Светотехнический расчет сети аварийного освещения

1.1 Краткая характеристика объекта проектирования

Объектом проектирования является механический цех. Инструментальное хозяйство занимает ведущее место в системе технического обслуживания производства. Современный технический и организационный уровень производства определяется высокой оснащенностью его моделями и современным оборудованием, объединенными в общий комплекс технологической оснастки.

В цехе предусмот­рены помещения для трансформаторной подстанции (ТП).

Инструментальный цех получает электроснабжение от главной понизительной подстанции (ГПП). Расстояние от ГПП до цеховой ТП –2,2 км. Напряжение на ГПП – 10 кВ.

Количество рабочих смен – 1. Потребители цеха имеют 3 категорию надежности электроснабжения.

Приемники цеха работают в нормальной окружающей среде. Расчетная температура в цехе принята равной +30 °С.

Каркас здания цеха смонти­рован из блоков-секций длиной по 6 м каждый. Размеры цеха А х В х Н = 48 х 30 х 8 м. Классификация помещений по взрыво-, пожаро- и электроопасности приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Классификация помещений по взрыво-, пожаро- и электроопасности

1.2 Краткое описание электроприемников цеха

Основными группами электроприемников, составляющими суммарную нагрузку объектов, являются светильники всех видов искусственного света и электродвигатели производственных механизмов (станки, подъемно-транспортные устройства, компрессоры, вентиляторы, насосы, сварочные установки, печные и силовые трансформаторы, электрические печи, выпрямительные установки и др.).

В механическом цехе основное производственное оборудование составляют металлорежущие станки.

Металлорежущие станки являются самыми распространенными производственными машинами, предназначенными для механической обработки заготовок из металла режущим инструментом. Путем снятия стружки заготовке придаются требуемая форма, размеры и чистота поверхности.

Металлорежущие станки разделяется по функциональному назначению на различные группы: токарные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные, строгальные и др.

Перечень электрооборудования цеха дан в таблице 1.2.

Расположение основного оборудования показано на плане (Лист 1).

Таблица 1.2 – Перечень электрооборудования ремонтно-механического цеха

2 Электротехническая часть

2.1 Выбор напряжения внутрицехового и внешнего электроснабжения

По напряжению электроприемники классифицируются на две группы. Первая – электроприемники, которые могут получать питание непосредственно от сети 3, 6 и 10 кВ. К этой группе относятся крупные электродвигатели, мощные печи сопротивления и дуговые печи для плавки черных и цветных металлов, питаемые через собственные трансформаторы. Вторая – электроприемники, питание которых экономически целесообразно на напряжение 380 – 660 В.

По роду тока различают электроприемники работающие: от сети переменного тока нормальной промышленной частоты (50 Гц); от сети переменного тока повышенной или пониженной частоты; от сети постоянного тока.

Выбор того или иного стандартного напряжения определяет построение всей системы электроснабжения промышленного предприятия. Стандартным напряжением, применяемым на промышленных предприятиях для распределения электроэнергии, являются 10; 6; 0,66; 0,38; 0,22 кВ.

Для внутрицеховых электросетей наибольшее распространение имеет напряжение 380/220 В, основным преимуществом которого является возможность совместного питания силовых и осветительных электроприемников. Наибольшая единичная мощность трехфазных электроприемников, получающих питание от системы напряжения 380/220 В, как правило, не должна превышать 200-250 кВт, допускающих применение коммутационной аппаратуры на ток до 630 А.

С учетом этого для питания электрооборудования проектируемого цеха будет использоваться напряжение 380/220 В трехфазного переменного тока промышленной частоты. Питание цеховой ТП, согласно заданию, будет осуществляться на напряжении 10 кВ.

2.2 Категория надежности и выбор схемы электроснабжения, выбор конструктивного исполнения силовой сети

По обеспечению надежности электроснабжения электроприемники разделяют на три категории. Электроприёмники инструментального цеха относятся к II категории по обеспечению надежности электроснабжения.

Согласно ПУЭ [5] ко II категории относятся электроприемники, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простоям рабочих мест, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Рекомендуется обеспечивать электропитанием от двух независимых источников, для них допустимы перерывы на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады. Допускается питание от одного трансформатора, перерыв в электроснабжении разрешается не более 24 ч.

По своей структуре схемы внутрицеховых электрических сетей могут быть радиальными, магистральными и смешанными.

Радиальные схемы применяются при наличии групп сосредоточенных нагрузок с неравномерным распределением их по площади цеха, во взрыво- и пожароопасных цехах, в цехах с химически активной и аналогичной средой.

Достоинством радиальных схем является их высокая надежность, так как авария на одной линии не влияет на работу электроприемников, подключенных к другой линии. Недостатками радиальных схем являются: малая экономичность, связанная со значительным расходом проводникового материала, труб, распределительных шкафов, большое число защитной и коммутационной аппаратуры, ограниченная гибкость сети при перемещениях электроприемников, вызванных изменением технологического процесса, невысокая степень индустриализации монтажа.

Магистральные схемы целесообразно применять для питания силовых и осветительных нагрузок, распределенных относительно равномерно по площади цеха, а также для питания группы электроприемников, принадлежащих одной технологической линии. При магистральных схемах: одно-питающая магистраль обслуживает несколько распределительных шкафов и крупные электроприемники цеха.

Достоинствами магистральных схем является: упрощение схем распределительного устройства низкого напряжения трансформаторных подстанций, перемещение технологического оборудования без переделки сети; использование унифицированных элементов (шинопроводов, позволяющих вести монтаж индустриальными методами). Недостатком является их меньшая надежность по сравнению с радиальными схемами, так как при аварии на магистрали все подключенные к ней электроприемники теряют питание.

Наибольшее распространение имеют смешанные (комбинированные) схемы, сочетающие в себе элементы радиальных и магистральных схем и пригодные для любой категории электроснабжения.

В смешанных схемах от главных питающих магистралей и их ответвлений электроприемники питаются через распределительные шкафы РШ (распределительные пункты РП) или шинопроводы ШРА в зависимости от расположения оборудования в цехе.

Для питания инструментального цеха выбираю смешанную схему электроснабжения. Так как она включает в себя достоинства обоих схем и обеспечивает наибольшую надёжность.

Какие цеховые распределительные устройства применены, почему схема смешанная? Какое количество трансформаторов принято? Как обеспечена требуемая надежность ЭСН?

2.3 Выбор электродвигателей

Двигатель производственного механизма должен наиболее полно отвечать технико-экономическим требованиям, т. е. отличаться простотой конструкции, надежностью в эксплуатации, наименьшей стоимостью, небольшими габаритами и массой, обеспечивать простое управление, удовлетворять особенности технологического процесса и иметь высокие энергетические показатели при различных режимах работы.

Электродвигатели для привода производственных механизмов выбираются по напряжению, мощности, режиму работы, частоте вращения и условиям окружающей среды.

Электродвигатель необходимо выбирать таким образом, чтобы его номинальная мощность соответствовала мощности приводного механизма:

(2.1)

где Р _ном – номинальная мощность электродвигателя, кВт;

Р _мех – мощность приводного механизма, кВт.

Электродвигатели станочного и другого производственного оборудования, установленного в ремонтно-механическом цеху, поступают с завода-изготовителя комплектно. Однако, для практических расчетов произведем выбор электро-двигателей, используя механические мощности приводного оборудования.

Например, произведу выбор электродвигателя для привода поперечно-строгального станка (на генплане № 1) с Р_мех = 8,5 кВт по условию (2.1):

Выбираю электродвигатель типа АИР132М4 с Р_н = 11,0 кВт, технические данные которого свожу в таблицу 2.1.

Выбор остальных электродвигателей произвожу аналогично, результаты выбора свожу в таблицу 1.3.

Таблица 1.3 – Выбор электродвигателей

2.4 Выбор пускорегулирующей аппаратуры

Магнитные пускатели предназначены для управления короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями. В комплекте с тепловыми реле магнитные пускатели осуществляют защиту двигателя от перегрузки. В настоящее время следует применять магнитные пускатели серии ПМЛ и ПМА [7, с. 436].

Для электродвигателей приводов станков, прессов и кран-балки магнитные пускатели, тепловые реле и кнопки управления поступают с завода-изготовителя комплектно в составе шкафа управления.

2.5 Расчет внутрицеховой распределительной сети

2.5.1 Выбор аппаратов защиты распределительной сети

Основными видами защит электрических сетей и электроприемников напряжением до 1 кВ являются защиты от перегрузки и токов КЗ.

Выбор аппаратов защиты (предохранителей, автоматов) выполняется с учетом следующих основных требований:

1) номинальный ток и напряжение аппарата защиты должно соответствовать расчетному длительному току и напряжению электрической цепи;

2) номинальные токи расцепителей автоматических выключателей и плавких вставок предохранителей необходимо выбирать по возможности меньше по длительным расчетным токам с округлением до ближайшего большего стандартного значения;

3) аппараты защиты не должны отключать установку при кратковременных перегрузках, возникающих в условиях нормальной работы, при пусках электродвигателей;

4) время действия аппаратов защит должно быть по возможности большим; должна быть обеспечена селективность (избирательность) действия защиты при последовательном расположении аппаратов защит в электрической цепи;

5) защитный аппарат (номинальный ток плавкой вставки, номинальный ток или ток срабатывания расцепителя автомата) должен быть согласован с допустимым током защищаемого проводника (I _доп).

6) аппараты защиты должны обеспечивать надежное отключение в конце отключаемого участка двух – и трех фазных КЗ при всех видах режимах работы нейтрали сетей, а также однофазных сетей, а также однофазных КЗ в сетях с глухо заземленной нейтралью.

В качестве аппаратов защиты электроприемников и электрических сетей промышленных предприятий от коротких замыканий использую автоматические выключатели серии ВА.

Выбор автоматических выключателей производится по следующим условиям [8, с. 42]:

U _Н.А ≥ U _С (2.2)

I _Н.А ≥ I _Н.Р (2.3)

где U _Н.А и I _Н.А – соответственно номинальные напряжение и

ток автоматического выключателя, В и А;

U _С – напряжение сети, В;

I _Н.Р – номинальный ток расцепителя автоматического выключателя, А.

Номинальный ток расцепителя автоматического выключателя I _Н.Р, А, для защиты силовых линий с одним электродвигателем следует выбирать, исходя из следующего условия:

I _Н.Р ≥ 1,25 · I _ном (2.4)

где I _ном – номинальный ток двигателя, А.

Ток уставки срабатывания электромагнитного расцепителя I _СРэ, А, автоматического выключателя для силовых линий с одним электродвигателем выбирается по условию:

I _СРэ ≥ 1,25· I _п (2.5)

где I _п – пусковой ток двигателя, А.

Номинальный ток двигателя I _н, А, определяется по формуле:

, (2.6)

где Р _ном – номинальная мощность электродвигателя, Вт;

U _ном – номинальное напряжение, В;

cosφ_ном – номинальный коэф. мощности электродвигателя, о.е.;

η_ном – КПД при номинальной нагрузке, о.е.

Пусковой ток электродвигателя I _п, А, определяется по формуле:

(2.7)

где - кратность пускового тока (табличное значение).

Например, произведу выбор автоматического выключателя для двигателя привода пневматического молота (на генплане № 1), с мощностью двигателя равной P _ном = 11 кВт. При выборе автоматического выключателя для одного электродвигателя в качестве I _дл принимается его номинальный ток I _ном, а в качестве I _кр – пусковой ток I _пуск.

Номинальный ток двигателя I_н, А, определяется по формуле (2.6):

Расчёт пускового тока произвожу по формуле (2.7):

Выбираю автоматический выключатель исходя из условий (2.4) и (2.5):

I _Н.Р ≥ 1,25 · 22,67 = 28,33 А

I _СРэ ≥ 1,25 · 170 =212,5 А

Выбираю автоматический выключатель типа ВА51-31 с I _Н.А = 100 А, I _Н.Р = 31,5 А, и током срабатывания I _СРэ = 315 А.

Для остальных электродвигателей выбор произвожу аналогично, технические характеристики выбранных автоматических выключателей свожу в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Выбор автоматических выключателей

2.5.2 Выбор сечений жил кабелей распределительной сети

Сечение жил кабелей напряжением до 1 кВ по нагреву определяется по таблицам допустимых токов [5, гл. 1.3], составленным для нормальных условий прокладки, в зависимости от расчетных значений длительно допустимых токовых нагрузок I _дл из соотношения [7, с. 94]:

(2.8)

где I _дл – длительно допустимый ток провода, А;

I _р – расчетный ток питающей линии, А;

k _п – поправочный коэффициент, корректирующий допустимый ток на условия прокладки проводов и кабелей и зависящий от температуры воздуха и земли [5, табл. 1.3.3].

По требованию механической прочности минимальное сечение алюминиевых жил проводов и кабелей для присоединения к неподвижным электроприёмникам внутри помещений должно быть не менее 4 мм² - при прокладке на изоляторах, 2,5 мм² - при других способах прокладки.

Выбранные проводники должны соответствовать их аппаратам защиты, что проверяется по условию [7, с. 95]:

(2.9)

где k _з – кратность длительно допустимого тока провода или кабеля по отношению к номинальному току или току срабатывания защитного аппарата, коэффициент защиты [7, табл. 2.7];

I _з – номинальный ток или ток срабатывания защитного аппарата, А (ток вставки предохранителя или номинальный ток расцепителя).

Например, произвожу выбор кабеля для двигателя пневматического молота (на генплане № 1) типа АИР132М4, номинальные данные по двигателю представлены ранее.

Для линии с одним электроприёмником в качестве расчётного тока I _р используется номинальный ток:

I _р = I _ном = 22,67 А

При заданной температуре в цехе равной +30^оС и прокладке проводников в трубах в полу поправочный коэффициент принимаем равный k _п = 0,94.

При использовании в качестве аппарата защиты автоматические выключатели в качестве тока срабатывания защитного аппарата I _з используется номинальный ток расцепителя:

I _з = I _Н.Р = 31,5 А

и коэффициент защиты в этом случае принимают равным k _з = 1.

Выбираю кабель по условиям (2.8) и (2.9):

Согласно условий выбираю кабель АВВГ 3×10+1×6 с алюминиевыми жилами сечением фазных жил 10 мм² и длительно допустимым током I _дл = 42 А. Для остальных электроприёмников выбор кабелей произвожу аналогично результаты выбора свожу в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 – Выбор кабелей распределительной сети

№ по плану	Электроприемник	I р, А	I з, А	, А	, А	Тип кабеля, сечение, мм2	I дл, А
1, 3	Молот пневматичекский	22,67	31,5	24,11	33,5	АВВГ 3×10+1×6
	Абразивно-отрезной станок	8,52	12,5	9,1	13,3	АВВГ 4×2,5
	Печь нагревательная	28,48		30,3	42,55	АВВГ 3×10+1×6
	Пресс-ножницы	3,5		3,7	5,3	АВВГ 4×2,5
6, 7	Обдирочно-шлифовальный станок	6,7	12,5	7,12	13,3	АВВГ 4×2,5
	Фрезерно-отрезной полуавтомат	57,0		60,6	85,1	АВВГ 4×16
	Пресс кривошипный	22,67	31,5	24,11	33,5	АВВГ 3×10+1×6
	Гильотинные ножницы	22,67	31,5	24,11	33,5	АВВГ 3×10+1×6
	Пресс	83,14		88,44	132,9	АВВГ 4×70
12, 25	Токарный восьмишпиндельный автомат	101,1		107,55	170,2	АВВГ 4×85
13, 15	Токарный станок	6,7	12,5	7,12	13,3	АВВГ 4×2,5
	Радиально сверлильный станок	22,67	31,5	24,11	33,5	АВВГ 3×10+1×6
16-19, 23, 24	Токарно-револьверный станок	28,48		30,3	42,55	АВВГ 3×10+1×6
21, 22	Вертикально-сверлильный станок	11,4		12,12	17,0	АВВГ 4×2,5
20, 26	Универсальный заточный станок	3,5		3,7	5,3	АВВГ 4×2,5
	Заточный станок	11,4		12,12	17,0	АВВГ 4×2,5
	Точильно-шлифовальный станок	6,7	12,5	7,12	13,3	АВВГ 4×2,5
	Доводочный станок для резцов	2,1		2,2	5,3	АВВГ 4×2,5
30, 31	Полуавтомат для заточки свёрл	8,52	12,5	9,1	13,3	АВВГ 4×2,5

2.6 Расчет электрических нагрузок узлов и цеха

Расчет электрических нагрузок электроприемников напряжением до 1 кВ для каждого узла питания (распределительного пункта, шкафа, сборки, распределительного шинопровода, цеховой ТП), а также по цеху, корпусу в целом выполняется, как правило, в виде таблицы [7, с. 84, рис. 2.12].

Заполнение граф таблицы производится в следующем порядке [7, с. 83]:

Графа 1: указываются номера электроприемников на генплане.

Графа 2: указываются наименования групп (узлов) электроприемников (СП, ШРА, ШМА, ТП, участок, цех), а также наименования подгрупп электроприемников, питающихся от них. Электроприемники в каждой группе формируются в подгруппы с одинаковой номинальной мощностью и одинаковыми значениями коэффициентов использования и tg φ (Например, металлорежущие станки, вентиляторы). После приведения перечня всех подгрупп электрооборудования группы указываются: итого по данной группе. Таким образом, расписываются все группы электроприемников.

Графа 3: по подгруппам электроприемников указывается номинальная мощность единичного электроприемника; для групп электроприемников – пределы номинальных мощностей единичных электроприемников (Р _ном.max/ Р _ном.min). Для электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы их номинальная мощность приводится к длительному режиму:

(2.10)

Графа 4: по подгруппам электроприемников отмечается количество электроприемников с одинаковой номинальной мощностью и одинаковым коэффициентом использования; для групп электроприемников – общее количество электроприемников.

Графа 5: по подгруппам и группам электроприемников отмечается их суммарная номинальная мощность:

(2.11)

В графах 2 и 5 указываются данные только рабочих электроприемников. Резервные и ремонтные электроприемники, а также электроприемники, работающие кратковременно (пожарные насосы, задвижки, вентили и т.п.), при подсчете расчетной мощности не учитываются.

Графа 6: для подгрупп электроприемников указываются справочные значения индивидуальных коэффициентов использования k _и, для групп электроприемников – расчетные средневзвешенные значения k _и:

(2.12)

Графы 7 и 8: для подгрупп электроприемников указываются справочные значения cos φ /tg φ, для групп электроприемников – расчетные средневзвешенные значения cos φ /tg φ.

(2.13)

Графы 9 и 10: для подгрупп вычисляются и записываются средняя активная Р _см, кВт, и реактивная Q _см, кВар, нагрузки за наиболее загруженную смену:

(2.14)

(2.15)

Для групп (узлов) электроприемников – суммы этих величин:

(2.16)

(2.17)

Группы 11: для групп электроприемников определяется и записывается эффективное число электроприемников по формуле:

(2.18)

Найденное по указанному выражению число округляется до ближайшего меньшего числа. Если вычисленное значение окажется больше фактического числа электропремников (n), то следует принимать n _эф = n.

Если значение показателя силовой сборки Р _ном.max/ Р _ном.min ≤ 3, то принимается n _эф = n.

Графа 12: для групп электроприемников определяется коэффициент максимума k _max по таблицам [3, с. 90, табл. 2.3] в зависимости от средневзвешенного значения коэффициента использования группы k _и.гр и эффективного числа электроприемников n _эф.

Графа 13: для групп электроприемников определяется коэффициент максимума реактивной мощности k' _max = 1,1 для питающих сетей при k _и<0,2 и n _эф<100, а также при k _и>0,2 и n _эф<10; во всех остальных случаях, а также для магистральных шинопроводов и при определении реактивной нагрузки на шинах ЦРП и в целом по цеху или предприятию k' _max = 1.

Графа 14: для групп электроприемников указывается расчетная (максимальная) активную мощность:

Р _р = k _max· Р _{см.узла} (2.19)

В случае, когда расчетная мощность окажется меньше номинальной мощности наиболее мощного приемника, следует принимать Р _расч = Р _ном.max.

Графа 15: для групп электроприемников записывается расчетная реактивная мощность:

Q _р = k '_max· Q _{см.узла} (2.20)

Графа 16 и 17: для групп электроприемников указываются соответственно расчетные значения полной мощности:

(2.21)

и тока:

(2.22)

Графа 18: для групп элеткроприемников указывается пиковый ток (I _пик). При отсутствии данных об одновременном пуске нескольких приемников пиковый ток определяется по выражению:

I _пик = I _пуск.max + (I _р – k _и· I _ном.max) (2.23)

где I _пуск.max – наибольший пусковой ток электроприемника группы;

I _ном.max– номинальный ток электроприемника с наибольшим пусковым током;

k _и – коэффициент использования электроприемника с наибольшим пусковым током.

Произведём расчёт для узлов и цеха в целом. Расчёт оформляем в виде таблицы согласно указанного выше порядка расчёта. К ШРА подключен 31 приёмник.

Значения номинальной мощности, коэффициента использования, а также значения tg φ и cos φ заносим в графы таблицы 2.4 соответственно.

Подсчитываю суммарную номинальную мощность группы по формуле (2.10) и результат заношу в графу 5.

Далее произвожу вычисления и записываю среднею активную Р _см, кВт, и реактивная Q _см, кВар, нагрузки за наиболее загруженную смену по формулам (2.14) и (2.15) соответственно: