UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI  

FACULTATEA ENERGETICA

PROIECT

INSTALATII DE JOASA

TENSIUNE

1. Calculul de dimensionare al unei instalatii electrice de joasa

tensiune.

Retelele electrice de joasa tensiune realizeaza legatura la tabloul general de distributie de joasa tensiune pana la receptoarele de forta sau de lumina.Prima treapta a retelelor de joasa tensiune cuprinde alimentarea tablourilor de distributie,iar a doua treapta cuprinde alimentarea receptoa- relor de la tablouri prin circuite.

Schema retelei de distributie va fi radiala alimentand fiecare circuit printr-o linie separata.Acest tip de schema a fost ales avand in vedere tipul consumatorului ale carui receptoare sunt dispersate pe o suprafata relativ intinsa,tabloul de distributie fiind amplasat in centrul de sarcina al grupului de receptoare.

In cazul de fata este reprezentat printr-un atelier mecanic de intre-

tinere care este dotat cu utilajele prezentate in tabloul de mai jos:

Tabel nr.

Dimensiunile atelierului : L=18m , l=18m , H=3.5m

Instalatia electrica este : 3x2220/230V

Masinile rotative sunt motoare asincrone cu tensiune trifazica.

2.1 Determinarea coordonatelor centrului de sarcina al consumatorului.

Tabloul de distributie se face in functie de distributia sarcinilor pe te-

ritoriul consumatorului.Coordonatele centrului de sarcina al consumato- rului se determina dupa legea momentelor statice,cunoscuta din mecanica ,unde fortele se inlocuiesc cu sarcinile electrice.

;

Puterea electrica ceruta se determina cu relatia : P_c= k_c P_n/nm [Kw]

pentru care puterile cerute corespunzatoare utilajelor se prezinta in tabelul

urmator :

Tabel nr. 2 :

In urma calculului numeric avem x_o=11.36m ; y_o=9.58m

Pozitionarea tabloului de distributie va fi indicat la punctul 2.4. cand va fi necesara determinarea lungimii cablurilor receptoarelor.

2.2. Calculul puterii cerute si al factorului de putere cerut.

Avand in vedere specificul consumatorului se adopta metoda coefici-

entului de cerere, rezultatele calculelor fiind grupate in urmatorul tabel :

Tabel nr. 3 :

Cu acesti parametri sau caracteristici s-au calculat principalii parametri ai instalatiei electrice analizate :

puterea instalata centrala a atelierului P_I=42.404 KW

puterea activa ceruta   P_c=13.52 KW

coeficientul global de cerere k_c= P_c / P_I = 0.318

puterea reactiva ceruta   Q_c = 15.02 Kvar

- factorul de putere cerut (natural) φ =

Metoda coeficientilor de cerere a fost folosita datorita numarului relativ mare de receptori la care functionalitatea simultana a receptoarelor este scazuta, coeficientii de cerere si factori de putere ceruti avand valori relativ scazute.

2.3. Calculul curentilor ceruti de receptoare pe circuitul propriu de alimentare si pe coloana tabloului de distributie .

Curentii ceruti de receptoare sunt curenti nominali avand valorile din tabelul 1 si care s-au calculat cu ajutorul relatiei :

[A] unde :

C_i - coeficient de incarcare al motorului electric sau al receptorului rotativ si se defineste ca fiind raportul dintre puterea ceruta si puterea instalata P_n a receptoarelor in functiune simultana ( C_I = 0.97-0.99 )

U₁ - tensiunea fazica a retelei de alimentare sau tensiunea de linie = 380V

Curentul cerut pe coloana tabloului de distributie se poate calcula direct din puterea ceruta si factorul de putere stabilite la punctul anterior.

- curentul ce tine seama ca toate angrenajele nu functioneaza simultan.

Pentru curentul absorbit in cazul functionarii simultane a tuturor angrenajelor avem :

Acest curent se poate calcula si indirect insemnand valoarea curentilor ceruti la un moment dat de fiecare receptor.

.4 Dimensionarea sectiunilor conductoarelor circuitului de alimentare ale receptoarelor.

:temperatura mediului inconjurator, tipul conductorului, capacitatea de transfer a caldurii catre exterior, modul de amplasare al cablurilor, numa- rul de cabluri pozate, distanta intre ele si altele. La functionarea instalatiei

in conditii reale de functionare ( temperatura reala a mediului , mai multe conducte alaturate in functiune simultana cu regim de functionare continuu) se introduc coeficienti de corectie asa incat curentul admisibil de calcul care se foloseste in calcul va fi:

I_c=

K₁,k₂, .,k_n -coeficienti ce tin seama de conditiile enumerate

I_ma =akI_ma

a = 0.375/ -coeficient de corectie la regim de functionare intermi-

tenta ce se aplica pentru S>10mm² sau S>16mm² Al (a=1) in cazul nostru.

k - coeficient ce tine seama de tipul conductei.

Pentru cazul de fata cu cabluri pozate in sapatura aceasta are valoarea produsului coeficienti :

- k₁ = 0.56 pentru cabluri pozate alaturate in acelasi sant ;

- k₂ = 1 pentru temperaturi maxime pe timpul verii la adancimea la care se pozeaza cablurile ;

- k₃ = 1 pentru tipul terenului nisipos .

Sectiunile conductoarelor se aleg sau se verifica pe baza curen-

tului cerut I_c si a curentului maxim admisibil de calcul I_ma>I_c.

Relatia de calcul pentru curentul maxim admisibil va fi deci :

I_c > [A]

Valoarea in functie de care se alege si sectiunea conductoarelor.

Rezultatele se gasesc in tabelul 4.

B.   Verificarea sectiunii la stabilitate termica in regim de scurta durata la pornirea motoarelor.

Curentul de pornire al unui motor electric este un multiplu al curentului nominal si depinde de tipul motorului electric si de modalitatea lui de pornire :

- motoarele asincrone care constituie in general elementul motor al agre-

gatelor mecanice folosite in atelierele mecanice cu : λ = I_pa/I_h =5.5 ÷ 7.5.

Pornirea motoarelor de acest gen produce caderi mari de tensiune pe re-

teaua de alimentare si socuri dinamice in elementele de transmisie meca-

nica. Pentru reducerea curentilor de pornire in limitele posibile daca gru-

pa de conexiune nominala a motorului este, atunci pornirea se poate reali-

za prin trecerea prin conexiunea Y si apoi dupa un anumit timp se trece prin conexiunea D cand cuplul mecanic creste de trei ori :

C_D = C_Y ; U = ct.

Schema electrica manuala : 3×380 220

Motoarele de curent continuu se pornesc in mod obligatoriu cu ajuto-

rul reostatelor cu mai multe trepte de pornire. Pentru motoarele cu excita-tie independenta, excitatia independenta va fi inseriata cu un reostat, aces-

ta va fi cuplat la treapta minima incat curentul prin excitatie I_ex < I_{max ex}

iar reostatul va fi cuplat la priza pentru care rezistenta este mare pentru infasurarea rotorica: I_p / I_a = 1.3

Curentii de pornire ai motoarelor electrice produc o incalzire supli-

Mentara de scurta durata a conductoarelor electrice. Pentru a nu se depasi o anumita temperatura limita de 200 C pentru Al si considerand durata de pornire a acestora mai mica de 40s se limiteaza densitatea de curent prin conductoare la valoarea admisibila :

J_pad = 20A / mm² pt. Al

Verificarea sectiunii conductoarelor la pornire consta in calculul densitatii de curent real la pornire, care trebuie sa fie inferioara valorilor

admisibile : J_R = I_p / S < J_adm A / mm²

In cazul in care nu se indeplinesc conditiile se majoreaza sectiu-

nile conductorului pana cand se indeplineste conditia de densitate admisi-

bila.

Rezultatele calculelor efectuate pana aici :

C.Verificarea sectiunii la pierderea de tensiune.

Reteaua electrica de distribuire la consumator , parcursa de curent , se caracterizeaza de o impedanta Z , continand rezistenta R si o reactanta inductiva X datorita careia valorile tensiunilor in retea sunt dife-

rite in scadere de la punctul de delimitare spre receptoare.

Pierderea de tensiune pe linie DV se defineste prin marimea :

DV₀ DV_0a + DV_0r = R I_a X_x I_r

DU = = P (2R 2X) / U_n² V

Q = P tg f_n = P KVAR

R = r_o*L W

X = x₀* L W

Pentru circuitele trifazate simetrice nu avem cadere pe conductorul de nul deoarece punctul neutru este dat de suma curentilor I₁+I₂+I₃ = 0

Pe cele 7 circuite de alimentare pierderile de tensiune sunt mai mici decat DU = 5%.

D. Verificarea sectiunii in conditii de rezistenta mecanica

Asigurarea unei anumite rezistente mecanice a conductoarelor in timpul montajului si al exploatarii impune adaptarea unei sectiuni minime admise in functie de destinatia cablurilor. In cazul nostru pentru conducto

arele de aluminiu folosite in circuite de forta si iluminat fixe, sectiunea minima a conductorului are valoarea:

S_ma = 2.5 mm²

Dupa cum se vede, in urma calculelor anterioare, pentru care sec-

tiunea aleasa verifica conditia de stabilitate termica, sunt mai mari decat S_ma.

E. Verificarea sectiunii conductorului la stabilitatea termica si dinamica la scurtcircuit.

In instalatiile de joasa tensiune se poate folosi o metoda simplifi-

cata de verificare, considerandu-se indeplinita stabilitatea termica a con-

ductoarelor daca sectiunea verifica relatia:

S ³ I_sc t_sc/ c unde

I_sc = = A

Unde U este tensiunea sursei de alimentare U = 380V

Iar impedanta de scurtcircuit Z_sca circuitului de alimentare este determi-

nata de rezistenta totala si de reactanta inductiva totala X_sc de la punctul de alimentare cu energie electrica a retelei pana la locul defectului.

Si t_sc s - timpul de intrerupere al circuitului ; c - coeficient ce depinde de tipul si materialul conductoarelor.

Calculul curentilor de scurtcircuit se face in diferite puncze ale re-

telei in acre se verifica sau se dimensioneaza elementele componente.

Verificarea sectiunii la stabilitate dinamica se face doar pentru bare, calculand efortul unitar de incercare T_ef care trebuie sa fie mai mic decat cel admisibil : s_ef < s_adm

2.5 Stabilirea sectiunii economice pentru conductoarele coloanei de alimentare a tabloului de distributie.

In reteaua de distribuire de curent alternativ se defineste sectiunea economica ca acea sectiune a conductorului activ pentru care se obtine regim de functionare optim economic ce conduce la cheltuieli totale minime pentru reteaua respectiva. In proiectarea retelei de distributie, sectiunea economica de calcul pentru conductoarele coloanei de alimentare a tabloului de alimentare si distributie se face cu relatia :

S_ec ^c = mm²

I_max este curentul cerut pe coloana tabloului de distributie ;

k_c = 1 este coeficient de corectie functie de tona de combustibil marginal normat la momentul proiectarii ;

J_ec = 0.41 A/mm² este densitatea economica de curent, pentru linii elec-

trice cu conductoare din Al cu PVC la un timp al utilizarii, al puterii ma-

xime considerat T=4000 h/an.

In urma calculelor facute si inlocuirea cu valorile numerice se obtine valoarea : S_ec = 88.5mm².

Valoarea calculata este mai mica decat cea aleasa, valoarea maxima pentru care se construiesc astfel de cabluri : S_max = 200mm²

2.6 Alegerea sigurantelor fuzibile pentru protectia circuitelor.

Siguranta fuzibila este un element electric de protectie care intra in constructia si exploatarea aparatelor electrice, care intrerupe circuitul in care ea este inseriata , atunci cand curentul electric depaseste un anumit timp, o valoare data prin topirea unuia sau mai multor elemente ale sigu-

rantei fuzibile , la trecerea unui curent electric mai mare decat cel prescris de siguranta.

Alegerea sigurantelor fuzibile consta in determinarea curentului nominal al elementului fuzibil si stabilirea curentului nominal al socului corespunzator, din datele de catalog.

Curentul nominal al elementului fuzibil rezulta din indeplinirea simultana a urmatoarelor conditii :

conditia de nefunctionalitate in regim normal de functionare al insta-

latiei electrice la sarcina de calcul :

³ I_c

- conditia de asigurare a protectiei conductoarelor retelei electrice la scurtcircuit :

I_nf £ 3I_ma , I_ma =ak₁k₂k₃I_ma

conditia de nefunctionare la curentii de varf (de pornire a motoarelor ) :

I_nf ³ I_p/c unde c=2.5 ,pentru porniri usoare, durata pornirii fiind mai mica de 4s.

In urma calculelor efectuate s-au trecut rezultatele in tabel :

Tabel nr. 6 :

2.7Alegerea si reglarea contactelor cu relee termice pentru protectia motoarelor electrice ale masinilor unelte.

Contactoarele cu relee termice sunt aparate de comutatie si protec-

tie capabile sa inchida , sa suporte si sa intrerupa curentii de serviciu si de suprasarcina.

Contactorul asigura conditii ceruta de o anumita categorie de utilizare. Bobina contactorului face ca sa inchida sau sa deschida circuitul de alimentare al consumatorului atunci cand tensiunea scade sub 0.7U_n , indeplinind functia unui releu de protectie la tensiune scazuta sub cea normala.

Releele termice sunt elemente bimetalice care la trecerea curentu-

lui electric prin elementul bimetalic fac ca acesta sa-si paraseasca starea netensionata si sa actioneze asupra unui contact reglabil. Acest curent poate sa fie chiar curentul ce trebuie protejat.

Releele termice pot fi reglate sa actioneze la deschiderea anumitor curenti de durata intr-o anumita gama de descrisa de fabricant. Reglarea se poate face printr-un buton de reglare. Curentul de reglaj I_z este curentul fata de care se evalueaza suprasarcina din circuit si pentru contactoarele cu relee termice este : I_z =k₀(0.67 1)I_n   k₀ = 1 pentru temperaturi ale mediului ambiant intre +10ºC-35ºC,iar I_r este curentul releelor termice , curentul nominal al elementelor de protectie, inferior sau egal curentului nominal al aparatului : I_r £ I_n

Alegerea si reglarea contactoarelor cu relee termice consta in stabilirea curentului releelor termice I_r, a curentului de reglaj I_z care se alege egal cu curentul nominal al motorului protejat : I_z =I_n motor.

Curentii de scurtcircuit ce pot apare in punctele de amplasare a contactoarelor cu relee termice depasesc limite de stabilitate termica ale contactoarelor, astfel ca acestea s-ar distruge mai inainte de a reusi sa dea comanda de intrerupere a circuitului si de aceea in acest caz se necesita ca releele termice sa fie asociate cu sigurante fuzibile, care sa asigure protec-

tia de scurtcircuit , atat a circuitului electric cat si a contactorului respec-

tiv.

In cadrul acestui proiect de instalatie electrica se vor echipa cu contactoare cu relee termice numai acele receptoare care nu le au in schema proprie. Curentii nominali ai contactoarelor cu relee termice I_n si ai releelor termice I_r obtinuti in urma calculelor sunt trecuti in tabel :

Tabel nr. 7 :

2.8 Dimensionarea din punct de vedere fotometric al instalatiei de iluminat.

Iluminatul influenteaza in mod direct activitatea de productie si in acest sens sunt necesare asigurarea conditiilor optime de desfasurare a acesteia. Un iluminat de calitate permite ochiului o activitate de lunga durata, fara sa produca o oboseala a vederii , facand posibila obtinerea unei productivitati ridicate, reducerea rebuturilor , mentinerea capacitatii de munca.

Iluminarea locurilor de munca se face cu lampi electrice , montate in corpuri de iluminat, fluxul luminos emis de lampi fiind dirijat astfel incat sa se obtina efectele luminoase dorite.

Ansamblul corpurilor de iluminat - suprafata de lucru formeaza un sistem de iluminat. Datele necesare pentru dimensionarea sistemului de iluminat al atelierului mecanic sunt :

dimensiunile incaperii : L = 18m , l = 18m , H = 3.5m ;

inaltimea de suspendare : 2.5m ;

factorii de reflexie medii ai tavanului Q_t = 0.7 si ai peretilor Q_p = 0.5 ;

Nivelul de iluminare mediu pentru activitati ce se desfasoara in ateliere mecanice se considera E_med =101x. Se va adopta un sistem de iluminare general , direct , fluorescent realizat din corpuri de iluminat tip FIRA 01-240 echipate cu cate doua lampi fluorescente , realizat tip LFA 40/2.

Din catalogul de utilizare a corpului de iluminat ales se obtine coeficientul de utilizare U = 0.67 pentru un indice al incaperii

i = L l/n(L+l) =3.6.

Factorul de depreciere normat al incaperii industriale obisnuite , iluminatul cu lampi fluorescente este D = 1.5.

Fluxul luminos total al lampilor luminoase este :

F_ti = E_med S D/U = 108806/m.

Pentru o lampa LFA 40/2 este F_z = 2520/m .Se poate determina numarul de lampi necesare instalatiei noastre :

N_L = F_tL / F_L

Se alege un numar de 48 de lampi fluorescente intr-un punct P al suprafetei de lucru , aflat exact intr-un punct central al suprafetei delimitate de patru corpuri de iluminat asa cum se indica in figura de mai jos :

Se calculeaza intai iluminarea provenind de la un singur corp fluorescent , avand in vedere ca acesta are lungimea L = 1.2m.Problema aceasta se clasifica in categoria surselor de lumina liniare.

E_p = (sin2j j^rad

F fluxul luminos total emis de sursa de lumina liniara la lungimea L;

sin 2j = 2rL / (L² + r² ) ; j unghiul sub care se vede sursa de lumina din punctul P ;

r - distanta normala de la punctul P pe linia in prelungirea careia se afla sursa de lumina liniara ;In urma calculelor efectuate s-au obtinut urmatoarele rezultate :

(E_p)L₁ = 167.6 lx

  _{(Ep)L2 = 126.3 lx}

  _{(EP)Lc = 41.3 lx}

_{Iluminarea in punctul P datorata celor patru corpuri de iluminat va fi :}

  _{(Ep)Lc = 165.2 lx}

_{Valoarea este apropiata de valoarea medie calculata anterior.}

_{O parte importanta in utilizarea luminii realizate de lampile fluorescente este calitatea luminii determinata prin particularitatea pe care o dau aceste lampi - efectul stroboscopic.}

_{Pentru a aduce la calitati de utilizare buna, grupul celor doua lampi fluorescente vor fi in compensare , prin realizarea circuite-}

lor lampilor , una inductiv si cealalta capacitiv.

Z_B = R + jX_B   I₁ = I₂ = 0.43 Z_B=Z_C

Z_C = - I₁ =

C = cosj

2.9 Dimensionarea prizei de pamant pentru instalatia de protectie

Legarea la pamant consta in racordarea elementelor conductoare care pot intra accidental sub tensiune,datorita unui defect,la o priza de pamant avand o dispersie a rezistentei atat de mica incat in cazul unui defect sa se stabileasca un curent suficient de mare pentru a determina in scurt timp o protectie maximala de curent montata inaintea echipamentului respectiv.

Priza de pamant este formata din electrozi ingropati in pamant,legati conductiv intre ei prin conductoare de legatura.

Cand este realizata special pentru trecerea in pamant a curentului de defect este denumita artificial si se executa de electrozide otel de diferite profile,fiind pozati verticali sau orizontali . In cazul de fata se prevede ca masura de protectie la nul,de protectie suplimentara prin legarea la pamant ,astfel ca rezistenta de dispersie a instalatiei de legare la pamant este R_p 4W

Intrucat conductoarele de legare la pamantau o rezistenta aproxi-

Mativa R_e W , priza de pamant trebuie sa aiba o rezistenta de R_p £ W. Se considera rezistenta solului r = 200mW corespunzatoare unui sol nisipos.

Se adopta o priza artificiala formata din electrozi verticali din teava de otel zincat F ² de L = 2m ingropati la adancimea q = 0.7m. Rezistenta de dispersie a prizei singulare se determina cu relatia :

R_pv = 0.366lg=88.72 W

Se aproximeaza initial R_p = R_pv si se foloseste relatia : r_pv = R_p n_v:u_v .

In ipoteza U_v = 1 rezulta :

n_v = =25.3

Se alege n_v=26 electrozi verticali amplasati de jur imprejurul atelierului la o distanta maximala de 2.8m intre ei.In acest caz rezistenta de dispersie de pamant este R_pv = 3.5 W fiind deci inferioara celei prescrise de 3.5W

Schema radiala a retelei de alimentare care a fost dimensionata in cadrul acestei lucrari prezinta urmatoarele avantaje :

siguranta in alimentarea receptoarelor in sensul ca un defect de pe un circuit nu afecteaza restul retelei , deci functionarea celorlalte receptoare nu este afectata ;

elasticitatea retelei , extinderea ei pentru noi grupuri de receptoare se realizeaza cu usurinta prin coloane si tablouri de distributie supli-

mentare

Ca dezavantaje se mentioneaza investitii mari , consum ridicat de materi-

al conductor , numar mare de aparate in tablouri , dificultati in modifica-

rea retelei de cabluri la schimbarea amplasamentului uti

Legenda :

__________ cabluri montate in pardoseala

- - - - - - - instalatia nulului de protectie

O--------O priza de pamant.

Strung.

Polizor dublu.

Masina de gaurit.

Transformator de sudura.

Masina de bobinat.

Ghilotina.

Ventilator.

Tablou general de distributie a energiei.