ВВЕДЕНИЕ

Одним из энергоемких металлургических производств является электрометаллургия. Основными направлениями интенсификации в электрометаллургии являются создание высокоэффективных процессов, повышение качества продукции, улучшение использования оборудования, площадей, сырья, материалов, топлива и энергии, комплексная механизация и автоматизация. Каждому уровню техники соответствует наиболее рациональное сочетание этих факторов, достижение которого является задачей оптимизации производства. Поиск оптимальных условий ведения электрометаллургических процессов будет успешным в том случае, если в основе его лежит правильный выбор цепи оптимизации и отражающего ее критерия, а также минимальное количество влияющих факторов и применение математических методов. Найденные оптимальные условия диктуют требования к построению той или иной системы автоматического управления и контроля. Таким, образом, при оптимизации возникает комплекс проблем, требующих участия широкого круга специалистов по технологии, энергетике, автоматике, вычислительной технике и математике.

Развитие этих проблем в известной мере условно можно разделить на два основных направления: технологическое и электроэнергетическое. Изменение технологических факторов (состава и температуры электролита, конструкции и др.) само по себе может быть достаточно эффективным, но техническая реализация их в ряде случаев затруднена по соображениям экономичности, окружающей среды и т.д. Так, получение высококачественных кристаллических осадков требуется применение специальных добавок, содержащих зачастую ядовитые или агрессивные компоненты. Присутствие в электролитах даже незначительного количества примесей может существенно влиять на протекание процесса, поэтому требуются дополнительные устройства, например, для фильтрования, очистки раствора, что значительно усложняет и удорожает технологию.

Увеличению производительности, снижению себестоимости продукции, улучшению условий труда персонала способствуют мероприятия направленные на совершенствование электрооборудования, автоматизация, применение нестационарных электрических режимов электролиза позволяет вести процесс с электролитом простого состава, менее чувствительного к примесям, не требует реконструкции ванн.

Независимое развитие каждого из этих направлений не обеспечивает оптимальных показателей работы электрометаллургических установок. Специалисты - технологи электроэнергетики выполняют круг задач, сводящихся в основном к повышению вводимой мощности и контролю технологических параметров. При этом не всегда интересуются качественной стороной влияния электрических режимов на ход технологических процессов и свойства получаемого металла. Между тем возможности энергетики и автоматики используются не полностью часто вследствие того, что специалисты - электрики недостаточно знают технологию. Рациональное сочетание этих условий направлено на повышение производительности промышленных установок, улучшение качества продукции и получение высоких экономических показателей и составляют основную задачу оптимизации работы мощных электролизных установок.

Алюминий применяется в первую очередь в авиационной промышленности, где требуется особая легкость металла, из которого изготовляются моторы и различные детали летательных аппаратов. Очень важной областью применения является машиностроение, в частности транспортное. Здесь он идет на изготовление цистерн и различных деталей для автомобилей, локомотивов, вагонов и т.д. Чрезвычайно ценным алюминий является в электротехнической промышленности, где он идет на изготовления кабелей, шин, различных проводов, на изготовление деталей для электрических машин, конденсаторов и пр.

Алюминий является очень хорошим материалом для изготовления различных аппаратов, применяемых в химической промышленности, так как он сравнительно хорошо противостоит различным кислотам. Чистый алюминий является хорошим материалом для изготовления алюминиевой краски, которая очень хорошо предохраняет железные изделия от коррозии.

Алюминий применяется как раскислитель в сталелитейном деле; с его помощью можно легко восстановить ряд материалов из оксидов. Очень распространена так называемая алюмотермия. Алюмотермия применяется при сварке рельсов и других железных, стальных изделий.

Алюминий имеет широкое применение в быту (мебель, посуда, художественные изделия и др.) и для всякого рода декоративных целей. В пищевой промышленности алюминий применяется для изготовления фольги, баков, бидонов и мн. др.

Алюминий применяют не только в чистом виде, но и в виде сплавов. Среди сплавов наиболее известны: дюралюминий, который обладает легкостью и высокой прочностью, приближающийся к некоторым сортам стали; силумин - сплав алюминия с кремнием - являющихся хорошим литейным материалом и применяется для весьма сложных отливок; алюминиевая бронза и т.д. Алюминий и его сплавы применяются в военном деле, в частности при изготовлении деталей для военных судов, подводных лодок, танков, а также для изготовления зажигательных снарядов (применяется в виде порошка). Алюминий распространен в природе в виде соединений, но получить его в чистом виде не так легко. В истории производства можно различить три основных этапа:

1.                 химический способ - действия натрия на соли алюминия;

2.                 электротермический способ - восстановление алюминиевой руды при помощи угля;

3.                 электрохимический способ - электролиз расплавленных солей.

Электроснабжение – это обеспечение потребителей электрической энергией. Эта отрасль играет огромное значение в современной промышленности, так как электроэнергия является основным видом энергии, которая используется сегодня во всех отраслях народного хозяйства. Столь широкое внедрение электрической энергии обусловлено ее замечательными свойствами, из которых наиболее важными являются:

-      возможность передачи на значительные расстояния от мест производства к местам потребления при сравнительно малых потерях;

-                      простота преобразования в другие виды энергии: тепловую, механическую, световую и так далее;

-      хорошая управляемость;

Сегодня трудно представить нашу жизнь без электричества. Оно окружает нас везде. С помощью электрической энергии приводятся в движение троллейбусы и трамваи, электрички и локомотивы поездов. Дома у каждого из нас много различных бытовых приборов, работающих на электрической энергии. Современное производство также невозможно без применения электроэнергии, это и просто освещение и электропривод станков, и обеспечение технологических процессов.

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передается на огромное расстояние к потребителям. При этом необходимо обеспечить надежность электроснабжения потребителей, уменьшить потери при передаче до минимума, экономить энергетические ресурсы. Все это является основными задачами ЭСН (энергоснабжения).

Наиболее перспективным и актуальным на сегодня является направление по созданию энергосберегающих технологий. Это связано с большими затратами на производство электрической энергии и экологические проблемы с этим связанные. Экономия энергетических ресурсов производится в следующих направлениях:

-                          ведение энергосберегающей технологии производства;

-                          совершенствование энергетического оборудования;

-                          сокращение всех видов энергетических потерь, например при передаче электроэнергии;

-                          реконструкция устаревшего оборудования;

-                          повышение уровня использования вторичных ресурсов;

-                          улучшение структуры производства.

Приёмники электрической энергии промышленных предприятий получают питание от системы электроснабжения, которая является составной частью энергетической системы.

На ГПП (главной понизительной подстанции) напряжение снижается с помощью трансформаторов до уровня10(6)кв. Внутризаводские сети состоят из кабельных линий и промежуточных понизительных или распределительных подстанций;

ЦТП (цеховая трансформаторная подстанция) может запитываться непосредственно со сборных шин ГПП, от промежуточных подстанций или распределительных устройств 10(6)кв, общепромышленных потребителей (насосные, компрессорные ).

На ЦТП напряжение снижается до уровня сетей общего пользования 0,4 или 0,69кв. (соответственно у потребителя 0,38 или 0,66кв).

В системе электроснабжения предприятий условно выделяется 3 уровня: внешнее электроснабжение, внутризаводское и внутрицеховое. На каждом уровне можно определить источники и потребители электрической энергии.




1. Описание технологического процесса
Процесс электролиза расплавленных солей заключается в выполнении следующих основных технологических операций:

1. Питание электролизеров глиноземом: в нормальном работающем электролизере расплав на границе с воздухом закрыт слоем застывшего электролита - электролитовой коркой. Наибольшую толщину корка имеет возле стенок шахты; чем ближе к аноду, тем корка меньше. Поверх корки находится глинозем, который до загрузки в шахту прогревается на корке и просушивается. Глинозем на корке служит дополнительным теплоизолирующим элементом электролизера. Для питания электролизера глиноземом пробивают электролитную корку, чтобы погрузить в электролит, находящийся на ней, глинозем. На вновь образующуюся корку вновь загружают глинозем. Весь комплекс операций питания глиноземом называется обработкой электролизера. Обеднение электролита глиноземом ведет к появлению анодного эффекта - «вспышки». Пробивку электролитной корки осуществляют специальными машинами для пробивки корки электролита (МПК). Загрузка глинозема в электролизер с боковым токоподводом, производится с помощью глиноземных бункеров.

2. Замена анода: угольная масса анода электролизера окисляется кислородом, выдающимся на нем и анод постепенно срабатывается, в результате чего анод приходится опускать, чтобы выдержать межполисное расстояние.

3. Выливка металла: алюминий накапливается в процессе электролиза на падине ванны, его выбирают ежесуточно при помощи вакуум - ковша. В начале выливки холодный вакуум - ковш и заборная труба должны быть просушены и прогреты до 150 - 200 ^оС.

4. Поддержание необходимого состава и уровня электролита:в процессе электролиза электролит не только обедняется глиноземом, но и убывает сам и изменяется его состав, т.е. изменяется соотношение между составляющими электролита NaF и AlF₃. Основные причины потери электролита: испарение фтористых солей, пропитывание ими футеровки, разложение электролита примесями, попадающими в расплав с сырьем, механические потери. При установившемся режиме из электролита теряется главным образом фтористый алюминий - испаряется, разлагается влагой, оксидами, сульфатами, попадающими в расплав вместе с сырьем. Поэтому в процессе нормальной работы уровень электролита поддерживают, добавляя криолит, обогащенный фтористым алюминием. Если этого недостаточно, то для поддержания нужного криолитового отношения корректировку состава электролита ведут фтористым алюминием.




2. Категории надежности ЭП по ПУЭ
Перерыв электропитания вызывает убытки производства или так называемый ущерб. Перерыв в питании может быть вызван авариями или повреждениями в энергосистеме или СЭС (системы электроснабжения) предприятия. Он может сопровождаться полным прекращением или частичным ограничением питания потребителей разной продолжительности в после аварийный период. Перерыв (частичный или полный) может быть также следствием дефицита мощности в питающей системе, какое-то время суток и различной продолжительности. В большинстве случаев этот перерыв может быть запланирован и заранее учтён в программе производства. Никакие мероприятия в СЭС при этом нетребуются кроме графиков отключения неответственных потребителей. Ущерб от перерыва питания является наиболее эффективным критерием при определении требуемой степени надёжности электроснабжения.

Категории электроприемников (ЭП) по надежности электроснабжения определяются в процессе проектирования системы электроснабжения на основании нормативной документации, а также технологической части проекта.

Требования технологии оказывают решающее значение при определении степени надёжности питания и построения схем электроснабжения. Недоучёт этих требований может привести как к недостаточному резервированию, так и к лишним затратам.

В отношении обеспечения надежности электроснабжения электро-приемники разделяются на следующие три категории:

Электроприемники первой категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особаягруппа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

Электроприемники второй категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемникитретей категории- все остальные электро-приемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.

Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы злектроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т. п.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.

Электроснабжение электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимнорезервирующих источников питания, к которым предъявляются дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса.

Электроприемники второй категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Для электроприемников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.




3. Расчет нагрузок на ПС 16
Подстанция ПС 16 питает электрооборудование второй серии электролизеров БТ-75. От этой подстанции получают питание: индивидуальные привода электролизеров, краны, освещение и вентиляция участка.

Расчет нагрузок на ПС 16 необходим для: расчетов токов КЗ, трансформаторов 10/0,4кВ, питающих кабелей, аппаратов защиты.

Расчет нагрузок щита кранов, щита освещения производим для выбора, трансформаторов 0,38/0,23кВ, питающих кабелей от ПС 16 до этих щитов и аппаратов защиты.
3.1 ЩИТ КРАНОВ 220В
В данном щите имеется 2 секции шин, от которых запитаны электромостовые краны и индивидуальные привода электролизеров.

Номинальная мощность одного электромостового крана[15]: Р_ном=52кВт, на каждую секцию приходится по 2 крана, значит ∑Р_{ном.кранов}=52 · 4=208кВт

В конструкции электролизера имеется три асинхронных двигателя, а именно:

- двигатель лицевой шторы;

- двигатель задней шторы;

- двигатель подъема и опускания анодного массива.

Как правило двигатели лицевой и задней штор имеют одинаковую мощность по 2,2кВт, а двигатель для подъема и опускания анодного массива – 4кВт.

В цехе имеется 128 электролизеров, для расчета Р_ном индивидуальных приводов, необходимо знать максимальное количество одновременно включенных приводов, в нашем случае эта цифра 16. Итак общая мощность привода одного электролизера равна Р_{ном.1эл-ра}=2,2 + 2,2 + 4 =8,4кВт.

Р_{ном.инд.прив.} = 8,4 · 16 = 134,4кВт. [15]

Находим среднесменную нагрузку Р_см по формуле[2]:
åР_см = åР_{ном.инд.прив.} ∙ К_{инд.прив.} + åР_{ном.кран.} ∙ К_и.кран.:



Где:

Р_{ном.инд.прив.} – номинальная мощность инд.прив(кВт) [15].

Р_{ном.кран.} – номинальная мощность крана(кВт) [15].

К_И – коэффициент использования [16].

åР_см=134,4 · 0,5 + 208 · 0,4 = 150,4кВт.

Находим средневзвешенный коэффициент использования К_и.ср.вз [2]:
;

.
Находим средневзвешенный коэффициент мощности cosj_ср.вз.[2]:
;

= 0,56
отсюда tqj_СР.ВЗ = 1,47

Находим среднесменную реактивную мощность по формуле [2]:
;

åQ_СМ =(83,2 · 1,73 + 67,2 · 1,16) = 221,8кВар
Находим полную максимальную мощность Sмакс [2]

Находим максимальный ток Iмакс [2]
 


3.2 ЩИТ ОСВЕЩЕНИЯ 220В
В данном щите имеется 2 секции шин, от которых запитаны: рабочее, аварийное освещение цеха, а также освещение самой подстанции.

Находим среднесменную мощность Р_см по формуле[2]:
åР_см = åР_{раб.осв.} ∙ К_и.осв. + åР_{авар.осв.} ∙ К_{и.авар.осв.} +åР_осв.пс.∙ К_{и.осв.пс.}



Где:

Р_{раб.осв.} – номинальная мощность ламп рабочего освещения [15]

Р_{авар.осв.} – номинальная мощность ламп аварийного освещения [15]

Р_осв.пс. – номинальная мощность ламп освещения подстанции [15]

К_и – коэффициент использования [16]

åР_см=50 · 0,9 + 24 · 0,5 + 1 · 1 = 58кВт.

Находим средневзвешенный коэффициент использования К_и.ср.вз [2]:


;

.
Находим средневзвешенный коэффициент мощности cosj_ср.вз[2]:
;

= 0,93
отсюда tqj_СР.ВЗ = 0,37

Находим среднесменную реактивную мощность по формуле [2]:
;

åQ_СМ =(45 · 0,48 + 12 · 0 + 1 · 0) = 21,6кВар
Находим полную максимальную мощность Sмакс [2]



Находим максимальный ток Iмакс [2]
 






3.3 РАСЧЕТ НАГРУЗОК НА СЕКЦИЯХ 1 И 2 ПС 16
В данной подстанции имеется 2 секции шин, от которых запитаны: вытяжная и приточная вентиляция, щит кранов, щит освещения.

Находим среднесменную нагрузку Р_см по формуле [2]:
åР_см = åР_{приточ.вент.} ∙ К_и. + åР_{вытяж.вент.} ∙ К_и. +åР_щ.кран.∙ К_и. + +åР_щ.осв.∙ К_и.



Где:

Р_{приточ.вент.} – ном. мощность двигателя приточной вентиляции [15]

Р_{вытяж.вент.} – ном. мощность двигателя вытяжной вентиляции [15]

К_и – коэффициент использования [16]

åР_см=800 · 1 + 800 · 1 + 75 · 0,8 + 342,4 · 0,43 = 1808,4кВт.
Находим средневзвешенный коэффициент использования К_{и.ср.вз.} [2]:
;

.
Находим средневзвешенный коэффициент мощности cosj_ср.вз.[2]:
;

= 0,82
отсюда tqj_СР.ВЗ = 0,68

Находим среднесменную реактивную мощность по формуле [2]:


;

åQ_СМ =(1600 · 0,62 + 58 · 0,37 + 150,4 · 1,47) = 1235,4кВар
Находим полную максимальную мощность Sмакс [2]


Находим максимальный ток Iмакс [2]
 






4. Выбор силовых трансформаторов
В соответствии с требованиями по обеспечению надежности ЭСН ЭП I категории должно быть два иcточника питания, для II категории рекомендуется два, но разрешается один. ЭП III категории могут получать питание от одного источника питания. ЦТП для ЭП I и II категорий выполняются двух трансформаторными, одно трансформаторные ЦТП устанавливаются для потребителей III категории и для небольшой мощности II категории. Для сокращения номенклатуры складского резерва, мощность трансформаторов следует выбирать из стандартного ряда мощностей, так чтобы на одном предприятии было не более одной-двух мощностей.

Стандартный ряд мощностей, в кВА: 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500.

ЦТП размещают внутри цехов равномерно, с максимальным приближением к потребителю (не более 200м). ЦТП по конструктивному исполнению делятся на: встроенные; пристроенные; внутрицеховые и отдельно стоящие.

Конструктивное исполнение выбирается с учетом условий окружающей среды, распределения нагрузок, удобство обслуживания.

Резервирование потребителей обеспечивается не только перегрузочной способностью трансформатора при наличие двух источников питания, но и схемами внутризаводских сетей, то есть за счет особенностей присоединения ЦТП к сборным шиам ГПП.

Для использования резервирования по сетям 10 кВ со стороны 10 кВ ЦТП устанавливается РУ (распределительное устройство) с ячейками КСО с высоковольтными выключателями или выключателями нагрузки (с предохранителями или без них). Выбор мощности трансформаторов осуществляется по расчетной среднесменной мощности нагрузки P_см; Q_см, так как для трансформаторов общего назначения масляных и сухих по ПУЭ допустимы длительные систематические перегрузки в нормальном режиме и длительные перегрузки в послеаварийном режиме. Полная расчетная среднесменная мощность рассчитывается по формуле[2]:
 
Виды перегрузок

1 Суточные перегрузки.

2 Недогрузочная летом; перегрузочная зимой (на 1 мин. недогрузки летом – 1 мин. перегрузки зимой, но не больше 15%).

3 Аварийная перегрузка – разрешается до 100% на 1 мин.

4. Послеаварийная перегрузка: для масляных трансформаторов в послеаварийном режиме допускается перегрузка на 4% в течение 6 часов 5 суток подряд.

Требуемая мощность трансформатора определяется из выражения:
 [2]
где S_см – средняя нагрузка цеха за наиболее загруженную смену, кВА;

N – число трансформаторов;

K_загр – коэффициент загрузки.

В среднем для двух трансформаторной подстанции для расчетов К_загр=0,7. Это удовлетворяет условиям ПУЭ по перегрузки для масляных трансформаторов.
 [2]
Для I категории К_загр≤0,7; Для II категории К_загр≤0,85 [2].

Мощность трансформатора выбирается ближайшая большая или принимается равной 2 (4; 6) и так далее, так чтобы равномерно распределить подстанции по цеху и рассматривают вопрос разукрупнения трансформаторов по цеху. Для цехов с расчетной нагрузкой до 400 кВА как правило отдельные ПС не предусматривают. При небольшой нагрузке такие цеха объединяют по территориальному признаку и запитывают от общей раздельной ЦТП, при этом ПС должны удовлетворять высшей категории надежности ЭСН. Возможно объединение мелких цехов с крупными, ПС в этом случае размещают в крупных цехах.

При проектировании СЭС место расположения ПС выбирают по направлению потока энергии от ГПП к ЦТП, то есть по возможности избегают перетоков. При проектировании производят экономическое сравнение вариантов. Укрупнение ПС приводит к сокращению кабельных линий и количества трансформаторов, но в тоже время у трансформаторов большей мощности больше потери и они более сложны в обслуживании.

При выборе трансформаторов цеховых ПС можно предусмотреть резерв на расширение или замену оборудования на более мощное.

В данной главе будет произведен расчет и выбор силовых трансформаторов ПС 16, щита кранов и щита освещения, расположенных в ПС 16.
4.1 ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ПС 16 10/0,4кВ



Выбираем трансформатор ТМ – 1600кВА


В аварийном режиме при отключении одного трансформатора второй трансформатор будет работать со следующей перегрузкой:

Для масленых трансформаторов в послеаварийном режиме допускается перегрузка на 40% в течение 6 часов, 5 суток подряд [2], т.е. данный трансформатор работающий в послеаварийном режиме с коэффициентом загрузки 1,3 удовлетворяет необходимые требования.
4.2 ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ЩИТА КРАНОВ 0,38/0,23кВ



Выбираем трансформатор ТСЗ – 250кВА
4.3 ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ЩИТА ОСВЕЩЕНИЯ 0,38/0,23кВ



Выбираем трансформатор ТСЗ – 63кВА




5. Расчет токов трехфазного короткого замыкания
Коротким замыканием называют всякое случайное или преднамеренное, не предусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановки между собой или с землей, при котором токи резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Короткое замыкание является наиболее тяжелым видом повреждений для сетей электроснабжения. Причинами коротких замыканий могут быть: механические повреждения изоляции, поломка фарфоровых изоляторов, падение опор воздушных линий, старение изоляции, увлажнение изоляции, перекрытие фаз животными и птицами и другие. Короткое замыкание может возникнуть при неправильных оперативных переключениях, например при отключении нагруженной линии разъединителем, когда возникающая дуга перекрывает изоляцию между фазами. Последствиями короткого замыкания являются резкое увеличение тока в короткозамкнутой цепи и снижение напряжения в отдельных точках системы.

Возникают следующие виды короткого замыкания:

1.                 Трехфазное междуфазное

2.                 Трехфазное на землю

3.                 Однофазное

Расчет токов короткого замыкания выполняется:

1.                 Для проверки частей аппаратов на термическую стойкость.

2.                 Для проверки частей аппаратов на электродинамическую стойкость, при сквозных коротких замыканиях.

3.                 Для выбора уставок релейной защиты и автоматики.

Метод определения токов короткого замыкания зависит от типа источника питания и его удаленности. Расчеты выполняются с использованием ряда допущений в литературе [8].

Короткое замыкание рассматривается как переходный процесс, в течение которого ток изменяется от значений соответствующих для нормального режима до значений соответствующих новому установившемуся режиму короткого замыкания.

Для проверки на электродинамическую стойкость определяют ударный ток.

Ударный ток – это наибольшее из всех мгновенных значений токов короткого замыкания.

Ударные коэффициенты приводятся в справочных таблицах литературы [1], [2], [3].

На расчетной схеме (рис.1) указываются только те элементы, которые включены в цепь короткого замыкания. На основании расчетной схемы составляется схема замещения, в которой все элементы должны быть представлены соответствующими параметрами, рассчитываем аналитическим методом. Рассчитать токи 3-х фазного короткого замыкания на шинах 0,4кВ, кабельных линий 10кВ, 0,4кВ, 0,23кВ.

Данные: S_Б=100 МВА; S_КЗ= 100МВА Рассчитаем параметры схемы замещения, для этого задаемся

S_б = 100МВА
Х*_с = = = 1 о.с. [8]
Таблица 2 «Сопротивление трехжильных кабелей». [16]


Определяем индуктивное сопротивление кабеля Х_{*КL1, KL2, KL3, KL4} [8]:







Определяем активное сопротивление кабеля R_{*КL1, KL2, KL3, KL4} [8]:







Таблица 3 «Значения Х_Т и U_К трансформаторов». [16]



Определяем индуктивное сопротивление трансформатора Х_Т [8]:



Определяем индуктивное сопротивление трансформатора Х_Т1 [8]:

Определяем индуктивное сопротивление трансформатора Х_Т2 [8]:

Определяем ток короткого замыкания в точке К1 [8]:


;

.
Ударный ток в точке К1 [8]:
.
Определяем ток короткого замыкания в точке К2 [8]:


;

.
Ударный ток в точке К2 [8]:
.
Определяем ток короткого замыкания в точке К3 [8]:




;

.
Ударный ток в точке К3 [8]:
.
Определяем ток короткого замыкания в точке К4 [8]:
=



;

.


Ударный ток в точке К4 [8]:
.
Определяем ток короткого замыкания в точке К5 [8]:




;

.
Ударный ток в точке К5 [8]:
.
Определяем ток короткого замыкания в точке К6 [8]:




;

.




Ударный ток в точке К6 [8]:


Определяем ток короткого замыкания в точке К7 [8]:




;

.
Ударный ток в точке К7 [8]:




Таблица 4 «Значения токов КЗ в точках К1 – К7»

10. Расчет заземления ПС 16
Сопротивление заземляющего устройства R_Э складывается из сопротивлений растеканию отдельных электродов заземлителя (труб, уголков, полос) и сопротивлений заземляющих проводников.

Сопротивление растеканию каждого отдельного электрода зависит от удельного сопротивления грунта с учетом его сезонных изменений; формы, размеров и материала электрода; расположения электрода и глубины погружения его в землю, а также наличия вблизи него других электродов, электрически соединенных с ним.

Удельное сопротивление грунта ρ принимается по данным замеров, а при отсутствии таких данных – по табл. 7.6 – 7.8 [19].

Сопротивление одного вертикального электрода R_Э определяется по формулам, приведенным в табл. 7.9 [19].

Суммарное сопротивление части заземлителя, состоящей из вертикальных электродов, электрически связанных между собой, без учета сопротивления соединяющей их полосы
;
Где:

n – число вертикальных электродов;

η_В – коэффициент, учитывающий экранирование электродов соседними, табл. 7.10 [19].

Сопротивление растеканию горизонтально проложенной полосы, связывающей вертикальные электроды между собой, может быть взято из табл. 7.9. Экранирование полосы другими электродами учитывается коэффициентом η_Г, который может быть взят из табл. 7.11 и 7.12.


Сопротивление растеканию полосы с учетом экранирования:

Полное сопротивление растеканию заземлителя:

Исходные данные: почва – суглинок ρ = 100 Ом · м.

Выбираем в качестве вертикальных заземлителей сталь оцинкованную диаметром 16мм.

Расчет вертикальных заземлителей:

t – глубина залегания электродов:
t = = = 1,5 + 0,4 = 1,9 м.
Находим сопротивление одного вертикального заземлителя:
R_З.В =  · (lg)

R_З.В = = 0,976 Ом
Находим сопротивление всех вертикальных заземлителей:
 =  = 1,21 Ом.


Находим сопротивление горизонтального заземлителя:
R_з.г =

R_з.г =  = 2,37 Ом.
Находим общее сопротивление горизонтальных заземлителей:
R_Г =  =  = 3,8 Ом.
Находим полное сопротивление заземления:
 =  = 0,91 Ом.
0,91 Ом<4 Ом [1], условие выполняется.




11. Организационные мероприятия, обеспечивающие безопасность работ
1. Общие требования.

Ответственные за безопасность проведения работ, их права и обязанности

1.1. Организационными мероприятиями, обеспечивающими безопасность работ в электроустановках, являются:

оформление работ нарядом, распоряжением или перечнем работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации;

допуск к работе;

надзор во время работы;

оформление перерыва в работе, перевода на другое место, окончания работы.

1.2. Ответственными за безопасное ведение работ являются: выдающий наряд, отдающий распоряжение, утверждающий перечень работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации; ответственный руководитель работ; допускающий; производитель работ; наблюдающий; член бригады.

1.3 Выдающий наряд, отдающий распоряжение, определяет необходимость и возможность безопасного выполнения работы. Он отвечает за достаточность и правильность указанных в наряде(распоряжении) мер безопасности, за качественный и количественный состав бригады и назначение ответственных за безопасность, а также за соответствие выполняемой работе групп перечисленных в наряде работников.

1.4 Право выдачи нарядов и распоряжений предоставляется работникам из числа административно – технического персонала организации, имеющим группу V – в электроустановках напряжением выше 1000В и группу IV – в электроустановках напряжением до 1000В.

1.5 Ответственный руководитель работ назначается, как правило, при работах в электроустановках напряжением выше 1000В. В электроустановках напряжением до 1000В ответственный руководитель может не назначаться.

1.6 Допускающий отвечает за правильность и достаточность принятых мер безопасности и соответствие их мерам, указанным в наряде, характеру и месту работы, за правильный допуск к работе, а также за полноту и качество проводимого им инструктажа членов бригады.

1.7 Производитель работ отвечает: за соответствие подготовленного рабочего места указаниям наряда, дополнительные меры безопасности, необходимые по условиям выполнения работ; за четкость и полноту инструктажа членов бригады; за наличие, исправность и правильное применение необходимых средств защиты, инструмента, инвентаря и приспособлений; за сохранность на рабочем месте ограждений, плакатов, заземлений, запирающих устройств; за безопасное проведение работы и соблюдение настоящих Правил им самим и членами бригады; за осуществлением постоянного контроля за членами бригады.

1.8 Наблюдающий должен назначаться для надзора за бригадами, не имеющими права самостоятельно работать в электроустановках.

Наблюдающий отвечает: за соответствие подготовленного рабочего места указаниям, предусмотренным в наряде; за наличие и сохранность установленных на рабочем месте заземлений, ограждений, плакатов и знаков безопасности, запирающих устройств приводов; за безопасность членов бригады в отношении поражения электрическим током электроустановки.

1.9 Каждый член бригады должен выполнять требования настоящих Правил и инструктивные указания, полученные при допуске к работе и во время работы, а также требования инструкций по охране труда соответствующих организаций.




12. Технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ
При подготовке рабочего места со снятием напряжения должны быть в указанном порядке выполнены следующие технические мероприятия:

произведены необходимые отключения и приняты меры, препятствующие подаче напряжения на место работы вследствие ошибочного или самопроизвольного включения коммутационных аппаратов;

на приводах ручного и на ключах дистанционного управления коммутационных аппаратов должны быть вывешены запрещающие плакаты;

проверено отсутствие напряжения на токоведущих частях, которые должны быть заземлены для защиты людей от поражения электрическим током;

наложено заземление (включены заземляющие ножи, а там, где отсутствуют, установлены переносные заземления);

вывешены указательные плакаты «Заземлено», ограждены при необходимости рабочие места и оставшиеся под напряжением токоведущие части, вывешены предупреждающие и предписывающие плакаты.




13. Меры безопасности при выводе в ремонт силовых трансформаторов
Осмотр Силовых трансформаторов (далее – трансформаторов) должен выполнятся непосредственно с земли или со стационарных лестниц с поручнями. На трансформаторах, находящихся в работе или резерве, доступ к смотровым площадкам должен быть закрыт предупреждающими плакатами «Не влезай Убьет».

Отбор газа из газового реле работающего трансформатора должен выполняться после разгрузки и отключения трансформатора.

Работы, связанные с выемкой активной части из бака трансформатора или поднятием колокола, должны выполняться по специально разработанному для местных условий проекту производства работ.

Для выполнения работ внутри баков трансформатора допускаются только специально подготовленные рабочие и специалисты, хорошо знающие пути перемещения, исключающие падение и травмирование во время выполнения работ или осмотров активной части. Спецодежда работающих должна быть чистой и удобной для передвижения, не иметь металлических застежек, защищать тело от перегрева и загрязнения маслом. Работать внутри трансформатора следует в защитной каске и перчатках. В качестве обуви необходимо использовать резиновые сапоги.

Перед проникновением внутрь трансформатора следует убедиться в том, что из бака полностью удалены азот или другие газы, а также выполнена достаточная вентиляция бака с кислородосодержанием воздуха в баке не менее 20%.

Для контроля за состоянием и действиями людей внутри трансформатора должен быть назначен как минимум один работник, который обязан находиться у входного люка и постоянно поддерживать связь с работающими. Работник при выполнении работ внутри трансформатора должен быть обеспечен лямочным предохранительным поясом с канатом и при необходимости шланговым противогазом.

Освещение при работе внутри трансформатора должно обеспечиваться переносными светильниками напряжением не более 12 В с защитной сеткой и только заводского исполнения или аккумуляторными фонарями. При этом разделительный трансформатор для переносного светильника должен быть установлен вне бака трансформатора.

Если в процессе работы в бак подается осушенный воздух (с точкой росы не более – 40^оС), то общее время пребывания каждого рабочего внутри трансформатора не должно превышать 4 часов в сутки.

Работы по регенерации трансформаторного масла, его осушке, чистке, дегазации должны выполняться с использованием защитной одежды и обуви.




14. Энергосбережение
В современных условиях рациональное использование топливно-энергетических ресурсов становится одним из важнейших факторов рентабельности и конкурентоспособности промышленных предприятий. По сей день одной из основных причин низкой эффективности использования ТЭР является распространенное заблуждение о незначительности доли энергетических затрат в себестоимости продукции. Вместе с тем, в ряде отраслей эта доля составляет от 15 до 40% себестоимости продукции (без учета стоимости сырья и материалов), а в отдельных случаях достигает 75%.

В то же время снижение конкурентоспособности отечественной продукции связано как с постоянным удорожанием энергоносителей, так и с устаревшим подходом к управлению и контролю за использованием энергоресурсов в промышленности. Следует также подчеркнуть, что в масштабах всей страны экономия ТЭР имеет значительно более высокую рентабельность по сравнению с увеличением объемов добычи топлива и строительством новых мощностей по производству энергии.

Наряду с системами контроля и управления использованием энергоресурсов в технологических процессах и смежных производственных нуждах существенная роль в повышении энергоэффективности эксплуатации промышленного оборудования, принадлежит установкам компенсации реактивной мощности.

Экономический эффект внедрения КРМ

Реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Экономический эффект от внедрения автоматической конденсаторной установки складывается из следующих составляющих:

1. Экономия на оплате реактивной энергии. Оплата за реактивную энергию составляет от 12% до 45% от активной энергии в различных регионах России.

2. Для действующих объектов уменьшение потерь энергии в кабелях за счет уменьшения фазных токов.

3. Для проектируемых объектов экономия на стоимости кабелей за счет уменьшения их сечения.

4. В среднем в действующих объектах в подводящих кабелях теряется 10…15% расходуемой активной энергии.

Рассчитаем экономический эффект внедрения КРМ.

Для расчетов примем коэффициент потерь: Кп=12%. Потери пропорциональны квадрату тока, протекающего по кабелю. Рассмотрим эту составляющую на примере ПС16.

До внедрения автоматической конденсаторной установки cosφ=0,80.

После внедрения автоматической конденсаторной установки cosφ=0,98.

Относительную активную составляющую тока (совпадающую по фазе с напряжением) примем равной единице.

Относительный полный ток составляет до внедрения[14]: I₁ == 1,22

Относительный полный ток составляет после внедрения[14]: I₂ == 1,02

Снижение потребления активной энергии составит[14]:
W_c = W₁ [] К_п = W₁ · [] 0,12 = W₁ · 0,036
Т.е. в этом примере затраты на активную энергию: уменьшились на 3,6%. В общем случае для действующего объекта годовое снижение потребления активной энергии за счет увеличения cos(φ) составит[14]:


W_c = W₁ {[]} · К_п ;
где,

cos(φ1) – cos(φ) до компенсации

cos(φ2) – cos(φ) после компенсации

К_п – коэффициент потерь К_п = 0,12

W₁ – годовое потребление энергии до компенсации
W_c = W₁ · {[]} · К_п = =15841584 · {[]} · 0,12 = 570297кВт
Годовая экономия С в оплате энергии составит[14]:
С = W_c · Т;
где,

Т – тариф на активную энергию

С = 570297 · 1,05 = 598811,85 руб.

Годовой экономический эффект[14]:
Э_г = ;


где,

С_ту – Стоимость конденсаторной установки;

С_рк – Срок службы конденсаторной установки;

С – экономия на оплате электрической энергии.

Э_г = = 8519,19

Коэффициент эффективности[14]:
ε = ;
где,

К – капитальные вложения (стоимость конденсаторной установки)
ε = = 1,27

ε >ε_н (0,3)
Срок окупаемости капитальных вложений[14]:
Т_ок =  = = 0,78 года = 9,4мес.

Т_ок(0,78) < Т_ок(3года)
Расчет экономического эффекта показывает, что применение в электросетях установок компенсации реактивной мощности КРМ позволяет обеспечить значительную экономию денежных средств на оплату электроэнергии при низком сроке окупаемости капитальных вложений.




15. Расчет стоимости годового потребления энергии по двухставочному тарифу
Промышленные предприятия составляют с энергоснабжающей компанией договор потреблению электроэнергии. В нем указывается допустимая присоединенная мощность с которой предприятие участвует в потреблении электроэнергии в часы максимума энергосистемы это активная мощность в кВт. Присоединенная мощность это суммарная мощность присоединенная к питающей сети энергосистемы тр-ров и электродвигателей напряжением выше 1кВ. Для уменьшения утренних и вечерних пиков графиков нагрузки энергосистемы необходимо перераспределять мощность предприятия и не промышленных потребителей, чтобы избежать дефицита мощности в энергосистеме. Диспетчер энергосистемы ежесуточно назначает режим потребления энергопользования. Предприятие несет ответственность за то чтобы не допускалось повышение заявочного максимума присоединенной мощности. В противном случае энергосистема устанавливает надбавки к тарифам на электроэнергию или штрафы. Под тарифом понимается система отпускных цен на электроэнергию деференцированных для различных групп потребителей. Тарифы разрабатываются комитетами энергетики (раньше министерством энергетики) и утверждаются постановлением правительства по субъекту федерации. В формировании тарифов могут участвовать представители заинтересованных предприятий или ведомств. В основу тарифа закладывается полная себестоимость электроэнергии.

В настоящее время тарифы, предусмотренные прейскурантом цен на электроэнергию N09-01 корректируется с учетом инфляционных коэффициентов.

Согласно этому прейскуранту применяется 2 системы тарифов: одноставочный и двухставочный.

По одноставочному тарифу за электроэнергию платят промышленные потребители и приравненные к ним не промышленные коммунальные.

Одноставочные тарифы являются наиболее простыми, но имеют ряд недостатков: при отключении потребителей они не несут расходов за электроэнергию в тот период, хотя энергосистема держит в рабочем состоянии генерирующие мощности. Другим недостатком одноставочного тарифа является то, что потребитель не имеет стимулов к снижению нагрузки потребления в часы максимума энергосистемы.

Стоимость электроэнергии по двухставочному тарифу[14]:
С_э=А Р_р+В · W_а, руб
Двухставочный тариф состоит из основных и дополнительных ставок. За основные принимается плата (годовая) за 1кВт-час присоединенной договорной максимальной 30 мин мощности предприятия участвующей в максимуме энергосистемы Р_р=Р_р.max

Дополнительная ставка предусматривает плату израсходованную в кВт-час электроэнергию учтенную счетчиками.

При учебном курсовом и дипломном проектировании, заявленную (договорную) мощность можно считать равной максимально расчетной активной нагрузке предприятия Р_Р кВт, а годовой расход электроэнергии определяется по показателям графиков нагрузок[14]: W_а=Р_р·Т_м ,кВт·ч

За нарушение договора на отпуск продукции электроэнергии действует шкала штрафов.

Кроме того энергосистема задает предприятию график работы компенсирующих установок, несоблюдение которого ведет к увеличению тарифа на электроэнергию. Одновременно за компенсацию реактивной мощности предусмотрена скидка с тарифа.

Расчетная часть:


А= 32руб.; В=1,05 руб.; Р_р=15841584 кВт; Т_м=7000 час.

W_а=Р_р · Т_м= 15841584 ·7000=110891088000 кВт·ч

С_э=A · Р_р +B · W_а=32 · 15841584+1,05 · 110891088000= 11,6 млн. руб.




ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Дипломное проектирование по электроснабжению серии электролизеров БТ – 75 завершил, выполнив расчеты по электрической части расчетом электрических нагрузок по участку, выбрал тип и мощность силовых трансформаторов, расчет и выбор кабелей, автоматических выключателей, произвел расчет токов короткого замыкания.

Также были произведены расчеты контура заземления на подстанции 16.

Рассмотрел мероприятия по охране труда и технике безопасности при выводе в ремонт силовых трансформаторов.




БИБЛИОГРАФИЯ
1. Правила устройства электроустановок. 7-е издание Санкт-Петербург, 2002

2. Коновалова Л.Л., Рожкова Л.Д. Энергоснабжение промышленных предприятий и установок. Учебное пособие для техникумов. М.,Энергоатомиздат, 1989


3. И.И. Алиев Электротехнический справочник. 3-е издание исправленное и дополненное. М., изд. предприятие «РадиоСофт», 2000

4. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. - М., Изд-во НЦ ЭНАС, 2001

5. Электроустановки промышленных предприятий. Под общей редакцией Н.С. Мовсесова, A.M. Храмушина. М.,«Энергия», 1980

6. Р. А. Кисаримов Справочник электрика. М., РадиоСофт, 1999

7. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М., Металлургия, 1971

8. Е.Н. Беляев. Как рассчитать ток короткого замыкания. М., Энергия,1871

9. Справочник по расчету проводов и кабелей, изд. 2-е. М., «Энергия», 1964

10. М.Р. Найфельд Заземление, защитные меры электробезопасности, изд. 4-е, пререпаб. и доп. М., «Энергия», 1971

11. И.И. Токарчук, Д.А. Колпаков, Р.А. Шиманский Справочник энергетика. М., «Недра», 1976

12. П.И. Головкин Энергосистема и потребители электрической энергии. - 2-е изд., перераб. и доп., М., Энергоатомиздат, 1984

13. Е.А. Конюхова Электроснабжение объектов. М., изд. «Мастерство», 2000

14. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования. Под редакцией Ю.Г. Барыбина и др. М., Энергоатомиздат, 1991

15. Приложение к заданию

16. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию СИПИ, 1990