2 Вычисление мощности и тока нагревателя и параметров электродов
Вычисление объёма бака нагревателя.
В соответствии с исходными данными объём будет состоять из суммы объёмов цилиндра диаметром 1200мм и высотой 1750мм и сферы диаметром 1200мм:
=3.49 (м3)
Вычисление массы воды в нагревателе.
Плотность горячей воды равна γ = 990 кг/м3
Вычисление мощности нагревателя.
где:
C=4.2 кДж/кг°С – теплоёмкость воды;
tн=15 °С – начальная температура воды;
K=1.1 – коэффициент запаса;
η=0,75 – коэффициент полезного действия нагревателя;
τ=6 часов – время нагрева воды в нагревателе от начальной до конечной температур.
По условиям задания нагреватель обеспечивает нагрев воды в ночное время в целях экономии средств (в ночное время электроэнергия стоит дешевле) и выравнивания суточного графика нагрузки. Поэтому целесообразно выбрать время нагрева около 6-7 часов. В сокращении времени нагрева нет необходимости, так как это повлечёт за собой неоправданное увеличение мощности нагревательных элементов и потребляемого тока, а следовательно и увеличение стоимости всего силового оборудования (кабели, электрические коммутационные и защитные аппараты).
Выбор напряжения сети и вычисление линейного и фазного токов нагревателя.
Мощность рассчитываемого нагревателя составляет приблизительно 70кВт поэтому питаться он будет от трёхфазной сети переменного тока напряжением 380В. Использование сети для питания электроводонагревателя с напряжением выше 380В не допустимо из-за повышенной опасности поражения электрическим током, т.к. в нем тепло выделяется непосредственно в воду, которая сама является сопротивлением. Использование для питания электроводонагревателя сети с напряжением менее 220В не представляется возможным из-за больших токов.
Электроды нагревателя соединены по схеме звезда с нулевым проводом.
Вычисление фазного сопротивления.
Вычисление площади и линейных размеров электродов.
Расстояние λ между электродами примем равным 2см.
Удельное сопротивление хозяйственно-питьевой воды ρ=500 Ом*см.
Принимаем электроды квадратной формы со стороной
Для учёта снижения площади электрода при образовании накипи принимаем стороны электрода равными 24см.
3 Определение расчётной мощности и тока потребителя
Коэффициент использования установленной мощности для промышленных электроводонагревательных установок равен 0.6, а коэффициент мощности равен 1, тогда расчётная мощность установки будет чисто активной и сотавит:
Расчётный ток нагревателя:
4 Разработка схемы электроснабжения
Рассчитываемый нагреватель по надёжности электроснабжения относится к потребителям второй категории. Силовое питание электроводонагревательной установки согласно требованиям к питанию электропотребителей второй категории необходимо осуществлять от двухтрансформаторной цеховой подстанции.
В данном случае были выбраны два трансформатора типа ТМЗ-630, мощностью S=630 кВА, напряжением U = 10/0,4 кВ. При полной загрузке подстанции в нормальном режиме работают два трансформатора с коэффициентом загрузки Кз=0,7. При аварийном выходе из строя одной секции подстанции (шин, выключателей, трансформатор) вторая принимает на себя всю нагрузку и работает с коэффициентом загрузки Кз=1,4 , что допустимо на некоторое время, за которое необходимо уменьшить нагрузку на подстанцию. Если пропадает питание со стороны одного кабеля 10 кВ включается автоматический выключатель резерва.
При неполной загрузке подстанции одна секция отключается, а вторая обеспечивает работу потребителей (с целью уменьшения потерь подстанции), но при этом коэффициент загрузки работающего трансформатора не должен превышать единицы. При ее отказе нагрузка переключается на другую секцию. В режиме, когда работает один трансформатор, а второй отключен, при увеличении нагрузки выше номинала трансформатора подключается второй трансформатор и нагрузка распределяется между двумя секциями подстанции.
Линии, отходящая от шин подстанции к РУ защищены автоматическими выключателем (QF1 и QF2) с комбинированным расцепителем. Шины РУ соединяются через автоматический выключатель резерва (QF3). Линии, отходящая от РУ к РП длиной 10м, также защищены автоматическими выключателем с комбинированным расцепителем (QF4,QF5,QF8,QF9). Лини от РП до схемы управления нагревателем (ЭВН) и снабжена автоматическим выключателем QF6.
5 Выбор проводников питающей сети
Линия от шин цеховой подстанции до РУ.
По длительно допустимому току выбираем три кабеля с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной изоляцией проложенных в воздухе марки АПВ 4х185 с длительно допустимым током 345 А.
Линии от РУ до РП и от РП до ЭВН.
Ток в линии с учётом 5% от мощности нагревателя на местное освещение и питание схемы управления.
Выбираем кабель АПВ 4х25 проложенный в воздухе с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной изоляцией с длительно допустимым током 150 А.
6 Выбор коммутационных и защитных аппаратов
Для защиты линий от цеховой подстанции до станции управления электроводонагревателя выбираем автоматические выключатели с комбинированными расцепителями:
Линия от цеховой подстанции до РУ.
Так как Iтп = 958 А то использую выключатель из серии ВА 50.Выбираю ВА 55 – 41 на Iном = 1000 А – номинальный ток выключателя > 958А.
Этот выключатель работает при напряжении до 660 В переменного тока и частоте 50 или 60 Гц.
Он имеет повышенную коммутационную способность и полупроводниковый максимальный расцепитель.
2;3;5;7 – коэффициент отсечки
Приму коэффициент отсечки =7.
1,25 – кратность номинального тока расцепителя (Iном.р.) от номинального тока выключателя (Iном).
То есть номинальный ток расцепителя будет равен Iном.р. = 1.25Iном = 1250 А. При этом ток расцепителя должен быть больше расчетного тока то есть 1250 > 958 А
Линии от РУ до РП и от РП до ЭВН.
Так как I = 111 А то использую выключатель TeamBreak XS125NJ
на Iном = 125 А – номинальный ток выключателя > 111А.
Этот выключатель работает при напряжении до 660 В переменного тока и частоте 50 или 60 Гц.
Он имеет повышенную коммутационную способность и полупроводниковый максимальный расцепитель.
5;6;7.1;8.5;10 – коэффициенты отсечки выключателя.
Приму коэффициент отсечки =5.
0,63; 0,8; 1,0 – кратность номинального тока расцепителя (Iном.р.) от номинального тока выключателя (Iном).
Выбираем кратность =1.
То есть номинальный ток расцепителя будет равен номинальному току выключателя Iном.р. = Iном= 125А. При этом ток расцепителя должен быть больше расчетного тока то есть 125 > 111 А.
Максимальный ток отключения 30кА.
7 Проверка выбранных аппаратов защиты на отключающую способность и срабатывание по однофазному току короткого замыкания на землю
При расчете тока КЗ учитывают сопротивление линии 380В, сопротивление низковольтной стороны трансформатора. При этом напряжение на высокой стороне считают неизменным в течение всего времени протекания токов КЗ.
Согласно ПУЭ в электрических установках до 1000В с глухозаземленной нейтралью для обеспечения быстрого автоматического отключения аварийного участка сети ток КЗ на корпус или на нулевой провод должен превышать в три раза и более номинальный ток расцепителя АВ.
Согласно ПУЭ однофазный ток КЗ вычисляется по формуле:
где полное сопротивление петли рассчитывается по формуле:
Сопротивление участка кабельной линии от ТП до РУ.
Удельные сопротивления кабеля АПВ4х185:
R01=0.179 Ом/км; X01=0.07 Ом/км; длина линии L=10 м, тогда:
R1=L*R01=0.01*0.179=0.00179 Ом , но так как линия состоит из трёх параллельно проложенных кабелей то результирующее сопротивление уменьшиться в 3 раза:
R1=0.000597 Ом.
X1=L*X01=0.01*0.07=0.0007 Ом.
Сопротивления участков от РУ до РП и от РП до ЭУ.
Удельные сопротивления кабеля АПВ4х25:
R02=1.165 Ом/км; X02=0.07 Ом/км; суммарная длина линий L=16 м, тогда:
R2=L*R02=0.016*1.165=0.0186 Ом, X2=L*X02=0.016*0.07=0.00112 Ом.
Для трансформатора ТМ 630 10/0,4 Zтр = 0.13 Ом, тогда
Защита ЭВН выполнена автоматическим выключателем TeamBreak XS125NJ на номинальный ток 125А с токовой отсечкой на 725А при коэффициенте отсечки равном 5. В результате расчёта ток однофазного короткого замыкания на нулевой провод получился 2672А, что значительно превышает уставку токовой отсечки в 725А, следовательно выбранный выключатель обеспечивает отключающую способность.
8 Требования к автоматике управления ЭВН
Современные водонагревательные установки, как правило, работают без постоянного обслуживающего персонала, поэтому они должны быть оборудованы технологическими защитами, устройствами автоматизации и сигнализации при возникновении неноминальных режимов.
Электродная установка должна быть защищена автоматическими выключателями или другими устройствами отключающими установку при перегрузках и коротких замыканиях.
Системы автоматики и защиты должны быть быстродействующими, для предотвращения выхода из строя всей установки, а также для предотвращения несчастных случаев и травматизма у пользователей установки и обслуживающего персонала. Автоматика управления должна чётко регулировать потребляемую мощность для постоянного поддержания температуры воды в требуемом, как можно более узком диапазоне, и быстро реагировать на её изменение как в положительную так и отрицательную сторону с минимальной инерционностью. Для обеспечения всех этих качеств в настоящее время получили широкое распространение готовые регулирующие устройства на основе цифровой микропроцессорной техники, имеющие большую гибкость и высокую точность и вытеснили устройства с «жёсткой логикой» на дискретных элементах.
9 Выбор системы регулирования мощности установки
В настоящее время в регуляторах мощности потребителей переменного тока на силовых тиристорах или симисторах используются два основных метода: фазовый и по числу полупериодов. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
При фазовом методе в зависимости от требуемой величины потребляемой мощности меняется угол открытия тиристора или симистора, что обеспечивается системой импульсно-фазового управления (СИФУ). Фазовый метод используется для управления малоинерционными потребителями, быстро реагирующими на напряжение, а так же при управлении освещением – это его достоинства. Однако такой метод не может защитить питающую сеть от помех, высших гармоник и дополнительно загружает её реактивной мощностью, так как переключение силовых полупроводниковых элементов происходит не при нулевом значении сетевого напряжения – это недостаток фазового метода.
