Учебное пособие (Часть1). В. М. Зырянов, О. П. Кузьменков, А. Б. Мосиенко Основы расчета и проектирования

• Название: В. М. Зырянов, О. П. Кузьменков, А. Б. Мосиенко Основы расчета и проектирования
• Дата: 12.12.2022
• Размер: 2.59 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие (Часть1).doc
• Тип: Учебное пособие; #840023
• страница: 5 из 6

7.1. Выбор сечения кабелей

В зависимости от места прокладки кабеля, а также его назначения применяют кабели шланговые, экранированные, гибкие и др. Для неподвижных прокладок применяют, в основном, кабели марок КНРП (кабель в найритовой оболочке, с резиновой изоляцией, имеющей наружную оплетку из стальной проволоки), КНР (то же, но без оплетки) и КНРЭ (с экранирующей наружной оплеткой из медной проволоки).

Количество жил питающего кабеля определяется схемой электрической цепи линии электропередачи. Передача трехфазного переменного тока на судах, как правило, осуществляется по трехжильным кабелям.

Следует отметить, что с целью облегчения монтажных работ Речным Регистром не рекомендуется применять трехжильные кабели сечением свыше 120 мм².

Выбор площади поперечного сечения кабеля производится исходя из следующего условия:

I_расчI_доп, (7.1)

где I_расч – расчетное значение тока кабеля, А; I_доп – допустимое значение тока для выбранной площади сечения жилы, А.

Расчетный ток кабеля, соединяющего генератор с ГРЩ, принимают равным номинальному току генератора:

на постоянном токе

; (7.2)
на переменном токе

, (7.3)

где Р_г.ном – номинальная мощность генератора, Вт; U_г.ном – номинальное линейное напряжение генератора, В; cos_г.ном – номинальный коэффициент мощности генератора (обычно равен 0,8).

Расчетный ток кабеля, питающего преобразователь, принимается равным номинальному току на входе преобразователя.

Для кабеля, питающего трехфазный трансформатор, значение расчетного тока определяется по формуле

, (7.4)

где S_тр.ном – номинальная мощность трансформатора (на выходе), ВА; U_1ном – номинальное линейное напряжение первичной обмотки трансформатора, В; _тр.ном – к.п.д. трансформатора.

Значение расчетного тока кабеля, отходящего от трансформатора, определяется по формуле

, (7.5)

где U_2ном – номинальное линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В.

Расчетный ток кабеля, соединяющего электродвигатель с РЩ или ГРЩ, принимают равным номинальному току двигателя:

при постоянном токе

; (7.6)

при трехфазной системе переменного тока



, (7.7)

где Р_2ном – номинальная мощность на валу двигателя, Вт; U_дв.ном – номинальное линейное напряжение сети, В; cos_дв.ном – номинальный коэффициент мощности двигателя; _дв.ном – номинальный к.п.д. двигателя.

Расчетный ток кабеля или провода, питающего группу приемников (соединяющего ГРЩ и РЩ), определяется как:

на постоянном токе

; (7.8)

на переменном токе

, (7.9)

где N – число подгрупп одинаковых приемников; k_оi – коэффициент одновременности работы одинаковых приемников (таблица 3.1); n_i – число одинаковых приемников в i-ой подгруппе; k_с.р.i – коэффициент совместной работы потребителя в i-ой подгруппе (таблица 3.1); I_i – расчетный ток потребителя i-ой подгруппы, А; I_{i а}, I_{i р} – активная и реактивная составляющие расчетного тока потребителя в i-ой подгруппе, А.

При этом расчетный ток кабеля, питающего группу приемников, должен определяться для режима работы судна, соответствующего наибольшему числу одновременно работающих приемников и наибольшим значениям коэффициентов k_оi и k_с.р.i.

Активная и реактивная составляющие расчетного тока определяются как:

. (7.10)

Выбор сечения одиночно проложенных кабелей производится в соответствии с условием (7.1) на основании таблицы допустимых нагрузок (по току), приведенной в приложении Е. Таблица составлена с учетом режима работы потребителя (длительный, кратковременный, повторно-кратковременный) и условий прокладки кабелей по судну. Для генераторных кабелей режим всегда принимается длительным. Для кабелей, питающих отсечные щиты, в большинстве случаев – длительным. Для кабелей, питающих групповые щиты или отдельные потребители, режим работы может быть любым из трех вышеуказанных (например, для шпилей и брашпилей – кратковременным, для насосов и вентиляторов – длительным, для крановых двигателей – повторно-кратковременным).

Если для применяемых типов кабелей и проводов не определены допустимые нагрузки по току, то выбор их сечения следует производить по таблицам, приведенным в Правилах Речного Регистра [2].

При расположении кабелей в трубах, пучках и т.п. по сравнению с одиночной прокладкой каждого кабеля, существенно ухудшаются условия их охлаждения. В этом случае необходимо снижать значение допустимого тока по сравнению с током, допускаемым при одиночной прокладке. Для этого необходимо умножить табличное значение тока (приложение Е) на коэффициент К₁.

В пучке, состоящем из шести и менее кабелей, ухудшение их теплового состояния несущественно и значение коэффициента К₁ можно принимать равным единице. При прокладке кабелей в трубах или желобах длиной более 1,3 м значение К₁ принимается соответственно равным 0,8 и 0,85. При однорядном расположении кабелей в пучке значение К₁ принимается равным 0,9, при двухрядном К₁=0,8, при трехрядном и более К₁=0,6 5.

Однако, при этом необходимо учитывать длительность нахождения кабелей под током. Поэтому во всех случаях, когда коэффициент К₁ принимается меньше единицы, его умножают на коэффициент К₂, учитывающий длительность работы кабелей под нагрузкой. Коэффициент К₂ определяется по формуле

, (7.11)

где t_раб – время работы кабеля под нагрузкой в течении суток, ч.

Если произведение К₁К₂ больше единицы, то оно принимается равным единице.

Результаты расчетов необходимо свести в таблицу, приведенную в конце раздела (таблица 7.1).
7.2. Проверка кабелей по допустимой потере напряжения
Как известно, протекание электрического тока (I) по кабелю или проводу с сопротивлением (R) связано с потерей напряжения (IR) в нем.

Согласно Правилам Речного Регистра [2], общая потеря напряжения от ГРЩ до каждого потребителя не должна превышать следующих значений:

- для потребителей освещения и сигнализации при напряжении более 50 В – 5 %;

- для потребителей освещения и сигнализации при напряжении 50 В и менее – 10 %;

- для силовых потребителей, нагревательных и отопительных приборов, а также для сигнально-отличительных фонарей независимо от напряжения – 7 %;

- для силовых потребителей с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы, независимо от значения напряжения – 10 %;

- для кабелей во время пуска двигателей, – 25 %;

- в кабеле, питающем щит радиостанции и радионавигационных устройств, а также в кабеле, предназначенном для заряда аккумуляторных батарей, – 5 %.

Падение напряжения в кабеле, соединяющем генераторы с главным распределительным или аварийным распределительным щитом, не должно превышать 1 %.

Превышение указанных значений потерь напряжения недопустимо, так как иначе будут нарушены нормальные условия работы потребителей.

Потеря напряжения в кабельной линии для сети постоянного тока

, (7.12)

где I_расч – расчетный ток кабеля, найденный в разделе 7.1, А; l – длина линии, м;  - удельная проводимость меди (=48 м/Оммм²); S – сечение кабеля, мм²; U_ном – номинальное линейное напряжение сети, В.

В сетях переменного тока с частотой 50 Гц индуктивное сопротивление кабелей с сечением жил менее 25 мм² на порядок меньше активного, поэтому им часто пренебрегают, что в значительной степени упрощает расчеты. В этом случае потери напряжения в сетях однофазного переменного тока определяют так же, как и в сетях постоянного тока, пользуясь при этом значением активного тока кабеля

, (7.13)

где I_a=Icos - активная составляющая тока кабеля.

Для трехфазной сети формула (7.13) будет иметь вид

. (7.14)

При этом величина общей потери напряжения на участке ГРЩ-РЩ-Ф (Ф – фидер) будет определяться как сумма потерь напряжений на участках ГРЩ-РЩ и РЩ-Ф.

При невозможности пренебречь индуктивным сопротивлением кабелей потеря напряжения определяется

, (7.15)

где r, х – активное и индуктивное сопротивления кабеля;  - угол между вектором напряжения в начале кабеля и вектором тока кабеля.

Если по расчету потеря напряжения в какой либо части сети окажется больше допустимой, то необходимо увеличить сечение жил соответствующего кабеля.

Результаты расчета разделов 7.1 и 7.2 необходимо свести в таблицу (таблица 7.1).

Таблица 7.1 – Электрические нагрузки и характеристики кабелей

№ п/п	№ фидера или РЩ	Наименование потребителя	Тип кабеля	I, А	Ia, A	Ip, A	Сечение кабеля (мм2) и кол-во жил	Доп. ток кабеля, А	U, %

7.3. Выбор сечения шинопровода
В распределительных щитах СЭЭС применяются, в основном, шинопроводы, изготовленные из меди.

Расчет шинопроводов осуществляется в следующем порядке:

– определяется длительно протекающий по ним расчетный ток;

– производится предварительный выбор сечения;

– проверяется динамическая и термическая стойкость шинопроводов по токам короткого замыкания.

Как правило, рабочий ток для предварительного выбора сечения шин определяют, предполагая, что по ним передается мощность всех потребителей, питающихся от щита (для РЩ), с учетом коэффициента одновременности их работы.

Данные по поперечному сечению шинопроводов приведены в приложении Ж и содержат значения допустимых токов нагрузки шин при окружающей температуре 40 С.

Фактическая температура внутри распределительного щита бывает выше 40 С и тогда допустимый ток нагрузки шин необходимо пересчитать

, (7.16)

где I – допустимый ток нагрузки шин при температуре окружающей среды _окр; I₄₀ – допустимый ток нагрузки шин при температуре окружающей среды 40 С; _max – максимально допустимая длительная температура нагрева шин, принимаемая равной 90 С.

Температура окружающей среды для шин ГРЩ принимается равной температуре воздуха судового помещения.

Методика проверки шинопровода на динамическую и термическую стойкость по токам короткого замыкания приведена в разделе 10.1.
8. Выбор аппаратов защиты электрических сетей
Электрические сети (фидеры питания потребителей, фидеры питания и секции шин распределительных щитов) должны защищаться от токов коротких замыканий (КЗ) и перегрузок.

Защита сети от перегрузок не является обязательной, так как перегрузка в сети, как правило, снимается защитой отдельных потребителей, встраиваемой в магнитные пускатели, станции управления, автоматические выключатели и т.д.

Для защиты сети от токов КЗ следует устанавливать предохранители или автоматические выключатели с расцепителями зоны КЗ во всех фазах (или полюсах).

Применение предохранителей допускается для сети освещения и питания маломощных потребителей.

Так как КЗ может возникнуть в любой точке распределительной сети, а значение тока КЗ обычно оказывается больше тока уставки защитных аппаратов, то может произойти отключение генератора и полное обесточивание энергосистемы. Поэтому защитные аппараты от токов КЗ должны обеспечивать избирательное (селективное) отключение участков сети.

Чаще всего избирательность защиты сети при КЗ достигается использованием автоматов, допускающих регулирование времени их отключения в зоне КЗ. При этом необходимо, чтобы время отключения автоматов уменьшалось ступенями от источника электроэнергии к потребителям.

Ближайшими к потребителям аппаратами обычно являются установочные автоматы серий АС-25, АК-25, АК-50, А3100, А3300 и другие, время отключения которых составляет примерно 0,05 с. В качестве аппаратов следующих ступеней защиты могут применяться установочные автоматы серии А3500 и А3700 (время отключения 0,15 и 0,33 с), а также универсальные автоматы серии АМ (время отключения 0,18; 0,38; 0,63 или 1,0 с).

При использовании в одной линии автоматов и предохранителей избирательность защиты достигается в случае, если время отключения автомата не менее 0,15 с, так как время сгорания плавкой вставки предохранителя при токе КЗ находится в пределах 0,01-0,05 с [5].

При выборе любого аппарата, во избежание электрического пробоя изоляции, необходимо соблюдение следующего условия:

U_номU_раб, (8.1)

где U_ном – номинальное напряжение аппарата; U_раб – рабочее напряжение аппарата в данной схеме включения.

Далее необходимо учитывать специфические для каждого аппарата условия.

Выбор предохранителей. При выборе предохранителя вначале производится выбор номинального тока плавкой вставки, а затем номинального тока предохранителя.

Для защиты сетей освещения, нагревательных приборов, управления и т.п. плавкую вставку выбирают по условию

I_{пл. вст} I_раб, (8.2)

где I_{пл. вст} – номинальный ток плавкой вставки предохранителя; I_раб – расчетный ток потребителя (раздел 7.1).

Для защиты цепей с динамической нагрузкой, при включении которой происходит изменение тока (например, электродвигателей), плавкую вставку выбирают с учетом пусковых токов. При защите одного электродвигателя ток плавкой вставки определяют по выражению

, (8.3)

где I_дв – номинальный ток двигателя (уравнение (7.7)); k_пуск – коэффициент, учитывающий кратность пускового тока;  - коэффициент, учитывающий условия пуска =2,5 – для легких условий пуска и =1,62,0 – для тяжелых условий.

При питании n двигателей от данной линии плавкую вставку выбирают из условия, что двигатель с наибольшим значением пускового тока находится в пусковом режиме, а остальные – в нормальном рабочем режиме

, (8.4)

где - суммарный рабочий ток электродвигателей (без одного, работающего в режиме пуска) с учетом коэффициента совместной работы k_с.р.; I_дв – номинальный ток пускаемого электродвигателя.

После выбора плавкой вставки выбирают соответствующий ей патрон предохранителя, а затем проверяют предохранитель на разрывную способность (раздел 10.2).

Основные параметры предохранителей приведены в приложении К.

Выбор автоматических выключателей. Выбор автоматических выключателей по рабочему току аналогичен выбору предохранителей. Вначале выбирают номинальный ток максимального расцепителя, а затем – номинальный ток выключателя.

Номинальный ток расцепителей автоматов, включенных в различные питающие линии (генераторные, между ГРЩ и РЩ, а также отдельных потребителей), выбирают по расчетным токам этих линий, исходя из условия

I_р.ном.I_i, (8.5)

где I_р.ном – номинальный ток расцепителя автомата (см. приложение К); I_i – расчетный ток, определяемый по формулам раздела 7.1.

Как говорилось ранее, селективность действия защиты в зоне КЗ достигается введением выдержек времени на срабатывание.

После этого необходимо выбрать соответствующие уставки расцепителей в зоне КЗ во избежания ложных срабатываний. Для пуска одного электродвигателя уставка определяется как [6]

, (8.6)

где k_уст – уставка по току срабатывания в зоне КЗ выключателя, по отношению к номинальному току расцепителя; k_д – коэффициент, учитывающий допуски на пусковой ток и ток срабатывания выключателя в зоне КЗ (k_д=1,11,4); k_a – коэффициент, учитывающий значение апериодической составляющей пускового тока (k_a=1,3); k_пуск – кратность пускового тока двигателя;  - минусовой допуск на ток срабатывания выключателя в зоне КЗ (для отечественных аппаратов =0,2).

Уставка на ток срабатывания в зоне КЗ выключателя фидера, питающего нагревательные устройства, может приниматься равной минимальной из приведенных в технических данных на аппарат.

Уставку на ток срабатывания в зоне КЗ выключателя фидера, питающего трансформатор, следует выбирать из условия отстройки от токов включения

, (8.7)

где I_тр – номинальный ток первичной обмотки трансформатора (формула 7.4); k_max – кратность максимального тока включения трансформатора (k_max=1,1 при S_тр.ном25 кВА, k_max=1,5 при S_тр.ном25 кВА, k_max=1,8 при S_тр.ном100 кВА).

Уставку на ток срабатывания в зоне КЗ выключателей фидеров питания групповых осветительных щитов и групп светильников рекомендуется принимать [6]:

а) равной минимальному значению из возможных для фидеров, питающих групповые щиты и группы светильников с люминесцентными лампами (так как величина тока включения указанных ламп не превышает двукратного номинального тока);

б) равной (где I_ф – номинальный ток фидера) для фидеров питания ламповых прожекторов и осветительных установок с лампами накаливания мощностью до 300 Вт;

в) не менее для фидеров питания ламповых прожекторов и осветительных установок с лампами накаливания мощностью свыше 300 Вт.

Уставку на ток срабатывания выключателей, расположенных на фидерах питания силовых распределительных устройств, выбирают из условия отстройки от ложных срабатываний выключателя в режиме пуска или переключения приемников

, (8.8)

где - суммарный ток включения одновременно запускаемых потребителей; I_ф – расчетный ток фидера; - сумма номинальных токов одновременно включаемых или переключаемых приемников. На переменном токе при определении ток включения одного из одновременно запускаемых электродвигателей (с наибольшим пусковым током) берется с учетом коэффициента k_a (см. формулу 8.6):

;

токи включения остальных одновременно запускаемых двигателей определяются как

,

токи включения трансформаторов и выпрямительных агрегатов вычисляются по формуле

.

Уставку на ток срабатывания в зоне КЗ генераторных и секционных выключателей, а также выключателей перемычек для отстройки от ложных срабатываний ориентировочно следует принимать в пределах .

Далее необходимо произвести проверку автоматов по токам КЗ (расчет токов КЗ производится в разделе 9, а их проверка в разделе 10.2).
9. Расчет токов короткого замыкания
9.1 Общие положения
Расчет режимов коротких замыканий (КЗ) СЭЭС сводится, главным образом, к определению максимальных значений тока при коротких замыканиях в различных точках сети. Это дает возможность произвести правильный выбор коммутационных аппаратов, проверить динамическую стойкость шин, правильно построить защиту электроэ
нергетической системы и т.п. (раздел 8).

Расчет токов КЗ начинают с составления исходной схемы электроэнергетической системы (рисунок 9.1), в которую включают все параллельно работающие генераторы с указанием их типов, мощностей и т.п. На схеме указывают длины и сечения кабелей и шин, трансформаторы, автоматы и все другие элементы, сопротивления которых предполагается учитывать.

Рисунок 9.1 – Исходная принципиальная схема

для расчета токов КЗ в СЭЭС

Затем на схему наносят предполагаемые расчетные точки КЗ. Количество этих точек выбирают с таким расчетом, чтобы были проверены все коммутационные и защитные аппараты. Каждую точку КЗ для проверки конкретного аппарата следует выбирать так, чтобы аппарат при КЗ находился в наиболее тяжелых условиях. Например, генераторный автомат QF1 проверяется по току КЗ в точке К₁. При этом через него будет проходить ток КЗ параллельно работающих генераторов G2 и G3. Автомат QF2 проверяется по току КЗ в точке К₂ и т.д. Если мощность генераторов одинакова, то достаточно проверить только один из генераторных автоматов. При параллельной работе двух генераторов проверку их автоматов необходимо производить по току КЗ на шинах ГРЩ.

По току КЗ в точке К₄ проверяются секционные автоматы QF4 и QF5, а также динамическая и термическая стойкость шин.

Автоматы, отходящих от ГРЩ питающих линий QF6-QF9 проверяют в общем случае по токам КЗ в точках К₅-К₈, которые считаются удаленными от ГРЩ на 10 м [5].

Автоматы распределительных щитов QF10 проверяют по токам КЗ в точках К₉ на расстоянии 10 м от РЩ для крупных судов и 5 м для малых судов 5.

Для уменьшения количества расчетных точек от К₅ до К₈ расчет следует начинать с отходящего от ГРЩ кабеля бóльшего сечения (в точке К₆). Если соответствующий ему автомат имеет отключающую способность больше данного тока КЗ, а все остальные автоматы, установленные на ГРЩ (QF6, QF8, QF9), такую же отключающую способность, то это исключает необходимость определения тока КЗ на других кабелях.

Н
а основании исходной принципиальной схемы составляют схему замещения (рисунок 9.2). В нее включают сверхпереходные индуктивные сопротивления (х_г1, х_г2, х_г3) и активные сопротивления (r_г1, r_г2, r_г3) обмоток статоров генераторов, а также активные и реактивные сопротивления всех других элементов энергосистемы (кабелей, трансформаторов, двигателей и т.д.).

х*_г1, х*_г2, х*_г3 и r*_г1, r*_г2, r*_г3 – суммарные индуктивные и активные сопротивления генераторов и участков кабелей от генераторов до ГРЩ

Рисунок 9.2 – Схема замещения для расчета токов КЗ СЭЭС

Сопротивления кабелей определяются по выражениям:

активное ,
реактивное , (9.1)

где R и Х – удельные активное и реактивное сопротивления кабеля, Ом/км (приложение Л); l – длина участка кабельной трассы, м (таблица 6.1); n – количество кабелей на участке цепи, проложенных параллельно.

Сопротивления других элементов берутся из каталогов и справочников.

Затем принимаются базисные условия. За базисную мощность S_б обычно принимается суммарная мощность всех генераторов, включенных в исходную схему, а за базисное напряжение U_б – номинальное линейное напряжение на шинах ГРЩ.

Активное и реактивное сопротивления в относительных единицах, если известны соответствующее сопротивления в омах, равны:



(9.2)

В основном, параметры оборудования в справочной литературе приводятся в относительных номинальных единицах, когда в качестве базисных принимаются их номинальное напряжение (U_б=U_ном) и номинальная мощность (S_б=S_ном)

В этом случае необходимо все параметры привести к общим базисным условиям.

Пересчет сопротивлений от одних базисных условий к другим можно произвести по формулам

,

, (9.3)

где и – индуктивное и активное сопротивления (генераторов, двигателей и трансформаторов), выраженные через собственные номинальные напряжения и мощности.

Затем схему замещения, пользуясь известными приемами и правилами эквивалентирования электрических схем, преобразуют к простейшему эквивалентному виду относительно каждой принятой для расчета точки КЗ (рисунок 9.3). При этом учитывают, что в точке КЗ напряжение равно нулю (как при металлическом КЗ), а по мере удаления от нее к источнику питания напряжение увеличивается. Э.д.с. всех генераторов, в том числе и результирующую э.д.с. обычно принимают р
авными 1 (в относительных единицах).

где i – номер точки КЗ; Е_резi – результирующая э.д.с.;

х_резi, r_резi – результирующие, индуктивное и активное

сопротивления, соответственно.

Рисунок 9.3 – Эквивалентная схема замещения

Таких эквивалентных схем замещения необходимо получить столько, сколько намечено к расчету точек КЗ. Каждый раз в результате преобразования схемы замещения находят результирующее (эквивалентное) сопротивление , по которому определяют токи КЗ.