הפקולטהלהנדסה המחלקהלהנדסתחשמלואלקטרוניקה פרויקט גמר תכנוןמערכת אספקת חשמל למכון טיהור שפכים עירוני מוגש על ידי:
8
8
* ת.ז:8
**** מנחה הפרויקט:8
8
מנחה אקדמי: 8
8
*                                                        נובמבר 2013
תקציר הפרויקט עוסק בתכנון מערכת אספקת חשמל של מפעל לטיהור שפכים,ומסכם שנתיים של לימודי הסבה לזרם חזק באוניברסיטת אריאל בשומרון במחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה.
מטרת העבודה היא לתכנן מערכת אספקת חשמל החל במתח גבוה של 22kV המזין את המט"ש, ובמקביל הזנה מהגנרטור ב- 0.4kV הכוללת שנאים מעלים ומורידים את המתח ל – 0.4kV,22kV ,6.6kV, כבלים ומוליכים, פסי צבירה , ציוד הגנה , הזנות לעומסים וכו'.
במהלך הפרויקט נאסף חומר על העומסים במט"ש, חושבו ונבחרו:
ü          הספק השנאים המזינים את מערכת החשמל.
ü          קבלים לקיזוז הספק ראקטיבי.
ü          בחירת כבלי מתח גבוה.
ü          חישוב חתכים ומפלי מתח בכבלים. ü          חישוב זרמי קצר בנקודות נבחרות  .
ü          גודל פסי צבירה נדרשים במתח גבוה.
ü          בחירת ציוד למתח גבוה ונמוך.
ü          משנה מתח וזרם למדידה ולהגנה.
ü          בחירת הגנות.
ü          אמצעי הגנה בפני חשמול.
ü          תכנון הארקה למתקן.
ü          תכנון תאורת פנים.
תוכן עניינים :
1
מבוא –
7
2 מטרת הפרויקט ..
10
3 תיאור המתחם –
10
4 סכמה חשמלית …
13
5
תכנון מפורט -..
מנהל עסקים 5.1
חלוקה לקטגוריות –…
מנהל עסקים 5.2
הספקים של מט"ש –..
משפטים 5.3
מקדם חפיפת ערכי מקסימום –..
18
5.4
מקדם הספק של מט"ש –
19
6 בחירת ציוד לקיזוז הספק היגבי -..
20
6 .1
שיטות לקיזוז הספק היגבי .
20
6 .2
חישוב סוללת קבלים —
21

6 .3
פריקת מתח סוללת קבלים
22
7
בחירת שנאי מעלה 0.4/22kV -…
23
7.1
חישובי הספק לפי משטר עבודה -.
23
7.2
משטר עבודה תקין –..
24
7.3
משטר עבודה בחרום —
24
7.4
בחירת השנאי –

5 7.5
חישוב מקדם העמסה במשטר עבודה תקין ובחרום -…

5
8 תכנון שנאים וחישוב הפסדים —
26

8 .1
שנאי מעלה0.4/22kV (עבור גנראטור) -..
26

8 .2
חישובי הפסדים ..
26

8 .2.1
הפסדי הספק בשנאי במשטר עבודה תקין -..
27

8 .2.2
הפסדי הספק בשנאי במשטר חרום …
28

8 .3
הפסדי אנרגיה בשנאי    kV)0.4/22( –..
29

8 .4
בחירת שנאים  22/6.6 kV עבור משאבות ראשיות -.
30
8 .5
בחירת שנאים  22/0.4 kV עבור צרכני מתח נמוך בפסי צבירה A ו- B …
31
9
תכנון פרמטרי קו עילי  kV22, המוזן מחברת חשמל –
32
9.1
בחירת שטח חתך לקו עילי
32
9.2
מפל מתח בקו המזין את המכון —
33
1 0 בחירת שטח חתך לכבלי הזנה —
34

1 0.1
הצגת אורכי כבלים, חישובי אורכים
35
1 1
חישוב מפלי מתח מקסימאלי בכבלים
39
1 2
חישוב זרמי קצר
40
1 2.1
סוגי קצרים —
40
1 2.2
חישוב זרמי קצר בשיטת יחידות יחסיות  -..
41

1 2.3
חישובי קצר תלת פאזי בנקודה K1 ..
45

1 2.3.1
חישוב זרם קצר חד פאזי בנקודה –..
47

1 2.4
חישובי זרם קצר תלת פאזיים בנקודה …
48

1 2.4.1
חישוב זרם קצר חד פאזי בנקודה –..
50
1 2.5
חישוב זרם קצר תלת פאזי בנקודהעבור בחירת מפסק מקשר –…
50
1 2.6
חישוב זרם קצר תלת פאזי בנקודה -…
54

1 2.7
חישוב זרם קצר תלת פאזי בנקודה -…
55

1 2.8
חישוב זרם קצר תלת פאזי בנקודה -…
56

1 2.9
חישוב זרם קצר תלת פאזי בנקודה -…
59

1 2.9.1
חישוב זרם קצר דו פאזי בנקודה –..
61

1 2.10 סיכום תוצאות זרמי קצר …
61

1 2.11
חישוב זרמי קצר מינימליים לבחירת הגנות ממסריות –
62

1 2.11.1
חישוב זרם קצרתלת פאזי, מינימלי, בנקודהK1 –.
62

1 2.11.2
חישוב זרם קצר חד פאזי, מינימלי, בנקודהK1 –…
63
1 3
בחירת ציוד המותקן במט"ש –..
63

1 3.1
בחירת מפסקי זרם –…
64

1 3.2
בחירת מפסק זרםCB1במתח 22kV (נקודת קצר)
65

1 3.3
בחירת מפסק זרםCB3במתח 22kV (נקודת קצר)
67

1 3.4
בחירת מפסק זרםCB2במתח 22kV (נקודת קצר)
69

1 3.5
בחירת מפסק זרםCB9במתח 22kV (נקודת קצר)
71

1 3.6
בחירת מפסק זרםCB8במתח 0.4kV (נקודת קצר) –..
72

1 3.7
בחירת מפסק זרםCB6במתח 6.6kV (נקודת קצר) –..
74
מנהל עסקים חישוב פסי צבירה –…
76
מנהל עסקים.1
קביעת ערכים לחישוב פסי צבירה …
76
משפטים בדיקת עמידות תרמית לכבלי מתח גבוה —
81
משפטים.1
עמידות תרמית של כבל הזנה ראשי .
81
משפטים.2
עמידות תרמית של כבל יציאה מהגנרטור לפ.צ.  22kV B —
82
משפטים.3
עמידות תרמית של כבל הזנה לשנאי 2MVA לפ.צ.  22kV B ..
82
משפטים.4
עמידות תרמית של כבל הזנה למשאבה ראשית kV 6.6
82
1 6
בחירת שנאי מדידה והגנה .
83

1 6.1
משנה זרם CT1
במתח גבוה 22kV בכניסה למסדר מקו של חח"י –…
84

1 6.2
משנה זרם CT2
במתח גבוה 22kVבכניסה לפ.צ. B …
86

1 6.3
משנה זרם CT3
במתח גבוה 6.6kVצד משני של השנאי 22/6.6kV -.
87
1 7
בחירת משנה מתח –…
89

1 7.1
משנה מתח  VT1 במתח גבוה22kV  בכניסה למט"ש ..
89

1 7.2
משנה מתח  VT2 במתח גבוה 6.6kV בצד המשני של השנאי 22/6.6kV
90
1 8
מנתק הארקה -.
90
1 8.1
מנתק הארקה במתח גבוה 22kV –
90
1 8.2
מנתקי הארקה מתח גבוה 6.6kV –
91
1 9
מנתק ללא עומס .
92
2 0 הגנה ממסרית –
92

2 0.1
הגנה ממסרית ב-22kVעבור  CB1קו הזנה ראשי -.
94

2 0.2
הגנה ממסרית ב-22kVעבור CB2
יציאה יחידת גנרטור-שנאי .
94

2 0.3
הגנת משאבות ראשיות במתח 6.6kV –..
95

2 0.4
הגנת שנאי kV 0.4/222MVA  ע"י DGPT –…
96
2 1
הגנה בפני מתחי יתר —
97

2 1.1
קולט ברק –.
98

2 1.2
מגן ברק
99
2 2
הארקות ומדידות
100
2 2.1
הארקת הגנה -.
100
2 2.2
חישוב הארקות …
100
2 3
מבנה מסדר מתח גבוה -..
103
2 4
מבנה לוח ראשי במתח נמוך –…
103
2 5
מכשירי מדידה …
103
2 6
תכנון תאורה וחישוב מרחקים בין גופים —
104
2 7
סכמה חשמלית של המתקן
109
2 8
סיכום ומסכנות ..
112
2 9
רשימת סימנים …
113
3 0 רשימת טבלאות ..
1מנהל עסקים
3 1
רשימת איורים …
1משפטים
3 2
נספחים
118
3 3
מקורות ספרותיים –…
מנהל עסקים7

1 . מבוא
טיפול בשפכים הוא אחד המאפיינים המובהקים להתפתחות הטכנולוגיה, לקידמה ולהדגשת השמירה על איכות הסביבה.
מדינות מפותחות מאופיינות בצריכה גדולה של מים לנפש, הרבה יותר מאשר המדינות המתפתחות. רק חלק קטן מכמויות המים המגיעות לבתינו משמש לשתייה. רוב הצריכה משמשת לרחצה, כביסה, הדחת אסלות, שטיפת כלים והשקיה. מרבית המים יוצאים דרך מערכת הביוב הביתית ולאחר השימוש אינן ראויים לשתייה או לכל שימוש אחר. אותם מים מכילים פחות מעשירית האחוז חומרים אורגניים וכן הרבה מאוד חיידקים.
כיצד השפיעו השפכים על הסביבה?
בעבר הלא רחוק זרמו השפכים הביתיים ברחבי העולם באופן חופשי אל הסביבה ונטמעו בה. כשהתפתחו הערים, זרמו השפכים לנחל הסמוך, משם זרמו לים ונטמעו לאיטם בתוך המים. ההתפתחות העירונית המואצת, התפתחות התעשייה , צפיפות האוכלוסייה והעלייה המתמדת בצריכת המים, גרמו לכך, שהשפכים הפכו למטרד סביבתי ובריאותי חמור, הן בסביבה הקרובה והן במקוואות המים שקלטו אותם.
מדוע הטיפול בשפכים בארץ חשוב?
בישראל הטיפול בשפכים חשוב מאוד בעיקר בגלל השטח הגיאוגרפי המצומצם של המדינה, העדר מקורות מים טבעיים והחובה לשמור על איכות הסביבה. טיפול נאות בשפכים, מייצר מי קולחין מטוהרים הראויים לשימוש חוזר בחקלאות ובתעשייה.
הקמת מכון טיהור שפכים?
אחד המכונים הראשונים שהוקם בשנת 1961 היה המט"ש חיפה. בשנותיו הראשונות הוא נועד לשרת אוכלוסייה של 2
5 אלף נפש. במשך השנים עבר המכון שינויים רבים, במטרה להתאימו לכמות התושבים ההולכת וגדלה ולהתפתחויות הטכנולוגיות והמדעיות הרבות אשר פותחו בעולם בנושא הטיפול בשפכים.
במסגרת הפרויקט אתאר את התכנון אספקת חשמל על כל מרכיביו למכון בסדר גודל עירוני. באיור 1 מופיע במפורט תהליך מחזור שפכים.
תחנת שאיבה ראשית                                                                                                                                                                               אגני שיקוע   טיפול בנוזל   טיפול בבוצה                                                                                                                                                             טיפול בבוצה   לפיד הגז משמש לשריפת עודפי הגז   אגני אוורור   אגני התעכלות   גז   תחנת כוח   אוגר גז   בוצה   אגני שיקוע שניוני                                                                                                                   הבוצה היבשה מועברת למפעל הקומפוסט ליצירת דשן לשימוש חקלאי   ייבוש בוצה   קומפוסטציה   חיטוי בכלור   מי קולחין   המעבדה   תהליך הטיהור נמצא בפיקוח קפדני של המעבדה, האחראית לשמירה על כמויות מספקות של בקטריות וחמצן, ההכרחיים לצורך יעילותו של התהליך הביולוגי                                                                                                                                                                                                     מי קולחין מטוהרים   לפיד  גז   איור מס' 1 :
תהליך מחזור שפכים  
2 . מטרת הפרויקט מטרת הפרויקט היא ניצול הידע שנרכש במהלך הלימודים לצורך תכנון מיטבי של אספקת חשמל למכון טיהור שפכים  בתוספת לשימוש בקטלוגים שונים של הציוד שמורכב במכון ובחוקי החשמל הנוגעים בדבר. לצורך כך יש לרכז את כל העומסים המותקנים במפעל ולחלקם לפי דרגת חשיבותם. לאסוף מידע על מקדמי הביקוש והצריכה של הציוד המותקן במכון.
בשלב הבא יש להוסיף קבלים לקיזוז הספק ראקטיבי, וכך תתקבל תמונה מלאה של העומס הקיים במכון, וניתן יהיה לבחור את הגדלים של השנאים השונים במתחם. על סמך הנתונים אלה ניתן יהיה לחשב את זרמי הקצר, שטחי חתך של כבלי ההזנה לשנאים אלו וכבלי ההזנה בתוך המכון, במידת הצורך ניתן לתכנן את ההגנות הנדרשות כל זאת תוך שמירה על חוקי החשמל, כללי הבטיחות והתקניםהישראלי ושל חברת החשמל.

3 . תיאור המתחם המתחם המט"ש ממוקם כ –4.1
ק"מ מתחנת משנה של חברת החשמל. באיורים 2 ו-3  מופעים מבנה עקרוני של מכון טיהור שפכים והתכנית האדריכלית של המכון.
למכון קיימים 2 מקורות הזנה, הראשון הוא קו כבל kV22, שיוצא מתחמ"ש ומזין כמחצית מסך העומס הקיים, והשני הינו גנראטור פנימי העובד על גז מתאן שנוצר בתהליך הטיהור המזין את המחצית השנייה של העומסים. במצב חרום במידה ותהיה תקלה בגנראטור, כל העומס יהיה על הקו של חברת החשמל . במידה ותהיה תקלה בקו של חח"י, הגנראטור של המתחם יועמס בנוסף ע"י המשאבה הראשית הנמצאת בקטגוריה הראשונה, הסיבה לכך היא הקריטיות בפעולה רציפה של 2 המשאבות על מנת להבטיח זרימה תקינה של מערכת הביוב הסמוכה ופגיעה באיכות הסביבה.
בשטח המתחם קיימים
2 שנאים פרטיים kV22/6.6, המזינים את המשאבות הראשיות במתח גבוה, שנאי מעלה kV0.4/22
עבור פעולת הגנראטור ומספר שנאים למתח נמוך המזינים את שאר הציוד במתחם.
בנוסף בשטח המכון נמצאים משרדים של הצוות וההנהלה  וכמו כן יש להזין תאורה בתוך המכון ותאורה היקפית סביב גדר המערכת.
איור מס' 2:מבנה עקרוני של מכון טיהור שפכים איור מס' 3: שטח המט"ש – מבט על
4 .סכמהחשמלית הסכמה החשמלית הכללית של המכון מופיעה באיור מס' 4.
מערכת החשמל תהיה מורכבת מ –2
שנאים במתח גבוה אשר יוזנו מקו כבל kV22של חברת החשמל ומהגנראטור. השנאים יזינו משאבות ראשיות, 2  שנאים נוספים לאספקת חשמל במתח שלkV 0.4 יזינו את שאר העומסים במכון: מאווררים, משאבות, מדחסים מערבלים, תאורה ומתקנים נוספים במתח נמוך. כמו כן ישנו שנאי מעלהkV 0.4/22
עבור הגנראטור.
איור מס' 4: סכמה חשמלית של המכון