Компенсация реактивной мощности, или повышение cosφ электроустановок, имеет большое народно-хозяйственное значение и является частью общей проблемы КПД работы систем электро- снабжения и улучшения качества отпускаемой потребителю электроэнергии.
Определяем оптимальный тангенс угла 
:
; (2.10)
Определяем фактический тангенс угла, соответствующего мощностям нагрузки 
:
; (2.11)
Находим мощность компенсирующего устройства:
; (2.12)
Предполагаем установить комплектную конденсаторную установку типа КРМ-0,4-150-15-У3
[www.pea.ru]
Проверяем соответствие полученного коэффициента мощности заданному:
; (2.13)
; (2.14)
Рисунок 2.1 Схема подключения компенсирующего устройства
Установки конденсаторные для компенсации реактивной мощности серии КРМ-0,4 (аналог УКМ-58, УККРМ и АКУ) предназначены для повышения коэффициента мощности cos 
электроустановок промышленных предприятий и распределительных сетей, а также автоматические поддержания его на заданном уровне (cos не выше 0,9).
Такое автоматическое регулирование осуществляется специальным электронным регулятором реактивной мощности, отличающихся высокой чувствительностью и точностью
Аппаратура состоит модульных конденсаторных батарей, которые включаются и выключаются автоматически посредством конденсаторов, основным устройством, способным ограничивать тип тока включения на основе требуемой для установки емкостной реактивной мощности.
Конденсаторы, составляющие конденсаторные батареи, оснащены металлизированным регенирируемым диэлектриком, разрядными резисторами и резъединителем для защиты от избыточного давления.
Аппаратура размещена в металлическом шкафу, окрашенном экоксидной смолой, с минимальной степенью защиты IР31 КРМ-0,4-150 УЗ.
КРМ - компенсатор реактивной мощности.
0,4 – номинальное напряжение, кВ
150 – номинальная мощность установки, кВар,
15 – шаг (точность) регулирования, кВар
УЗ – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70 (умеренно-холодный климат)
2.3 Расчет и выбор числа и мощности цеховых трансформаторов
Как и СГ, они являются основным электрическим оборудованием, обеспечивающим передачу и распределение электроэнергии от электростанций к потребителям.
С помощью трансформаторов осуществляется повышение напряжения до величин (110, 220, 330, 500 кВ), необходимых для ЛЭП энергосистем, а так же многократное ступенчатое понижение напряжения до величин, применяемых непосредственно в приемниках электроэнергии (10; 6,3;0,66;0,38;0,22;0,127 кВ)
Для компенсации потерь напряжения в электросетях повышающие трансформаторы имеют высшее напряжение на 10% выше номинального напряжения сети, а понижающие трансформаторы – низшее напряжение на 5 – 10% выше номинального напряжения сети. В зависимости от числа обмоток трансформаторы делят на двух- и трехобмоточные. Каждый трансформатор хорош номинальными данными: мощностью, токами первичной и вторичной обмоток, потерями холостого хода, потерями к.з., напряжение к.з. и током х.х., а так же группой соединения.
Напряжением к.з. трансформатора называют напряжение потери необходимо подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой, чтобы в последней протекал номинальный ток.
Током холостого хода называют ток, который при номинальном напряжении устанавливается в одной обмотке при разомкнутой другой.
Группой соединения называют угловое (кратное 30°) смещение векторов между одноименными вторичными и первичными линейными напряжениями обмоток трансформатора.
Под номинальной следует понимать нагрузку, равную номинальному току, потребляемый трансформатор может нести, непрерывно в течение всего срока службы, при нормальных температурах условиях. Для всех трансформаторов в зависимости от условий эксплуатации. Определенным резервом трансформаторной мощности, графикам нагрузки и температура окружающей среды, могут быть допущены перегрузки.
В обмотках и в стали магнитопровода трансформатора в нее под нагрузку, выходит значительное количество теплоты. Чтобы поддерживать температуру нагрева трансформатора в указательных пределах, необходимо в течение срока эксплуатации и трансформатора непрерывно отводить выходящее в нем теплоту в окружающею среду, т.е. эффективно охлаждать трансформатор.
Так как механический цех относится к потребителям 3 категории электроснабжения, то предлагаем к установке один трансформатор n=1, с коэффициентом загрузки kз = 0,9, при этом предусматривается складской резерв такого же трансформатора.
Рассчитываем мощность, необходимую для выбора трансформатора:
; (2.15)
Предполагаем к установке трансформатора марки ТСЗН – 400/10 УЗ [www.voosw.ru.]
Проверяем выбранный трансформатор по коэффициенту загрузки:
; (2.16)
Так как kз = 0,928, что удовлетворяет условию, для потребителей 3 категории.
kз 
0,9-0,95, трансформатор выбран верно.
В нашем случае на цеховой ТП устанавливается один трансформатор, поэтому проверку на возможность работы в послеаварийном режиме не производим.
Структура условного обозначения:ТСЗН – 400/10 УЗ.
ТС – трансформатор трехфазный, сухой;
З – охлаждение естественное воздушное при защищенном исполнении;
Н – изоляция обмоток “NOMEX”;
400 – номинальная мощность, кВА;
УЗ – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150 – 69;
10 – номинальное напряжение первичной обмотки высокого напряжения, кВ;
Регулирования напряжения переключение без возбуждения с помощью перемычек на 2 х 2,5% напряжения.
Основные схемы и группы соединения обмоток (ВН/НН).
2.4 Выбор напряжения и схемы питания
силовых и осветительных нагрузок цеха
Для получения наиболее экономичного варианта электроснабжения предприятия в целом напряжение каждого звена системы электроснабжения должно выбираться, прежде всего, с учетом напряжения смежных звеньев. Выбор напряжений основывается на сравнении технико-экономических показателей различных вариантов в случаях, когда:
от источника питания можно получать энергию при двух напряжениях или более;
при проектировании электроснабжения предприятий приходится расширять существующие подстанции и увеличивать мощность заводских электростанций;
сети заводских электростанций связывать с сетями энергосистем.
Предприятие при выборе вариантов следует отдавать варианту с более высоким напряжением даже при небольших экономических преимуществах (не превышающих 10-25%) низшего из сравниваемых напряжений.
Для питания крупных и особо крупных предприятий следует применять напряжение 110, 150, 220, 330 и 500 кВ. На первых ступенях распределения энергия на таких крупных предприятиях следует применять напряжения 1000, 150 и 220 кВ.
Напряжение 35 кВ в основном рекомендуется использовать для распределения энергии на первой ступени средних предприятий при отсутствии значительного числа электродвигателей напряжением выше 1000 В, а также для частичного распределения энергии на крупных предприятиях, где основное напряжение первой ступени равно 110-220 кВ. В частности, напряжение 35 кВ можно применять для полного или частичного внутризаводского распределения электроэнергии при наличии:
мощных электроприемников на 35 кВ (сталеплавильных печей, мощных ртутно-выпрямительных установок и др.);
электроприемников повышенного напряжения, значительно удаленных от источников питания;
подстанций малой и средней мощности напряжением 35/0,4 кВ, включенных по схеме «глубокого ввода».
Напряжение 20 кВ при необходимом обосновании следует применять для питания только для:
предприятий средней мощности, удаленных от источников питания и не имеющих своих электростанций;
электроприемников, удаленных от подстанций крупных предприятий (карьеров, рудников и т.п.);
набольших предприятий, населенных пунктов, железнодорожных узлов и т.п., подключаемых к ТЭЦ ближайшего предприятия. Целесообразность применения напряжения 20 кВ должна обосновываться технико-экономическими сравнениями с напряжениями 35 и 10 кВ с учетом перспективного развития предприятия.
Напряжение 10 кВ необходимо использовать для внутризаводского распределения энергии:
на предприятиях с мощными двигателями, допускающими непосредственное присоединение к сети 10 кВ;
на предприятиях небольшой и средней мощности при отсутствии или незначительном числе двигателей на 6 кВ;
на предприятиях, имеющих собственную электростанцию с напряжением генераторов 10 кВ.
Напряжение 6 кВ обычно применяют при наличии на предприятии:
значительного количества электроприемников на 6 кВ;
собственной электростанции с напряжением генераторов 6 кВ.
Применение напряжения 6 кВ должно обусловливаться наличием электрооборудования на 6 кВ и технико-экономическими показателями при выборе величины напряжения.
При напряжении распределительной сети 10 кВ двигателей средней мощности 250 кВт и выше следует применять напряжение 6 кВ с использованием в необходимых случаях схемы блока «трансформатор-двигатель» при небольшом количестве двигателей на 6 кВ.
2.5 Расчет и выбор распределительной сети 0,38 кВ
2.5.1 Расчет и выбор защитной аппаратуры
Выбираем автоматический выключатель для к ШРА4УЗ (1 секция).
Для защиты шинопроводов автоматического выключателя выбираем из условия
Рассчитываем кратковременный ток:
I 
; (2.17)
=5 250-169=1419 А
Выбираем автомат по следующим условиям:
Определяем ток срабатывания расцепителя:
; (2.18)
Выбираем автомат типа А3720Б.
Выбираем автоматический выключатель для к ШРА4УЗ (2 секция).
Для защиты шинопроводов автоматического выключателя выбираем из условия
Рассчитываем кратковременный ток:
;
=2520+479,2=2999,2 А
Выбираем автомат по следующим условиям:
Определяем ток срабатывания расцепителя:
;
Выбираем автомат типа А3790Б.
Выбираем автоматический выключатель к РШ1
Рассчитываем кратковременный ток:
;
=250+138,36=388,36 А
Выбираем автомат по следующим условиям:
Определяем ток срабатывания расцепителя:
;
Выбираем автомат типа А3710Б.
Выбираем автоматический выключатель к РШ2
Рассчитываем кратковременный ток:
I 
;
=250+29,07=279,07 А
Выбираем автомат по следующим условиям:
Определяем ток срабатывания расцепителя:
;
Выбираем автомат типа А3710Б.
Выбираем автоматический выключатель к РШ3
Рассчитываем кратковременный ток:
I ;
=250+138,35=388,35 А
Выбираем автомат по следующим условиям:
Определяем ток срабатывания расцепителя:
;
Выбираем автомат типа А3710Б.
Выбираем автоматический выключатель к компрессору
Выбираем автомат по следующим условиям:
Выбираем автомат типа А3710Б.
2.5.2 Расчет и выбор проводов и кабелей
Выбираем кабель для питания шинопровода 1 секции (ШРА 4 УЗ).
По расчетному току ШРА
IШРА = 169 А
Выбираем кабель марки ВВГ сечением 3х35 мм 2:
Iдоп = 200 А
Iном. доп. ≥ Iдл
200 А > 169 А
Проверяем сечение кабеля по коэффициенту типа защиты, который составляет для автоматических выключателей с регулируемой от тока характеристикой
Kзащ = 0,66 [1. с 78. табл. 2,25 ]
Тогда
Iдоп = 200 А, больше
Kзащ Ĥ Iзащ=0,66 Ĥ 250 = 165 А
Следовательно, выбранное сечение кабеля к шинопроводу ШРА 4 УЗ выбрано правильно.
Выбираем кабель для питания шинопровода 2 секции (ШРА 4 УЗ).
По расчетному току ШРА
IШРА = 479,2 А
Выбираем кабель марки ВВГ сечением 3х25 мм 2.
Iдоп = 160 А,
Iном. доп. ≥ Iдл
160 А > 138,36 А
Проверяем сечение кабеля по коэффициенту типа защиты, который составляет для автоматического выключателя с регулируемой от тока характеризующий
Kзащ = 0,66
тогда Iдоп = 160 А, больше Kзащ:
Iзащ = 0,66 Ĥ 160 = 105,6 А
Следовательно, выбранное сечение кабеля к ШРА выбрано верно.
2.5.3 Расчет и выбор распределительных шинопроводов
Выбираем магистральный шинопровод марки ШМА-76У3.
Рассчитываем среднесменную активную мощность Рсм:
;
Определяем коэффициент силовой сборки m:
;
Определяем средний коэффициент использования kи.ср.:
;
Определяем эффективное число электроприемников nэ:
;
Определяем коэффициент максимума kmax:
kmax=3,11 [1, с. 54, табл. 2.13]
Определяем максимальную активную мощность Pmax:
;
Определяем среднесменную реактивную мощность Qсм:
;
Определяем максимальную реактивную мощность цеха Qmax:
;
Определяем полную максимальную мощность Smax:
;
Рассчитываем максимальный ток:
;
Выбираем магистральный шинопровод типа ШМА 76У3.
Выбираем распределительный шинопровод ко 2 секции
Рассчитываем среднесменную активную мощность Рсм:
;
Определяем коэффициент силовой сборки m:
;
Определяем средний коэффициент использования kи.ср.:
;
Определяем эффективное число электроприемников nэ:
;
Определяем коэффициент максимума kmax:
kmax=3,43 [1, с. 54, табл. 2.13]
Определяем максимальную активную мощность Pmax:
;
Определяем среднесменную реактивную мощность Qсм:
;
Определяем максимальную реактивную мощность цеха Qmax:
;
Определяем полную максимальную мощность Smax:
;
Рассчитываем максимальный ток:
;
Выбираем шинопровод типа ШРА4У3.
Выбираем распределительный шкаф для сварочного участка
Рассчитываем среднесменную активную мощность Рсм:
;
Определяем коэффициент силовой сборки m:
;
Определяем средний коэффициент использования kи.ср.:
;
Определяем эффективное число электроприемников nэ:
;
Определяем коэффициент максимума kmax:
kmax=2 [1, с. 54, табл. 2.13]
Определяем максимальную активную мощность Pmax:
;
Определяем среднесменную реактивную мощность Qсм:
;
Определяем максимальную реактивную мощность цеха Qmax:
;
Определяем полную максимальную мощность Smax:
;
Рассчитываем максимальный ток:
;
Выбираем шкаф марки СПА 77.
Выбираем распределительный шкаф для вентиляционной установки
Рассчитываем среднесменную активную мощность Рсм:
;
Определяем коэффициент силовой сборки m:
;
Определяем средний коэффициент использования kи.ср.:
;
Определяем эффективное число электроприемников nэ:
;
Определяем коэффициент максимума kmax:
kmax=1,46 [1, с. 54, табл. 2.13]
Определяем максимальную активную мощность Pmax:
;
Определяем среднесменную реактивную мощность Qсм:
;
Определяем максимальную реактивную мощность цеха Qmax:
;
Определяем полную максимальную мощность Smax:
;
Рассчитываем максимальный ток:
;
Выбираем шкаф марки СПА 77.
Выбираем распределительный шкаф для компрессорной установки
Рассчитываем среднесменную активную мощность Рсм:
;
Определяем коэффициент силовой сборки m:
;
Определяем средний коэффициент использования kи.ср.:
;
Определяем эффективное число электроприемников nэ:
;
Определяем коэффициент максимума kmax:
kmax=1,29 [1, с. 54, табл. 2.13]
Определяем максимальную активную мощность Pmax:
;
Определяем среднесменную реактивную мощность Qсм:
;
Определяем максимальную реактивную мощность цеха Qmax:
;
Определяем полную максимальную мощность Smax:
;
Рассчитываем максимальный ток:
;
Выбираем шкаф марки СПА 77.
2.6 Расчет и выбор питающего кабеля
Значение активных и индуктивных сопротивлений кабелей необходимо для расчета прежде всего токов короткого замыкания, для выбора и проверки защитной аппаратуры. Что касается кабелей напряжением до 1 кВ,то отсутствие достоверных данных о них отрицательно сказывается на качестве проектных решений, на надежности и безопасности электроустановок.
Заводы-производители не сообщают данных по сопротивлениям нулевой последовательности кабелей.
Ток проходя по проводнику вызывает его нагрев. Каждое сечение должно быть рассчитано на определенную величину тока, которая не допускает нагрев этого проводника. Это величина тока называется нормально допустимым током.
Определяем длительный ток трансформатора:
;
Находим экономическую плотность тока для кабеля с алюминиевыми жилами по учебнику:
Jэк=2,7 А/мм 2 [1, с.85, табл.2.26]
Определяем экономически выгодное сечение:
; (2.19)
Исходя из условия, что 
, подбираем стандартное сечение кабеля
Sст=10 мм 2
Выбираем кабель марки ВВГ 3х10. [www.mitsa.ru ]
Проверяем кабель на потерю напряжения
; (2.20)
R =2,625 Ом/км
Х =2,16 Ом/км
Допустимая потеря напряжения должна быть не более 5% для линий 6-10 кВ, значит, потеря напряжения в кабеле удовалетворяет условию.
Проверяем кабель на нагрев токами нормального режима
допустимая наибольшая температура для данного вида кабеля tдоп=60 оС
; (2.21)
Температура нагрева кабеля токами нормального режима не
превышает допустимой.
Таким образом, выбранный кабель удовлетворяет условию нагрева токами нормального режима.
2.7 Расчет токов короткого замыкания
Короткое замыкание (КЗ) – электрическое соединение двух точек электрической цепи различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание может возникать в результате нарушения изоляции токоведущих элементов или механического соприкосновения неизолированных элементов. Также коротким замы канием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.
В трехфазных электрических сетях различают следующие виды коротких замыканий:
однофазное (замыкание фазы на землю в сетях с заземленной нейтралью трансформатора) – К (1);
двухфазное (замыкание двух фаз между собой) – К (2);
двухфазное на землю (две фазы между собой и одновременно на землю) – К (1,1);
трехфазное (три фазы между собой) – К (3);
В электрических машинах возможны короткие замыкания:
межвитковые – замыкание между собой витков обмоток ротора или статора, либо витков обмоток трансформаторов;
замыкание обмотки на металлический корпус;
При коротком замыкании резко возрастает сила тока, протекающего в цепи, что, согласно закону Джоуля – Ленца приводит к значительному тепловыделению, и, как следствие, термическому повреждению устройства или электрических проводов, вплоть до возникновения пожара. В месте короткого замыкания может возникнуть электрическая дуга.
Короткое замыкание в одном из элементов энергетической системы способно нарушать ее функции в целом – у других потребителей может снизится питающее напряжение; в трехфазных сетях при коротких замыканиях возникает асимметрия напряжений, нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжелые системные аварии.
В случае повреждения проводов воздушных линий электропередачи и замыкании их на землю в окружающем пространстве может возникнуть сильное электромагнитное поле, способное навести в близко расположенном оборудовании ЭДС, опасную для аппаратуры и работающих с ней людей. Рядом с местом аварии происходит растекание потенциала по поверхности земли, в результате чего шаговое напряжение может достигнуть опасного для человека значения.
Задаемся базисной мощностью Sб =100МВА
Определяем сопротивления всех элементов электрической схемы:
Источник питания
; (2.22)
Кабельная линия
; (2.23)
Трансформатор
; (2.24)
Определяем токи короткого замыкания в точках К1 и К2:
точка К1
; (2.25)
; (2.26)
; (2.27)
точка К2
;
;
;
Определяем ударные токи в заданных точках:
точка К1:
; (2.28)
точка К2:
;
Определяем мощность короткого замыкания в точках К1 и К2:
точка К1
; (2.29)
;
2.8 Расчет и выбор высоковольтного оборудования
Выключатель нагрузки.
Применяются в шкафах комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных трансформаторных подстанций (КТП) внутренней установки и камерах стационарных одностороннего обслуживания (КСО). Предназначен для ручного отключения потребителей электрической энергии от электросети при ремонтных работ или длительного отсутствия в защтщаемом помещении.
