВМ10С с временем срабатывания 0,06 с и током I = 800 А.

Определяем сопротивление линии «фаза – нуль»:

R = ρ 2 l / S = 0,017ּ2ּ150 / 240 = 0,021 Ом.

12. Ток короткого замыкания линии

I_к = U / R = 230 / 0,021 = 10952 А.

13. Сравнивая значение полученного тока с уставкой максимального тока (800 А), делаем вывод, что ток короткого замыкания превышает уставку в 13 раз, поэтому предохранительное устройство сработает надежно.

14. Рассчитываем линию на термическую устойчи­вость к токам короткого замыкания:

S_min = I_к = 10952 = 226 мм²,

где t – время срабатывания расцепителя; К – коэф­фициент, равный для меди 140, для алюминия – 95.

15. Произведем расчет линии от места ввода ее в цех до третьей группы электродвигателей.

16. Активная мощность третьей группы двигателей при коэффициенте спроса К_с = 0,6

Р₁ = Σ К_с Р_1г = n₁ К_с Р₂₁ = l0ּ0,65ּ7500 = 48 750 Вт.

17. Реактивная мощность

Q = Р₁ tg φ = 48750ּ0,5 = 24375 вар.

18. Полная мощность группы двигателей

S = = = 54500 ВּА.

19. Ток в в проводах, подводящих энергию к двига­телям,

I_1г = = = 164 А.

20. Определяем сечение проводов по допустимому нагреву:

S = I_1г / J = 164 / 2,5 = 65,8 мм².

21. Выбираем провод сечением 70 мм². Для защиты линии от ввода до группы двигателей выбираем автоматический выключатель типа A3130 с комбини-рованным расцепителем на ток 200 А.

Определяем номинальный ток одного двигателя:

I_ном = = = 25 А.

22. Пусковой ток двигателя I_п = К_I I_ном = 6ּ25 = 150 А,

где К_I – кратность пускового тока.

23. Выбор плавкого предохранителя для защиты двигателя от короткого замыкания производят с уче­том номинального тока двигателя, работающего в определенном режиме, и пускового тока двигателя.

24. Определяем ток двигателя при повторно-кратко­временном режиме:

I_{ном в} ≥ α I_ном = 1,25ּ25 = 31,25 А.

25. Пусковой ток двигателя при нормальных условиях пуска

I_{ном в} ≥ I_п / β = 150 / 2,5 = 60 А.

26. На основании полученных данных выбираем предо­хранитель типа НПР-100 на номинальный ток плавкой вставки I = 60 А. Если для защиты использовать автомат с максимальным электромагнитным расцепителем, то уставку выбирают по формуле на ток

I_{уст эм} ≥ 1,8 I_п = 1,8ּ150 = 270 А.

27. Коэффициент 1,8 вводят для исключения ложных срабатываний.

28. Для пуска, остановки и реверсирования двигателей выбираем магнитные пускатели типа ПМЕ-214 с но­минальным током теплового реле I = 25 А и номи­нальным напряжением U = 220 В.