Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ГОРНЫЙ»

Филиал горного университета «Хибинский технический колледж»

Методическое пособие

по выполнению практической работы «Расчет мощности и выбор силовых трансформаторов подстанций горных предприятий»

ПМ 06. «Организация, технология, механизация, электрификация и автоматизация горного производства»

МДК 06.03. «Электрификация горных работ»

Тема 3.1. «Электрооборудование и электроснабжение горных организаций (предприятий) для специальностей:

140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»

130405 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Кировск

РАССМОТРЕНО УТВЕРЖДАЮ

на заседании ЦК общепрофессиональных и Зам. директора по УМО электромеханических дисциплин Председатель _Саяпина Е.В. п/пГаничева В.А.

Протокол №_ «06_»_122013 г.

от «»_2013 г.

Разработал:

преподаватель _А.И. Назаров Методист _ Е.А. Ярославцева Настоящие пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий» и выполняющих практические работы, курсовые и дипломные проекты по данному направлению.

1. Пояснительная записка.

Настоящая работа предназначена для закрепления теоретических знаний студентов и приобретения ими практических навыков при выполнении расчетов нагрузок, мощностей и выборе основного оборудования подстанций в условиях горных предприятий. Работа содержит теоретическое обоснование методики, примеры расчетов и варианты для выполнения практического задания.

2. Методика расчета.

Для выбора типа и количества трансформаторов необходимо знать действующие или проектируемые нагрузки. Существует несколько методик расчетов электрических нагрузок. Их применение зависит от отрасли народного хозяйства, задач проектирования, долгосрочности планирования, срока службы проектируемой установки и от других факторов. Так, в горной промышленности применяется метод коэффициента спроса и коэффициента максимума, метод удельной мощности и другие. В других отраслях применяют методы коэффициента использования, коэффициента максимума, коэффициента загрузки.

Для предварительного и прогнозного проектирования используются приближенные методы, позволяющие с достаточной точности определить основные показатели электроснабжения (например, метод удельной мощности).

Одной из первых и основополагающих частей проекта электроснабжения объекта является определение ожидаемых электрических нагрузок на всех ступенях электрических сетей. Именно нагрузки определяют необходимые технические характеристики элементов электрических сетей – сечения жил и марки проводников, мощности и типы трансформаторов, электрических аппаратов и другого электротехнического оборудования. Завышение ожидаемых нагрузок при проектировании по сравнению с реально возникающими приводит к перерасходу материалов проводников и средств, вложенных в избыточную мощность электрооборудования. Занижение – к излишним потерям мощности в сетях, перегреву, повышенному износу и сокращению срока службы электрооборудования.

Правильное определение электрических нагрузок обеспечивает технически и экономически обоснованный выбор основного и вспомогательного оборудования, средств компенсации реактивной мощности, устройств регулирования напряжения, а также релейной защиты и автоматики электрических сетей.

Для определения электрических нагрузок применяют упрощенные или более точные методы. При проектировании горных предприятий вначале производят предварительный расчет электрических нагрузок на основании данных о суммарной установленной мощности отдельных потребителей (подземных участков, стационарных установок, потребителей поверхности), а затем производят окончательный уточненный расчет с использованием конкретных данных о единичных приемниках отдельных технологических процессов производства и всего предприятия в целом.

Нагрузки определяют от низших к высшим ступеням электроснабжения предприятия по отдельным расчетным узлам в сетях напряжением до 1 кВ и свыше 1 кВ.

3. Расчет мощности главных подстанций (ГПП) горных предприятий.

Расчетные электрические нагрузки определяют методом коэффициента спроса в такой последовательности: все намеченные к установке электроприемники объединяют в группы по технологическим процессам и по назначению; по необходимому уровню напряжения; определяют суммарные установленные мощности электроприемников, активные, реактивные и полные электрические нагрузки электроприемников, а также суммарные нагрузки по группам с одинаковым напряжением; производят расчет нагрузок подземных участков; определяют места расположения стационарных и передвижных подстанций и распределяют потребителей электрической энергии по подстанциям; разрабатывают технико-экономические мероприятия по компенсации реактивной мощности; производят выбор мощности и числа трансформаторов ГПП; определяют годовой и удельный расходы электроэнергии по горному предприятию.

Для группы однородных по режиму работы электроприемников расчетную нагрузку (соответственно в кВт, квар, кВА) определяют из выражений:

где Кс – коэффициент спроса характерной группы электроприемников, принимаемый по справочным материалам;

tg - соответствует cos, определяемому по справочникам На главных подстанциях рудников применяются силовые трансформаторы различных типов. Наименование и тип трансформатора можно определить с помощью букв и цифр, используемых при маркировке типов трансформаторов. Числа в маркировке означают: первое—полную мощность в кВА, второе—номинальное напряжение первичной обмотки в кВ.

Обозначение марок трансформаторов:

циркуляцией масла.

Например: ТМНД-6300/ Количество трансформаторов на ГПП зависит от категории по надежности электроснабжения и мощности подстанции. Для 1 категории –не менее двух трансформаторов, оба в работе. Коэффициент загрузки в нормальном режиме: н 0,65 0, - для 2 категории - 2 трансформатора - для 3 категории - достаточно одного трансформатора При выборе трансформаторов производится проверка коэффициента загрузки в аварийном режиме (один трансформатор не работает, другой должен обеспечить работу потребителей 1 и 2 категории); а 0,85 0, 4. Расчет мощности и выбор трансформаторов участковых подстанций (УПП).

Из существующих методов определения мощности силовых трансформаторов для подземных горных участков наибольшее распространение получил метод коэффициента спроса. Необходимую мощность трансформатора (кВА) определяют по формуле:

где Ру – суммарная установленная мощность электродвигателей и других электроприемников, получающих питание от трансформатора, кВт;

Кс - коэффициент спроса, учитывающий загрузку электроприемников и неодновременность их работы.

Для очистных забоев, оборудованных комбайнами или стругами с индивидуальной крепью, и подготовительных участков с любой механизацией (при отсутствии блокировки очередности пуска электродвигателей) коэффициент спроса может быть определен по эмпирической зависимости:

Для очистных забоев, оборудованных механизированными комплексами с автоматической блокировкой очередности пуска их электродвигателей, определение производится по следующей формуле:

где Рм - номинальная мощность наиболее крупного электродвигателя (комбайна, конвейера, струга и т.п.), кВт.

При использовании многодвигательного привода подставляют суммарную мощность одновременно включаемых электродвигателей; cos - условный средневзвешенный коэффициент мощности, по очистным участкам шахт с пологими пластами и подготовленным участкам любых шахт принимается равным 0,6, а для очистных участков шахт с крутыми пластами – 0,7.

Многолетний опыт эксплуатации шахтных сухих трансформаторов показал, что при определении мощности трансформаторов по методу коэффициента спроса не учитываются прерывистый режим работы машин и механизмов и перегрузочная способность трансформаторов, а поэтому принимают трансформаторы завышенной мощности. Такое положение увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты по участку, шахте и в целом по горнодобывающей отрасли. Обследования электрических нагрузок силовых трансформаторов на целом ряде шахт показали, что с достаточной достоверностью можно расчетную мощность полученную по формуле (4), разделить на коэффициент возможного использования трансформаторов на участке, равный 1,25 и по полученной уточненной мощности выбрать номинальную мощность трансформатора, т.е.

5. Типы и технические данные трансформаторов главных и цеховых подстанций.

На горных предприятиях используют силовые трехфазные трансформаторы с естественным масляным охлаждением ТМ, с устройством регулирования напряжения под нагрузкой ТМН, с масляным естественным охлаждением с дутьем воздуха ТД и ТДН, в защищенном исполнении масляные ТМ3; сухие ТСЗ.

Для питания тиристорных преобразователей регулируемых электроприводом шахтных подъемных машин выпускают трансформаторы специального назначения типа ТМП (масляные), и ТНП (Н-заполнение негорючей жидкостью – совтолом и др.) Технические данные отдельных типов трансформаторов приведены в таблицах 1 и Силовой трансформатор с охлаждением маслом ТМ (рис. 1) состоит из магнитопровода с обмотками высшего и низшего напряжения, помещенных в стальной бак с радиаторами и крюками для подъема трансформатора. Для крепления активной части внутри бака приварены скобы. В нижней части бака расположены заземляющий болт, пробки для взятия пробы и слива масла. Для непрерывной регенерации масла к стенке бака имеется термосифонный фильтр. Бак установлен на тележке, конструкция которой позволяет производить продольное и поперечное перемещение трансформатора. На крышке бака установлены: выводы высшего и низшего напряжения; бачок-расширитель масла с указателем уровня масла и осушителем воздуха, выхлопная труба и газовое реле. На крышку бака выведено переключающее устройство регулировочных зажимов обмотки высшего напряжения, что при необходимости позволяет изменять коэффициент трансформации и получать на обмотке низшего напряжения значение, отличающееся на ±5% номинала.

1- кран для слива масла, 2,3 – кран и корпус термосифонного фильтра, 4 – воздухоосушитель, 5 – маслоуказатель, 6 – выхлопная труба, 7 – расширитель, 8 – крышка бака, 9, 10, 11 – выводы обмоток ВН, НН и нулевой точки, 12 – привод регулятоа напряжения, 13 – электротермометр, 14 – каток.

Рисунок 1 - Устройство силового трансформатора серии ТМ.

Таблица 1 - Технические данные трансформаторов ГПП.

У трансформаторов других серий (мы рассматривали конструкцию трансформатора серии ТМ) пределы регулирования могут составлять от ±1,25 до –2,5% номинального значения.

При выборе трансформаторов учитывают расчетную нагрузку потребителя, подводимое напряжение и напряжение электроприемников, необходимость регулирования напряжения. Силовые трансформаторы допускают параллельную работу, но в этом случае необходимо, чтобы они имели одинаковые коэффициенты трансформации, одинаковые группы соединения обмоток и равные значения напряжения к.з.

Силовые трансформаторы главных подстанций – большие и очень ответственные машины. От их работы зависит надежная и безопасная деятельность всего предприятия.

Трансформаторы должны допускать перегрузку, величина и продолжительность которой зависит от загрузки трансформатора, его типа, времени года и условий охлаждения. Для питания преобразовательных агрегатов (выпрямителей) выпускаются специальные трансформаторы ТСП, ТНП, ТМП. Трансформаторы ТСП-160 применяются для питания автоматических тяговых подстанций АТП, ВТПЕ, АТПУ-500.

Номинальная мощность, кВ·А - Номинальное напряжение обмотки ВН, кВ - Номинальное напряжение обмотки НН, кВ - 0, Ток обмотки НН, А - 401, Схема и группа соединения обмоток - Y/D- Потери КЗ при температуре обмоток 115°С, кВт - 1, Потери ХХ, кВт - 0, Шахтные силовые трансформаторы выпускают двух назначений: первые, преобразующие электрическую энергию одного значения напряжения в электрическую энергию другого значения напряжения; вторые, служащие для перехода от электрической связи между отдельными участками сети к индивидуальной связи без преобразования напряжения (разделительные трансформаторы). В угольных шахтах применяются взрывобезопасные трансформаторы ТСВ и подстанции ТСВП.

Таблица 3- Технические данные трансформаторов ТСВ и подстанций ТСВП.

Подстанции ТСВП и трансформаторы ТСВ рассчитаны для эксплуатации в шахтах, опасных по газу и пыли в климатических районах с умеренным климатом. Изготовлены в климатическом исполнении У категории размещения 5. В шахтах и рудниках не опасных по газу и пыли могут использоваться трансформаторы и КТП рудничного нормального исполнения, например, КТПРН.

Таблица 4 – Технические даны рудничных подстанций КТПРН В настоящее время в рудниках и шахтах эксплуатируется значительное количество трансформаторов устаревших серий ТКШВ, ТКШВС, ТСШВ, которые заменяются на трансформаторы серий ТСВ и передвижные подстанции ТСВП (рис. 2), мощностью от до 1000 кВА. Для рудников не опасных по газу и пыли выпускаются подстанции КТПРН (рис. 3). Трансформаторы и подстанции удовлетворяют следующим требованиям: имеют активную часть, оболочку, вводные устройства со стороны ВН и НН в соответствующем исполнении, ходовую часть, допускают наличие капежа и агрессивных щелочных и кислотных шахтных вод, тряску и удары в буферное устройство при транспортировании по горным выработкам; допускают возможность параллельной работы.

Вводные отделения имеют: ВН – по одному кабельному вводу под силовые кабели и один под контрольный кабель. Трансформаторы мощностью 630 кВА и выше могут изготовляться с тремя кабельными вводами под силовые кабели низшего напряжения.

Трансформаторы должны выдерживать мощность к.з. 100 МВА и допускать перегрузки:

Перегрузка, % номинальной ………………………40 60 Продолжительность перегрузки, ч ………………. 7 2 1 0, Таблица 5 - Коэффициенты спроса (Кс) и мощности (cos ) для горных предприятий поверхности Экскаваторы:

Откатка электровозами:

Примечание: * У этих установок обычно Cos - опережающий, а tg - отрицательный.

6. Пример расчета мощности трансформаторов ГПП рудника Задание: рассчитать мощность, определить количество, выбрать тип трансформаторов ГПП с учетом категории потребителей, установленной мощности оборудования, коэффициента спроса Кс и мощности cos. Трансформаторы ГПП работают раздельно.

Таблица 5 - Установленное оборудование.

Примечания к табл. 5: *-- установки работают с опережающим cos,.а tg-трицательный.

Тангенс угла находим через косинус: tg = tg (arccos ) 1. Расчет активной мощности:

1.1.

1.2.

1.3.

1.4.

1.5.

1.6.

1.7.

Для дробильн.комплексов Рр8 = 700 х 0,8=560 Квт 1.8.

1.9.

1.10.

2 Расчет реактивной мощности :

2.2. Для вентилятора Qр2 = 144 х (-0,75) = -108 квар 2.7. Для компрессоров Qр7 = 1600 х (-0,75) = -1200 квар 2.8. Для дробильн. комплекса Qр8 = 560 х 0,75 = 420 квар 2.9. Для экскаваторов Qр9 = 640 х (-0,75) = -480 квар 2.10. Для наружн.освещения Qр10 = 85 х 0 = 0 квар 3. Суммарная активная мощность:

Pp=Pp1+…….+Pp10=2400+144+640+260+105+20+1600+560+640+85=6454кВт 4. Суммарная реактивная мощность:

5. Qp=Qp1+……….+Qp10= 1800 - 108+480+514,8+281+281,4+98-1200+ 6. Полная расчетная мощность:

Sp = Pp 2 + Qp 2 = 6454 2 + 5274.2 2 = 8335кВА 7. Выбор трансформаторов. Для первой категории необходимо не менее двух трасформаторов. При такой расчетной мощности (8335 кВА) возможно применить трансформаторы мощностью по 6300 или по 4000 кВА, в зависимости от категории по надежности электроснабжения. Принимаем два трансформатора по 6300 кВА, так как шахта имеет водоотлив и относится к первой категории по надежности электроснабжения, типа ТМН – 6300/35, трехфазный, масляный, с регулированием напряжения под нагрузкой, мощностью Sном.т =6300 кВА, напряжением первичной обмотки 35 кВ, оба трансформатора в работе.

Расчетная мощность одного трансформатора:

Коэффициент загрузки в нормальном режиме:

= Sт / Sном.т = 4167,95 / 6300 =0,66 - находится в пределах нормы, так как для первой категории коэффициент загрузки в нормальном режиме = 0,6-0, Ответ: на ГПП необходимо установить два трансформатора типа ТМН-6300/35.

Проверка: выдержит ли трансформатор ГПП работу в аварийном режиме, когда один трансформатор выйдет из строя, а другой должен взять нагрузку потребителей и 2 категории.

8.1. Суммарная активная мощность потребителей 1 и 2 категории:

Рр = Рр.1,2 = 2400+144+640+260+1600=5044 кВт Суммарная реактивная мощность потребителей 1 и 2 категории:

8.2.

Qр= Qр1,2 = 1800-108+480+514.8 - 1200= 2602.8 кВар 8.3. Полная расчетная мощность, кВА Sр = Р 2 р + Q 2 р = 5044 2 + 2602.8 = 5501.9 кВА Коэффициент загрузки в аварийном режиме (ав должен быть не более 0.8 - 0.9) 8.4.

Ответ: трансформатор ТМН-6300/35 выдержит работу в аварийном режиме.

7. Пример расчета мощности трансформаторов УПП.

Задание: рассчитать мощность и выбрать трансформаторы УПП (участковой подземной подстанции) горного участка в шахте не опасной по газу и пыли. Количество и мощность установленного оборудования см. в таблице 6. Система разработки – подэтажная отбойка с торцовым выпуском руды.

Разбиваем все оборудование на две группы по месту работы:

- откаточный горизонт - буровые (буродоставочные) горизонты АПШ- 2. Суммарная мощность на откаточном горизонте, кВт Ротк.= 100+22+21.5 + 8 =151.5 кВт 3. Суммарная мощность на буровом горизонте, кВт Рбур. = 90+8+52=150 кВт 4. Коэффициент спроса для бурового горизонта Кс= 0.4 +0.6 Рмах/Рбур.= 0.4+ (0.6 х 30 / 150) =0, 5. Коэффициент спроса для горизонта откатки Кс= 0.4 +0.6 Рмах/ Ротк= 0.4+ 0.6 х 30 /151,5=0, Расчетная мощность силового трансформатора, принимаем cos = 0.6 (см. стр. 3 ) 6.1. Для горизонта откатки Sр1 = Ротк х Кс / cos=151,5 х 0,796 /0,6 = 200,99 кВА 6.2. Для бурового горизонта Sр2 = Рбур х Кс/ cos= 150 х 0,52/0,6 = 130 кВА 7. Уточненная мощность для горизонта откатки Sу = Sр1/1,25 = 200,99/1.25 = 160,8 кВА 8. Уточненная мощность для бурового горизонта Sу = Sр2/1,25 =130/1,25 = 104 кВА Выбираем трансформаторы (КТП) 9.1. Для горизонта откатки КТПРН – 250/6 т.к. 250>160, 9.2. Для бурового горизонта Ответ: принимаем для горизонта откатки КТПРН – 250/6, для бурового горизонта КТПРН – 160/6.

Примечание. Если шахта опасна по газу и пыли, то необходимо принимать трансформаторы или КТП рудничного взрывобезопасного исполнения (ТСВ или ТСВП) 8. Варианты для расчета мощности участковой подстанции (УПП).

НОМЕР ВАРИАНТА

оборудования Аппараты Принять по расчету, ориентировочно по 10 кВт на каждый горизонт Примечания.

ШБС шахтный буровой станок ЛС-скреперная лебедка ППН-погрузочная машина периодического действия с нижним захватом (черпанием) ВМ-вентилятор местного проветривания ПНБ-погрузочная машинанепрерывного действия с нижним захватом ВДПУ-вибрационная доставочно-погрузочная установка АШЛ-автоматический шахтный люк СА-сварачный аппарат (инвертор или трансформатор) ПДМ-погрузочно-транспортная машина

9. ВАРИАНТЫ ДЛЯ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ГПП.

Таблица 7 – Данные для расчета мощности силовых трансформаторов ГПП рудника Примечание* Для этих установок cos = 0,80,9, опережающий.