Проектирование электропитающей установки дома связи

Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения 

Кафедра «Электрическая связь»

Курсовой проект

«Проектирование электропитающей установки дома связи»

Выполнила студентка

Проверил:

Санкт-Петербург

2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………………….2

1 Разработка технических данных ЭПУ……………………………………………………..3

1.1 Объект электропитания и требования к ЭПУ………………………………………-

1.2 Исходные данные для проектирования ЭПУ………………………………………4

            1.3 Надежность электроснабжения……………………………………………………..5

1.4 Данные разрабатываемой ЭПУ……………………………………………………...6

1.5 Назначение аккумуляторных батарей……………………………………………....7

2 Выбор системы бесперебойного питания постоянного тока……………………………8

2.1 Автоматизированная ЭПУ-24………………………………………………………-

2.2 Структурная схема проектируемой ЭПУ………………………………………….9

3 Расчет аккумуляторных батарей…………………………………………………………11

4 Выбор электропитающей установки……………………………………………………..13

5 Выбор преобразователей напряжения…………………………………………………...14

6 Расчет сечения жил кабелей……………………………………………………………….15

            6.1 Расчет сечения жил кабеля подключения батарей………………………………...-

6.2   Расчет сечения жил кабеля подключения нагрузок………………………………16

7 Выбор ИБП и устройства ввода и коммутации цепей переменного тока…………...17

7.1  Выбор ИБП…………………………………………………………………………..-

7.2  Мощность, потребляемая ЭПУ в послеаварийном режиме……………………..18

            7.3 Общая активная и реактивная мощности, потребляемые ЭПУ дома связи…....19

7.4   Полная мощность, потребляемая от внешних источников………………………-

7.5   Коэффициент мощности ЭПУ дома связи………………………………………..20

7.6   Величина полного тока……………………………………………………………...-

8 Проектирование резервной электростанции……………………………………………21

9 Разработка структурной схемы ЭПУ…………………………………………………….23

10 Сметно-финансовый расчет……………………………………………………………..24

Заключение…………………………………………………………………………………….25

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.

1        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:

1)      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;

2)      стационарные резервные электростанции (ДГА);

3)      устройства ввода и коммутации цепей переменного тока;

4)      сети электросилового оборудования и освещения;

5)      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.

1.2  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)

1.3  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.

1.4  ДАННЫЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ ЭПУ

Намеченные данные разрабатываемой ЭПУ приведены в таблице 5.

Таблица 5 – данные разрабатываемой ЭПУ

1.5  НАЗНАЧЕНИЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Аккумуляторные батареи в ЭПУ домов связи выполняют следующие функции:

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

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

3.      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.

2        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…В_N, одновременно осуществляется подзаряд групп аккумуляторной батареи АБ₁…АБ_N.

            В случае пропадания напряжения в сети аппаратура начинает получать питание от аккумуляторной батареи АБ₁…АБ_N. 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 U_ср 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…В_N на начальном этапе включаются в режим стабилизации тока, обеспечивая питание нагрузки и заряд батарей.

3        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 I_н (тока нагрузки), и токов аварийных потребителей I_ап (в среднем 3% от тока нагрузки). В данном случае,

I_ав = I_н + I_ап = 197 + (197·0,03) = 202,91 А   (1)

Номинальная расчетная емкость аккумуляторов определяется по основной расчетной формуле:

  , А·ч,              (2)

где  - аварийный ток, А;

t_р – 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);

n_{г –} число групп АБ.

Рис. 3 – График определения коэффициента интенсивности разряда

Для ЭПУ-24

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

Для ЭПУ-48

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

Для ЭПУ-60

С_нр = 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 N_эл = 12;

для ЭПУ-48 N_эл = 24;

для ЭПУ-60 N_эл = 30;

Аккумуляторы выполнены в виде моноблоков на 12 В.

4        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 (I_н) и тока заряда батарей (I_з):

I_c = I_н + I_з, 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 (= C_p/C_з = 0,84);

С₁₀ – номинальная емкость выбранного аккумулятора, А·ч;

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

 Для ЭПУ-24:

I_з = 0,2· С₁₀ = 0,2·90 = 18 А

I_c = 45 + 18 = 63 А

tз = 11,9 ч

Для ЭПУ-48:

 I_з = 0,2· С₁₀ = 0,2·165 = 33 А

I_c = 81 + 33 = 114 А

tз = 11,9 ч

Для ЭПУ-60:

 I_з = 0,2· С₁₀ = 0,2·120 = 24 А

I_c = 71 + 24 = 95 А

tз = 11,9 ч

На основании общего тока системы I_с 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 (n_в + 1). Следовательно, полный комплект выпрямительных модулей равен:

N_в = n_в + 1 = 3 + 1 = 4 шт.

Для ЭПУ-48  = 1,9 = 2 шт.

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

N_в = n_в + 1 = 2 + 1 = 3 шт.

Для ЭПУ-60 количество выпрямительных модулей равно:

 = 1,9 = 2 шт.

Полный комплект:

N_в = n_в + 1 = 2 + 1 = 3 шт.

Таблица 7 – Технические данные электропитающих установок

5        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 U_бmin и должна быть отключена.

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

6.1  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:

U_бmin = U_кр*N_эл = 1,8*12 = 21,6 В  (7)

         Минимально допустимое напряжение на аппаратуре связи согласно техническим требованиям

U_нmin = 18,9 В

          Общее допустимое падение напряжения на элементах ЭПУ-24