Выбор питающего напряжения потребителей

На промышленных предприятиях могут быть установлены электроприемники с резкопеременными графиками нагрузок (приводы прокатных станов, дуговые электрические печи), однофазные и двухфазные электро­приемники (электротермические и сварочные установки, освещение), электроприемники, нарушающие синусоидальность токов и напряже­ний (преобразователи всех типов, дуговые электрические печи …). Это приводит к возникновению колебаний напряжения, к нарушению симметрии токов и напряжений, к появлению высших гармоник составляющих токов и напряжений. Снижение качества электрической энергии приводит к дополнительным потерям энергии, уменьшая про­пускную способность электрических сетей, сокращает срок службы электрооборудования, электрических машин, конденса­торных установок.

Качество электрической энергии достигается: применением повышенных напряжений в питающих и распреде­лительных сетях и приближением источников питания к элек­троприемникам (для электроприемников с резкопеременной на­грузкой); уменьшением реактивного сопротивления элементов схемы от ис­точников питания до электроприемников с резко переменной на­грузкой; включением на параллельную работу вторичных обмоток транс­форматоров, питающих резко переменную нагрузку; применением глубоких вводов напряжением 35 кВ и выше для питания крупных дуговых электропечей, главных электропри­водов прокатных станов, преобразовательных установок боль­шой мощности или питания таких электроприемников от отдельных линий непосредственно от энергосистемы, главной понизительной подстанции (ГПП) или пункта глубоко ввода (ПГВ); применением симметрирующих устройств, фильтров высших гар­моник, быстродействующих синхронных компенсаторов для вы­равнивания графиков электрических нагрузок и осуществлением всех других возможных мероприятий, уменьшающих вредное воздействие электро­приемников на системы электроснабжения.

Трансформаторные и распределительные подстанции необходимо мак­симально приближать к электроустановкам потребителей электроэнер­гии, сокращая число ступеней трансформации внедрением глубо­ких вводов, повышенных напряжений питающих и распределительных сетей, внедрения магистральных токопроводов.

Предприятия в зависимости от суммарной установлен­ной мощности электроприемников условно делят на три группы: крупные — с установленной мощностью более 75 МВт; средние — установленной мощностью от 5 до 75 МВт; малые — установленной мощностью до 5 МВт.

Крупные энергоемкие предприятия в качестве пунктов приема электро­энергии используют узловые распределительные под­станции (УРП) напряжением 110—500 кВ. Целесообразность сооружения УРП рассматривается совместно с энергоснабжающей организацией в случаях, когда на проектируемом предприятии намечается сооружение нескольких ГПП или ПГВ, учитывая возможность пита­ния от узловых распределительных подстанций других промышленных предприятий и прочих объектов, территориально размещаемых в данном районе. В большинстве случаев узловые распределительные подстанции напря­жением 220—500 кВ совмещаются с трансформаторными подстанция­ми 220—500/110—220 кВ. УРП осуществляют прием и распределение электроэнергии на напряжениях 220—500 кВ, а трансформаторная под­станция — частичную трансформацию электроэнергии и распределе­ние ее по промышленному предприятию и другим потребителям на­пряжением 110—220 кВ. При напряжении питающей сети энергосистемы 110 или 220 кВ и целесообразности сооружения узловых распределительных подстанций для питания нескольких ГПП или ПГВ, функции УРП — прием и рас­пределение электроэнергии на напряжении 110—220 кВ без ее транс­формации. Узловые распределительные подстанции чаще всего находятся в ве­дении энергоснабжающей организации, поэтому они размещаются, как правило, вне площадки промышленного предприятия, но в непосредст­венной близости от него. В тех случаях, когда узловые распределитель­ные подстанции предназначаются для питания нескольких подстанций глубокого ввода одного предприятия, может быть рассмотрена возмож­ность размещения узловых распределительных подстанций на террито­рии предприятия. В этом случае эксплуатация должна осуществляться персоналом промышленного предприятия.

Для предприятий с электрической нагрузкой, составляющей десят­ки мегаватт, пунктами приема электроэнергии могут быть главные по­низительные подстанции, подстанции глубокого ввода, распредели­тельные подстанции 10(6) кВ.

Трансформаторные подстанции (ТП) напряжением 6, 10, 20, 35 кВ устанавливают на предприятиях с небольшой электрической нагрузкой.

Системы электроснабжения с од­ним приемным пунктом следует применять, как правило, при отсутствии специальных требований к надежности питания и при компактном расположении нагрузок. Системы электроснабжения с двумя пунктами приема при­меняют: при повышенных требованиях к надежности питания электро­приемников первой категории; при наличии на объекте двух или более относительно мощных и обособленных групп потребителей; при поэтапном развитии предприятия в тех случаях, когда для питания нагрузок второй очереди целесообразно сооружение от­дельного приемного пункта электроэнергии; при экономической целесообразности.

Системы электроснабжения с тремя и более приемными пунктами требуют технико-экономического обоснования.

Выбор напряжения питающих сетей зависит от напряжений сетей энергосистемы района, от мощности, потребляемой предпри­ятием, его удаленности от источника питания, числа и мощности элек­троприемников (электродвигателей, электропечей, преобразователей …) после технико-экономического сравнениея различных вариантов. Даже при незначительной разнице затрат (5—10%) предпочтение следует отдавать варианту с более высоким напряжением. Стандартными для распределения электрической энергии потребителям являются напряжения 35, 10, 6, 3 кВ, 660, 389, 220, 127 В переменного тока и 440, 220 и 110 В постоянного тока.

Питание крупных энергоемких предприятий от сетей энергосисте­мы следует осуществлять на напряжении 110, 220 или 330 кВ. Напряже­ние 110 кВ — при потребляемой мощности 10—150 МВА, напряжение 220 кВ и выше целесообразно применять при потребляемой мощности более 120—150 МВА. Напряжение 35 кВ имеет экономические преиму­щества при передаваемой мощности не более 10 МВА. Его применение целесообразно для удаленных насосных станций водозаборных соору­жений промышленных предприятий, для распределения электроэнер­гии на предприятиях указанной мощности с помощью глубоких вводов в виде магистралей, к которым присоединяются трансформаторы 35/0,4 кВ или 35/10(6) кВ, а также для питания мощных электроприем­ников на предприятиях большой мощности. На предприятиях с мощными дуговыми стале­плавильными печами может выполняться локальная сеть на 35 кВ. Пита­ние этой сети осуществляется от трехобмоточных трансформаторов, или автотрансформаторов с обмоткой среднего напряжения 35 кВ, или от специальных двухобмоточных трансформаторов. С шин 35 кВ по ради­альным линиям электроэнергия поступает к печным трансформаторам. К одной секции сборных шин 35 кВ может быть подключено несколько ДСПмощностью 25 и 50 МВА. Печи с печными трансформаторами 80 МВА подключаются к отдельным секциям сборных шин 35 кВ.

Напряжение 10(6) кВ используется при питании пред­приятия от собственной электростанции, а также при небольшой по­требляемой мощности и небольших расстояниях от предприятия до подстанции энергосистемы.

Распределительную сеть энергоемкого производства при сооруже­нии нескольких подстанций глубокого ввода и питании их от УР'П ре­комендуется выполнять следующим образом: первая ступень распределения электроэнергии на напряжении 110 кВ; вторая ступень распределения электроэнергии на напряжении 10 кВ.

Распределительные пункты в системах электроснабжения промышленных пред­приятий рекомендуется сооружать для удаленных от ГПП потребителей [компрессорных, насосных станций, производственного корпуса с не­сколькими трансформаторными подстанциями 10(6) кВ]. При числе от­ходящих линий 10(6) кВ менее восьми целесообразность сооружения РП обосновывается.

Для городских сетей целесообразность сооружения РП опреде­ляется нагрузкой, которая для РП на расчетный срок должна составлять на шинах 10 кВ не менее 7 МВт, на шинах 6 кВ — не менее 4 МВт.

РУ 10(6) кВ трансформаторных подстанций выполняются с одиноч­ной секционированной, двумя или четырьмя одиночными секциониро­ванными системами шин. На крупных энергоемких предприятиях с электроприемниками высокой категории могут применяться распределительные устройства с двумя рабочими система­ми шин. Распределительные устройства с одиночной системой шин с лю­бым числом секций и распределительные пункты выполняются ком­плектными.

Напряжение 35 кВ в качестве распределительного может быть при­менено на энергоемком предприятии с мощными специфическими электроприемниками (электропечи, преобразовательные установки ….), для которых целесообразно создание локальной сети 35 кВ, не являю­щейся сетью общего назначения. Питание этой сети осуществляется либо от трехобмоточных трансформаторов ГПП с обмоткой среднего на­пряжения 35 кВ, либо от специальных трансформаторов 110(220)/35 кВ.

Напряжение 10 кВ рекомендуется в качестве основного для распре­деления электроэнергии по территории предприятия. Использование напряжения в 6 кВ следует ограничивать и приме­нять при следующих обстоятельствах: при питании предприятия от собственной электростанции на ге­нераторном напряжении; при большом числе электродвигателей небольшой мощности (до 500 кВт); при реконструкции или расширении действующего предприятия, ранее запроектированного на данное напряжение.

Трансформаторы цехо­вых ТП мощностью 400—2500 кВА выпускаются со схемами соедине­ния обмоток «звезда—звезда» с допустимым током нулевого вывода, равным 25 % номинального тока трансформатора, или со схемой «тре­угольник—звезда» — 75 % номинального тока трансформатора. Трансформаторы сельских ТП мощностью до 400 кВА выпускаются со схемой «тре­угольник—звезда». По ус­ловиям надежности действия защиты от однофазных коротких замыка­ний в сетях напряжением до 1 кВ и возможности подключения несим­метричных нагрузок предпочтительным является трансформатор со схемой соединения обмоток «треугольник—звезда».

При наличии на предприятии большого числа двигателей напряже­нием 6 кВ (более 20 % суммарной потребляемой мощности) целесооб­разна установка на главной понизительной подстанции трансформато­ров с расщепленной обмоткой 110/10(6) кВ. В этом случае на террито­рии предприятия выполняются сети двух напряжений: 10 кВ — для питания трансформаторов 10/0,4 кВ; 6 кВ — для питания электродвигателей.

Если электродвигатели напряжением 6 кВ составляют менее 20 % общего числа электродвигателей, целесообразна групповая установка трансформаторов 10/6 кВ. Использование в этом случае трансформато­ров 110/10/6 кВ приведет к значительному завышению мощности трансформаторов, так как соотношение номинальных мощностей об­моток 100/50/50 %. Если доля двигателей напряжением 6 кВ превышает 80 % суммарной потребляемой мощности, то от выполнения сети 10 кВ можно отказаться.

В начале 60-х годов в СССР под давлением МЭК ГОСТом было введено напряжение 20 кВ, широко внедряемое в Западной Европе, несмотря на то, что в Советском Союзе к тому времени уже было введено более прогрессивное напряжение 35 кВ и промышленность уже массово выпускала все необходимое оборудование При­менение напряжения 20 кВ во многих случаях может быть экономиче­ски оправданным для питающих и распределительных сетей предпри­ятий, вместо напряжений 10, 6 и, особенно, 3 кВ, так как позволяет увеличить радиус обслуживания подстанций, уменьшить потери мощности, энергии, напряжения, сократить расход цветных металлов, в ряде случаев сократить число трансформаций на­пряжения. Но при проектировании напряжение 20 кВ для применения, как правило, не рассматривается, так как отсутствует отечественное электрообору­дование на это напряжение, а экономия цветных металлов достигается исключительно за счет включения обмоток высокого напряжения по системе звезда. Одним из серьезнейших недостатков этой системы передачи электрической энергии являются высокие токи однофазного короткого замыкания и перенапряжения на оставшихся фазах при наличии этого аварийного фактора, что неблагоприятно сказывается на потребителях электрической энергии.

Для распределения электроэнергии в электрических сетях перемен­ного тока до одного кВ могут применяться напряжения 380 и 660 В. Напряжение 0,4 / 0,24 кВ начало широко внедряться в СССР с 1944 года при восстановлении разрушенных во время Великой Отечественной войны предприятий в Западных районах страны. До этого стандартной была система напряжений 127 / 220 В. Введение нового стандарта позволило почти в 2 раза снизить расход цветных металлов на провода, из - за снижения токов при равных нагрузках и повысило надежность пуско – регулирующей аппаратуры за счет снижения коммутируемых токов. К середине 60 – х годов прошлого века Советский Союз и страны Восточной Европы полностью перешли на стандарт 0,4 / 0,24 кВ, что официально было закреплено в Стандарте СЭВ в 80 – х годах прошлого столетия. Напряжение 380 / 220 В получило широкое распространение на промыш­ленных предприятиях с большим числом электродвигателей малой и средней мощности (до 200 кВт). Для питания двигателей мощностью выше 200 кВт используют напряжение 6 кВ.

Достоинство напряжения 380 В - возможность совместного питания сило­вой и осветительной нагрузки, к недостаткам можно отнести: большие потери мощности, энергии, напряжения, особенно в протяженных электрических сетях; возникает необходимость использования распределительной сети напряжением 6 кВ при наличии на предприятии двигателей мощ­ностью 200—630 кВт.

С 1962 г. напряжение 500 В было заменено на напряжение 660 В. Технико-экономические расчеты показали целесообразность при­менения напряжения 660 В, так как этот стандарт дает возможность одновременного получения напряжений 660 / 380 В. Переход на напряжение 660 В повышает пропускную способность сети и уменьшает потери энергии в ней; увеличивает радиус действия цеховых трансформаторных под­станций, что приводит к увеличению единичной мощности трансформаторов, уменьшению числа трансформаторов и, следо­вательно, сокращению числа линий и выключателей, питающих трансформаторную подстанцию, в результате отпадает необходимость применения напряжения 6 кВ, что зна­чительно упрощает схему электроснабжения; повышая предельную мощность двигателей за счет уменьшения тока статора двигателя, что дает экономию на стоимости двигате­ля и увеличение его КПД на 1,5—2 %.

Напряжение 660 В применяется во многих отраслях про­мышленности: горно-добывающей, металлургической, химической, текстильной. При проектировании систем электроснабжения на­пряжение 660 В рекомендуется применять: при значительной протяженности сетей низкого напряжения; когда основную часть электроприемников составляют низко­вольтные нерегулируемые электродвигатели мощностью свыше 10 кВт; если поставщики технологического оборудования (станков, авто­матических линий, прессов, термического и сварочного оборудо­вания, кранов …) обеспечивают поставку комплектуемого электрооборудования и систем управления на напряжение 660 В.

При выборе напряжения 660 В может возникнуть необходимость установки дополнительных трансформаторов 0,66/0,22 кВ для выполнения электри­ческих сетей на напряжение 220 В для питания люминесцентных ламп, ламп накаливания, тиристорных преобразователей, установок кон­трольно-измеритель-ных приборов и автоматики (КИПиА), средств ав­томатизации электродвигателей мощностью до 0,4 кВт и др. Устройство для одного объекта сетей напряжением 660 и 220 В снижает эффективность использования напряжения 660 В.

Выбор напряжения электрических сетей постоянного тока зависит от требований технологического процесса и величины тока. Для сетей, питающих электроприводы постоянного тока, используются напряже­ния 220 и 440 В. Для электроприводов постоянного тока с индивидуаль­ными преобразователями используются и более высокие напряжения — 750 и 850 В. Для электролиза применяются напряжения 450 и 850 В.

Располагать электрооборудование во взрывоопасных и пожароопасных или пыльных помещениях следует только в случае острой необходимости, когда другие решения оказываются нерациональными или крайне сложными. В неблагоприятных средах (условиях) применяют специальное оборудование во взрывобезопасном и пожаробезопасном исполнении.

При работе электрифицированным ручным инструментом в помещениях повышенной опасности может появиться необходимость использования напряжения 36 В, для исключения поражения работающих электрическим током. При особо неблагоприятных условиях: опасность поражения элек­трическим током обусловленная теснотой, неудобным положением рабо­тающего, возможностью соприкосновения с большими металлически­ми заземленными поверхностями (работа в котлах) и в наружных установках для питания ручных светильников, при­меняется напряжение не выше 12 В.

Режим работы цеховых электрических сетей определяется токовой нагрузкой линий, частотой тока, уровнем напряжения у подключен­ных к сети приемников электроэнергии и источников питания, напря­жением линий сети относительно земли, режимом нейтрали, симме­тричностью многофазной системы напряжения, синусоидальностью напряжения, сопротивлением изоляции линий между собой и относи­тельно земли.

Возможны че­тыре режима работы цеховых электрических сетей:

1) нормальные режимы, при которых отклонение параметров от их номинальных (нормируемых) значений не пре­вышают длительно допустимые;

2) временно допустимые режимы, при которых отклонения параметров допустимы на ограниченное время без существенного ущерба для сети и питаемых от нее приемников (например, систематические перегрузки силовых трансформаторов);

3) аварийные режимы, характеризующиеся опасными для элементов сети сверхтоками или другими недопустимыми явлениями (на­пример, короткие замыкания, обрывы проводов); они имеют, как правило, переходный (неустановившийся) характер;

4) послеаварийные режимы, в которые входят как переходные про­цессы, вызванные одновременным непосредственным включением в сеть (самозапуском) большо­го числа асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, так и установившиеся режимы в новых условиях питания, часто ограниченных по мощности.

Для обеспечения надежного электроснабжения при эксплуатации систем цехового электроснабжения необходимо учитывать режимы кратковременных перегрузок электрооборудования от нескольких часов до нескольких суток. Эти режимы имеют место в результате повреждения или отключения электрооборудования (ли­ний, трансформаторов, секций шин) и должны предусматривать­ся заранее, еще при проектировании; тогда в условиях эксплуатации надежность питания будет выше. Необходимость перегрузки электрооборудования возникает не только в послеаварийных ситуациях, но и для обеспечения постоянно увеличивающейся электрической нагрузки промышленного предприятия и, в частности, отдельных цехов. В среднем воздушные и кабельные линии допу­скают перегрузку на 30—35%; у силовых трансформаторов согласно ПУЭ систематическая перегрузка может составлять 30%, а аварий­ная — 40% и более в зависимости от ее продолжительности.

Чтобы выбранное по номинальным параметрам электро­оборудование надежно работало в системах цехового электроснабже­ния, его проверяют на термическую и электродинамическую стойкость к токам короткого замыкания (КЗ). Расчет токов КЗ выполняют как при проектировании, так и при анализе работы систем цехового электроснабжения в условиях экс­плуатации. Этот расчет преследует две цели: выбор мер по ограничению токов короткого замыкания или времени их действия; определение минимально возможных токов короткого замыкания для проверки чув­ствительности защиты, правильного выбора параметров срабатывания и максимально малого возможного времени срабатывания защиты.

Одним из главных условий обеспечения нормальной работы элек­троприемников является питание их электроэнергией, параметры ко­торой соответствуют определенным требованиям к ее качеству. Основные показатели качества электроэнергии (ПКЭ) связаны с такими параметрами, как отклонения частоты и напряжения, ко­лебание напряжения, несинусоидальность и несимметрия напря­жения. Во избежание длительного нарушения нормальной работы электроприемников основные ПКЭ не должны выходить за преде­лы своих нормальных значений, а в послеаварийных режимах — за пределы определенных максимальных значений, регламентируемых ГОСТ 13109-97. Кроме того, на зажимах электроприемников, являющихся источ­никами электромагнитных помех, допускают изменения ПКЭ в более широких пределах, если это не приводит к нарушению нормированно­го качества электроэнергии у других электроприемников. В аварийных режимах допускают кратковременный выход ПКЭ за установленные пределы (например, снижение напряжения вплоть до нулевого уров­ня, отклонения частоты до ± 5 Гц) с последующим их восстанов­лением до уровня, требуемого в послеаварийном режиме. На надежность и долговечность работы электрооборудования влияет их тепловой режим.

Для асинхрон­ных и синхронных двигателей влияние отклонения напряжения на их тепловой режим зависит и от загрузки двигателей. Работа электродви­гателей при пониженном напряжении приводит к перегреву изоляции и может явиться причиной выхода их из строя, та как при снижении напряжения в пределах нормы (± 10%) токи ротора и стато­ра увеличиваются в среднем на 14 и 10% соответственно. При значительной загрузке асинхронного электродвигателя отклонения напряжения приводят к существенному уменьшению его срока службы. При увеличении тока двигателя происходит более интенсивное старение изоляции. При отрицательных отклонениях напряжения на зажимах двигателя в 10% и номинальной загрузке асинхронной машины срок его службы сокращается вдвое. При снижении напряжения на зажимах асинхронного двигателя на 15 % от U_НОМего электромагнитный момент уменьшается на 72 %; если асинхронный двигатель длительно работает при напряжении 0,9 U_НОМ, срок службы его сокращается примерно вдвое. Работа асинхронных электродвигателей целесообразна при U_НОМили приU > U_H0M.