Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

Цеховые трансформаторы имеют следующие номинальные мощности: 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500 кВА.

С увеличением мощности трансформаторов растут токи короткого замыкания. Поэтому единичная мощность трансформаторов, питающих электроустановки до 1000 В, ограничивается допустимыми величинами тока короткого замыкания. Считают нецелесообразным применение трансформаторов с вторичным напряжением 0,4 кВ мощностью более 2500 кВА. Поэтому предельная мощность трансформаторов, изготавливаемых заводами на напряжение 0,4-0,66 кВ, составляет 2500 кВА. Число типоразмеров трансформаторов должно быть минимальным.

Цеховые подстанции могут быть однотрансформаторными и двухтрансформаторными.

Однотрансформаторные подстанции рекомендуют применять при наличии в цехе (корпусе) приемников электроэнергии, допускающих перерыв электроснабжения на время доставки «складского» резерва, или при резервировании, осуществляемом на линиях низкого напряжения от соседних ТП, т. е. они допустимы для потребителей II и III категории, а также при наличии в сети 380-660 В небольшого количества (до 20 %) потребителей I категории.

Двухтрансформаторные подстанции рекомендуют применять в следующих случаях: при преобладании потребителей I категории и наличии потребителей особой группы; для сосредоточенной цеховой нагрузки и отдельно стоящих объектов общезаводского назначения (компрессорных и насосных станций); для цехов с высокой удельной плотностью нагрузок
(выше 0,5-0,7 кВА/м²).

Для двухтрансформаторных подстанций также необходим складской резерв для быстрого восстановления нормального питания потребителей в случае выхода из строя одного трансформатора на длительный срок. Оставшийся в работе трансформатор должен обеспечивать электроснабжение всех потребителей I категории на время замены поврежденного трансформатора.

Цеховые ТП с количеством трансформаторов более двух используют только при надлежащем обосновании.

Ориентировочный выбор числа и мощности цеховых трансформаторов производят по удельной плотности σ_н нагрузки

, (1.1)

где S _р – расчетная нагрузка цеха (корпуса, отделения), кВА; F – площадь цеха (корпуса, отделения), м².

При плотности нагрузки до = 0,2 кВА/м² целесообразно применять трансформаторы мощностью до 1000 и 1600 кВА, при плотности 0,2-0,5 кВА/м² – мощностью 1600 кВА. При плотности более 0,5 кВА/м² целесообразность применения трансформаторов мощностью 1600 или 2500 кВА обосновывают технико-экономическими расчетами.

Выбор номинальной мощности трансформаторов производят по расчетной мощности нормального и аварийного режимов работы исходя из рациональной загрузки в нормальном режиме и с учетом минимально необходимого резервирования в послеаварийном режиме. Номинальную мощность трансформаторов S _ном.т определяют по средней нагрузке S _см за максимально загруженную смену:

, (1.2)

где N – число трансформаторов; К _з – коэффициент загрузки трансформатора.

Оптимальная загрузка цеховых трансформаторов зависит от категории надежности потребителей электроэнергии, от числа трансформаторов и способа резервирования. Рекомендуем принимать следующие коэффициенты загрузки трансформаторов: для цехов с преобладающей нагрузкой I категории для двухтрансформаторных ТП К _з = 0,75-0,8; для цехов с преобладающей нагрузкой II категории для однотрансформаторных подстанций в случае взаимного резервирования трансформаторов на низшем напряжении К _з = 0,8–0,9; для цехов с нагрузкой III категории К _з = 0,95–1.

При выборе числа и мощности ЦТП одновременно решают вопрос об экономически целесообразной величине реактивной мощности, передаваемой через трансформаторы в сеть напряжения до 1000 В.

Суммарную расчетную мощность конденсаторных батарей низшего напряжения (НБК), устанавливаемых в цеховой сети, рассчитывают по минимуму приведенных затрат в два этапа:

1) выбирают экономически оптимальное число цеховых трансформаторов;

2) определяют дополнительную мощность НБК в целях снижения потерь в трансформаторах и в сети напряжением 6-10 кВ предприятия.

Суммарная расчетная мощность Q _нк НБК составит:

_, (1.3)

где и – суммарные мощности НБК, определенные на двух указанных этапах расчета.

Реактивная мощность, найденная по (1.3), распределяется между трансформаторами цеха пропорционально их реактивным нагрузкам.

Минимальное число цеховых трансформаторов N _min одинаково мощности S _ном.т, предназначенных для питания технологически связанных нагрузок, определяют по формуле:

, (1.4)

где Р _см – средняя активная мощность технологически связанных нагрузок за наиболее нагруженную смену; К _з – рекомендуемый коэффициент загрузки трансформатора; N – добавка до ближайшего целого числа.

Экономически оптимальное число трансформаторов N _опт определяется удельными затратами З на передачу реактивной мощности и отличается от N _min на величину m:

 

, (1.5)

где m – дополнительно установленные трансформаторы;

,

где З_нк, З_вк, З_тп – соответственно усредненные приведенные затраты на НБК, батареи конденсаторов напряжением выше 1000 В (ВБК) и цеховые ТП;

,

где З_нк, З_вк, З_тп определяют по выражению

, (1.6)

где Е _н – нормативный коэффициент экономической эффективности; К – единовременные капитальные вложения, тыс. руб./г; И – ежегодные издержки производства, тыс. руб./г.

При известных составляющих оптимальное число трансформаторов рекомендуют определять по кривым (рис. 1.4) следующим образом:

1) по значениям N _min и находят расчетную точку А;

2) по значениям N _min и? N находят расчетную точку Б;

3) если точка А, расположенная в зоне m графика, оказывается правее точки Б этой же зоны, то к N _min прибавляется число m, в противном случае число (m – 1).

Рис. 1.4. Кривые определения дополнительного числа трансформаторов по фактическим З* при К з = 0,7−0,8 (значение N min в скобках для К з = 0,9−1)

При отсутствии достоверных стоимостных показателей для практических расчетов допускается считать = 0,5 и тогда N _опт определять по (1.5), принимая значения m в зависимости от N _min и N по рис. 1.5.

При трех трансформаторах и менее их мощность выбирается по средней активной мощности за наиболее загруженную смену Р _см:

. (1.7)

а	б
Рис. 1.5. Зоны для определения дополнительного числа трансформаторов: а − К з = 0,7−0,8; б − К з = 0,9−1

Наибольшую реактивную мощность, которую целесообразно передать через трансформаторы в сеть напряжением до 1000 В, определяют по формуле:

. (1.8)

Суммарная мощность конденсаторных батарей на напряжение до 1000 В составит:

, (1.9)

где Q _см – суммарная средняя реактивная мощность за наиболее загруженную смену на напряжение до 1000 В.

Если в расчетах окажется, что Q _нк1 < 0, то установка батарей конденсаторов при выборе оптимального числа трансформаторов не требуется (составляющая Q _нк1 будет равна нулю).

Дополнительная мощность Q _нк2 НБК для данной группы трансформаторов определяется по формуле:

, (1.10)

где – расчетный коэффициент, зависящий от расчетных параметров K _р1 и K _р2, и схемы питания цеховой ТП (для радиальной схемы γ определяют по рис. 1.6; для магистральной схемы с двумя трансформаторами − рис. 1.7; для магистральной схемы с тремя и более трансформаторами − γ = K _р1/30; для двухступенчатой схемы питания трансформаторов от РП 6-10 кВ, на которых отсутствуют источники реактивной мощности − γ = K _р1/60).

а	б
Рис. 1.6. Кривые определения коэффициента γ для радиальной схемы питания трансформаторов напряжением 6 (а) и 10 кВ (б)

Значения K _р1 зависят от удельных приведенных затрат на НБК и ВБК и потерь активной мощности:

, (1.11)

где З_нк, З_вк – удельные приведенные затраты соответственно на НБК и ВБК; С_рп – расчетная стоимость потерь, равная 8 % от тарифа на электроэнергию.

При отсутствии достоверных данных показателей З_нк и З_вк для практических расчетов K _р1 следует принимать по табл. 1.3.

Значения K _р2 определяют по формуле:

, (1.12)

где s – сечение питающей линии; l – длина линии (при магистральной схеме с двумя трансформаторами – длина участка, км, до первого трансформатора).

а	б
Рис. 1.7. Кривые определения коэффициента γ для магистральной схемы питания трансформаторов при напряжении сети 6 (а) и 10 кВ (б)

При отсутствии соответствующих данных допускается значение K _р2 принимать по табл. 1.4.

Если в расчетах окажется, что Q _нк2 < 0, то для данной группы трансформаторов реактивная мощность Q _нк2 принимается равной нулю.

Пример 1.1. Выбрать число и мощность силовых трансформаторов для механического цеха с учетом компенсации реактивной мощности. Средние активная и реактивная нагрузки цеха за наиболее загруженную смену составляют: Р _см = 14950 кВт, Q _см = 13870 квар. Напряжение питающей сети 10 кВ. Цех работает в две смены, завод расположен в Сибири. Удельная плотность нагрузки цеха 0,25 кВА/м², потребители цеха относятся ко II категории по надежности. Цеховые трансформаторы питаются по магистральной схеме, длина линий в пределах 2 км.

Решение. 1. Учитывая удельную плотность нагрузки, выбираем к установке трансформаторы с номинальной мощностью 1600 кВ?А и с коэффициентом загрузки 0,8, определяем минимальное число цеховых трансформаторов:

.

Таблица 1.3

Значения коэффициента K _р1 для энергосистем

Энергосистема	Количество рабочих смен	Расчетный коэффициент удельных потерь K р1
Центра, Северо-Запада, Юга
Средней Волги
Урала
Северного Кавказа, Закавказья
Сибири
Дальнего Востока

2. Оптимальное число трансформаторов:

,

где m определено по рис. 1.5, а.

3. Находим по (1.8) наибольшую реактивную мощность, квар, которую целесообразно передать через 8 трансформаторов:

.

4. Определяем мощность, квар, по (1.9):

.

5. Находим дополнительную мощность, квар, по (1.10):

,

где γ = 0,3 согласно рис. 1.7, б при K _р1 = 15 (табл. 1.3) и K _р2 = 23 (табл. 1.4).

Таблица 1.4

Значения коэффициента K _р2

Мощность трансформатора S ном.т, кВА	Коэффициент K р2при длине питающей линии l, км
до 0,5	0,5–1,0	1–1,5	1,5–2	выше 2

Таблица 1.5

Исходные и расчетные параметры к примеру 1.1

Трансформатор	Расчетная нагрузка Q см, квар	Расчетная мощность Q нк, квар	Количество и марка НБК	Фактическая мощность НБК, квар
1Т 2Т 3Т 4Т 5Т 6Т 7Т 8Т		706,78 706,78 757,29 778,94 735,66 685,18 944,82 944,82	225×3+30 300×2+150 536+225 300+200+180 300×2+200+150	787,5
Итого		6260,27		6263,5

6. Суммарная мощность, квар, НБК цеха равна:

.

7. Суммарную мощность НБК распределяем пропорционально нагрузкам трансформаторов, выбираем марку НБК и определяем фактическую мощность Q _нкФ согласно справочным данным (табл. 1.5).