Курсовая работа: Проектирование электропитающей установки дома связи

Курсовой проект

Выполнила студентка

Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения

Санкт-Петербург 2010

Введение

Современная аппаратура связи, обеспечивающая эффективную работу всех подразделений железнодорожного транспорта, предъявляет жесткие требования к устройствам электропитания. Несоблюдение требований в отношении надежности, стабильности напряжения, величины пульсации и т.п. может привести к нарушению связи и управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте и отразиться на безопасности движения поездов. Поэтому роль электроустановок и организации бесперебойного электропитания в обеспечении четкой и безаварийной работы железнодорожного транспорта весьма велика.

Целью данного проекта является проектирование электропитающей установки для дома связи.

Разработка технических данных ЭПУ

1.1 ОБЪЕКТ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К ЭПУ

Аппаратура связи объединяется территориально и организационно в узлы связи. На крупных станциях и железнодорожных узлах размещение технических средств узлов связи осуществляется в служебно-технических зданиях – домах связи, созданных по типовым проектам, где с целью уменьшения эксплуатационных расходов аппаратура связи устанавливается в отдельных цехах (ЛАЦ, АТС, телеграфный).

Для нормального функционирования аппаратуры связи и другого оборудования, расположенного в домах связи, требуется электрическая энергия, которая обеспечивается электроустановками (ЭУ). Основными элементами ЭУ являются:

устройства электроснабжения (энергосистемы: районные, объединенные, государственные). Ввод электрической энергии в дома связи осуществляется с помощью фидеров, которые представляют собой силовой четырехпроводный кабель и, если необходимо, понижающие трансформаторы и трансформаторные подстанции;

стационарные резервные электростанции (ДГА);

устройства ввода и коммутации цепей переменного тока;

сети электросилового оборудования и освещения;

электропитающие установки (ЭПУ), являющиеся основной частью ЭУ предприятия. Они предназначены для преобразования, регулирования, распределения и обеспечения бесперебойности подачи различных напряжений переменного и постоянного тока, необходимых для нормальной работы устройств автоматики и связи. В состав ЭПУ входят следующие элементы: выпрямительные и преобразовательные устройства, аккумуляторные батареи, устройства стабилизации напряжения и тока, распределительно-коммутационные устройства, распределительные сети, устройства защиты сигнализации и др.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭПУ

Таблица 1 - Внешнее электроснабжение (вариант №9)

Таблица 2 - Нагрузка цехов дома связи (ЛАЦ – вариант № 10; АТС, телеграфные станции – вариант № 9, 10)

Таблица 3 - Дополнительные нагрузки (вариант №12)

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Характеристика электроснабжения приведена в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристика электроснабжения

Электроприемники 1-й категории надежности электроснабжения – электроприемники, перерыв энергоснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса и т.п. (устройства связи и автоматики, сети гарантированного освещения и др.). Эти электроприемники должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Из состава электроприемников 1-й категории выделена особая группа электроприемников, электроснабжение которых требует еще большей надежности для предотвращения угрозы жизни людей (дома связи, обслуживаемые усилительные пункты и т.д.). Для их энергоснабжения должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания. В исходном задании дано только 2 источника питания, следовательно, необходимо выбрать третий источник для электроснабжения приемников особой группы. В качестве него выбран дизель-генераторный агрегат.

ДАННЫЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ ЭПУ

Намеченные данные разрабатываемой ЭПУ приведены в таблице 5.

Таблица 5 – данные разрабатываемой ЭПУ

НАЗНАЧЕНИЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Аккумуляторные батареи в ЭПУ домов связи выполняют следующие функции:

Являются источником резервного питания наиболее ответственной аппаратуры дома связи при отключении источников переменного тока.

Обеспечивают безобрывность цепей питания при переключении фидеров питания и запуска ДГА.

Обеспечивают дополнительное сглаживание пульсации напряжения на выходе выпрямителей.

Ранее в аккумуляторных батареях использовались кислотно-свинцовые аккумуляторы открытого тапа С, имеющие наибольшее количество градаций номинальных емкостей.

В настоящее время широкое применение находят аккумуляторы нового поколения, малоуходные и герметизированные.

Аккумуляторные батареи в большинстве случаев состоят из двух групп. Это повышает надежность ЭПУ, так как при отключении одной группы батареи для профилактики вторая остается подключенной к ЭПУ и обеспечивает резервирование электроснабжения. Запас емкости аккумуляторных батарей в узлах связи должен обеспечивать (при аварии в сети) электропитание аппаратуры связи в часы наибольшей нагрузки, цепей аварийного и эвакуационного освещения и устройств пожарной сигнализации в основном в течении 2-х часов.

ВЫБОР СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ЭПУ-24

На рис. 1 приведена структурная схема ЭПУ-24 на номинальное напряжение 24 В и ток нагрузки от 40 до 500 А, а также показано токопрохождение линиями различных цветов и формы (нормальный режим: ток нагрузки – зеленый, ток подзаряда – зеленый пунктир; аварийный режим: ток нагрузки – красный; послеаварийный режим: ток нагрузки – синий, ток заряда – коричневый разной формы для ОЭ-ДЭ, ОЭ, ДЭ).

Рис. 1 – Функциональная схема ЭПУ-24 с АКАБ-24/500-2

2.2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЭПУ

Структурная схема системы бесперебойного электропитания постоянного тока представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Структурная схема системы бесперебойного электропитания

Основным элементом ЭПУ является выпрямительный модуль, обеспечивающий питание нагрузки постоянным током, а также подзаряд и заряд аккумуляторной батареи. Каждый выпрямительный модуль имеет встроенное устройство контроля и управления. Количество выпрямительных модулей зависит от типа стойки и требуемой мощности (тока) для питания нагрузки.

Конверторы (DC/DC- преобразователи) предназначены для электропитания потребителей с малым допуском входного напряжения или с другим номиналом, инверторы (DC/AC-преобразователи) – для обеспечения бесперебойного электропитания потребителей переменного тока.

Защита в различных цепях обеспечивается предохранителями (ПР) или автоматическими выключателями.

Аккумуляторная батарея (АБ) входит в комплект устройств электропитания и используется в качестве резервного источника при пропадании напряжения сети. Аккумуляторы могут устанавливаться в шкафу с выпрямителями или размещаться в стеллажах.

Аккумуляторные батареи защищены от глубокого разряда. Контактор К1 предназначен для отключения аккумуляторной батареи от нагрузки при ее разряде до минимально допустимой величины (обычно 1, 8 В/Эл) и управляется от модуля контроля и управления.

Шунты Ш1 и Ш2 используются для измерения тока нагрузки и аккумуляторной батареи соответственно. Разъединители Р1 и Р2 позволяют отключить АБ для проведения профилактических работ.

Модуль контроля и управления (МКУ) в устройствах различных фирм-производителей отличается набором функциональных возможностей. Режим работы, основные данные о работе ЭПУ (ток, напряжение нагрузки и др.) контролируются, измеряются и индицируются на мологабаритном жидкокристаллическом (ЖКИ) дисплее.

В нормальном режиме аппаратура получает питание от выпрямителей В1…ВN, одновременно осуществляется подзаряд групп аккумуляторной батареи АБ1…АБN.

В случае пропадания напряжения в сети аппаратура начинает получать питание от аккумуляторной батареи АБ1…АБN. В процессе разряда напряжение батареи относительно быстро с 2, 23 В/Эл понизится до типового значения в 1, 9..2, 0 В/Эл. Напряжение 1, 9В/Эл является наиболее близким к среднему значению и принимается за среднее напряжение разряда Uср при расчетах. Время резервного питания от батареи в основном зависит от величины тока разряда, поэтому необходимо знать ток и конечное напряжение разряда.

При восстановлении напряжения в сети выпрямителей В1…ВN на начальном этапе включаются в режим стабилизации тока, обеспечивая питание нагрузки и заряд батарей.

РАСЧЕТ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

В аварийном режиме питание нагрузки и аварийных потребителей обеспечивается от аккумуляторной батареи, расчет которой заключается в определении номинальной расчетной емкости и выборе типа аккумулятора и их количества.

Аварийный ток складывается из тока, необходимого для питания аппаратуры связи Iн (тока нагрузки), и токов аварийных потребителей Iап (в среднем 3% от тока нагрузки). В данном случае,

Iав = Iн + Iап = 197 + (197·0, 03) = 202, 91 А (1)

Номинальная расчетная емкость аккумуляторов определяется по основной расчетной формуле:

, А·ч, (2)

где - аварийный ток, А;

tр – время разряда аккумуляторной батареи, ч (2 ч);

P – коэффициент интенсивности разряда, определяется по графику (рис.3);

α – температурный коэффициент емкости, 1/°С (для кислотных аккумуляторов α = 0, 008);

t – минимальная температура электролита, °С (+15);

T – температура, для которой задана номинальная емкость, °С (+20);

nг – число групп АБ.

Рис. 3 – График определения коэффициента интенсивности разряда

Для ЭПУ-24

Снр = 74, 27 А·ч, по таблице технических данных аккумуляторов был выбран аккумулятор типа А412/90 А.

Для ЭПУ-48

Снр = 129, 8 А·ч, по полученной номинальной емкости был выбран аккумулятор типа А406/165 А.

Для ЭПУ-60

Снр = 113, 78 А·ч, по полученной номинальной емкости был выбран аккумулятор типа А412/120 А.

Таблица 6 – Технические характеристики аккумуляторов

Количество аккумуляторов принимают в соответствии с градацией номинального напряжения и среднего напряжения разряда кислотных аккумуляторов:

для ЭПУ-24 Nэл = 12;

для ЭПУ-48 Nэл = 24;

для ЭПУ-60 Nэл = 30;

Аккумуляторы выполнены в виде моноблоков на 12 В.

ВЫБОР ЭЛЕКТРОПИТАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ

Наибольшая нагрузка на выпрямительные модули создается в послеаварийном режиме, когда необходимо питать нагрузку и заряжать аккумуляторы. Следовательно, общий выходной ток выпрямителей складывается из тока нагрузки (Iн) и тока заряда батарей (Iз):

Ic = Iн + Iз, А (3)

Для герметизированных аккумуляторов наилучшим режимом заряда является режим непрерывного подзаряда, т.е. аккумуляторы заряжаются при стабилизации напряжения. От величины зарядного тока зависит время заряда аккумуляторов:

, ч, (4)

где – коэффициент отдачи по емкости для кислотных аккумуляторов (= Cp/Cз = 0, 84);

С10 – номинальная емкость выбранного аккумулятора, А·ч;

Iз – диапазон зарядных токов для герметизированных аккумуляторов рекомендуется выбирать в пределах Iз = 0, 1…0, 3 С10.

Для ЭПУ-24:

Iз = 0, 2· С10 = 0, 2·90 = 18 А

Ic = 45 + 18 = 63 А

tз = 11, 9 ч

Для ЭПУ-48:

Iз = 0, 2· С10 = 0, 2·165 = 33 А

Ic = 81 + 33 = 114 А

tз = 11, 9 ч

Для ЭПУ-60:

Iз = 0, 2· С10 = 0, 2·120 = 24 А

Ic = 71 + 24 = 95 А

tз = 11, 9 ч

На основании общего тока системы Iс и номинального напряжения были выбраны типы ЭПУ:

- для номинального напряжения U=24 В выбрана установка УЭПС-2 24/120-44-1;

- для номинального напряжения U=48 В выбрана установка УЭПС-2 48-140-44;

- для номинального напряжения U=60 В выбрана установка УЭПС-2 60/200-44.

Количество выпрямительных модулей рассчитываются по формуле:

(5)

Для ЭПУ-24 = 2, 15 = 3 шт.

Для повышения надежности ЭПУ предусматривают резервирование (nв + 1). Следовательно, полный комплект выпрямительных модулей равен:

Nв = nв + 1 = 3 + 1 = 4 шт.

Для ЭПУ-48 = 1, 9 = 2 шт.

Для повышения надежности ЭПУ предусматривают резервирование (nв + 1). Следовательно, полный комплект выпрямительных модулей равен:

Nв = nв + 1 = 2 + 1 = 3 шт.

Для ЭПУ-60 количество выпрямительных модулей равно:

= 1, 9 = 2 шт.

Полный комплект:

Nв = nв + 1 = 2 + 1 = 3 шт.

Таблица 7 – Технические данные электропитающих установок

РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ ЖИЛ КАБЕЛЯ

В электропитающих установках неизбежны потери напряжения на отдельных участках цепей питания. Наиболее тяжелый момент наступает в конце аварийного режима, когда аккумуляторная батарея полностью разряжена до напряжения Uбmin и должна быть отключена.

Если питаемая аппаратура еще работает и позволяет уменьшать напряжение до Uнmin, то разницу напряжений можно использовать как норму для общего падения напряжения на участке аккумуляторная батарея – питаемая аппаратура.

РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ ЖИЛ КАБЕЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ БАТАРЕЙ

На рис. 4 приведены нормы падения напряжения на отдельных участках ЭПУ.

Рис. 4 – Нормы падения напряжения на отдельных участках ЭПУ

Для ЭПУ-24:

Минимально допустимое напряжение на аккумуляторной батарее:

Uбmin = Uкр*Nэл = 1, 8*12 = 21, 6 В (7)

Минимально допустимое напряжение на аппаратуре связи согласно техническим требованиям

Uнmin = 18, 9 В

Общее допустимое падение напряжения на элементах ЭПУ-24

∆U = 2, 7 В (8)

Минимальное сечение жил батарейного кабеля рассчитывается для каждой группы на ток полной нагрузки на случай отключения других групп

, (9)

где L – длина кабеля;

Ic – максимальный ток в кабеле( в послеаварийном режиме), А;

удельное сопротивление материала жил кабеля; медь - =0, 0175 (Ом·мм2/м); алюминий – =0, 0294( Ом·мм2/м) при 20°С;

U – допустимое падение напряжения на кабеле, равное 0, 5 В.

По расчетам минимального сечения жил кабеля и после проверки на допустимую токовую нагрузку был выбран кабель с сечением 16 мм2.

Для ЭПУ-48:

По расчетам выбираем кабеля с сечением 35мм2.

Для ЭПУ-60:

По расчетам выбираем кабеля с сечением 16мм2.

РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ ЖИЛ КАБЕЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗОК

Производится аналогичный расчет с учетом максимального падения напряжения не более 0, 9 В.

Для ЭПУ-24 (ЛАЦ):

Выбираем кабель с сечением 25 мм2.

Для ЭПУ-48:

Выбираем кабель с сечением 25 мм2.

Для ЭПУ-60:

Был выбран кабель с сечением 25 мм2.

Таблица 9 – Данные для кабелей подключения батарей и нагрузок

ВЫБОР ИБП И УСТРОЙСТВА ВВОДА И КОММУТАЦИИ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

6.1 ВЫБОР ИБП

ИБП выбирается на основании активной(полной) мощности потребляемой нагрузкой переменного тока:

PИБП = I~·220 Вт, (10)

где I~ - ток питания аппаратуры и вычислительной техники в различных цехах.

PИБП = I~·220 = 28·220 = 6160 Вт.

Таблица 10 – Технические данные ИБП

МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭПУ В ПОСЛЕАВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ

Следует учесть, что наибольшая мощность потребляется при послеаварийном режиме, когда необходимо обеспечить питание аппаратуры и заряд аккумуляторных батарей. Мощность, потребляемая от выпрямителей в данном режиме, будет определяться выражением:

P = Ucз·Ic, кВт, (11)

где Ucз = 2, 33·Nэл

Активная и реактивная мощности, потребляемые отдельными устройствами от источников внешнего электроснабжения, определяется по формулам:

(12)

(13)

где P – мощность, необходимая для работы данной аппаратуры, кВт,

- КПД установки( выпрямителя, преобразователя и др.)

– коэффициент мощности установки.

Для ЭПУ-24

P = Ucз·Ic = 2, 33·12·63 = 1, 7 кВт

Рэпу-24 = 1, 7/0, 9 = 1, 9 кВт

Qэпу-24 = 1, 9*0, 2 = 380 Вт

Для ЭПУ-48

P = Ucз·Ic = 2, 33·24·114 = 6, 4 кВт

Рэпу-48 = 6, 4/0, 92 = 7, 1 кВт

Qэпу-48 = 4, 05 кВт

Для ЭПУ-60

P = 2, 33·30·95 = 6, 7 кВт

Рэпу-60 = 6, 7/0, 9 = 7, 4 кВт

Qэпу-60 = 4, 2 кВт

ОБЩАЯ АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЯЕМЫЕ ЭПУ ДОМА СВЯЗИ

Общая активная и реактивная мощности, потребляемые ЭПУ дома связи от внешних источников электроснабжения (с учетом коэффициента одновременности) определяется из выражения:

Pобщ = P∑ЭПУ + PИБП + Pго·k1 + Pно·k2 + Pсо·k3, кВт, (14)

где Pго, Pно, Pсо – мощности соответственно гарантированного и негарантированного освещения и силового оборудования;

k – коэффициент одновременности (обычно=0, 5-0, 7), пи расчете мощности, потребляемой дополнительными устройствами, учитывает неодновременность включения нагрузок данного типа;

P∑ЭПУ – суммарная активная мощность, потребляемая всеми ЭПУ.

Pсо = Sсо·= 50·0, 75 = 37, 5 кВт, (15)

где Sсо – полная мощность, потребляемая силовым оборудованием.

Pго = Sго·= 12·0, 75 = 9 кВт;

Pно = Sно· = 35·0, 75 = 26, 3 кВт;

Pобщ = 16, 4 + 6, 2 + 37, 5·0, 7 + 9·0, 7 +26, 3·0, 66 = 72, 5 кВт

Qобщ = Q∑ЭПУ + Qсо·k3, квар.,

где Q∑ЭПУ – суммарная реактивная мощность, потребляемая всеми ЭПУ.

Qсо = (502 – 37, 52)^(1/2) = 33, 1 кВт

Qобщ = 8, 6+ 33, 1·0, 66 = 30, 5 кВт

ПОЛНАЯ МОЩНОСТЬ

Полная мощность, потребляемая от внешних источников электропитания будет определяться с помощью выражения:

(16)

S = (72, 52 + 30, 52)^(1/2) = 78, 7 кВА

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ЭПУ ДОМА СВЯЗИ

Коэффициент мощности ЭПУ дома связи рассчитывается по формуле:

= Робщ/S (17)

= 72, 5/78, 7 = 0, 92

Полученные величины S(кВА) и представляют организациям внешнего электроснабжения для учета нагрузки и оплаты электроэнергии.

ВЕЛИЧИНА ПОЛНОГО ТОКА

Величина полного тока определяется по формуле:

Iп = S*10^3/U (18)

Iп = 78700/220 = 357 А

Iп-3ф = 78700/658, 1 = 119, 5 А

где U – номинальное напряжение питающей сети, В.

Для трехфазной системы соединения звездой при равномерной загрузке фаз:

U = Uл·,

где Uл – линейное напряжение, равное 380 В.

Величину используют для выбора устройств коммутации переменного тока. Для проектируемой ЭПУ выбираем шкафы вводные распределительные(ШВР) переменного тока Юрьев-Польского завода. ШВР должны иметь следующие функциональные возможности:

- номинальное напряжение – 220/380 в;

- число внешних источников – три (два фидера, третий – ДГА);

- число выходов – два (гарантированное снабжение и негарантированное, отключаемое при запуске ДГА);

- приоритет подключения нагрузок к первому (основному) внешнему источнику как более надежному;

- отдельная регулировка верхнего и нижнего порогов срабатывания по каждому входу;

- регулировка времени задержки подключения к первому источнику тока при восстановлении напряжения после аварии, для защиты от переходных процессов в сети;

- защита от коротких замыканий;

- блокировка подключения нагрузки к двум источникам тока одновременно;

- отключение негарантированных нагрузок при запуске ДГА;

- возможность ручного переключения внешних источников питания.

По расчетному значения полного тока из существующих номиналов выбираем подходящий: 400 А, 125 А.

Таблица 11 – Данные по расчету мощности

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЗЕРВНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Во время аварии источников внешнего электроснабжения основные устройства дома связи обеспечивает питанием местная резервная электростанция. В качестве резервной электростанции выбрана дизель-генераторная автоматизированная установка(ДГА).

ДГА должны обеспечивать электроэнергией следующие устройства:

-вся аппаратуру связи, питаемую постоянным и переменным током;

-сеть гарантированного освещения;

-устройства вентиляции аккумуляторных помещений;

- собственные нужды электростанции( освещение, отопление, вентиляцию).

Часть потребителей во время аварии источников внешнего электроснабжения отключаются. К таким устройствам относятся приборы негарантированного освещения и силовое оборудование.

На основании общей мощности

PДГА расч = Pобщ – Pно – Pсо, кВт, (19)

выбирается ДГА.

PДГА расч = 72, 5 – 26, 3 – 37, 5 = 8, 7 кВт.

Степень загрузки ДГА определяется по формуле:

Kз = PДГА расч/ PДГА (20)

Kз = 8, 7/10 = 0.87

ДГА запускается автоматически при пропадании напряжения на фидерах питания.

Через 25-30 секунд после отключения фидеров ДГА принимает нагрузку. При появлении напряжения в одном из фидеров ДГА автоматически отключается и останавливается.

Таблица 12 – Технические данные ДГА фирмы «F.G.Wilson»

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭПУ

Структурная схема проектируемой ЭПУ представлена на рис. 5.

Рис. 5 – Общая структурная схема ЭПУ дома связи

СМЕТНО- ФИНАНСОВЫЙ РАСЧЕТ

В данном разделе определяется размер денежных средств, необходимых для осуществления проекта.

Таблица 13 – Спецификация аппаратуры дома связи

Заключение

В данной курсовой работе была спроектирована электропитающая установка для дома связи в соответствии с техническими требованиями для нормальной работы аппаратуры связи. Был выбран рациональный вариант электропитающей установки (ЭПУ) для дома связи и рассчитаны ее составные элементы: выпрямительные и преобразовательные устройства, аккумуляторные батареи, стабилизаторы напряжения и тока, устройства ввода и коммутации цепей переменного тока, источники бесперебойного питания. Эти установки обеспечивают надежное питание аппаратуры автоматики и связи напряжением необходимой стабильности с допустимой амплитудой пульсации, экономичны, обладают достаточно высокими КПД и коэффициентами мощности, максимально автоматизированы.

Список литературы

Сапожников Вл.В. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. – Маршрут, 2005.

Казакевич Е.В., Багуц В.П., Ковалев Н.П. Учебное пособие «Проектирование электропитающей установки дома связи». – ПГУПС, 2008.

Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов А.М. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. – Транспорт, 1991.