Расчет проводов по условиям отклонения напряжения

Система электроснабжения состоит из ряда устройств, которые в простейшем случае могут быть представлены в виде последовательного соединения элементов: генератора электростанции, повышающего трансформатора, линии электропередачи, понижающего трансформатора, наружной линии низкого напряжения, внутренних магистральной и групповой линий и, наконец, потребителя. Это, безусловно, упрощенная модель системы электроснабжения. В действительности число элементов системы значительно больше, больше также ступеней напряжения и соединены они не только последовательно.

Современные электросистемы включают в себя десятки электростанций, сотни подстанций и многие сотни километров электрических линий различных напряжений. Принятая нами упрощенная модель поможет объяснить сущность расчета сети на отклонение напряжения.

Все элементы системы электроснабжения обладают электрическим сопротивлением (активным и реактивным). Следовательно, вырабатываемая генератором электроэнергия, передаваемая через все элементы системы электроснабжения, теряет в них определенную часть напряжения. Для компенсации потерь напряжения в элементах системы электроснабжения используют целый ряд средств. Самым простым из них является повышенный уровень номинальных напряжений генераторов и трансформаторов по сравнению с номинальным напряжением U_Н приемников электроэнергии. Например, для низковольтных электроприемников номинальным является напряжение 380 и 220В, а для этой ступени напряжения понижающих трансформаторов соответственно – 400 и 230В. Повышение напряжения на вторичных зажимах трансформатора позволяет иметь запас, который можно потерять в сети. Кроме того, в системах электроснабжения применяется регулирование напряжения на электростанциях и крупных подстанциях. При изменении нагрузки изменяется величина тока и, следовательно, потери напряжения DU_потр у потребителя.

В общем случае, если в системе отсутствует автоматическое регулирование напряжения, напряжение у потребителя при изменении нагрузки в широком диапазоне может быть определено по формуле U_потр = U_Н ± DU_потр, т.е. при изменении нагрузки происходит колебание напряжения у потребителя, и напряжение может быть не только меньше, но и больше номинального значения.

Мощность нагрузки потребителей электроэнергии изменяется в широком диапазоне как по дням и часам суток, так и по временам года. Зависимость мощности нагрузки от времени называется графиком нагрузок. Графики нагрузок промышленных предприятий резко отличаются от графиков нагрузок общественно-коммунальных потребителей (городов и поселков), а электроснабжение всех потребителей осуществляется от общей энергосистемы. Поэтому централизованное автоматическое регулирование напряжения на электростанциях и крупных подстанциях для промышленных предприятий, как правило, не совпадает с интересами общественно-бытовых потребителей, например, когда последним необходимо повысить напряжение для компенсации его потерь в часы максимальной нагрузки (вечернее время суток): для промышленных предприятий такое повышение может быть вредным и наоборот.

Как следует из изложенного, расчет сети на колебание напряжения для определения минимального и максимального напряжений у потребителя возможно выполнить, если известны необходимые параметры схемы, а также режим электропотребления.

Такие расчеты выполняют при проектировании электросистем и городских сетей. Для электрической сети внутри зданий делают упрощенные расчеты. При этом напряжение на шинах высокого напряжения понижающих трансформаторных подстанций 400/230В принимают неизменным при любой нагрузке. Расчет проводят для режима номинальных нагрузок.

Допустимые отклонения напряжения в процентах от номинального напряжения сети составляют:

1) на зажимах приборов рабочего освещения в производственных и общественных помещениях 2,5%;

2) на зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления 5%;

3) для основной массы электроприемников электрической энергии (бытовые электроприемники, осветительные установки жилых помещений и т.п.) 5%.

4.4. Оформление курсовой работы

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

4.4.1. Пояснительная записка

Объем записки 10-12 с.

Записка пишется от руки на стандартном листе формата А4 или набирается на компьютере.

Все страницы работы должны иметь сквозную нумерацию.

Первым листом пояснительной записки является титульный лист(см. Приложение 1), который не нумеруется. На листе, следующем за титульным, приводятся исходные данныеварианта курсовой работы (см. табл. 4.3, 4.4).

Пояснительная записка должна включать следующие вопросы:

- определение мощности потребителей строительной площадки по каждой линии отдельно;

- выбор сечения проводов по каждой питающей линии по допустимой плотности тока и потерям (отклонениям) напряжения в линии.

В конце записки приводится список использованной литературы с точным библиографическим описанием источников.

4.4.2. Графическая часть

Эта часть должна содержать однолинейную схему электроснабжения объекта строительства (ОС) от силового трансформатора до строительной площадки с четырьмя питающими линиями (фидерами).

4.4.3. Выбор сечения и расчет проводов и кабелей

Сечение провода s по условиям нагрева выбирается по специальным таблицам, в которых указывается допустимый ток I_доп, таким образом, чтобы выполнялось условие:

I_доп ³ I_Н,

где I_Н - номинальный расчетный ток, А, определяемый по формуле

где Р_Н - номинальная активная мощность, поступающая к потребителю, кВт; U_2Н - номинальное линейное напряжение у потребителя, В; cosj_2Н - номинальный коэффициент мощности потребителя.

Пример 1. Выбрать по условиям нагрева сечение алюминиевых проводов марки АПРТО для питания осветительного трехфазного щита с номинальной мощностью нагрузки Р_Н = 33кВт. Напряжение сети U_Н = 380/220В. Проводка выполняется в стальной трубе. Принять коэффициент мощности лампы накаливания cosj_Н = 0,91.

Решение.

1. Определяем ток нагрузки

2. По таблице длительно допустимых токовых нагрузок (см. Приложение3) на провода и кабели с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией с алюминиевыми жилами находим ближайший больший допустимый ток I_доп = 60А для сечения S = 10мм².

Принимаем сечение проводов S = 10мм², т.к. условие соблюдено.

Пример 2. Выбрать по условиям нагрева сечение медных проводов марки ПР-500 для питания асинхронного короткозамкнутого электродвигателя со следующими паспортными данными: номинальная мощность P_Н = 28кВт; номинальный коэффициент мощности cosj_Н = 0,89; КПД при номинальной нагрузке h_Н = 0,91; номинальное напряжение сети U_Н = 380/220В.

Решение.

1. Определяем ток нагрузки, который следует принять равным номинальному току электродвигателя:

2. По справочным данным находим I_доп = 60А для сечения проводов S = 10мм². Принимаем к прокладке провода сечением 10мм², т.к. I_доп ³ I_расч.

Выбранный провод необходимо проверить на допустимую потерю напряжения в линии:

где DU_л - потеря линейного напряжения.

Для НЭС - e £ 5%; для ВЭС e £ 10%.

Потерю линейного напряжения можно найти по формуле, вытекающей из векторной диаграммы напряжений линии электропередач.

На рисунке 4.1 приведена схема одной фазы, на которой L - длина линии, км; R = r₀L и Х = x₀L - активное и индуктивное сопротивления провода (r₀ и х₀ - их удельные значения). Величина r₀ зависит от сечения провода и определяется по таблицам (см. Приложения 2, 3); величина х₀ от сечения провода не зависит и для низковольтных воздушных электрических сетей принимается равной 0,4Ом/км, для кабелей 0,08Ом/км.

На рисунке 4.2 приведена векторная диаграмма, соответствующая расчетной схеме (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1

Рис. 4.2

Отрезком СК на векторной диаграмме (см. рис.4.2) обычно пренебрегают и потерю фазного напряжения определяют, как

где U_ф1 и U_ф2 – фазные напряжения соответственно в начале и конце линии.

В прямоугольных треугольниках - Dabm и Dmpg:

ab = I_НRcosj₂; mg = I_Нsinj₂,

тогда:

DU_ф = I_Н(Rcosj₂ + Xsinj₂).

Умножив левую и правую части равенств на , находят потерю линейного напряжения:

Если получается, что e > 5%, то из таблиц (см. Приложения 2, 3) выбирают ближайший провод большего сечения.

В случае, когда к электрической сети подключено несколько потребителей, для расчета проводов применяется метод, основанный на представлении токов в виде активной и реактивной составляющих.

Схема замещения для одной фазы такой системы при симметричной нагрузке приведена на рисунке 4.3. Определяя для каждой из параллельных ветвей активные и реактивные токи, находят активный (I_а) и реактивный (I_р) токи для неразветвленной части цепи и номинальный расчетный ток в линии , при этом cos j₂ = I_a/I_Н и sinj₂ = I_p/I_Н.

Рис. 4.3

4.4.4. Задание на курсовую работу. Порядок выполнения работы

На строительной площадке размещено электрооборудование, перечень которого приведен в таблице 4.2.

Все токоприемники площадки подразделены на силовые, технологические, внутреннее и наружное освещение.

Питание потребителей строительной площадки выполняется от трансформаторной подстанции ТП 10/0,4 кВ (см. рис. 4.4.). Вторичная обмотка трансформатора подстанции соединена по схеме «звезда с нейтральным проводом». Для упрощения рисунка схема питания четырех групп потребителей, на которые разделены электроприемники строительной площадки, представлена в однолинейном исполнении. Одна линия предполагает наличие трех линейных проводов A-a, B-b, C-c и нейтрального провода.

На приведенной схеме показаны:

- ТП 10/0,4 кВ – трансформаторная подстанция с первичным напряжением понижающего трансформатора 10кВ и вторичным напряжением 0,4кВ;

- РШ - распределительные шины вторичного напряжения трансформатора;

- L1, L2, L3, L4 - линии электропередач.

Первая линия (L1 = 250м) выполнена кабелем и питает семь силовых электроприемников (экскаватор, башенный кран и другие механизмы с асинхронным электроприводом с усредненным cosj_2Н = 0,7).

Вторая линия (L2 = 150м) так же выполнена кабелем и питает десять силовых приемников (бетононасос, растворонасос и другие механизмы). Мощность электропотребления исполнительных механизмов студент берет из столбца 4 таблицы 4.2 и записывается в столбец 7.

Третья линия (L3 = 200м) питает трансформаторный подогрев бетона и выполнена четырехпроводной воздушной линией с алюминиевыми проводами, закрепленными на деревянных опорах.

Четвертая линия (L4 = 250м) обеспечивает электроэнергией внутреннее и наружное освещение строительной площадки, суммарную мощность которого студент рассчитывает для своего варианта (данные для расчета мощности берутся из таблицы 4.1). Эта ЛЭП так же выполнена четырехпроводной воздушной линией с алюминиевыми проводами.

Для специальности СЖД силовые линии выполняются кабелем с алюминиевыми жилами. Протяженность кабельной линии 250м.

Для специальности МиТ силовые линии выполняются кабелем с медными жилами. Протяженность кабельной линии 150м.

Мощность силового электрооборудования, получающего питание по кабельным линиям, берется студентом из столбца 4 таблицы 4.2 и записывается в седьмой столбец.

Варианты заданий для определения мощности потребляемой электрооборудованием строительной площадки от воздушных линий электроснабжения (третья и четвертая линии) представлены в таблице 4.1.

Номер варианта определяется по последней цифре шифра студента.

Мощность, передаваемая силовым исполнительным механизмам строительной площадки по линиям L1 и L2 (см. рис.4.2), определяется следующим выражением:

(кВт),

где P₁, P₂... P_n – мощности асинхронных двигателей исполнительных механизмов; K_c1, K_c2... K_cn– коэффициенты спроса на данные механизмы в течение смены (столбец 5 таблицы 4.2).

Мощность потребителей трансформаторного прогрева бетона передается по воздушной ЛЭП с алюминиевыми проводами (L3).

Таблица 4.1

Варианты задания

Освещение	Варианты
Технологи-ческое	Трансформаторный электропрогрев бетона	м^3		2,5	2,5			2,5			1,5	1,5
Внутреннее	Контора, диспетчерская, быт. комнаты	м^2
Душевая и уборная	м^2
Склады	м^2
Навес	м^2
Мастерские	м^2
Наружное	Территория строительства	на 100 м^2
Открытые складские площадки	на 100 м^2
Основные дороги и проезды	км	0,3	0,4	0,4	0,6	0,6	0,8	0,8	1,0		1,2
Площадки земляных, бетонных и каменных работ	на м^2
Наружное	Площадка электросварочных работ	на м^2	15,0	18,0	20,0	22,0	25,0	28,0	30,0	32,0	35,0	36,0
Площадка монтажных работ	на м^2	10,0	12,0	15,0	18,0	20,0	22,0	25,0	28,0	30,0	32,0

 

Согласно данным своего варианта, взятым из таблицы 4.1, определяется необходимый расход мощности на прогрев бетона:

(кВт),

где Р_уд – удельный расход мощности на нагрев 1 м³ бетона; n – количество кубометров, соответствующее варианту задания, м³; K_c – коэффициент спроса.

Внутреннее и наружное освещение получают питание от общей воздушной линии L4, выполненной алюминиевыми проводами. Необходимая мощность для этих потребителей электроэнергии определяется по формуле:

,

где P_уд1, P_уд2... P_удn– удельный расход мощности для освещения какого-то объекта (берется из таблицы 4.2); S₁, S₂... S_n – площадь объектов, м² (берется из таблицы 4.1 для своего варианта); K_c – коэффициент спроса в течение рабочей смены.

 

 

Таблица 4.2

Усредненные нормы потребности электроэнергии, коэффициенты

спроса К_с и мощности для строительных площадок

Токоприемники	Наименование потребителей	Единица измерения	Мощность двигателя или мощность расхода на ед. технологич. процесса, кВт	Кс	сosφ2Н	Потреб. акт.мощность P
Силовые	Экскаватор	шт.		0,5	0,7
Башенные краны грузоподъемностью до 10т	шт.		0,5	0,7
Башенные краны грузоподъемностью от 20 до 75т	шт.		0,5	0,7
Краны самоходные	шт.		0,4	0,7
Шахтоподъемники	шт.		0,3	0,7
Подъемники мачтовые	шт.		0,3	0,7
Транспортеры ленточные	шт.		0,5	0,7
Силовые	Бетононасосы	шт.		0,5	0,5
Растворонасос	шт.		0,5	0,5
Вибропогружатели свайные	шт.		0,2	0,5
Иглофильтровые установки	шт.		0,2	0,5
Электросварочные аппараты	шт.		0,5	0,5
Электротрамбовки	шт.	1, 5	0,1	0,5
Электровибраторы	шт.		0,1	0,5
Растворобетоносмесители	шт.		0,5	0,5
Краскопульты	шт.	0,5	0,1	0,5
Передвижная малярная станция	шт.		0,5	0,5
Технологические	Трансформаторный подогрев бетона	м^3		0,9	0,8
Внутреннее освещение	Контора, диспетчерская, бытовые комнаты	м^2	0,015	0,8
Душевая и уборная	м^2	0,08	0,8
Склады	м^2	0,015	0,35
Навес	м^2	0,003	0,35
Мастерские	м^2	0,018	0,8
Наружное освещение	Территория строительства	100 м^2	0,015
Открытые складские площадки	100 м^2	0,05
Основные дороги и проезды	км	5,0
Второстепенные дороги и проезды	км	2,5
Площадки земляных бетонных и каменных работ	м^2	0,08
Площадка электросварочных работ	м^2	0,5
Площадка монтажных работ	м^2	0,3

 

Дополнительно к полученной мощности (SР_осв) необходимо прибавить мощность светильников, установленных вдоль основных дорог и проездов. Для упрощения задачи считать всю мощность, необходимую для освещения дорог, сосредоточенной в конце линии L4:

Р_{осв.дор.} = Р_уд × l,

где Р_уд – удельный расход мощности для освещения 1км дороги, кВт/км (см. табл.4.2); l – длина дороги, км (берется из таблицы 4.1 для своего варианта).

После расчета мощности, передаваемой по каждой линии (L1, L2, L3, L4), определить токи в них.

Причем обе силовые линии выполняются кабелем с медными или алюминиевыми жилами.

Для специальности СЖД линия выполняется кабелем с алюминиевыми жилами длиной 250м. Для специальности МиТ кабелем с медными жилами длиной 150м.

Остальные две линии смонтированы в виде воздушных четырехпроводных линий с алюминиевыми проводами длиной L1 = 250м и соответственно L2 = 150м.

Для упрощения расчета допускаем, что нагрузка по всем фазам А, В, С распределена равномерно во всех четырех ЛЭП (симметричная нагрузка). Вследствие этого расчет производится для одной фазы:

1. Изобразить схему замещения на одну фазу (см. рис. 4.1) и рассчитать номинальный ток в ней.

,

где Р_Н - номинальная активная мощность, поступающая к потребителю, кВт; U_2Н - номинальное линейное напряжение у потребителя, 380В; cosj_2Н - номинальный коэффициент мощности потребителя.

2. Затем согласно Приложениям 2, 3 выбрать сечение провода, необходимое для прохождения данного тока по нагреву для каждой ЛЭП при условии I_доп ³ I_Н.

3. Проверить выбранное сечение проводов четырех линий на потерю напряжения согласно методике, изложенной в подразделе 4.4.3:

где DU_л - потеря линейного напряжения.

4. Построить векторную диаграмму распределения напряжений для линии L1 согласно методике, изложенной в подразделе 4.4.3 (см. рис. 4.2).

5. Сформулировать выводы, содержащие сведения о выбранном проводе (кабеле) линии электроснабжения или воздушной линии и оценить влияние снижения напряжения питающей сети на характеристики электродвигателя и ламп накаливания.

 

Приложение 1

 

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

«РАСЧЕТ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКИ»

 

ИСПОЛНИТЕЛЬ:

 

СТУДЕНТ___________________ ____________________И.И. ИВАНОВ

(шифр) (подпись)

 

 

РУКОВОДИТЕЛЬ РАБОТЫ________________________________П.П. ПЕТРОВ

(подпись)

 

 

_________________ Оценка работы

______________________________________ Должность, уч. звание

 

_______________

Дата

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Приложение 2

 

 

Таблица П2