Расчёт электрической сети постоянного тока

Классифика­ция электрических сетей осуществляется по различным признакам: величине напряжения, роду тока, числу фаз, числу каналов резерви­рования, конфигурации и т. п.

По роду тока электрические сети делятся на сети переменного и постоянного тока. В основном используются трёхфазные сети переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Это позволяет осуществлять преобразование электроэнергии и передачу её на бальшие расстояния. В сетях переменного тока применяют однофазные ответвления к однофазным электроприёмникам. Для питания телекоммуникационного оборудования необходим постоянный ток, который получают из переменного тока с помощью выпрямительных устройств.

По уровню напряжения электрические сети делятся на сети с напряжением до 1000 В (низкого напряжения, низковольтные) и выше 1000 В (высокого напряжения, высоковольтные). В электрических внутренних сетях предприятий, как правило, используются напряжения до 1000 В (380/220, 660 и 1140 В). В системе внешнего электроснабжения предприятий наиболее распространёнными являются напряжения 6, 10 и 20 кВ [1].

По конструктивным признакам линии электропередач делят на воздушные, кабельные и токопроводы.

По режиму нейтрали электроустановки и электрические сети в системах электроснабжения могут быть с заземленной или изолированной нейтралью.

По структуре построения все сети подразделяются на радиальные, магистральные и радиально – магистральные (рисунок 2.6).

а) радиальная; б) магистральная; в) радиально-магистральная;

1 – распределительный пункт; 2 – магистральный токовод; 3 – распределительный токовод (рядовая проводка); 4 – автоматич. выключатели

Рисунок 2.6 – Структурные схемы сетей

Магистральная сеть осуществляет передачу энер­гии от источника к распределительным пунктам, а радиальная сеть – от пунктов распределения к потребителям.

По способу распределе­ния электроэнергии сети делят на централизованные и децентрализованные. При централизованном способе все источники подключены на общую шину центрального распределительного устройства (ЦРУ), как показано на рис. 2.7, а. От общей шины питание к потребите­лям передается по фидерам.

При выходе из строя одного из источ­ников потребители продолжают получать электроэнергию за счёт продолжающих работу источников. При наличии нескольких ис­точников, работающих на общую шину, надёжность

а) б)

Рисунок 2.7 – Способы распределения энергии

а) централизованный; б) децентрализованный

питания по­требителей достаточно высока. Преимущества централизованной схемы определяются концентрацией запаса мощности и ёмкости аккумуляторной батареи. Такая система менее чувствительна к локальным перегрузкам и даже выдерживает короткие замыкания, переходное сопротивление которых превышает некоторую величину, определяемую запасом выходной мощности системы электропитания. Увеличение времени автономности достигается простым отключением менее ответственных потребителей. Другим преимуществом централизованной схемы, построенной на базе мощных трёхфазных выпрямительных устройств, является исключение перегрузок нейтрального проводника на входе системы электропитания, что повышает надёжность всей сети электропитания, и, что существенно, не требует проведения работ по перекладке кабельных линий, по которым осуществляется энергоснабжение инженерного здания. Недостатком такой системы является более высокая по сравнению с децентрализованной системой вероятность локального отказа, выражающегося в отключении РЭА из–за неисправности разветвлённой выходной сети электропитания или выхода из строя одного из потребителей. Стоимость аппаратных средств централизованной системы при равной мощности и одинаковых схемотехнических решениях отдельных узлов, естественно, ниже по сравнению с децентрализованной системой. Однако, при выборе данной структуры необходимо учитывать стоимость возможной переделки сети электропитания в случае реконструкции действующей системы, а также необходимость выделения специального помещения и квалифицированного персонала. В децентрализованной системе каждый источник (И) подключается к одному ЦРУ_i (рисунок 2.2, б), от которого могут питаться и другие распределительные устройства. Для повышения надёжности предусматривается возможность соединения шин РУ между со­бой через контактор K. В случае выхода из строя одного из источников происходит соединение шин ЦРУ_i и все потребители получают питание за счет резерва мощности источника, продолжающего работу. Разновиднос­тью децентрализованного способа является раздельный способ, ког­да каждый источник питает лишь свою группу потребителей, подо­бранных по ряду параметров электропитания, например точности стабилизации напряжения. Возможности резервирования в данном случае резко ограничиваются. Наконец, радиально – магистральный способ предполагает совместное ис­пользование и централизованного, и децентрализованного спосо­бов распределения электроэнергии, когда часть источников работа­ет на общие шины, а другая часть – на собственные шины. При радиально – магистральном способе удается наилучшим образом использо­вать преимущество двух основных способов: централизованного и децентрализованного.

По конфигурации электрические сети делятся на разомкнутые, замкнутые и комбинированные. Разомкнутые сети характеризуются тем, что каждое РУi получает питание только от одного ЦРУ или РУ. Здесь возможны два варианта: РУ_i подключены параллельно к ЦРУ; РУ_I подключены последовательно к ЦРУ. Первый вариант соответствует радиальной разомкнутой схеме сети (рис. 2.8, а), а второй – магистральной разомкнутой схеме (рис. 2.8, б). В радиальных разомкнутых сетях легко осуществлять резервирование и селективность защиты.

а) б)

Рисунок 2.8 – Схемы разомкнутых сетей: а – радиальные, б – магистральные

В замкнутых сетях РУ получают питание одновременно от двух и более ЦРУ. Замкнутые сети, так же как и разомкнутые, могут быть радиальные и магистральные (рисунок 2.9). Замкнутые сети характеризуются большей надёжностью, чем разом­кнутые, особенно замкнутые магистральные. Однако замкнутые сети более сложны как по построению, так и по технической реализации.

а) б)

Рисунок 2.9 – Схемы замкнутых сетей: а – радиальные, б – магистральные

Комбинированные сети во многих случаях сочетают преимущество ра­зомкнутых и замкнутых сетей. Число каналов резервирования и на­дёжность сети в целом, кроме конфигурации, определяются также количеством источников и преобразователей электроэнергии. Наибольшее практическое применение получили разомкнутые радиальные и радиально – магистральные сети, которые просты по схемным реализациям и, в то же время, способны обеспечить требуемую надёжность при наличии каналов резервирования.

Обобщённая структурная схема магистральной проводки от ВУ представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Схема магистральной проводки буферной схемы питания

Исходными данными для расчёта токораспределительной сети являются:

Ø – номинальное напряжение питающего оборудования;

Ø ёмкость АБ [ А·ч];

Ø напряжение на одном элементе аккумуляторной батареи (АБ);

Ø нагрузки отдельных питающих токопроводов, прокладываемых в линейном аппаратном цехе (ЛАЦ) от ВУ:

§ – ток основных цепей;

§ – ток цепей сигнализации;

§ – суммарный ток наиболее нагруженного ряда ЛАЦ; – максимальная нагрузка стойки ЛАЦ.

Дополнительными данными для размещения оборудования в производственных помещениях являются:

Ø длина проводки от выпрямителей до распределительного устройства (РУ);

Ø длина проводки от выхода РУ до точки ввода в ЛАЦ;

Ø длина проводки по ЛАЦ от точки ввода до дальнего ряда;

Ø длина проводки от аккумуляторной батареи до распределительного устройства;

Ø длина плюсовой рядовой шины;

Ø длина минусового провода до самой дальней стойки в ряду;

Ø падение напряжения в плюсовой рядовой шине.

Все длины даются для одного полюса питающей проводки. Расстояние между магистральными токопроводами должно быть не менее 50 мм [3, 4].

Для расчёта токораспределительной сети принимаем самый удалённый ряд от ВУ с максимальным током . Расчёт выполняется по алгоритму, схема которого приведена на рисунке 2.11.

Исходные данные выбираются из таблиц 1.1. и 1.2, кроме напряжения на одном элементе АБ (U_ЭЛ, В) и емкости АБ (, А·ч), которые являются результатами расчета п.2.2.

Рисунок 2.11 – Алгоритм расчёта электрической сети

Блок 1. По заданному в таблице 1.1 значению суммарного тока ряда как ближайшее большее значение из таблицы 2.4 определяется сечение плюсовой шины рядовой проводки . Выпишите из таблицы все данные выбранной шины.

Таблица 2.4 – Индуктивность погонного метра рядовой проводки

шина, мм

Блок 2. Для выбранного сечения определяем величину индуктивности , где табличное значение (таблицы 2.4).

Блок 3. Рассчитываем длину магистрали по исходным данным таблицы 1.2:

.

Рассчитываем ориентировочную величину индуктивности магистральной проводки на участке от АБ до дальнего ряда ЛАЦ, приняв :

.

Из таблицы 2.5 определяем величину индуктивности подключений к автоматам (АВ) и к батарее (АБ):

; ; .

Таблица 2.5 – Индуктивности подключений

Индуктивность подключений	Обозначение	Величина, мкГн
- к батарейному автомату   - к нагрузочному автомату   - к аккумуляторной батарее		1,7   1,3   1,1

Определяем индуктивность АБ по таблице 2.6 в соответствие с напряжением на одном элементе (см. расчетное значение п.2.2).

Таблица 2.6 – Индуктивность АБ

Ёмкость АБ (С10), А·ч	Индуктивность, мкГн
UЭЛ = 2 В	UЭЛ = 6 В	UЭЛ = 12 В
менее 200	0,16	0,48	0,96
	0,186	0,558	1,116
	0,17	0,51	1,02
	0,154	0,462	0,924
	0,148	0,44	0,81
более 800	0,132	0,434	0,79

Рассчитывается число последовательных элементов АБ: и далее суммарная индуктивность:

Блок 4. Находим суммарную индуктивность токораспределительной сети:

.

Блок 5. Рассчитываем предельное значение тока короткого замыкания:

Если он превышает 1000 А, то ограничиваем его на этом уровне – 1000 А. Для дальнейших расчётов принимаем . [А]

Блок 6. Рассчитываем сопротивление цепи ”короткого замыкания”

Принимаем

Блок 7. Определяем сечение минусового провода от места подключения его к устройству защиты до последней стойки ряда:

,

где проводимость алюминия

исходное значение из таблицы 1.2.

Блоки 8,…,10. Если полученное значение (блок 8) то принимаем (блок 9), а необходимое сопротивление обеспечивается за счёт увеличения длины провода (дополнительное сопротивление R_Д - блок 10).

Блок 11. Рассчитывается величина падения напряжения в минусовом проводе ряда для стойки с максимальной нагрузкой (исходные данные таблицы 1.1):

Блок 12. Рассчитываем число элементов АБ: и буферное напряжение, приняв : .

Рассчитываем потери в электрической сети: .

Определяем максимальные значения падений напряжения в устройствах коммутации по таблице 2.7:

.

Таблица 2.7 – Максимальные значения падений напряжения в устройствах коммутации

Наименование коммутационной аппаратуры	Максимальное падение напряжения (при 100% нагрузке), В
Щит защиты	0,5
Шкаф водно-распределительный	0,5
Автоматические выключатели	0,15

Падение напряжения в плюсовой рядовой проводке принимается равным 0,1 В.

Далее рассчитываем допустимое падение напряжения в магистральной проводке:

.

Блок 13. Рассчитываем удельные потери (на 1 погонный метр): .

Проверяем выполнение условия:

Блок 14. Рассчитываются моменты токов на один полюс и их сумма:

.

Рассчитывается падение напряжения в проводке на один полюс:

.

Далее производится расчёт сечений магистральной питающей проводки от ВУ по формуле:

.

По значениям выбирается ближайшее большее сечение шин по таблице П8 и выписывают его обозначение или кабель по справочной литературе [2].

Для выбранных шин находится индуктивность из таблицы П8. При одинаковых сечениях плюсовой и минусовой шин она считывается с диагонали таблицы иначе - выбирается на пересечении строки и столбца для каждой пары шин, для кабеля индуктивность рассчитывается по выражениям таблицы П8.

Уточняем фактическое падение напряжения на участке ВУ – шины ”– нагрузки”:

Рассчитываем остаток падения напряжения в одном полюсе:

Определяем сечение шин основной проводки ЛАЦ на участке от шины ” – нагрузки ” до дальнего ряда ЛАЦ: .

Подбираем стандартное сечение шин из таблицы П8.

Рассчитываем сечение шины на участке от шины ” – нагрузки ” до дальнего ряда ЛАЦ: .

Подбираем стандартное сечение шин из таблицы П8 или кабель по справочной литературе [2].

Определяем фактическое падение напряжения на участке от шин ” – нагрузки” до дальнего ряда ЛАЦ:

Проверяем ограничение падения напряжения в магистральной части ТРС: Где рассчитано в 3 – ем блоке. Если, условие не выполняется, то возвращаемся в блок 7.

Сечение шин в каждом полюсе на участке АБ до РУ принимаем равным сечения питающей проводки на участке от выпрямительных устройств до ” + ”, ” – ” нагрузки

Блок 15. Из таблицы П8 по сечению шин на пересечении горизонтальной и вертикальной колонок определяем на один погонный метр.

Рассчитываем индуктивность проводки на участке от АБ до РУ:

;

Из таблицы П8 определяем на один погонный метр на пересечении строки и столбца и рассчитываем индуктивность проводки на участке от шины нагрузки ВУ в выпрямительной до точки ввода в ЛАЦ: и индуктивность магистральной шины проводки по ЛАЦ: .

Другие индуктивности определены ранее: в блоке 2, ; ; и - в блоке 3.

Тогда суммарная индуктивность рассчитывается по формуле:

Блок 16. Проверяется выполнение соотношения[4]:

определен в блоке 5.

На этом расчёт токораспределительной сети постоянного тока закончен.

2.7 Функциональная схема системы электропитания.

Составляем функциональную схему системы электропитания и перечень элементов с указанием типов всех, используемых устройств.

3. Литература

1. Воробьёв А.Ю.. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. – М.: Эко–Трендз, 2003. – 280 с.

2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. - М: ИП Радио Софт. – 2006. - 384 с. ил..

3. ВСН 332 – 93. Ведомственные строительные нормы “Инструкции по проектированию электроустановок предприятий, проводного вещания, радиовещания и телевидения”, стандарт отрасли.

4. РД 45.063–99. Установки питания и оборудование, входящее в их состав, для Взаимоувязанной сети связи России. Технические требования. – М.: Госстандарт, 2000.

5. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М. Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. – 384с.

6. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. В.И. Круповича и др. М.: Энергоиздат, 1981.

Приложения

Рисунок П1 – Форма перечня элементов

Таблица П 1 - Электрические параметры аккумуляторов при 10 часовом режиме разряда