+2012-Методичка СЭС-задачи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
«Тверской государственный технический университет»
Кафедра электроснабжения и электротехники
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания к практическим занятиям
для студентов дневной и заочной форм обучения
специальности 140211
Тверь 2012
2
УДК 658.264
ББК 31.27-02
Методические указания разработаны в соответствии с
государственным образовательным стандартом направления 650900,
специальность 140211. Предназначены для студентов дневной и заочной
форм обучения.
Методические указания обсуждены и рекомендованы к печати на
заседании кафедры ЭС и Э (протокол №7 от 14 февраля 2012 г.).
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания к практическим занятиям
для студентов дневной и заочной форм обучения
специальности 140211
Составитель: Енин А.С.
3
ВВЕДЕНИЕ
Для решения предлагаются задачи по расчёту электрической
нагрузки машин контактной сварки, определению уровней высших
гармонических составляющих тока с системе электроснабжения и расчёту
симметрирующего устройства в электрической сети, содержащей
однофазные электроприёмники.
Вариант индивидуального задания определяется преподавателем или
принимается в соответствии с номером зачётной книжки студента по
таблицам приложения.
1. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задание №1. Для сварочного участка (рис. 1) со стационарными
сварочными машинами выбрать мощность силового трансформатора,
схему электроснабжения с использованием распределительных пунктов,
марку и сечение проводников, защитную аппаратуру. Исходные данные
приведены в таблице П1.
Задание №2. Для схемы рис.2 определить степень загрузки батареи
конденсаторов (БК) токами высших гармоник и предложить меры по
ограничению уровня этих гармоник. Исходные данные приведены в
таблице П2.
Задание №3. Для схемы рис.3 рассчитать симметрирующее
устройство. Исходные данные приведены в таблице П3.
11
12
1
2
10
20
9
8
3
7
6
5
4
40
Рис. 1. План расположения оборудования сварочного участка
4
G
110 кВ
T1
L
6-10 кВ
Т2
М
GB
GV
Рис.2. Схема понизительной подстанции
Q1
Q2
Q3
T
2
3
1
Рис.3. Схема подключения однофазной установки: 1 – печь
электрошлакового переплава; 2 – симметрирующее устройство;
3 – симметричная нагрузка
5
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
2.1. Задание № 1
Сварочная нагрузка характеризуется следующими основными
показателями:
Sу - установленная мощность сварочной машины (СМ) при
номинальной паспортной продолжительности включения, указывается в
паспорте машины;
КЗ - коэффициент загрузки СМ, равный отношению пиковой
потребляемой мощности
к установленной, приводится в справочной
литературе;
КВ коэффициент включения, отражающий длительность
включения СМ в полном цикле сварки, приводится в справочной
литературе;
SП = Sу x КЗ - пиковая мощность СМ, потребляемая из сети при
сварке;
SС = Sу x КЗ x КВ - средняя мощность СМ в цикле сварки;
SЭ = Sу x КЗ x √ КВ - эффективная мощность СМ.
Рекомендуется [3] следующий порядок расчетов:
На первом этапе определяется суммарная ориентировочная
эффективная мощность СМ:
SΣЭ = √ (ΣSС )2 + 3 xΣ SЭ2.
На основании этого выбирается количество и мощность
трансформаторов, намечается схема внутреннего электроснабжения.
На втором этапе для каждой СМ определяется:
SЭ2 = SП2 x КВ,
SС = SП x КВ.
Все машины распределяются по фазам так, чтобы максимально
обеспечить равномерную загрузку всех фаз. Неравномерность загрузки не
должна превышать 15 %. При этом в случае незначительного различия
КВ машин распределение по фазам можно проводить по SП, в противном
случае по - SП2 x КВ .
Для отдельной СМ пиковый и эффективный ток определяются по
выражениям:
для однофазных машин iП = Sу x КЗ / UНОМ,
iЭ = Sу x КЗ x √ КВ / UНОМ,
для трехфазных машин iП = Sу x КЗ / √3 x UНОМ,
iЭ = Sу x КЗ x √ КВ / √3 x UНОМ .
6
Для группы СМ эффективный ток равен:
IЭ = √ IC2 + DI,
где IC = ΣiC- средний ток группы, равный арифметической сумме средних
токов всех СМ, подключенных в фазе; DI - дисперсия нагрузки фазы, при
КВ ≤ 0,15 равная ΣiC2 x КВ.
Пиковая нагрузка группы СМ равна:
IП = IC + β x √DI,
где β - коэффициент, определяемый по графику рис. 4.
β
nxКВ
Рис. 4. Зависимость β от nxКВ
Если в группу входят СМ с одинаковым пиковым током, то n равно
количеству машин в группе. В противном случае n = nЭ, где
nЭ - эффективное число СМ, определяемое по формуле
nЭ = (ΣiП)2 / ΣiП2 .
При различных значениях КВ СМ в группе в расчете используется
среднее значение КВС , равное
КВС = (1 / n) x ΣКВ .
Выбор сечения проводников производится по эффективной нагрузке
по [5, 10], а защитная аппаратура для СМ выбирается по [8] в соответствии
с выражениями:
IДД ≥ IЭ,
3х IДД ≥ IПВ НОМ ≥ 1,2 х iП ,
где IДД - длительно допустимый ток проводника; IПВ НОМ - номинальный
ток плавкой вставки.
7
2.2. Задание № 2
Расчет высших гармонических составляющих тока и напряжения в
различных точках системы электроснабжения выполняется на основе схем
замещения для каждой гармоники. Источники гармоник представляются в
этих схемах в виде источников тока. Расчетные формулы для их расчета
приведены в таблице П.1.
Элементы
сети
учитываются
сопротивлениями,
которые
рассчитываются по формулам:
общее индуктивное сопротивление элемента
XLν = ν x XL,
общее емкостное сопротивление элемента
XCν = XC / ν,
сопротивление системы
XC = UC2 / SК,
сопротивление трансформатора
XT = UK x UНОМ2 / ST,
сопротивление двигателя (принимается в момент пуска)
XДВ = UНОМ2 x sin φДВП / SДВП,
батарея конденсаторов (схема включения «звезда»)
XБК = 3 x UНОМ2 / QБК,
где ν - номер гармоники; UНОМ ,UC , UK - номинальное напряжение
электроустановки, напряжение системы, напряжение короткого замыкания
трансформатора соответственно; SK, ST, SДВП - мощность трехфазного
короткого замыкания питающей энергосистемы, нагруженного силового
трансформатора и двигателя при пуске соответственно; QБК - номинальная
мощность батареи конденсаторов; sin φДВП - в момент пуска двигателя.
Ненагруженные
трансформаторы,
печи
сопротивления,
коммутационные и дугогасящие аппараты, силовые кабели в схеме
замещения не учитываются. Упрощенные
формулы
сопротивлений
элементов для напряжений 6 и 10 кВ приведены в таблице П.2.
После расчета режима по схеме замещения определяются токи
высших гармоник Iν в отдельных элементах электрической сети, в том
числе в БК. Эффективное значение тока в БК равно
IБК Э = √ΣIν2,
а кратность перегрузки батареи токами высших гармоник
КПЕР = IБК Э / IБК 1 ,
где IБК 1 = IНБК - ток основной частоты БК (номинальный).
При наличии защиты БК от перегрузки токами высших гармоник
допустимое значение КПЕР = 1,3 [1]. Если расчетное значение КПЕР > 1,3, то
следует рассмотреть мероприятия по ограничению IБКЭ. При этом
возможны следующие решения:
8
1. Установка типовых частотных фильтров по таблицам П.3, П.4.
Выбранные фильтры должны быть проверены по допустимому току, а их
компенсирующую способность следует учесть для корректировки
мощности БК.
2. Расчет индивидуальных частотных фильтров соответствующих
гармоник по [1,таблица 2.31].
3. Установка последовательно с БК реактора, сопротивление
которого выбирается по условию XP > XБК / ν2, где ν - наименьшая из
гармоник в месте установки БК.
4. Установка активных фильтров (кондиционеров) высших
гармоник [9].
В настоящем задании расчет гармоник напряжения и коэффициентов
искажения напряжения не рассматривается. При необходимости эта задача
решается по [1, табл. 2.30].
2.3. Задание № 3
Основные положения методики расчета симметрирующих устройств
(СУ) сводятся к следующему.
Несимметричную трехфазную нагрузку можно разложить на
эквивалентную симметричную трехфазную и однофазную нагрузки. При
этом однофазная нагрузка является пульсирующей мощностью NН,
подлежащей симметрированию:
NН = UН xIН = UН x e jΨ x IН x e j Ψ - φ =UН x IН x e j 2Ψ - φ = SН x e j 2Ψ - φ ,
где UН , IН - напряжение и ток однофазной нагрузки; Ψ- фазовый угол
вектора напряжения относительно оси отсчета; φ - фазовый угол нагрузки.
Например, для нагрузки, подключенной на напряжение UСА при
φ = 300
NНCА = UН x e j150 х IН x e j (150-30) = SН x e j (300-30) = SН x e j 270.
Эту мощность можно скомпенсировать, включив СУ, суммарный
вектор пульсирующей мощности которого NСУ равен по величине NНCА
и противоположен ему по фазе, т.е.
NСУ = - SН x e j270 = SН x e j90.
Поскольку элементы СУ должны быть реактивными во избежание
дополнительных потерь в них активной мощности, эта задача может быть
решена следующими способами:
1. Включение индуктивности QL на напряжение UBC (рис. 5).
2. Включение емкостей на напряжение UAB и UCA.
3. Комбинированный способ, при котором на напряжение UBC
подключается индуктивность, а на напряжение UABи UCA- емкости. При
этом мощности всех элементов вдвое меньше, чем по вариантам 1 и 2.
В общем случае QL + ΣQC / 2 = NН.
9
Комбинированная схема СУ приведена на рис.6.
Мощность СУ рассчитывается по условию симметрирования до
остаточного уровня:
NОСТ = NН + NСУ ≤ 0,02 х SK ,
где
SK - мощность трехфазного короткого замыкания питающей
энергосистемы.
+1
UАВ
UA
+j NСУ = QLBC x ej90
UCA
90o
UC
NНСА = SH x ej270
270О
UB
UBC
Рис.5. Векторная диаграмма пульсирующей и симметрирующей
мощностей
А
В
С
QC
QL
QC
SH
Рис. 7. Схема подключения однофазной нагрузки и симметрирующего
устройства
10
ПРИЛОЖЕНИЯ
Исходные данные к расчёту контрольных заданий
Номер варианта задания принимается по последней цифре номера
зачётной книжки
Таблица П1
Перечень оборудования сварочного участка (рис.1)
Тип
Чис№ сварочло КЗ КВ
п/п
ной
фаз
машины
Мощность SУ
по вариантам,
кВА
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-
-
-
-
-
SPM–109
3
1 0,01 700 800 750 950 850
SPM – 21
1
1 0,01
МТП–200
1
0,6 0,03 180
МТП–200
1
0,6 0,03
4,5 МТПГ–75
1
1,1 0,02 70
6,7 МТП–200
1
0,7 0,03 190 210 180 200 210 170 175 190 170 210
8,9 МТПГ–75
1
1,1 0,02 55
1
2,3
10
11
12
-
-
-
-
-
-
-
-
190
-
175
-
200
-
210
-
550
-
575
-
580
-
625
-
590
65
75
70
75
65
75
70
70
65
55
65
75
-
-
SPM–103
1
1 0,01
SPM–500
1
1 0,01 510
-
-
SPM–108
3
1 0,01
-
-
SPM–103
1
1 0,01 440 430 420 410 450
МТП–600
1
0,7 0,03 570
МТП–200
1
0,7 0,03
-
-
420 430
65
520 530
-
-
500 550 450 475 525
75
70
440 450
-
-
70
80
80
-
-
460
540 550
-
900 900 900 900 900
-
-
-
-
-
-
580
-
590
-
600
-
610
-
210
-
170
-
180
-
190
-
200
11
Таблица П2
Перечень оборудования главной понизительной подстанции (рис.2)
Обозн.
Количество и мощность по вариантам, МВА, МВт, Мвар
на
Тип, марка
рис.3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
GV
GB
M
T2
L
ДСП (SР)
3,1
2,9
-
-
1,7
1,9
-
-
-
-
ТПЧ (SР)
-
-
1,5
1,9
-
-
0,9
-
-
-
СВ (SР)
-
-
-
-
-
-
-
0,7
1,1
1,0
УКЛ–10 (6)
2х 0,95
3х0,55
СТД–1600
1,9
1,7
1,5
ДС–213
-
-
-
2х 1,25
2х0,75
3х0,7
-
-
2х 1,5
-
-
-
2х 0,35
1,6
4х 0,63
0,55
-
3х 0,25
ТМ–10 / 0,4
4х 1,6
3х1,0
6х 0,63
ТМ3–10 / 0,4
4х 2,5
4х 1,6
8х 1,0
5х 1,0
РБ10–630
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
РБ10–1600
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
ТДН–110 / 10 16
16
25
25
25
-
-
-
-
10
1,6
5х2,5
T1
G
ТМН-110 / 6
-
-
-
-
-
6,3
6,3
6,3
6,3
-
ЭС (SК)
500
250
200
150
100
200
400
250
300
400
Примечание: ДСП – дуговая сталеплавильная печь; ТПЧ – тиристорный
преобразователь частоты; СВ – сварочный выпрямитель; УКЛ – установка
конденсаторная; СТД, ДС – синхронные двигатели; ТМ, ТМЗ, ТДН, ТМН –
силовые трансформаторы; РБ – токоограничивающий реактор; ЭС –
энергосистема.
12
Таблица П3
Технические данные однофазной нагрузки (рис.3)
Параметр
Мощность SН,
МВА
Фазовый угол Н,
град
Схема
подключения
Напряжение на
шинах U, кВ
SК, МВА
Вариант
4
5
0
1
2
3
6
7
8
9
1,1
2,1
3,3
3,7
30
60
60
30
60
30
60
60
30
60
СА
АВ
АВ
ВС
ВС
СА
АВ
АВ
ВС
ВС
10
6
10
6
10
6
10
6
10
6
170
190
150
210
250
200
250
300
350
200
1,75 2,75 3,75 1,95 2,55 3,25
Примечание. SК - мощность трёхфазного к.з. энергосистемы.
Таблица П4
Определение гармоник тока
Электроприёмники
Электродуговая
сталеплавильная
печь мощностью SР, кВА
Сварочный выпрямитель
мощностью SР, кВА
Вентиляторный
преобразователь
мощностью SР, кВА
Тиристорный
преобразователь
частоты с
номинальным током I, А
Силовой магнитный
усилитель с
номинальным током I, А
Газоразрядные лампы
общей мощностью Sр, кВА
Порядок
генерируемых
гармоник, 
Расчётная формула
5, 7, 11, 13
(1,25xSР) / ( 3 xUx2),
U – напряжение на шинах, кВ
5, 7, 11, 13
SР / ( 3 xUx2)
5, 7, 11, 13
SР / ( 3 xUx)
5, 7, 11, 13
I=I / [1,11х (1)],
«+» - для =5,13
«-» - для =7,11
3, 5, 7
I3 = 0,1xI
I5 = 0,25xI
I7 = 0,3xI
3
0,2xS / 3 xU
13
Таблица П5
Определение сопротивлений элементов сетей 6, 10 кВ
Электроприёмники
Расчётная формула
6 кВ
10 кВ
Питающая энергосистема с помощью
трёхфазного
36 / SК
100 / SК
короткого замыкания SК, МВА
Двухобмоточный трансформатор связи с
энергосистемой
6 / SТ
11 / SТ
мощностью SТ, МВА (при UК = 10,5%)
Реактор с сопротивлением XР, Ом
 XР
 XР
Трансформатор цеховой подстанции
номинальной
12 / SТ
34 / SТ
мощностью SТ, МВА
Электродвигатель, турбогенератор
номинальной
6 / SДВ
17 / SДВ
мощностью SДВ, МВт, (МВА)
Линейная нагрузка суммарной установленной
мощностью
____12____
____34____
электродвигателей SДВ, МВт, (МВА)
SТ + 2xSДВ
SТ + 2xSДВ
и трансформаторов SТ, МВА
Батарея конденсаторов номинальной
мощностью QНБК, Мвар (схема звезда) и
3xUНБК2 /  QНБК
номинальным напряжением UНБК, кВ
То же, схема треугольника (с приведением к
UНБК2 /  QНБК
схеме звезды)
Примечание. Сопротивление трёхобмоточного трансформатора на
частотах высших гармоник пропорционально сопротивлению отдельных
обмоток на промышленной частоте.
14
Таблица П6
Технические данные ФКУ типа ТКФ для сетей 380/220 В
Параметры
Номинальная мощность, квар
Диапазон регулирования
мощности, квар
Допусти- полного
первой гармоники
мое
значение пятой гармоники
тока, седьмой гармоники
IДОП, А остальных гармоник
Быстродействие, квар / с
ТКФ – 170
170
ТКФ – 340
340
ТКФ – 510
510
20 – 170
30 – 140
40 – 510
300
260
110
80
70
600
520
220
160
140
500
900
780
330
240
210
Таблица П7
Технические данные фильтров для сетей 10 кВ
Тип
Ф–5–101200
1600
2400
Ф–5–101200
1600
2400
Ф–5–10800
1200
2400
Ф–5–10800
1200
2400

НомиКомпенсинальная
рующая
мощспособность,
ность,
квар
квар
Ток, А
номинальный
полный
резонансной
частоты
длительно
допустимый
резополнансной
ный
частоты
5
1200
1600
2400
1000
1350
2000
60
80
120
30
40
60
80
105
155
55
75
110
7
1200
1600
2400
965
1290
1930
60
80
120
30
40
60
80
105
155
55
75
110
11
800
1600
2400
625
1250
1890
40
80
120
20
40
60
50
105
155
40
75
110
13
800
1600
2400
625
1220
1845
40
80
120
20
40
60
50
105
155
40
75
110
15
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Правила устройства электроустановок.
6-е и 7-е издания с
дополнениями- М: Энергоатомиздат, 2007-2009.
2. Григорьев, В.И., Киреева, Э.А., Миронов, В.А., Чохонелидзе А.Н.
Электроснабжение и электрооборудование цехов: учеб. пособие для
электротехн. спец. – М.: Мир: Энергоатомиздат, 2003
3. Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред.
Ю.Г.Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Сибикин, Ю.Д. Электроснабжение [Текст]: учеб. пособие для
электротехн. спец./ Сибикин, Ю.Д., Сибикин, М.Ю. - М.: РадиоСофт,
2011.
5. Шеховцов В.П. Справочное пособие по электрооборудованию и
электроснабжению.- М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2008.
6. Справочник по проектированию электрических сетей и
электрооборудования / Под ред. Ю.Г.Барыбина и др. – М.:
Энергоатомиздат, 1991.
7. Киреева, Э.А. Электроснабжение и электрооборудование цехов
промышленных предприятий [Текст]: учеб. пособие для вузов по
напр.
140600
«Электротехника,
электромеханика
и
электротехнология» – М.: КноРус, 2011.
8. Новости
электротехники.
2007-2011.
Режим
доступа:
http://news.elteh.ru
9. Электронно-библиотечная система издательства «БиблиоТех». –
Режим доступа: http://www.bibliotech.ru/
10.Электронно-библиотечная система издательства «Лань». - Режим
доступа: http://e.lanbook.com/register.php
16
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…….………………………………………………………………3
1.Контрольные задания ……………………………………………………3
2.Методические указания к выполнению контрольных заданий……….5
Приложения….…………………………………………………………….10
Библиографический список……..………………………………………..15