2. Расчетная часть.

2.1. Расчет мощности цеха.

Силовая нагрузка предприятия или цеха обычно состоит из электроприемников различных по мощности и по режиму работы.

Определение расчетной максимальной нагрузки по методу коэффициента максимума Км производится в определенном порядке. Составляется таблица. Заполнение отдельных граф и расчеты производятся следующим образом:

Все электроприемники в питающей линии разбиваются на группы (А,Б,В…) по значениям коэффициента использования Ки (графа 1);

Подсчитывается количество электроприемников в каждой группе и в целом по питающей линии (графа2);

В каждой группе указывают минимальную и максимальную мощности. При этом все электроприемники должны быть приведены к ПВ=100% (графа 3);

Затем подсчитываются суммарные установленные мощности всех электроприемников, кроме резервных (графа 4);

Для каждой питающей линии определяется отношение:

m=Pmax/Pmin (1)

где: Pmax-наибольшая мощность электроприемника в данной линии (графа 5) [кВт]

Pmax-наименьшая мощность электроприемника в данной линии (графа 5) [кВт]

Коэффициент использования Ки и cosφ определяется из таблицы. (графа 6);

По значениям cosφ определяется tgφ (графа 7);

Далее определяется активная мощность смены:

Pсм=Kи·Pн (2)

где: Kи- коэффициент использования

Pн- номинальная мощность

Затем определяется реактивная мощность:

Qсм=Pсм· tgφ (3)

где: Рсм- сменная мощность [кВт]

Для расчетов Киср для данной питающей линии пользуемся данной формулой:

Ки_ср=∑Рсм/∑Рн (4)

где: ∑Рсм- суммарная сменная мощность [кВт]

∑Рн- суммарная номинальная мощность [кВт]

Среднее значение tgφ линии определяется по формуле:

tgφ_ср= ∑Qсм/∑Рсм (5)

где: ∑Qсм- суммарная реактивная мощность [кВАр]

По среднему значению tgφ определяется среднее значение cosφ (по линии и цеху).

Эффективное число электроприемников nэ (графа 10) определяется различными способами:

При числе электроприемников до 5 nэ определяется по формуле:

nэ=(∑Рн)²/∑Рн² (6)

При n>5 и Ки<0,2 обозначим n₁- число электроприемников, имеющих мощность больше половины наибольшего по мощности электроприемника данной линии, тогда:

n_*= n₁/ n (7)

где: n- общее количество электроприемников (графа 2)

Далее определяем суммарную номинальную мощность этих электроприемников. Затем рассчитываем величину Р_*:

Р_*= Рн₁/ Рн (8)

где: Рн₁- суммарная номинальная мощность [кВт]

Рн- общая номинальная мощность всех электроприемников [кВт] (графа 4)

По n_* и Р_* определяем n_*э по таблице. Тогда n_э определяется по формуле:

n_э= n_*э· n (9)

При числе электроприемников 4 и более допускается принимать n_э равным фактическому количеству n в случае, если m>3.

При m>3, Ки≥0,2 эффективное число электроприемников определяется по формуле:

n_э=2∑Рн/ Pmax (10)

где: ∑Рн- суммарная номинальная мощность [кВт]

Pmax- наименьшая мощность электроприемника в данной линии (графа 5) [кВт]

При n_э> n берется n_э= n

По таблице по значениям n_э и Ки определяется коэффициент максимума Км (графа 11).

Максимальная активная и реактивная мощности определяется по формулам:

Рм=Км·∑Рсм (графа 12) (11)

где: Км- коэффициент максимума

∑Рсм- суммарная сменная мощность [кВт]

Qм=Км·∑Qсм (графа 13) (12)

где: ∑Qсм- суммарная сменная реактивная мощность [кВА

Далее определяется полная или кажущая мощность по формуле:

Sм=√Рм²+Qм² (графа 14) (13)

Максимальная ток в линии или по цеху определяется по формуле:

Iм=Sм/(√3·Uн) (графа15) (14)

Питающая линия 1

Электроприемники группы А: Ки=0,05- №1(1), Их общее количество 1. Р_н=36 кВт

Электроприемники группы Б: Ки=0,4- №2, №3,Их общее количество 2. Рн= 2·3,2=6,4кВт.

Электроприемники группы В: Ки=0,12- № 6,7,8. Их общее количество 3. Рн=2+2·2,2=6,4кВт.

Электроприемники группы Г: Ки=0,17- №9,10,11-14,15-20. Их общее количество12 .

Рн=2·10+4·13+6·3=90 кВт.

Кол-во электроприемников по линии 18 шт.

Определяем активную и реактивную мощность смены по каждой группе электроприемников.

Рсм_А=Ки_А·Рн_А=0,05·36=1,8 кВт.

Qсм_А=Рсм_А·tgφ_А=1,8·1,73=1,298кВАр.

Рсм_Б=Ки_Б·Рн_Б=0,4·6,4=2,56кВт.

Qсм_Б=Рсм_Б·tgφ_Б=2,56·1,37=3,5кВАр.

Рсм_В=Ки_В·Рн_В=0,12·6,4=0,768кВт.

Qсм_В=Рсм_В·tgφ_В=0,768·2,35=1,8кВАр.

Рсм_Г=Ки_Г·Рн_Г=0,17·90=15,3кВт.

Qсм_Г=Рсм_Г·tgφ_Г=15,3·1,15=17,5кВАр.

Всего по линии 1:

Определяем отношение m=Pmax/Pmin=36/2=18

∑Рсм₁=Рсм_А+Рсм_Б+Рсм_В+Рсм_Г=1,8+2,56+0,768+15,3=20,4кВт.

∑Qсм₁=Qсм_А+Qсм_Б+Qсм_В+Qсм_Г=1,298+3,5+1,8+17,5=25,9кВАр.

∑Рн=36+6,4+6,4+90=138,8кВт.

Находим Ки_ср по линии 1:

Ки_ср=∑Рсм/∑Рн=20,4/138,8=0,14

Определяем среднее значение tgφ_ср:

tgφ_ср= ∑Qсм/ ∑Рсм=25,9/20,4=1,26

Затем определяем cosφ_ср, при tgφ_ср=1,26 cosφ_ср=0,61

Находим эффективное число электроприемников nэ по 2 способу при n>5 и Ки<0,2:

n_*= n₁/ n=1/18=0,05

Р= Рн₁/ Рн=36/138,8=0,25

n_э= n_*э· n=0,51·18=9 станков

По значениям Ки=0,14 и nэ=9 находим коэффициент максимума Км. Он будет равен Км=2,2.

Затем рассчитываем активную и реактивную мощности:

Рм=Км·∑Рсм=2,2·20,4=44,88кВт.

Qм=Км·∑Qсм=2,2·25,9=56,98 кВАр.

Далее находим полную мощность:

Sм=√Рм²+Qм² =√44,88²+56,98²=72,5 кВА.

Далее находим максимальный ток:

Iм=Sм/(√3·Uн)=72,5 /(√3·0,38)=110,2А.

Питающая линия 2

Электроприемники группы А: Ки=0,05- №21. Их общее количество 1. Рн=36кВт.

Электроприемники группы Б: Ки=0,4- №22, №23,Их общее количество 2. Рн = 2·3,2=6,4кВт.

Электроприемники группы В: Ки=0,12-№24-28(1). Их общее количество 5. Рн=2·7+2·2,2+2=18,2 кВт.

Электроприемники группы Г: Ки=0,17 - №29,30,33-37. Их общее количество 1. Рн=5·3+2·10=35 кВт.

Электроприемники группы Д: Ки=0,16 - №31,32,38-40. Их общее количество 5. Рн=3·75+2·10=245кВт.

Электроприемники группы Е: Ки=0,1 - №41 Их общее количество 1

Рн=5кВт.

Рсм_А=Ки_А·Рн_А=0,05·36=1,8 кВт.

Qсм_А=Рсм_А·tgφ_А=1,8·1,73=1,298кВАр.

Рсм_Б=Ки_Б·Рн_Б=0,4·6,4=2,56кВт.

Qсм_Б=Рсм_Б·tgφ_Б=2,56·1,37=3,5кВАр.

Рсм_В=Ки_В·Рн_В=0,12·18,2=2,184кВт.

Qсм_В=Рсм_В·tgφ_В=2,184·2,35=5,1324кВАр.

Рсм_Г=Ки_Г·Рн_Г=0,17·35=5,95кВт.

Qсм_Г=Рсм_Г·tgφ_Г=5,95·1,15=6,84 кВАр.

Рсм_Д=Ки_Д·Рн_Д=0,16·245=39,2кВт.

Qсм_Д=Рсм_Д·tgφ_Д=39,2·1,73=67,8кВАр.

Рсм_Е=Ки_Е·Рн_Е=0,1·5=0,5кВт.

Qсм_Е=Рсм_Е·tgφ_Е=0,5·1,73=0,865 кВАр

Всего по линии 2:

Определяем отношение m=Pmax/Pmin=75/2=37,5

∑Рсм₂=Рсм_А+Рсм_Б+Рсм_В+Рсм_Г+Рсм_Д+Рсм_Е =1,8+2,56+2,184+5,95+39,2+0,5 = 52,1 кВт.

∑Qсм₂=Qсм_А+Qсм_Б+Qсм_В+Qсм_Г+Qсм_Д+Qсм_Е =3,1+3,5+5,13+6,8+67,8+0,86= 87,1 кВАр.

∑Рн=12,5+65,8+7,5+5=90,8кВт.

Находим Ки_ср по линии 2:

Ки_ср=∑Рсм/∑Рн=52,1/345,6=0,15

Определяем среднее значение tgφ_ср:

tgφ_ср= ∑Qсм/ ∑Рсм=87,1/52.1=1,67

Затем определяем cosφ_ср, при tgφ_ср=1,67 cosφ_ср=0,51

Находим эффективное число электроприемников nэ по 2 способу при n>5 и Ки<0,2:

n_*= n₁/ n=3/21=0,14

Р_*= Рн₁/ Рн=225/345,6=0,65

n_э= n_*э· n=0,32·21=7 станков.

По значениям Ки=0,15 и nэ=7 находим коэффициент максимума Км. Он будет равен Км=2,48.

Затем рассчитываем активную и реактивную мощности:

Рм=Км·∑Рсм=2,48·52,1=129,2кВт.

Qм=Км·∑Qсм=2,48·87,1=216кВАр.

Далее находим полную мощность:

Sм=√Рм²+Qм² =√129,2²+216=251,69кВА.

Далее находим максимальный ток:

Iм=Sм/(√3·Uн)=251,6/(√3·0,38)=382,8А.

Питающая линия 3 (РП1)

Электроприемники группы А: Ки=0,65- №42, №43.

Их общее количество 2.

Рн=2·4,5=9 кВт.

Рсм_А=Ки_А·Рн_А=0,65·9=5,85 кВт.

Qсм_А=Рсм_А·tgφ_А=5,85·0,73=4,27кВАр.

Всего по линии 3:

Определяем отношение m=Pmax/Pmin=4,5/4,5=1

Находим Ки_ср по линии 3:

Ки_ср=∑Рсм/∑Рн=5,85/9=0,65

Определяем среднее значение tgφ_ср:

tgφ_ср= ∑Qсм/ ∑Рсм=4,27/5,85=0,73

Затем определяем cosφ_ср, при tgφ_ср=0,73 cosφ_ср=0,8.

Эффективное число электроприемников nэ по1 способу не определяют.

По значениям Ки находим коэффициент максимума Км. Он будет равен Км=1,46.

Затем рассчитываем активную и реактивную мощности:

Рм=Км·∑Рсм=1,46·5,85=8,54 кВт.

Qм=Км·∑Qсм=1,46·4,27=6,23 кВАр.

Далее находим полную мощность:

Sм=√Рм²+Qм² =√8,54²+6,23²=10,57кВА.

Далее находим максимальный ток:

Iм=Sм/(√3·Uн)=10,57/(√3·0,38)=16,07А.

Всего по цеху: Количество электроприемников равно 41. Определяем отношение m=Pmax/Pmin=75/2=37,5

∑Рсм=Рсм₁+Рсм₂+Рсм₃=20,4+52,1+5,85=78,35кВт

∑Qсм=Qсм₁+Qсм₂+Qсм₃ =25,9+87,1+4,27= 117,27кВАр.

∑Рн=138,8+345,6+9=493,4 кВт.

Находим Ки_ср по цеху:

Ки_ср=∑Рсм/∑Рн=78,35/493,4=0,16

Определяем среднее значение tgφ_ср:

tgφ_ср= ∑Qсм/ ∑Рсм=117,27/78,35=1,49

Затем определяем cosφ_ср, при tgφ_ср=1,49 cosφ_ср=0,55

Находим эффективное число электроприемников nэ по 2 способу при n>5 и Ки<0,2:

n_*= n₁/ n=3/41=0,07

Р_*= Рн₁/ Рн=225/493,4=0,45

n_э= n_*э· n=0,26·41=10 станков

По значениям Ки=0,16 и nэ=10 находим коэффициент максимума Км. Он будет равен Км=2,1.

Затем рассчитываем активную и реактивную мощности:

Рм=Км·∑Рсм=2,1·78,35=164,5 кВт.

Qм=Км·∑Qсм=2,1·117,2=246,12кВАр.

Далее находим полную мощность:

Sм=√Рм²+Qм² =√164,5 ²+246,12²=296кВА.

Далее находим максимальный ток:

Iм=Sм/(√3·Uн)=296/(√3·0,38)=450А.

2.2. Расчет мощности и числа трансформаторов.

Число трансформаторов определяем в зависимости от категории потребителей. Обычно:

• Для 1 категории- 2 трансформатора (можно и 1, но обязательно АВР на стороне НН);

• Для 2 категории- 1 трансформатор при наличии складского резерва;

• Для 3 категории- 1 трансформатор

Мощность трансформаторов цеховой подстанции Sтр находится по формуле:

Sтр=Kр·Sм [кВА] (15)

где: Kр- коэффициент возможного расширения производства, который берется в пределах 1,1-1,4.

Sм- расчетная максимальная мощность цеха [кВА]

Далее по каталогу выбираем необходимые трансформаторы для двух вариантов, их технические данные выписываем в таблицу.

Для технического сравнения двух вариантов, определяют приведенные потери в трансформаторах:

∆Р'=∆Рх.х +Кп·∆Qх.х.+Кз²· (∆Рк.з.+Кп·∆Qк.з.) [кВт] (16)

где: Кп- коэффициент потерь. Для цеховых подстанций принимается Кп=0,12.

Кз- коэффициент загрузки.

∆Рх.х.и ∆Рк.з.- потери при Х.Х. и К.З. [кВт]

Кз=Sм/Sн

где: Sм- расчетная нагрузка на трансформатор[кВА]

Sн- номинальная мощность трансформатора[кВА]

Потери реактивной мощности при холостом ходе:

∆Qх.х.= Sн·Iх.х.%/100% [кВАр] (17)

где: Iх.х.%- ток холостого хода в %.

Потери реактивной мощности при нагрузке:

∆Qк.з.= Sн·Uк.з.%/100%[кВАр] (18)

где: Uк.з.%- напряжение короткого замыкания в %.

Примечание: в варианте с двумя трансформаторами:

∆Р'=2∆Рх.х.+Кп·2∆Qх.х.+Кз²·(2∆Рк.з.+Кп·2∆Qк.з.) [кВт]

и здесь Кз= Sм/2 Sн

Определяем годовые потери электроэнергии для каждого варианта:

∆W_R=∆Р'·Tв [кВт·ч] (19)

где: Tв- время включения трансформатора в сеть в году [часы]

Определяем стоимость потерь для каждого варианта:

С=с·∆W_R [руб.] (20)

где: с- стоимость 1 кВт·ч электроэнергии в рублях. Принимается с=6.23 руб/кВт.

Капитальные затраты определяем ориентировочно по формуле:

К=1,23·Стр [руб.] (21)

где: Стр- стоимость трансформатора [руб.]

1,23- коэффициент, учитывающий стоимость монтажа, транспортировки и т.п.

Выбирается вариант с меньшим С и К. Если же по одному варианту С меньше, а К больше, определяем срок окупаемости по формуле:

Т=(К₂-К₁)/(С₁-С₂) [лет] (22)

где: К₁иК₂- капитальные затраты по 1 и 2 варианту [руб.].

С₁иС₂- стоимость потерь по 1 и2 варианту [руб.].

Если Т=8 лет- оба варианта равноценны.

Т>8 лет- выбираем вариант с меньшим К.

Т<8 лет- выбираем вариант с большим С.

Расчет

Sтр=Kр·Sм=1,2·296=355,2 кВА

Таблица 3.

«Сравнительные характеристики трансформаторов».

Вариант	Тип тр-ра	Кол-во шт.	Iх.х. %	Uк.з. %	Потери, кВт		Стоимость
					∆Рх.х.	∆Рк.з.
1	ТМ 400/10	1	2,1	4,5	0,92	5,5	1100000
2	ТМ 160/10	3	2,4	4,5	0,46	2,65	550000

∆Р'₁=∆Рх.х.₁+Кп·∆Qх.х.₁+Кз²·(∆Рк.з.₁+Кп·∆Qк.з.₁)

∆Qх.х.₁= Sн·Iх.х.%/100%=400·2,1/100=8,4кВАр

∆Qк.з.₁= Sн·Uк.з.%/100%=400·4,5/100=18кВАр

Кз=Sм/Sн=296/400=0,74

∆Р'₁=0,92+0,12·8,4+0,74²·(5,5+0,12·18)=6,1 кВт

∆Р'₂=3∆Рх.х.₂+Кп·3∆Qх.х.₂+Кз²v(3∆Рк.з.₂+Кп·3∆Qк.з.₂)

∆Qх.х.₁= Sн·Iх.х.%/100%=160·2,4/100=3,84кВАр

∆Qк.з.₁= Sн·Uк.з.%/100%=160·4,5/100=7,2кВАр

Кз =Sм/Sн=296/(3·160)=0,61

∆Р'₂=3·0,46+0,12·3·3,84+0,61²·(3·2,65+0,12·3·7,2)= 6,68кВт

∆W_R1=∆Р'₁·Тв=6,1·3200=19520 кВт*ч

∆W_R2=∆Р'₂·Тв=6,68·3200=21384,5кВт*ч

С₁=с·∆W_R1=2,5·19520=48800 руб.

С₂=с·∆W_R2=2,5·21384,5=53461,4 руб.

К₁=1,23·Стр₁=1,23·1100000=1353000 руб.

К₂=1,23·Стр₂=1,23·550000·3=2029500 руб.

Берется вариант с меньшим С и меньшим К, т.е. выбираем 1–й вариант трансформатор типа ТМ 400/10.

Трансформатор силовой трехфазный с естественной циркуляцией масла номинальной мощностью 400 кВА напряжением с высокой стороны 10кВ.