Выбор мощности силовых трансформаторов

Мощность силовых трансформаторов в нормальных условиях должна обеспечивать питание всех приемников электроэнергии промышленных предприятий. Мощность силовых трансформаторов выбирают с учетом экономически целесообразного режима работы и соответствующего обеспечения резервирования питания потребителей при отключении одного трансформатора и того, что нагрузка трансформаторов в нормальных условиях не должна (по нагреву) вызывать сокращения естественного срока его службы. Промышленные предприятия страны увеличивают свою производственную мощность за счет строительства новых цехов, освоения новых или более рационального использования существующих площадей. Поэтому предусматривают возможность расширения подстанций за счет замены установленных трансформаторов более мощными. В связи с этим аппаратуру и ошиновку в цепях трансформаторов выбирают по расчетным параметрам с учетом установки в перспективе трансформаторов следующей по шкале ГОСТ номинальной мощности. Например, если на подстанции устанавливают два трансформатора мощностью по 16000 кВ А, то их фундаменты и конструкции предусматривают установку двух трансформаторов мощностью по 25 000 кВ • А без существенных переделок подстанции.
Выбор мощности трансформаторов ГПП производят по расчетной нагрузке предприятия в целом с учетом режима энергоснабжающей организации по реактивной мощности. В зависимости от способа задания расчетной нагрузки существуют два подхода к выбору номинальной мощности трансформаторов: по известным характерным суточным графикам нагрузок нормальных и послеаварийных режимов и по расчетным максимумам нагрузок для тех же режимов.
Надежности электроснабжения предприятия достигают за счет установки на подстанции двух трансформаторов. Учитывают также, что в послеаварийном режиме (при отключении одного трансформатора) оставшийся в работе трансформатор обеспечивает необходимую нагрузку предприятия. Покрытие потребной мощности осуществляется не только за счет использования номинальной мощности трансформаторов, но и за счет их перегрузочной способности (в целях уменьшения установленной мощности трансформаторов).
Номинальной мощностью трансформатора называют мощность, на которую он может быть нагружен непрерывно в течение всего своего срока службы (примерно 20 лет) при нормальных температурных условиях охлаждающей среды согласно ГОСТ 14209-69 и 11677-75:
а) температура охлаждающей среды должна быть равна 20 °С;
б) превышение средней температуры масла над температурой охлаждающей среды должно составлять: для систем охлаждения М и Д 44 °С, для систем ДЦ и Ц 36 °С;
в) превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над средней температурой обмотки должно быть равно 13 °С;
г) отношение потерь КЗ к потерям XX должно быть равно пятикратному (принимают наибольшее значение для обеспечения запаса по нагреву изоляции);
д) при изменении температуры изоляции на 6°С от среднего ее значения при номинальной нагрузке, равной 85 °С, срок службы изоляции изменяется вдвое (сокращается при повышении температуры или увеличивается при ее понижении);
е) во время переходных процессов в течение суток наибольшая температура верхних слоев масла не должна превышать 95 °С и наиболее нагретой точки металла обмотки 140 °С.
Эти условия справедливы только для эквивалентной температуры охлаждающей среды, равной 20 °С. При резком снижении этой температуры необходимо следить за нагрузкой трансформатора по контрольно- измерительным приборам и не допускать превышения нагрузки сверх 150% номинальной.
Повышенный износ изоляции трансформатора при превышении температуры охлаждающей среды над эквивалентной температурой для имеющегося графика нагрузок определяют в соответствии с зависимостью, приведенной на рис. 3, и решают вопрос о допустимости этого износа. Если повышенный износ недопустим, то нагрузку на трансформатор соответственно уменьшают или выбирают трансформатор большей мощности.
Для цеховых трансформаторов мощностью до 1000 кВ А применяют упрощенный способ определения требуемой номинальной мощности. Этот способ используют для проверки мощности трансформаторов типа ТМ при установке их открыто и температуре охлаждающей среды, изменяющейся в пределе до + 35 °С, и среднегодовой температуре + 5 "С. При этих условиях превышение температуры обмоток трансформатора над температурой окружающей среды не должно превосходить 70 °С. Отсюда наибольшая допустимая температура металла обмоток составляет 105 "С. Эта температура имеет место только при во, с = 35 °С и при совпадении ее с максимальной нагрузкой трансформатора. Максимум нагрузки приходится на зимние месяцы (декабрь — январь) и 0О с в это время намного ниже 35 °С, поэтому в зимнее время контроль за нагрузкой трансформатора ведут по измерительным приборам. В естественных условиях нагрузка не должна превышать 130% номинальной мощности трансформатора, при форсировке охлаждения — 140%. Температура верхних слоев масла — косвенный показатель. Если трансформатор будет иметь температуру верхних слоев масла 95 °С при 0О,С= — 50°С, то он не проработает и 2 — 3 сут, так как эти условия будут соответствовать нагреву металла обмоток приблизительно до 200 °С. В местностях, где среднегодовая температура отличается от 0СГ = 5 °С, номинальная мощность трансформатора или снижается с повышением температур 90,с и 9СГ, или повышается с понижением этих температур.

Выбор номинальной мощности трансформатора с учетом их перегрузочной способности*. Правильность выбора номинальной мощности трансформаторов проверяют с помощью графиков нагрузочной способности по ГОСТ 14209 — 69*. Если не принимать во внимание перегрузочную способность трансформатора, то можно завысить его номинальную мощность. Перегрузочную способность трансформатора определяют в зависимости от заданного графика нагрузки (реальный или расчетный) потребителя. Перегрузка трансформатора — нагрузка, при которой расчетный износ изоляции обмоток, соответствующий установившимся превышениям температуры, превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы. Перегрузки трансформатора могут быть аварийные и систематические.
Аварийная перегрузка. Критерием допустимости аварийных перегрузок трансформатора служит износ изоляции, который допускается значительно выше нормального, а перегрузка ограничивается только температурой наиболее нагретой точки обмотки, которая должна быть еще безопасной для дальнейшей нормальной эксплуатации трансформатора.

*Перегрузочную способность трансформаторов следует учитывать по ГОСТ

Рис. 4. Кривая для определения допустимых аварийных перегрузок Кл л для сухих трансформаторов в зависимости от длительности перегрузки ta

Рис. 5. Кривая для определения допустимой аварийной перегрузки трансформаторов с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц Кд п в зависимости от длительности перегрузки
В настоящее время в России действуют нормы аварийных перегрузок. Для сухих трансформаторов и трансформаторов, имеющих системы охлаждения М, Д, ДЦ и Ц, можно допускать независимо от длительности предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды и места установки кратковременную перегрузку в соответствии с зависимостями, представленными на рис. 4 и 5. Если нагрузка трансформатора до аварийной перегрузки не превышала 0,93 паспортной мощности, его можно перегружать до 5 сут на 40%. Однако при этом продолжительность перегрузки в каждые сутки не должна превышать 6 ч (суммарная продолжительность перегрузки подряд или с разрывами). В этом случае применяют все средства для форсирования охлаждения.
При проектировании номинальную мощность каждого трансформатора ГПП двухтрансформаторной подстанции принимают равной 0,7 прогнозируемого расчетного максимума нагрузки подстанции. В этом случае при аварии с одним трансформатором электроснабжение потребителей обеспечивают за счет перегрузки на 40% оставшегося в работе трансформатора.
Систематическая перегрузка. Номинальную мощность трансформаторов целесообразно определять с учетом их нагрузочной способности. При допустимых систематических перегрузках расчетный износ изоляции за установленное время (обычно за 1 сут), включающее длительность перегрузок и длительность предшествующей и последующей нагрузок, не должен превосходить нормального износа за такое же время. Все силовые трансформаторы допускают систематические перегрузки, которые зависят от характера суточного графика нагрузки, температуры охлаждающей среды и недогрузки (в летнее время, суточной, сезонной и т. п.).

Рис. 6. Зависимость кратностей допустимых перегрузок Ка<П силовых трансформаторов с масляным охлаждением от коэффициента заполнения графика нагрузки КЗГ и продолжительности максимума гп м

Рис. 7. Зависимости допустимых перегрузок Ка п сухих трансформаторов от коэффициента заполнения графика К3 г и продолжительности максимума
Систематическая перегрузка трансформатора с масляным охлаждением типов ТМ, ТМД, ТДТ зависит от особенностей графика нагрузок, который характеризуется коэффициентом заполнения графика

Рис. 9. Типовой суточный двухступенчатый прямоугольный график нагрузки трансформатора: X, — коэффициент начальной нагрузки; К2 — коэффициент максимальной нагрузки (перегрузки); /п п — продолжительность перегрузки
2) длительности перегрузки fn. Графики построены для суточного графика нагрузки, преобразованного в эквивалентный двухступенчатый прямоугольник, приведенный на рис. 9 для tn = 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 12 и 24 ч; для постоянных времени нагрева трансформатора 2,5 и 3,5 ч; для эквивалентной температуры охлаждающей среды от —10 до + 40 °С.

Таблица 2. Допустимая длительность перегрузки трансформаторов с системами охлаждения М и Д

Нагрузка в долях номинальной	Допустимая длительность перегрузки, ч-мин, при превышении температуры верхних слоев масла над температурой окружающего воздуха перед перегрузкой, °С
1,05	Длительно
1,1	3-50	3-25	2-50	2-10	1-25	0-10
1,15	2-50	2-25	1-50	1-20	0-35	—
1,2	2-05	1-40	1-15	0-45	_	—
1,25	1-35	1-15	0-50	0-25	—	—
1,3	1-10	0-50	0-30	—	_	—
1,35	0-55	0-35	0-15	—	_	—
1,4	0-40	0-25	—	—	_	—
1,45	0-25	0-10	—	—	—	—
1,5	0-15	-	-	-	-	-

Таблица 3. Допустимая длительность перегрузки трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц

Экономически, целесообразный режим работы трансформатора. При проектировании и в условиях эксплуатации предусматривают экономически целесообразный режим работы трансформаторов, сущность которого состоит в следующем. При наличии на подстанции нескольких трансформаторов, могущих работать на общие шины, число включенных трансформаторов определяется условием минимума потерь мощности в этих трансформаторах при работе их по заданному графику нагрузки. При этом учитывают не только потери активной мощности в самих трансформаторах, но и потери активной мощности, возникающие в системе электроснабжения по всей цепочке питания от генераторов электростанции до рассматриваемых трансформаторов из-за потребления трансформаторами реактивной мощности. Эти потери называют приведенными в отличие от потерь в самих трансформаторах.

12. О рациональности шкалы номинальных мощностей силовых трансформаторов.

О рациональности шкалы номинальных мощностей силовых трансформаторов.

Установление шага номинальных мощностей силовых трансформаторов с краткостью 1,35.

Только с выпуском новых автоматических выключателей серии А3700 и Э появилась возможность оснастить щиты подстанций надежной аппаратурой при мощностях трансформаторов до 2500 кВ-А и напряжении 660 В.

Кривые построены для различных мощностей трасформаторов, длин и сечений кабельных линий, отходящих от распределительного щита ТП (рис.

1) совершенствование стандарта номинальных мощностей силовых трансформаторов, например установление шага 1,35 вместо применяемого шага 1,6, что позволит сократить устанавливаемые трансформаторные мощности, создаст условия для экономии электроэнергии в трансформаторах; работы, связанные с обоснованием необходимости решения этой задачи, выполнены на кафедре ЭПП МЭИ;

Для удобства эксплуатации систем электроснабжения следует стремиться выбирать не более двух-трех стандартных мощностей основных трансформаторов (не считая вспомогательных).

О рациональности шкалы номинальных мощностей силовых трансформаторов

С этой задачей тесно связан вопрос установления рациональной шкалы номинальных мощностей для силовых трансформаторов.

На подстанциях промышленных предприятий Советского Союза применяют трансформаторы с различными коэффициентами шкалы номинальных мощностей: 100, 135, 180, 240, 320, 420, 560, 750, 1000 кВ-А и т.

Трансформаторы с первой шкалой номинальных мощностей установлены на действующих предприятиях, и при проектировании новых систем электроснабжения их не применяют.

Трансформаторы со второй шкалой номинальных мощностей используют при проектировании новых и реконструкции старых подстанций.

Это связано с введением новой шкалы номинальных мощностей трансформаторов (km к 1,6).

При шкале номинальных мощностей с шагом 1,35 в данном случае возможна установка трансформаторов с номинальной мощностью по 135 кВ-А.

Нами проведены расчеты, которые показали, что шкала номинальных мощностей силовых трансформаторов должна иметь шаг, равный допустимой перегрузке трансформаторов, например 1,35, тогда в трансформаторе не будет заложена излишняя масса металла, а вся его мощность будет использована в условиях эксплуатации в нормальном и в послеаварийном режимах при работе с перегрузкой.

Таким образом, ряд номинальных мощностей силовых трансформаторов с шагом 1,35 практически не имеет таких значительных разрывов неиспользуемой мощности (рис.

Эти разрывы определяются шагом номинальных мощностей 1,6 — 1,35 = 0,25 и составляют 0,25:1,6=16% мощности трансформатора.

Диаграмма недоиспользованной мощности трансформаторов мощностью 100-2500 кВ-А: а — при шкале номинальных мощностей с шагом 1,6; 6 — то же с шагом 1,35 (неиспользованная мощность заштрихована)

Таким образом, при шкале номинальных мощностей силовых трансформаторов с шагом 1,6 нельзя обеспечить экономически целесообразный режим работы трансформаторов и потребную мощность в аварийном режиме.

Таким образом, для устранения причин, обусловливающих низкую степень использования силовых трансформаторов, необходимо пересмотреть шкалу их номинальных мощностей и систему, по которой пром-предприятия расплачиваются за электроэнергию.

2^ Рном, i 2-t /'ном, / где в числителе стоит квадрат суммы номинальных активных мощностей всех п приемников (т.

квадрат групповой мощности) данной группы, а в знаменателе — сумма квадратов номинальных активных мощностей отдельных приемников группы.

Значение ип следовало бы определять, исходя не из номинальных мощностей приемников, а из среднеквадратичных значений потребляемой мощности за время (интервал осрзднения) Т^.

Следовательно, приведенное число приемников «п является числом одинаковых по мощности приемников с заданным режимом работы, которые при той же суммарной номинальной мощности Рном будут иметь тот же групповой коэффициент формы, что и при заданных различных мощностях приемников.

Аналогично определяют коэффициенты формы графиков реактивной и полной мощностей и тока.

1) при любых мощностях приемников электроэнергии, если ордината каждого приемника пропорциональна своей абсциссе.

д длительного режима работы следующих номинальных мощностей: три по 20 кВт, шесть по 10 кВт, пять по 7 кВт и десять по 4,5 кВт.

Так, при передаче активной Р и реактивной Q мощностей через элемент системы электроснабжения с сопротивлением R потери активной мощности составят р2, Г)2 Р2 О2

Например, при передаче мощностей Р и Q через элемент системы электроснабжения с активным сопротивлением R и реактивным X потери напряжения составят д^.

10* 291 требляемой мощностей при допустимых отклонениях напряжения у приемников электроэнергии.

Высокая удельная стоимость синхронных компенсаторов небольших мощностей и большие потери активной мощности в них обусловливают применение синхронных компенсаторов лишь значительных мощностей на крупных подстанциях.

На этом рисунке величины Sn п, Рп п и Qn „ представляют собой полную, активную и реактивную мощности, потребляемые предприятием; здесь же представлен треугольник потерь полной, активной и реактивной мощностей ASn с, АРП,С и AQn,o имеющих место в элементах энергосистемы (генераторы, повышающие трансформаторы, линии, понижающие трансформаторы и т.

В настоящее время асинхронные двигатели в диапазоне номинальных мощностей 0,6 — 200 кВт потребляют около 30% вырабатываемой в стране электроэнергии и являются основными реактивными нагрузками (до 70%) промышленных предприятий.

Средний за сутки ток /ср = 320 А, определенный на основании показаний счетчиков, можно распределить по машинам пропорционально их номинальным мощностям, так как данные двигатели имеют одинаковое номинальное скольжение:

Установление шага номинальных мощностей силовых трансформаторов с кратностью 1,35

При наличии мощностей такого ряда для любой проектируемой или потребляемой мощности можно подобрать (с учетом допустимой перегрузки) трансформатор без завышения его номинальной мощности.

Не только шаг стандартных номинальных мощностей трансформаторов, но и проводимая тарифная политика способствуют завышению устанавливаемых мощностей трансформаторов.

На основании проведенных нами научно-исследовательских работ можно утверждать, что и штрафы, и сокращенная шкала номинальных мощностей трансформаторов приводят к низкому коэффициенту использования трансформаторной мощности.

1) по известным установленным мощностям и коэффициентам использования по (2.

Вопрос рекуперации электроэнергии можно рассматривать еще и с позиции использования возвращаемой электроэнергии по определенному графику с учетом особенностей технологического процесса производства предприятия, баланса активных и реактивных мощностей.

Так же как и для ранее испытанных генераторов меньших мощностей, для турбогенераторов мощностью 800 МВт значение H2t не остается постоянным, а изменяется в широких пределах в зависимости от значения тока /»2.

13. Выбор трехобмоточных трансформаторов и трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения.

Рассмотрим трехобмоточные трансформаторы, имеющие широкое распространение. В трехобмоточном трансформаторе имеются три электрически не связанные друг с другом обмотки, из которых одна является первичной, а две другие — вторичными.