Введение
Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курса «Электроснабжение промышленных предприятий». На лабораторных занятиях студент совершенствует навыки схемотехники, выполняет электрические измерения, учится распознавать нормальные и аварийные режимы работы оборудования, получает опыт безопасного обращения с электрическим током. Кроме того, лабораторные работы являются иногда единственным средством понимания некоторых процессов.
Вопросам разработки лабораторных работ по дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий» посвящено немало учебных изданий, которые содержат некоторый набор заданий для выполнения на определенном лабораторном оборудовании, как правило, существующем в единственном экземпляре в отдельно взятом учебном заведении. Кроме того, многие методические указания используют темы лабораторных работ, относящиеся к смежным дисциплинам: электропривод, релейная защита, электрические машины и др.
Данный набор лабораторных работ предусматривает использование в качестве лабораторного оборудования стендов, разработанных ООО «ИПЦ «Учебная техника», представляющих собой унифицированные модули, монтируемые в раме настольного исполнения. Для каждой лабораторной работы разработана электрическая схема, собираемая на базе указанных стендов и методика выполнения эксперимента. Темы работ имеют непосредственное отношение к дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий» и ориентированы на закрепление материала лекционных занятий. Для удобства использования весь материал лабораторного практикума разделен на две части содержащих по четыре лабораторные работы каждая.
В каждой работе приводится краткий теоретический материал, который при подготовке к выполнению работы и обработке результатов должен быть расширен сведениями, приводимыми в литературе, рекомендуемой для изучения темы. Контроль полноты и качества освоения представленного материала выполняется при защите каждой лабораторной работы с использованием контрольных вопросов.
Выполнение лабораторной работы предполагается бригадой, состоящей из двух или трех студентов. Распределение обязанностей между членами бригады выполняется студентами самостоятельно, но под контролем преподавателя. Как правило, одному члену бригады поручается общее руководство выполнением и защитой работы, один студент – оператор стенда, должен отвечать за выполнение присоединений блоков стенда и операции включения и выключение питания схемы. Каждый член бригады несет персональную ответственность за соблюдение правил техники безопасности, приведенных в приложении А.
Защита лабораторной работы проходит в форме собеседования всех членов бригады, выполнявших лабораторную работу с преподавателем на тему работы в виде ответов на контрольные вопросы. При защите лабораторной работы представляется отчет, выполненный согласно требованиям, изложенным в приложении Б.
Срок выполнения каждой работы отражается в графике выполнения лабораторных работ. Рекомендуется для выполнения одной работы предусматривать не менее одной недели для подготовки к выполнению и одной недели для подготовки к защите работы.
Успех освоения практической части курса «Электроснабжение промышленных предприятий» во многом зависит от точности следования рекомендациям лабораторного практикума, ритмичности и планомерности выполнения и защиты лабораторных работ.
Предлагаемый практикум является всего лишь промежуточным звеном в совершенствовании лабораторных работ по дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий», поэтому замечания и недочеты, присутствующие в тексте просьба направлять автору.
Электроснабжение промышленных предприятий и установок в неблагоприятных климатических условиях
Большинство предприятий имеют загрязненные области, которые возникают из-за образования вредных веществ. Они отрицательно влияют на токоведущие элементы электрических установок. Источники загрязнения – химические, ферросплавные производства, а также производства стали, магния и др. Такие загрязнения имеют пять степеней (первая степень – самая мощная).
Для загрязненных областей устанавливаются специальные нормативы для определения типа изоляции, подстанций, линий электропередач. Также рассчитываются минимальные промежутки от источников загрязнения. Расстояние зависит от класса производства. К примеру, для пятой степени – от пятидесяти метров, для первой – до 1500 метров.
Проблема загрязнения требует особого внимания и принятия необходимых мер.
Приемники, обеспечивающие электроснабжение промышленных объектов
Так как электросети и подстанции являются элементами общей структуры предприятия, они должны координироваться с технологическими, строительными частями, а также с планом здания. К примеру, высокие требования к надежному и качественному электроснабжению предъявляются крупными предприятиями цветной и черной металлургии. Они отличаются высокими значениями суммарных установленных мощностей электрических приемников, которые могут достигать 1700-2000 МВт.
Электроприемники можно разделить на 3 категории:
1. Электроприемники, которые вследствие перерывов в электроснабжении могут проявить опасность для людей, нанести ущерб оборудованию, продукции и т. д. Такие приемники должны питаться от двух отдельных источников. Перерыв электроснабжения возможен только на период автоматического включения резерва. Примеры: котельные производственного пара, доменные цехи, приводы вагранок, ответственные насосные, разливочные краны и др.
2. Электроприемники, перерыв в работе которых связан с недоотпуском продукции, простоем рабочих, механизмов, транспорта. Допустимы перерывы питания на время, которое необходимо для ручного включения резерва.
3. Прочие электроприемники, которым позволен перерыв электроснабжения на время ремонта (не более одних суток). Например, вспомогательные цеха, неответственные склады, цеха несерийного производства и др.
Для того чтобы правильно решать вопросы надежности, нужно точно установить режимы, которые возникают при аварии и после нее. Аварийный режим – временный режим, возникающий из-за нарушения приемлемой работы системы электроснабжения или ее отдельных элементов. Послеаварийный режим – режим после ликвидации аварии, который длится до полного восстановления нормальной работы.
Очевидно, что система электроснабжения должна строиться так, чтобы при послеаварийном режиме она смогла обеспечить функционирование главных производств промышленного предприятия (после необходимых пересоединений). При послеаварийном режиме допускаются перебои в подаче электроэнергии приемниками третьей и отчасти второй категорий на небольшое время.
Категории электроснабжения предприятий
Надежность электроснабжения имеет решающее значение для нормальной работы всех промышленных предприятий
В зависимости от степени важности объекта, сложности технологических процессов, существует несколько категорий, определяющих критерии подачи электричества в каждом конкретном случае
Первая категория. Электроснабжение оборудования, входящего в данную категорию не должно прерываться. Нарушение этого требования приводит к возникновению опасных ситуаций для работающих, повреждению оборудования, нанесению значительного ущерба, выпуску бракованной продукции, расстройствам сложных технологических процессов.
В связи с этим для данной категории электроприемников предусматриваются два независимых источника питания. Перерыв в электроснабжении допускается только на момент включения автоматического ввода резерва. Наиболее яркими примерами служит сталелитейное производство, насосные станции, разливочные краны, котельные производственного пара и другие аналогичные объекты.
В первую категорию входит еще одна группа электроприемников, от бесперебойной работы которых зависит возможность безаварийной остановки производства. Например, в некоторых производственных процессах остановка вентиляции может привести к опасной концентрации газов, обладающих горючестью или токсичностью, прекращение работы насосов – к пожару или взрыву. Подобные электродвигатели устанавливаются на задвижках и запорной арматуре, приводах вентиляторов и компрессоров в центробежных насосах. К особой группе относятся и некоторые виды аварийного освещения.
Вторая категория. Считается наиболее многочисленной и включает в себя потребителей, также выполняющих важные функции, однако перерыв их электроснабжения вызывает лишь массовое недополучение продукции заказчиками, простои рабочих, машин, механизмов, оборудования и транспорта.
Требования к резервному питанию таких потребителей не столь строгие, как у первой категории. Во время перерыва электроснабжения дежурный персонал вручную включает резервные источники питания. При отсутствии постоянного персонала, эту процедуру выполняет выездная бригада. У электроприемников второй категории не существует каких-то постоянных критериев по предъявляемым требованиям. Одни группы больше напоминают 1-ю категории, а другие – третью
Поэтому следует осторожно подходить к вопросам резервирования именно этой категории потребителей, не допускать необоснованных действий по устройству резерва, во избежание удорожания всей системы электроснабжения
Третья категория. Включает в себя все остальные потребители, не относящиеся к 1-й и 2-й категориям. Они используются в основном в цехах и на участках вспомогательного назначения. В отношении третий категории допускаются перерывы в питании на период ремонтных или профилактических работ. Отсутствие электроснабжения допускается на срок, не превышающий одних суток.
Электроснабжение в послеаварийном режиме
Для того чтобы правильно решать вопросы резервирования, нужно установить режимы и ситуации, которые возникают при авариях и в послеаварийный период. Сам аварийный режим представляет собой кратковременную ситуацию переходного характера, возникающую при нарушении нормальной работы электроснабжения или отдельных участков и звеньев системы. Аварийный период продолжается до того момента, пока не будет отключен поврежденный элемент или целое звено.
Аварийный режим продолжается в соответствии с периодом, в течение которого действует релейная защита, автоматика и телеуправление. После этого наступает так называемый послеаварийный режим, после того как будут отключены все поврежденные элементы. Его продолжительность значительно больше, чем у аварийного режима. Данный период растягивается до полного восстановления нормальной работы всей системы электроснабжения.
Следовательно, данная система должна быть построена так, чтобы при наступлении послеаварийного режима основные производственные мощности предприятия могли нормально функционировать после выполнения всех действий по переключениям и переподключениям. Энергоснабжение налаживается с использованием всех резервных и дополнительных источников питания, даже тех, которые совершенно нерентабельны в нормальных условиях эксплуатации.
Послеаварийный режим допускает частичное ограничение подаваемых мощностей и перерывы в подаче питания на короткое время для всех потребителей третьей категории, и выборочно – для второй категории. Кроме того, допускаются отклонения от нормальных уровней напряжения и частоты в рамках допустимых пределов.
При невозможности полного сохранения в рабочем состоянии всех основных производственных мощностей, необходимо обеспечить сокращенный рабочий режим предприятия, во время которого поддерживается состояние горячего резерва. В этом случае после полного восстановления штатного энергоснабжения, предприятие сможет быстро возобновить свою производственную деятельность в соответствии с заданной программой.
Схемы электроснабжения промышленных предприятий
Самая надежная, экономичная система электроснабжения – та, при которой источники наивысшего напряжения приближены к потребителям максимально, а прием электрической энергии распределяется по всем пунктам. При строительстве системы все ее элементы формируются под нагрузкой. При этом, «холодный» резерв не применяется. Таким образом, потери электрической энергии снижаются, а надежность – возрастает. Почему это происходит? Резервные элементы, которые продолжительное время находились в бездействии, могут при включении не заработать из-за неисправного состояния. Для того чтобы избежать последствий данной ситуации, в схеме предусматривается «скрытый» резерв, который в послеаварийном состоянии сможет взять на себя основную нагрузку нерабочего элемента.
Возобновление питания потребителей происходит автоматически на переменном оперативном токе. В этом случае производится автоматическое отключение неисправных потребителей на послеаварийный период. Кстати, зачастую с успехом используется раздельная работа элементов. В таком случае ток короткого замыкания понижается и коммутация упрощается.
Автоматика обеспечивает надежность электроснабжения в раздельной работе. Качество питания получается не хуже, чем при параллельной работе. Применяется секционирование всех элементов со схемами АВР (автоматическое включение резерва). Такой метод способствует увеличению надежности электроснабжения. К сожалению, не во всех случаях раздельная работа с АВР показывает необходимый результат. Добиться быстрого восстановления системы удается не всегда.
Схемы электрического снабжения формируются по ступеням, которые обозначают мощность предприятия и расположение электрических нагрузок. Чаще всего используются 2-3 ступени. Если их больше, то усложняются защита, эксплуатация, коммутация. Такие схемы применимы на периферийных участках, на отдельных трансформаторах.
Схемы с одной ступенью используются на малых и средних предприятиях, применяясь на:
- магистральных, радиальных линиях глубоких проводов 110-220 кВ – мощность более 50 МВ-А;
- магистральных, радиальных токопроводах 6-10 кВ – мощность более 15-80 МВ-А;
- магистральных, радиальных кабельных сетях 6-10 кВ – мощность 15-20 МВ-А.
Схемы с более глубокими вводами, магистральными токопроводами требуют соблюдения некоторых моментов. Например, если есть возможность без труда реализовать принцип дробления подстанций и глубокие вводы 110 кВ, то нет нужды использовать токопроводы. В том случае, если расположение немалого числа подстанций 35-220 кВ, а прохождение воздушных линий глубоких вводов затруднено, то используются токопроводы. Исходя из этих подсчетов, можно принять окончательное решение построения схемы.
Электроснабжение промышленных зданий. Напряжение
Напряжение, подходящее для того или иного предприятия, зависит от:
- потребляемой мощности предприятием;
- промежутком от предприятия до источника;
- значения номинального напряжения, при котором может производиться питание.
Для крупных предприятий применяется напряжение в промежутке 6-220 кВ. В некоторых случаях напряжение может достигать 330-500 кВ.
Средние предприятия применяют напряжение 35 кВ. Для крупных предприятий такое напряжение является недостаточным. Напряжение 20 кВ также недостаточно для таких зданий, но у такого показателя есть преимущества. К примеру, для напряжения 20 кВт применяются более легкие, экономичные аппараты, чем для 35 кВт. Годовые расходы при использовании такого напряжения значительно уменьшаются. Но, как уже было сказано выше, напряжение 20 кВт не подойдет для большого промышленного предприятия.
На второй и следующих ступенях распределения электроэнергии на больших и средних заводах может применяться напряжение 10 (6) кВ. Что касается первой ступени, то на крупных предприятиях такое напряжение возможно при использовании токопроводов.
Напряжение 3 кВ не применяется в качестве основного напряжения распределительной сети. Его использование может быть задействовано для действующих электрических установок до реконструкции.
Другие напряжения применяются:
- для электроустановок до 1000 В – напряжение 380-220 В;
- на реконструируемых промышленных предприятиях – напряжение 220-127 В (довольно редко);
- в помещении с высокой опасностью – 36 В;
- для питания переносных ламп – напряжение до 12 В;
- на химических, нефтехимических промышленных предприятиях – 660 В (довольно редко).
1 Лабораторная работа № 1. Построение графика электрических нагрузок промышленного предприятия и определение его основных показателей
Цель лабораторной работы – опытное определение показателей графиков электрических нагрузок.
Задачи
1 Практическим путем получить в заданном масштабе график активной и реактивной нагрузки.
2 Для полученных графиков нагрузок определить основные показатели и коэффициенты, характеризующие эти графики.
3 Определить расход электроэнергии.
1.1 Общие положения
Электрическая нагрузка отдельных потребителей, а, следовательно, и суммарная их нагрузка, определяющая режим работы электростанций в энергосистеме, непрерывно меняется. Принято отражать этот факт в виде графика нагрузки, т.е. диаграммой изменения мощности (тока) электроустановки во времени. По виду фиксируемого параметра различают графики активной Р, реактивной Q, полной (кажущейся) S мощностей и тока I электроустановки. Как правило, графики отражают изменение нагрузки за определенный период времени. По этому признаку их подразделяют на суточные (24 ч), сезонные, годовые и т. п. По месту изучения или элементу энергосистемы, к которому они относятся, графики можно разделить на следующие группы:
1) графики нагрузки потребителей, определяемые на шинах подстанций;
2) сетевые графики нагрузки – на шинах районных и узловых подстанций;
3) графики нагрузки энергосистемы, характеризующие результирующую нагрузку энергосистемы;
4) графики нагрузки электростанций.
Графики нагрузки используют для анализа работы электроустановок, для проектирования системы электроснабжения, для составления прогнозов электропотребления, планирования ремонтов оборудования, а также в процессе эксплуатации для ведения нормального режима работы.
1.1.1 Суточные графики электрических нагрузок
Суточные графики электрических нагрузок, составляемые потребителями, необходимы для определения:
– нагрузок электрических сетей, трансформаторов и суммарной величины электрической нагрузки предприятия;
– tgϕ на отдельных трансформаторах и в целом по предприятию;
– коэффициента заполнена графика нагрузки.
Суточные графики нагрузки позволяют правильно оценить режим работы электрооборудования и предприятия, в целом, выявить узкие места и резервы, установить оптимальный режим их работы.
В соответствии с Правилами пользования электрической энергией все предприятия обязаны составлять суточные графики электрических нагрузок 2 раза в год: первый раз в июне – летние графики, второй раз в декабре – зимние графики.
Предприятия, расчетные электросчетчики которых установлены в головной части питающих их фидеров, обязаны получить протоколы с записями показаний электросчетчиков, с электростанций или подстанций на следующий день после установленного дня составления графиков. По показаниям электросчетчиков, записанным персоналом станций или подстанций, предприятие обязано немедленно произвести вычисления электрических нагрузок фидеров и tgϕ. Графики должны составляться по разности, показаний расчетных активных и реактивных электросчетчиков за каждый час. Первая запись должна быть сделана в 0 ч 00 мин и последняя в 24 часа. Одновременно с составлением графиков нагрузки составляются суточные графики напряжения по данным ежечасных записей в протоколах показаний вольтметров. Запись показаний вольтметров предприятие обязано производить ежечасно в день составления графика независимо от места расположения счетчиков, в головной части фидера на станции или подстанции или на приемной части фидера у потребителя.
Графики суточных нагрузок и напряжений вместе с протоколами сдаются в Энергосбыт или в соответствующие отделения не позднее пяти дней после дня, установленного для составления суточных графиков.
