Глава 1. Общая характеристика предприятия

ВВЕДЕНИЕ

Талнахская обогатительная фабрика (ТОФ) – это одно из главных производств соединяющих металлургическую отрасль с горной. На данной фабрике в основном перерабатываются богатая медно-никелевая руда, с получением необходимых концентратов руды для металлургических предприятий Норильского никеля.

Целью данного дипломного проекта является создание надежной системы электроснабжения измельчительно-флотационного цеха Талнахской Обогатительной Фабрики.

Всего на ТОФ установлены две шаровые мельницы, которые используются для измельчения дробленой руды. Максимальная производительность каждой – около 200 тонн измельченной руды в час.

На данный момент в горно-металлургической промышленности, растут требования к высокому качеству продукции и техническому уровню, электрооборудования, приборов и схем электроснабжения.

Поэтому для более долговечной и бесперебойной работы мельниц должны быть заменены главные элементы сети на более новые, также следует учитывать каждый фактор при расчете, к которым могут относится мощность отдельных элементов, графики нагрузок потребителей, размещение нагрузок на ситуационном плане, число, расположение, мощность, напряжение и другие параметры, требования аварийного и послеаварийного режимов, загрязненность окружающей среды и т.д.

Основным поставленным элементом в расчете является проектирование и сооружение ГПП на основе рассчитанных нагрузок, характеристики основных электроприемников, классификации электроприемников.

При изменениях и переподключениях система должна быть собрана в подготовленном виде чтобы совершать моментальное исправление в послеаварийных режимах, обеспечить безопасное питание нагрузки предприятия.

 

 

Талнахская обогатительная фабрика является главным звеном в горно-металлургической компании «Норильский никель» и она необходима для обогащения руды, а также для функционирования предприятия «ГМК Норильский никель». ТОФ занимает ключевую позицию в технологии производства металла. Поэтому крайне важно обеспечить надежное электроснабжение данной фабрики. За основы будет взят измельчительно-флотационный цех талнахской обогатительной фабрики..

При проектировании электроснабжения данного объекта должны быть рассмотрены следующие задачи:

- определить местонахождение предприятия и описать его общую характеристику;

- рассчитать электрические нагрузки по секциям;

- рассчитать электрические нагрузки по группам приемников электроэнергии;

- выбрать и рассчитать кабельные сети;

- рассчитать и выбрать распределительные устройства;

- выбрать высоковольтное оборудование главной понизительной подстанции ГПП-40;

- провести расчет высоковольтной сети;

- рассчитать токи короткого замыкания и выбрать коммутационно-защитную аппаратуру в сети высокого напряжения;

- выбрать пускозащитную аппаратуру.

Часть материала для диплома была собрана во время преддипломной практики на заполярном филиале.

 

 

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ

Электроснабжение предприятия и описание основного электрооборудования.

ГПП 40 измельчительно-флотационного цеха (ИФЦ) снабжается электроэнергией от воздушной линии (ВЛ) по двум линиям электропередачи 110 кВ состоящего их одного участка: длинной L = 2,6 км. Так же от ГПП 40 запитываются РП.

ОТ РП электроэнергией снабжаются ТП-1000, количество которых составляет двенадцать штук. ТП-1000 представляет собой комплектную двухтрансформаторную подстанцию с двумя сухими трансформаторами 6/0,4 кВ и мощностью 1000 кВ∙А. Так же от ГПП запитаны двенадцать штук высоковольтных двигателей имеющие мощности 4000, 5000 и 5600 кВт, при этом от РП запитаны высоковольтные двигатели, носящие мощность около 400, 500 и 1000 кВт.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Выбор уровня напряжения

Комплекс основных вопросов при проектировании СЭС промышленных предприятий наряду с выбором общей схемы питания и определением целесообразной мощности силовых трансформаторов включает в себя выбор рациональных напряжений для схемы, поскольку последним определяются параметры ЛЭП и выбираемого электрооборудования подстанций и сетей, а следовательно, размеры капитальных вложений, расход материалов и потери электроэнергии.

Напряжение для питания ГПП от энергосистемы определяется по формуле Г.А. Илларионова:

.                                       

                                                 (2.6)

Тогда:                                                              

.

где l = 16 км - длина питающей линии;

Р = 30,2 МВт – возможная максимальная передаваемая мощность.

Окончательно, исходя из вариантов выбора напряжения принимаем напряжение внешнего электроснабжения 110 кВ.

Выбор трансформаторов ГПП

Выбор номинальной мощности трансформаторов ГПП осуществляется по суточным графикам, отражающим как максимальные, так и среднесуточную нагрузки подстанций, а также продолжительность максимума нагрузки. При эскизном проектировании и отсутствия суточного графика достаточного значения расчетного уровня нагрузки.

Проектирование ГПП с высшем напряжением 35-220 кВ осуществляется на основе технических условий определяемых энергосистемой, возможностями источников питания и электрической системой района, схемами внешнего электроснабжения промышленного предприятия, а также схемами системной автоматики и релейной защиты. Выбор трансформаторов выполняется на расчетный период, включая резерв территории, и с учетом возможности развития ГПП на последующие 5 лет.

Так как в системе электроснабжения предприятия существуют электроприемники I и II категорий, то согласно «Правил устройства электроустановок» электроприемники I и II категорий должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Определим номинальную мощность для трансформаторов на ГПП на

 

основании расчетной нагрузки предприятия в нормальном режиме работы:

Учитывая ряд номинальных мощностей и, принимаем трансформатор с номинальной мощностью, S = 16 МВа, U = 115 кВ типа ТРДН-40000/110 (силовой масляный трехфазный двухобмоточный трансформатор с регулировани-ем напряжения под нагрузкой и системой охлаждения «Д»).

Сначала определим коэффициенты загрузки силового трансформатора (СТ) в нормальном К _з и послеаварийном К _з,пав режимах работы, учитывая, что К _з.пав ≤ 1,4:

;     (2.7)

Для ТРДН-40000/110:

; К _з.пав = 1,3 < 1,4.

Все условия сходятся, окончательно можем выбирать два трансформатора марки ТРДН-40000/110. Технические данные трансформатора представлены в таблице 2.2.1

Таблица 2.2.1 - технические данные трансформатора типа ТРДН-40000/110

Тип	Мощность, кВА	Номинальное напряжение, кВ		Потери, кВт		Ток ХХ, %
		ВН	НН	ХХ	КЗ
ТРДН-40000/110	40000	115	11	25	170	0,55

 

Рисунок 2.1. Система внешнего электроснабжения

 

Система внешнего электроснабжения включает в себя схему электроснабжения и источники питания предприятия. Основными условиями проектирования рациональной системы внешнего электроснабжения являются надежность, экономичность и качество электроэнергии в сети.      Экономичность определяется приведенными затратами на систему электроснабжения. Надежность зависит от категории потребителей электроэнергии и особенностей технологического процесса.

Принимаем для схемы внешнего электроснабжения двухтрансформаторную подстанцию с разъединителями, выключателями и неавтоматической перемычкой, необходимой для ремонтных и оперативных переключений на стороне высокого напряжения. Для обеспечения надежности питания потребителей I категории на всех секционных выключателях устанавливаем устройства АВР (автоматический ввод резерва). Распределительное устройство высокого напряжения выполняется закрытым (ЗРУ).

После определения расчетной мощности ГПП и предварительного выбора внешней схемы электроснабжения рассматриваемого цеха, произведем выбор напряжения питающей сети.

Наиболее выгодное напряжение может быть определено по формуле Стилла, поскольку L<250 км, а P< 60 МВт:

(2.8)

где L - длина линии от ИП до ГПП (L=16 км); P – расчётная передаваемая мощность (P= 30,2 МВт);

 Следовательно, выбираем питающее напряжение 110 кВ.

2.2.3 Общие требования к конструкции распределительных устройств ГПП

В районах Крайнего Севера [5] и вечной мерзлоты к компоновке подстанций предъявляют дополнительные специальные требования, обусловленные низкой температурой, снежными заносами, сильными ветрами и многолетнемерзлыми грунтами. Также НПР характеризуется большим скоплением металлургических и перерабатывающий предприятий на незначительной территории, выделяющих различные вещества, загрязняющие окружающую атмосферу и отрицательно действующую на изоляцию и неизолированные токоведущие части.

Все эти условия затрудняют быстрое восстановление повреждений на подстанциях и снижают надежность и сроки работы дорогостоящего электрооборудования открытых распределительных устройств. К тому же приходится решать вопросы выбора дополнительной изоляции или ее усиление и рациональной установки подстанций с учетом наименьших снежных заносов и преобладающего направления ветров, установки снегозащиты, что увеличивает стоимостные показатели установки.

 

Поэтому в практике НПР все больше и больше находят применения конструкция подстанции закрытого типа (ЗРУ на напряжение 35-220 кВ/6-10 кВ).

Данная ГПП будет состоять из 3 узлов:

- ЗРУ на напряжение 110 кВ.

- Силовые трансформаторы.

- ЗРУ на напряжение 10 кВ.

Согласно литературе [1], РУ должно обеспечивать надежность работы электроустановки, что может быть выполнено только при правильном выборе конструкции РУ в соответствии с ПУЭ. Обслуживание РУ должно быть удобным и безопасным для персонала. Размещение оборудования РУ должно обеспечить хорошую обозреваемость, удобство и полную безопасность при ремонтных работах и осмотрах.

ЗРУ представляется в двухэтажном исполнении, где ЗРУ-10кВ с силовыми трансформаторами расположено на первом этаже, а ЗРУ-110кВ – на втором.

Неизолированные токоведущие части во избежание случайных прикосновений к ним должны быть помещены в камеры или ограждены. Во многих случаях в конструкциях ЗРУ применяется смешанное ограждение – на сплошной части ограждений крепятся приводы выключателей и разъединителей, а сетчатая часть позволяет наблюдать за оборудованием. Высота ограждений – не менее 1,9 м. Из помещения ЗРУ должны предусматриваться два выхода по его концам при общей длине помещения от 7 до 60 м (п.п.4.2.94 [1]), двери должны открываться наружу и иметь самозапирающиеся замки.

Конструкция пола помещений РУ должна исключать возможность образования цементной пыли. Для обеспечения пожарной безопасности, конструкция ЗРУ должна отвечать требованиям СНиП и правилам ППО. Здание ЗРУ сооружается из огнеупорных материалов, отдельные элементы РУ размещаются в камерах, а при установке масляных трансформаторов обязательно предусматривается место для сбора и отвода масла. Хранение трансформаторного масла на подстанции не предусматривается.

Выбор линий электропередач

Передачу электроэнергии от источника питания до ГПП промышленного предприятия осуществляем воздушными линиями. Длина линий 15 км.

Так как основные потребители относятся к I и II категории надёжности электроснабжения, то питание должно осуществляться от двух независимых источников по двум независимым линиям.

Выбираем две одноцепные ВЛЭП с проводами марки АС, на стальных опорах.

Выбор сечения проводов ВЛЭП согласовываем с допустимой нормальной нагрузкой трансформаторов ГПП.

Расчетный ток в нормальном режиме на одну цепь с учетом вышесказанного:

  (3.2)

Ток в послеаварийном режиме:

 (3.3)

Расчет сечения проводов ВЛЭП:

где j _эк =1,2 А/мм²– экономическая плотность тока, для алюминиевых проводов с ПВХ изоляцией при Т _max = 7000 ч/год [6].

Ближайшее стандартное сечение имеет провод АС-150/11 с I _дл.доп = 365

А, х _о = 0,406 Ом/км, r _о = 0,198 Ом/км.

Проверка по длительному допустимому току:

I _дл.доп = 365 А > I _{р. max} = 289 А.

Проверка по потери напряжения:

,  (3.4)

Тогда

Выбранное наибольшее сечение провода 150 мм² проходит по допустимой потери напряжения в нормальном режиме 1,2% < 10 %, а также в послеаварийном режиме 1,56 % < 20 %.

Выбор по нагреву длительным расчетным током:

Расчетный ток равен:

 

,        (3.5)

где Р_НОМ – номинальная мощность синхронного двигателя, кВт;

- КПД двигателя.

Для СД А4-450Y-4УЗ: .

Для СТД-5600-2 УХЛ4:

Для СТД-5000-2З УХЛ4:

Для СТД-4000-2Р УХЛ4:

Для трансформатора ТП-1000:

Для трансформатора ТП-250:

Для СД по каталогу «АББ Москабель» предварительно выбираем кабель марки АПвВнг-3×70/16-10, ; r₀=0,443; x₀=0,103

Для трансформатора ТП по каталогу «АББ Москабель» предварительно выбираем кабель марки АПвВнг-3×50/16-10, ; r₀=0,641; x₀=0,11

После того как определено минимально допустимое сечение провода, сравниваем его с экономическим показателем (после расчёта ТКЗ):

j _эк – выбираем из ПУЭ таблицы 1.3.36. для кабеля с резиновой и пластмассовой изоляцией с алюминиевыми жилами.

j _эк = 1,6 А/мм ²

Для СД: .

Для трансформатора ТП: .

Выбор сечения жил кабелей по потерям напряжения

Воспользуемся формулой  (3.4):

Для СД:

Для трансформатора ТП:

Кабели выпускаются с условием того, что минимальное сечение является механически стойким.

Таблица 2.4.1 - результаты расчёт КЛ электроприемников

Наименование электроприемника	L, км	Iмах, А	Iдоп, А	F, мм^2	r0, Ом/км	x0, Ом/км	r, Ом	x, Ом
А4-450Y-4УЗ	0,442	169,6	173	3х150	0,524	0,116	0,1027	0,0227
СТД-5600-2 УХЛ4	0,457	155,7	173	3х120	0,524	0,116	0,0844	0,0187
СТД-5000-2З УХЛ4	0,442	92,8	173	3х120	0,524	0,116	0,0293	0,0065
СТД-4000-2Р УХЛ4	0,472	92,8	173	3х120	0,524	0,116	0,0461	0,0102
СДВ-16-51-12	0,472	15,4	173	3х120	0,524	0,116	0,461	0,0120
ТСЗ-250/10	0,020	46,6	173	3х120	0,524	0,116	0,0461	0,0102
ТП-1	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0046
ТП-2	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0104
ТП-3	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0181
ТП-4	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0227
ТП-5	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0187
ТП-6	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0220
ТП-7	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0136
ТП-8	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0132
ТП-9	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0147
ТП-10	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0222
ТП-11	0,020	166,45	173	3х150	0,524	0,116	0,131	0,0156
ТП-12	0,020	55,4	173	3х150	0,524	0,116	0,069	0,0155
В-1	0,016	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0084	0,0019
В-2	0,024	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0126	0,0028
В-3	0,038	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0119	0,0044
В-4	0,047	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0246	0,0055
В-5	0,062	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0325	0,0072
В-6	0,069	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0362	0,0080
В-7	0,085	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0445	0,0099
В-8	0,094	102,57	173	3х35	0,524	0,116	0,0493	0,0109

Исходные данные

              

              

                     

                 

                   

                  

Выбор базисных величин

Расчёт ТКЗ в точке К1

Расчёт ТКЗ в точке К2

Расчет ТКЗ в точке К3

Расчёт мощностей КЗ

Расчёт токов двухфазного КЗ

Расчёт ударных ТКЗ

В точке К1

В точке К2

 

В точке К3

Расчёт ТКЗ при t =0,2 с и t = ∞

В точке К1

В точке К2

От системы

 

От электродвигателей

Суммарный ток

В точке К3

От системы

От электродвигателей

 

Таблица 2.5.1. Расчётные значения ТКЗ

К1	16,47	42,34	21,3	11,529	10,541	3137,9
К2	8,064	15,62	9	9,44	8,064	143,8
К3	13,38	34,05	17,36	8,064	6,25	238,6

Вводной выключатель:

 

 

 

        

Размеры: В – 3905мм; Ш – 2042 мм; Д – 3858 мм;

Привод гидравлический. Среда гашения дуги – двойной сопол.

Баковые выключатели ЗАТ2/3 оснащены проходными трансформаторами тока для защиты и измерений. Трансформаторы тока монтируются по обе стороны каждого полюса выключателя у оснований вводов в атмосферостойких корпусах.

 

Таблица 2.6.2. Проверочный расчет для вводного выключателя на 110 кВ

 

№ п/п	Наименование	Параметры		Формула выбора
		по каталогу	расчетные
1		245	110
2		3,15	0,112
3		108	42,34
4		80	16,47
5		80	5,748

 

Значения номинального тока термической стойкости выбранных аппаратов больше расчётного. И разъединитель, и вводной выключатель удовлетворяют условию термической стойкости.

Выбор трансформаторов тока

На строне 110 кВ устанавливаются трансформаторы тока ТВ-110-I-200/5, встроенные в выключатели Siemens ЗАТ2/3. Для обеспечения дифференциальной защиты, максимальной токовой защиты и питания измерительных приборов на каждый выключатель устаналиваем 3 комплекта трансформаторов тока. Также для обеспечения защтиты от повреждений между фазами устанавливаются 2 комплекта трансформаторов тока ТВТ-110-I-300/5, встроенных в вводы каждого силового трансформатора.

ТВ-110-I-200/5

ТВТ-110-I-200/5

Вводной выключатель

Серия MCset предусматривает конфигурацию ячейки AD1 для вводной линии со следующими характеристиками:

Номинальное рабочее напряжение: 12 кВ;

Номинальный ток: 2500 А;

Ток отключения: 31,5 кА;

Ток термической стойкости: 31,5 кА; действ.; 1 с; 31,5 кА; действ.; 3 с;

Размеры: В – 2300 мм; Ш – 900 мм; Г – 1750 мм;

Для этой ячейки выбираем выкатной элегазовый выключатель LF1/MCset1:

Привод пружинный типа RI. Полное время отключения  

Таблица 2.6.3. Проверочный расчет для вводного выключателя на 10 кВ

№ п/п	Наименование	Параметры		Формула выбора
		по каталогу	расчетные
1		12	10
2		2500	1810
3		80	15,62
4		31,5	6,2
5		31,5	4,5

 

Для проверки на термическую стойкость:

Секционный выключатель

Секционных выключатель выбирается по номинальному току одной секции шин.

Серия MCset предусматривает конфигурацию ячейки CL1/GL1 для секционного выключателя со следующими характеристиками:

Номинальное рабочее напряжение: 12 кВ;

Номинальный ток: 630 А;

Ток отключения: 31,5 кА;

Ток термической стойкости: 31,5 кА; действ.; 1 с; 31,5 кА; действ.; 3 с;

Размеры: В – 2300 мм; Ш – 900 (х2) мм; Г – 1750 мм;

Для этой ячейки выбираем выкатной элегазовый выключатель LF1/MCset1:

Привод пружинный типа RI. Полное время отключения  

 

Таблица 2.6.4. Проверочный расчет для вводного выключателя на 10 кВ

 

№ п/п	Наименование	Параметры		Формула выбора
		по каталогу	расчетные
1		12	10
2		630	905
3		80	15,62
4		31,5	10,623
5		31,5	4,5

 

Выбор трансформаторов тока

В цепях НН трансформатора ГПП необходимо установить следующие контрольно-измерительные приборы: амперметр, ваттметр, варметр, счетчики активной и реактивной энергии.

В цепи секционного выключателя необходимо установить амперметр.

Нагрузка вторичной цепи ТТ: амперметр, счётчик активной и реактивной энергии.

Функции контрольно-измерительных приборов выполняют микропроцессорные блоки типа Sepam 2000, которыми комплектуются выбранные ячейки КРУ.

Для вводной ячейки AD3 по току вводного выключателя () принимаем к установке трансформатор тока типа ARJA1/N2J фирмы Schneider Electric, номинальные данные которого:

 

 

Таблица 2.6.6. Данные проверки трансформатора тока ARJA1/N2J

№ п/п	Наименование	Параметры		Формула выбора
		каталога	расчетные
1	Uном, кВ	10	10
2	Iном1, кА	2000	1810
3	iу, кА	100	15,62
4	Iтер, кА (1 с)	50	4,5
5	Sном2 , ВА	30	5,748

 

Для обеспечения работы ТТ в требуемом КТ=0,5 следует выполнять следующие условие:                                                 

Таблица 2.6.7. Характеристики блока измерений Sepam 2000

 

Модель	Выполняемые функции	КТ	Потребляемая мощность блока, ВА
Sepam 2000 S26 (S02)	Амперметр	0,5	0,025
	Ваттметр	1
	Варметр	1
	Счетчик активной энергии	1
	Счетчик реактивной энергии	1

 

Sepam 2000 S26 (S02) – микропроцессорный блок защиты, измерения, контроля и управления, компактного исполнения, для подстанций.

Сопротивление приборов:

Сопротивление проводов:

Где S – сечение провода, 3 мм² – сечение алюминиевых проводов,  - расчётная длина провода при включении всех приборов в одной фазе

Сопротивление контактов:

Условие  выполняется.

Проведя аналогичные проверки соответствия номинальных характеристик, выбираем остальные трансформаторы тока:

Для ячеек, питающих СД-1 – ARJP1/N2J:   

Для ячеек, питающих синхронные электродвигатели СД-2– ARJP1/N2J:

Для ячеек, питающих электродвигатели АД-1- ARJP1/N2J:

Для ячеек, питающих электродвигатели АД-2-3- ARJP1/N2J:

Для ячеек, питающих трансформаторы ТП-1-11 – ARJP3/N2J

Выключатели для АД, СД и ТП

Выключатели на отходящие линии ГПП выбираем одинакового типа с целью удобства оперативной замены в случае аварии и формирования складского резерва.

Выбор выключателя для АД производится по номинальному току и напряжению:

Номинальный ток двигателя:

Выбираем выключатель ВВ/ТЕL-10-20/630У1 (выключатель вакуумный с электромагнитным приводом), с номинальными данными:

U_н = 10 кВ, U_мах = 12 кВ, I_н = 630 А, I_отк = 20 кА, i_{эл.дин.с.} =51 кА; I_н.т.с = 20 кА, собственное время отключения (с приводом) t_откл. = 0,015 с., собственное время включения (с приводом) t_вкл. = 0,07 с.

Данные по выбору выключателя АД сводим в таблицу 2.6.8.                                                                                        

Таблица 2.6.8. Выбор выключателя АД

№ п/п

Наименование

Параметры

Формула выбора