Специфика построения систем электроснабжения сетей ниже 1000В
Цеховые подстанции третьего уровня системы электроснабжения
Цеховые трансформаторные подстанции напряжением 6-10/(0,4-0,69) кВ не имеют, как правило, сборных шин первичного напряжения как при радиальном, так и при магистральном питании. При радиальной схеме питания глухое присоединение к линии 6-10 кВ (рис. 7.1, а) идет от распределительной подстанции 4УР (к глухим присоединениям относят и применение штепсельного кабельного разъема). Коммутационный аппарат (разъединитель или выключатель нагрузки в сочетании с предохранителем) перед цеховым трансформатором применяется в следующих случаях: источник питания находится в ведении другой эксплуатирующей организации (установка отключающего аппарата необходима по условиям защиты, например газовой или однофазных КЗ): подстанция значительно (более 3 км) удалена от источника питания (по воздушной линии, на стороне низкого напряжения не установлен отключающий аппарат). На стороне 6-10 кВ коммутационный аппарат устанавливают и для создания видимого разрыва (при осмотрах и ремонтных работах). На давно эксплуатируемых подстанциях встречается присоединение трансформатора через высоковольтный предохранитель.
Подключение через разъединитель с плавкими предохранителями - наиболее дешевый вариант защиты трансформатора 3УР (по сравнению с отдельным выключателем на подстанции 4УР). Эту схему применяют в следующих случаях: ток нагрузки трансформатора отключается аппаратами НН, разъединитель ВН способен отключить ток холостого хода трансформатора; номенклатура плавких предохранителей позволяет выбрать подходящие по номинальному току трансформатора предохранители с требуемой отключающей способностью токов короткого замыкания; включение и отключение трансформатора производится относительно редко (например, не более нескольких раз в месяц); не требуется дистанционное управление или телеуправление подстанцией, у трансформатора нет защит, требующих в цепи ВН выключателя. Когда необходимо отключение тока нагрузки со стороны ВН, вместо разъединителя применяют выключатель нагрузки (в случае частых, например ежедневных, коммутаций в цепи трансформатора и при применении сложных защит со стороны ВН трансформатора).
Рис. 7.1. Схемы включения трансформаторов КТП в электрическую сеть.
При магистральном (кольцевом, петлевом) питании на вводе трансформатора устанавливают: при номинальной мощностиSном ≥ 630 кВА - предохранитель и выключатель нагрузки (рис. 7.1, б); при Sном ≤ 400 кВА разъединитель и предохранитель (рис. 7.1, в). Для трансформаторов 25-100 кВА можно устанавливать лишь один разъединитель.
При магистральной схеме распределения электроэнергии на напряжении 6-10 кВ установка отключающего аппарата не обязательна в следующих случаях: 1) если магистраль выполнена воздушной линией и обеспечена достаточная чувствительность защиты на головном участке к повреждениям в трансформаторе; 2) если обеспечена необходимая степень резервирования электроприемников (применение схемы двойной магистрали и резервирования на стороне низкого напряжения ТП); 3) если на двухтрансформатор- ной подстанции мощность одного трансформатора достаточна для питания 1 и 2 категории и установлена отключающая аппаратура со стороны низшего напряжения трансформатора; 4) секции шин ТП оборудованы устройствами АВР.
При магистральной схеме питания на вводе к цеховому трансформатору в большинстве случаев устанавливают выключатель нагрузки последовательно с предохранителем или разъединитель в комплекте с предохранителем, так как при повреждении или ненормальном режиме работы трансформатора это позволяет осуществить селективное отключение цеховой ТП. Глухое присоединение трансформаторов при магистральной схеме питания применяют редко, так как в этом случае повреждение трансформатора приводит к отключению всей магистрали выключателем головного участка (высоковольтным выключателем подстанции 4УР) и к потере питания всех цеховых ТП, подключенных к магистрали. Не рекомендуется (рис. 7.2, 6) подключение к одной магистрали более трех трансформаторов 1000 кВА (за исключением специальных схем, в которых требуется, например, повысить токи КЗ на стороне 0,4 кВ). При магистральных кольцевых схемах и силовых трансформаторах небольшой мощности 10-400 кВА это ограничение не используют.
Таким образом, цеховые трансформаторные подстанции 3УР можно присоединять к распределительным подстанциям 4УР по радиальной, магистральной или смешанной схеме. Схема радиального питания трансформаторов 3УР, широко применяемая в базовых отраслях промышленности (с глухим присоединением), представлена на рис. 7.2, а. Создание РП предполагает две
В последнее десятилетие 3УР оснащают преимущественно комплектными ТП. Возможна отдельная установка трансформатора в цехе для непосредственного питания технологического агрегата: в отдельной камере (со щитом низкого напряжения или без); открыто у стены цеха (по требованиям собственников или условий эксплуатации).
Широко применяемые КТП не имеют сборных шин первичного напряжения и отличаются только конструкцией (в зависимости от завода-изготовителя). КТП комплектуют из следующих основных элементов: устройство высокого напряжения - шкаф ВН; трансформатор; распределительное устройства низкого напряжения - шкаф НН с вводным автоматическим выключателем, низковольтные шкафы отходящих линий и шкаф секционного низкого напряжения, обычно осуществляющий АВР. Шкаф ВН представляет собой блок высоковольтного ввода трех типов: ВВ-1 - с глухим присоединением кабеля; ВВ-2 - с присоединением кабеля через разъединитель; ВВ-3 - с присоединением кабеля через разъединитель и предохранитель. В шкафу находится коммутационно-защитный аппарат КТП, тип которого зависит от мощности трансформатора. Выбор выключателя нагрузки или разъединителя в качестве коммутационного аппарата зависит от необходимости отключения холостого хода трансформатора.
Комплектные ТП 6-10 кВ общего назначения для внутренней установки выпускают одно- и двухтрансформаторными с трансформаторами ТМФ, ТМЗ, ТСЗ, НТЗ*. Шкала трансформаторов стандартная: 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500 кВА. Все КТП выпускаются со вторичным напряжением 0,4 кВ, модифицированные 2КТПМ-1000-6 и 2КТПМ-2500-10 - на 0,69 кВ. Шкафы низкого напряжения КТП комплектуют шкафами типа КРП, КН, ШНВ, ШНЛ, ШНС, ШН и др.
Подстанции с трансформаторами 630 и 1000 кВА комплектуются шкафами типа КН, КРН, ШРН с универсальными втычными (выкатными) автоматическими выключателями с моторным приводом или без него со следующими схемами заполнения: 1) шкафы ввода - с выводами шин вверх на магистраль и двумя отходящими линиями; 2) шкафы ввода и секционный - с двумя выключателями на отходящих линиях; 3) шкаф отходящих линий - с тремя выключателями. Подстанции с трансформаторами 1600 и 2500 кВА комплектуют выключателями на вводе, которые отключают соответствующие номинальные токи и токи КЗ. На отходящих линиях могут устанавливаться выключатели, как и для 1000 кВА.
На вторичном напряжении трансформаторов 0,4-0,69 кВ применяют схему с одной системой шин или схему блока трансформатор-магистраль и устанавливают автоматические выключатели, рубильники или разъединители. Рекомендуется использовать автоматические выключатели в тех случаях, когда их параметры достаточны по нормальному режиму и режиму КЗ. При больших токах КЗ, в частности при установке трансформаторов единой мощностью 1600 и 2500 кВА, используют специальные автоматические выключатели.
Выбор трансформаторов для цеховых подстанций
При выборе трансформаторов 3УР определяют их количество, вид (тип, габарит), учитывают единичную номинальную мощность каждого, место размещения, способ присоединения со стороны высокого напряжения и выхода на щит (шкаф, магистраль) низкого напряжения, вид переключения ответвлений. схемы и группы соединения обмоток. К моменту выбора и размещения полного списка электроприемников 1УР и количества шкафов 2УР не требуются.
Выбор трансформаторов осуществляют в зависимости от окружающей среды. При наружной установке применяют масляные трансформаторы, для внутренней также преимущественно рекомендуется их использование, но с ограничениями по количеству и мощности с учетом этажности. Для трансформаторов сухих или с негорючим жидким (твердым) диэлектриком для внутрицеховых подстанций отсутствуют ограничения по мощности, количеству, расстоянию между ними, этажу.
Выбор числа и мощности трансформаторов для промышленных предприятий зависит от типа цеховых подстанций (одно- или двухтрансформаторные).
Можно создавать и рассматривать различные варианты схемы электроснабжения. Число Nтр) трансформаторов 3УР зависит от нагрузки цеха, исключая высоковольтную, и требований надежности электроснабжения:
(7.1)
где Sp - полная расчетная нагрузка объекта, для которого определялись Рmах и cos φ при расчете нагрузок; k3 - коэффициент загрузки; Sном - номинальная мощность единичного трансформатора.
В соответствии с правилами проектирования и общей тенденцией повышения надежности электроснабжения стремятся устанавливать двухтрансформаторные подстанции для обеспечения всех потребителей как потребителей I категории. При установке однотрансформаторных подстанций их можно закольцевать на стороне 0,4 кВ (соединить магистралями или кабельными перемычками), что обеспечивает сохранение электроснабжения при отключении любого трансформатора и возможность загрузки каждого из них до номинального значения, считая за расчетную нагрузку не максимум Рmах, а среднюю Р max.
Двухтрансформаторные цеховые подстанции применяют при преобладании электроприемников I и II категорий и в энергоемких цехах предприятий при большой удельной мощности нагрузки, достигающей 0,5-4 кВА/м2. В последних случаях технологически оформляют энергоемкие установки (агрегаты), питающиеся от своих трансформаторов (преобразователей), что снижает нагрузку на общецеховые трансформаторы до 0,2 кВА/м2.
Число и мощность трансформаторов цеховых подстанций - взаимосвязанные величины, поскольку при заданной расчетной нагрузке цеха Рр число трансформаторов будет меняться в зависимости от принятой единичной мощности КТП (7.1). При выборе цеховых трансформаторов обычно приходится сравнивать трансформаторы КТП единичной мощностью 630, 1000, 1600, 2500 кВА. Увеличение единичной мощности снижает общее количество устанавливаемых трансформаторов, но увеличивает протяженность сетей к 2УР и 1УР, а также затраты как на коммутационную аппаратуру, так и конструктивные, связанные с ростом токов КЗ (по условиям установившегося отклонения напряжения и в связи с потерями электрической энергии не рекомендуется принимать длину кабельной линии 0,4 кВ свыше 200 м). На практике отдается предпочтение трансформаторам 1000 кВА (и в меньшей степени 630 кВА), считается, что эта оптимальная мощность, а оптимальный коэффициент загрузки kз.опт = 0,75-0,80. Однако ряд специалистов считает необходимым обеспечить для цеховых трансформаторов k з = 1.
В последние годы ведется поиск наиболее эффективных методов выбора мощности цеховых трансформаторов. Один из подходов к решению этой задачи основан на применении комплексного метода расчета электрических нагрузок (прогноз увеличения нагрузки во времени и в зависимости от технологических показателей объекта). В этом случае можно использовать удельную плотность нагрузки, которая для промышленных предприятий повышается со временем. Число трансформаторов N т p зависит от их номинальной мощности:
(7.3)
где Sном э - экономически целесообразная номинальная мощность трансформатора.
Значение Sном э в выражении (7.3) принимается в зависимости от удельной плотности расчетной нагрузки Sуд:
Если S уд ≥ 0,4 кВА/м2, то независимо от требований надежности электроснабжения целесообразно использовать двухтрансформаторные подстанции. Выражение (7.3) не означает, что если вначале целесообразна установка трансформаторов 1000 кВА, то через 5 лет при росте нагрузок их заменят на большие. Обычно осуществляют дополнительную установку трансформаторов, стараясь сохранить тип и мощность. Трансформаторы мощностью 630 кВА и менее рекомендуется применять для питания вспомогательных цехов и участков крупных предприятий.
Размещение и компоновка подстанций 3 уровня
Цеховые трансформаторные и преобразовательные подстанции могут быть пристроенными, встроенными или внутрицеховыми отдельно стоящими. Пристроенной подстанцией называется подстанция, непосредственно примыкающая к основному зданию, встроенной - подстанция, вписанная в общий контур здания, внутрицеховой - расположенная внутри производственного здания (в открытом или отдельном закрытом помещении). Подстанции или их части, устанавливаемые в закрытом помещении, относятся к внутренним электроустановкам, на открытом воздухе - к наружным. Внутрицеховые ТП можно сооружать в помещениях с производственными категориями «Г» и «Д», в производствах категории «В» - только по специальному разрешению пожарного надзора. Нельзя устраивать трансформаторные помещения под помещением с мокрым технологическим процессом (отделения мойки, душевые и т.п.), если не приняты специальные меры против попадания влаги на электрооборудование, например, гидроизоляция потолка КТП. Нельзя устанавливать под и над помещениями ограниченных размеров (не более помещения подстанции), в которых могут длительно (более 1 ч) находиться значительное число (более 50) людей.
В целях наибольшего приближения цеховых подстанций к электроприемникам сети до 1 кВ рекомендуется размещать их внутри цехов, огораживая сеткой, встраивать (рис 7 7, а) или пристраивать (б) в зависимости от производственных условий и требований архитектурно-строительного оформления производственных зданий и сооружений По возможности внутрицеховые подстанции устанавливают в центре электрических нагрузок, что позволяет сократить протяженность сетей 0,4 кВ и уменьшить в них потери мощности и энергии
Для цехов небольшой ширины, для случаев, когда часть нагрузок расположена за пределами цеха, а также в связи с затруднениями при размещении подстанции внутри цеха применяют встроенные в цех ТП или пристроенные к нему К пристроенным ТП предъявляются претензии по архитектурным соображениям, а к отдельностоящим (в) - по затратам на отвод земли (генплан) Встроенные и пристроенные подстанции имеют выход из камер с масляными трансформаторами непосредственно наружу зданий
Возможно применение цеховых ТП с размещением щита низкого напряжения в цехе, а трансформатора - снаружи около питаемых им производственных зданий В результате подстанция занимает значительно меньше площади цеха, чем встроенная Такая открытая установка маслонаполненных трансформаторов допускается только у стен зданий с производствами категорий Г и Д (по противопожарным нормам) Расстояние от трансформатора до стены нормируется в зависимости от степени огнестойкости здания. Шины, соединяющие выводы вторичного напряжения трансформатора со щитом НН, заключают в короба из листовой стали. При комплектной поставке на предприятии производится только сборка элементов и подключение питающих и отходящих кабелей. Если установка щита НН производится на втором этаже здания или на более высоких отметках, то дополнительно устанавливают вертикальные звенья токопроводов.
Отдельно стоящие закрытые цеховые подстанции устанавливают, когда невозможно разместить ТП внутри цехов или у наружных их стен по требованиям технологии или пожаро- и взрывоопасности производства. Отдельно стоящие ТП можно применять также для небольших предприятий при значительной разбросанности электрических нагрузок по их территории. На действующих предприятиях существуют цеховые подстанции старого типа с открытыми трансформаторами, установленными в специальных камерах или на открытом воздухе. В городах, как правило, ТП отдельно стоящие.
Внутрицеховые подстанции целесообразно использовать в многопролетных цехах большой ширины и в машинных залах. В производственных помещениях трансформаторы и КТП можно устанавливать открыто, в камерах и в отдельных помещениях. Опыт эксплуатации показал, что внутрицеховые подстанции целесообразно размешать у колонн здания или около каких-либо постоянных цеховых помещений с таким расчетом, чтобы не занимать подкрановых площадей. При вынужденном размещении внутрицеховых подстанций вблизи путей внутрицехового транспорта или крановых путей, тельферов и других механизмов их необходимо располагать в безопасной зоне или принимать меры для защиты от случайных повреждений.
В соответствии с принятыми нормами на каждой открыто установленной внутрицеховой подстанции можно установить масляные трансформаторы с суммарной мощностью до 3200 кВА, при расстоянии 10 м между трансформаторами разных КТП. В одном помещении внутрицеховой подстанции рекомендуется располагать одну КТП. Допускается установка не более трех КТП с трансформаторами суммарной мощностью не более 6500 кВА, т. е. следует различать открытую установку и установку в одном помещении (включая пристроенные и встроенные подстанции, если выкатка трансформатора производится внутрь цеха). Если масляный трансформатор установлен в закрытой камере (КТП - в отдельном помещении) внутри производственного здания, то расстояние не нормируется.
Таким образом, к одной магистрали обычно подключается 3-4 трансформатора при их единичной мощности до 1000 кВА, 2-3 трансформатора единичной мощностью 1000 или 1600 кВА. Трансформаторы мощностью 2500 кВА, как правило, запитывают по радиальным линиям. Суммарная мощность масляных трансформаторов внутрицеховой подстанции, установленных на втором этаже, должна быть не более 1000 кВА. Установка выше второго этажа не допускается.
При выборе места для ТП, питающей цех или часть его электроприемников, ее следует располагать со стороны питания. При агрессивной среде, создаваемой производством цеха, необходимо учитывать розу ветров и по возможности размещать ТП с подветренной стороны. При открытой установке трансформаторов над ними в случае необходимости может устраивать навес.
Кроме изложенных положений существует ряд ограничений, накладываемых действующими правилами. КТП наружной установки следует располагать на спланированной площадке на высоте не менее 0,2 м от уровня планировки, а в районах с большим снежным покровом - на высоте 1-1,2 м.
Если возникает необходимость установки трансформаторов в одном общем помещении с РУ напряжением до 1 кВ и выше, то допускается совместная установка одного масляного трансформатора до 630 кВА или двух мощностью до 400 кВА каждый с соблюдением конструктивных требований.
Распределительные устройства 2-го уровня
Если количество и единичная мощность трансформаторов 3УР задается сверху при определении объемов инвестиций в строительство или реконструкцию отделения (участка) цеха, некрупного производства (или цеха), отдельного здания (сооружения), то при построении второго уровня системы электроснабжения за основу берут единичные электроприемники 1УР.
Распределительные устройства собственно 2УР, устанавливаемые в помещениях, выполняют в виде щитов станции управления, распределительных и релейных щитов, шкафов, ящиков, силовых сборок и т. д. Существуют два подхода к формированию 2УР напряжением до 1 кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока: 1) установка низковольтного РУ в электротехнических помещениях; 2) размещение РУ в помещениях, доступных для неинструктированного персонала (в производственных помещениях).
Устанавливаемые в электропомещениях (особенно в электромашинных) щиты управления, защиты, измерения, сигнализации, шиты блоков и станций управления с установленными на них аппаратами имеют на лицевой или задней стороне открытые токоведущие части, неизолированные токопроводы. Это удешевляет РУ и позволяет компоновать щиты и шкафы протяженностью, достаточной, чтобы вывести на них питание и управление большинством электроприемников цеха (отделения). По длине машинного зала, достигающей сотни метров (до 1 км), щиты устанавливают с разрывами (в один или несколько рядов), соблюдая ширину проходов обслуживания между рядом шкафов до 1 кВ и частями здания или оборудования при однорядном расположении не менее 1 м (при открытой дверце шкафа - не менее 0,6), а при двухрядном - не менее 1,2 м (между открытыми противоположными дверцами - не менее 0,6 м). Проектирование таких электромашинных помещений и устанавливаемых в них щитов станций управления ЩСУ требует значительного навыка.
Проще, хотя принцип не отличается от комплектации ЩСУ в ЭМП, проектирование отдельно стоящих щитов (шкафов), рассредоточенных по производственным помещениям. В этом случае требуется желательно полный перечень (список) электроприемников 1УР (исчерпывающая полнота ценоло- гически запрещена), в частности электродвигателей. Если не рассматривать проблему управления электродвигателем как электроприводом, то задача сводится к выбору способа питания и коммутационного аппарата, обеспечивающего включение электроприемника и его защиту.
Выбор шкафа зависит от его исполнения и места установки. По исполнению различают шкафы навесные, стоящие (напольные), встраиваемые и утопленные. Шкафы в помещениях располагают у стен, колонн, у входа и выхода в помещение, на лестничной клетке, в мертвой зоне крана, в других местах, но с обеспечением доступа. Распределительное устройство 2УР можно устанавливать на открытом воздухе на спланированной площадке высотой не менее 0,2 м (в районах, где снежные заносы 1 м и более, сооружают повышенные фундаменты). Для нормальной работы аппаратов, реле, измерительных приборов и приборов учета предусматривают местный подогрев.
Теоретически шкаф 2УР, как и источник питания любого другого уровня, следует размещать в центре электрических рассчитываемых нагрузок, однако этого не делают из-за отсутствия экономической целесообразности. Во всех случаях при установке шкафа следует стремиться минимизировать сеть, обеспечивающую 1УР и располагать шкаф по ходу тока с обеспечением удобства доступа и обслуживания.
В настоящее время имеется обширная номенклатура отечественных и иностранных силовых распределительных шкафов, дополняемая силовыми сборками из отдельных коммутационных аппаратов.
