Глава 10
Трансформаторные подстанции и распределительные устройства
Основные сведения
Трансформаторной подстанцией (ТП) называют электрическую установку, на которой силовые трансформаторы преобразовывают переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения — высшего или низшего. В первом случае подстанция называется повысительной, во втором — понизительной.
Повысительные подстанции сооружают на электростанциях для преобразования, генераторного напряжения 6—10 кВ в более высокое, например 35 или 110 кВ, пригодное для передачи электроэнергии на большие расстояния. Понизительные подстанции сооружают у потребителей электрической энергии для преобразования получаемого от электростанции или районной подстанции по линии электропередачи высокого напряжения на низшее (10, 6 или 0,4 кВ), соответствующее номинальному напряжению электроприемников. Подстанции напряжением 110 кВ и выше обычно обслуживаются энергосистемами.
Распределительным устройством (РУ) называют электрическую установку, служащую для приема и распределения электрической энергии. Распределительные устройства могут быть на напряжение выше и ниже 1000 В. Распределительные устройства состоят из коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей), устройств защиты и автоматики (реле, предохранители, автоматические выключатели, контакторы), измерительных приборов (амперметров, вольтметров, счетчиков), сборных и распределительных шин, изоляторов и установок для преобразования переменного тока в постоянный.
Обычно трансформаторная подстанция и распределительное устройство совмещены и представляют собой одну общую электрическую установку. Однако в необходимых случаях распределительное устройство может быть сооружено и в стороне от трансформаторной подстанции, например у насосной с электродвигателями 6 кВ.
ТП и РУ могут быть сооружены отдельно стоящими и пристроенными или встроенными в основные производственные здания, в том числе и во взрывоопасные (например, в помещения нефтенасосных станций). Отдельно стоящие ТП и РУ сооружают таким образом, чтобы между ними и ближайшими взрывоопасными установками были выдержаны противопожарные разрывы, обусловленные «Правилами устройства электроустановок». Пристроенные и встроенные ТП и РУ отделяют от смежных взрывоопасных помещений глухими стенами, а полы в них поднимают на 0,15 м выше пола соседних взрывоопасных помещений, — эти мероприятия предупреждают возможность проникновения из соседних взрывоопасных помещений тяжелых нефтяных газов и разлившейся нефти. Кроме того, ТП и РУ, примыкающие к взрывоопасным помещениям, рекомендуется оборудовать самостоятельной приточной вентиляцией с избыточным давлением ~50 Па (5 мм вод. ст.), что также будет препятствовать проникновению взрывоопасных газов из соседних помещений и снаружи.
Помещения, в которых устанавливают аппараты пуска, управления и защиты электроприводов напряжением до 1000 В, называют электропомещениями, и к ним полностью относятся требования, предъявляемые к распределительным устройствам 6—10 кВ.
Силовые трансформаторы
Силовые трансформаторы (рис. 60) состоят из сердечника 9 с обмотками 10 высшего и низшего напряжений, помещенного в металлический бак 7, на крышку которого через изоляторы 4 и 6 выведены концы обмоток. Так как при прохождении электрического тока обмотки трансформатора нагреваются, то их во избежание повреждения изоляции охлаждают изоляционной жидкостью (трансформаторным маслом, совтолом) или непосредственно окружающим воздухом. Нагретая охлаждающая изоляционная жидкость отдает свое тепло окружающему воздуху через стенки бака и трубчатые радиаторы 8. При увеличении от нагревания объема охлаждающей жидкости в баке трансформатора излишек ее поднимается в расширитель 2 с указателем уровня жидкости 3; при недостатке — пополняется из расширителя. Трансформатор снабжается термометром 5 для наблюдения за температурой охлаждающей жидкости и газовым реле 1, сигнализирующим и отключающим трансформатор при неисправностях внутри бака (например, при бурном выделении газов).
Вследствие того, что температура застывания трансформаторного масла очень низка (—45°С), трансформаторы с масляным охлаждением можно устанавливать на открытом воздухе (масло зимой замерзать не будет). Температура застывания совтола около —6°С, поэтому в холодных районах нельзя устанавливать совтоловые трансформаторы на открытом воздухе.
Рис. 60. Силовой трансформатор
Трансформаторы с естественным воздушным охлаждением называют сухими. В целях лучшей теплоотдачи их габаритные размеры делают несколько большими, чем у масляных и совтоловых.
Мощность трансформаторов выбирают с таким расчетом, чтобы его загрузка находилась в пределах 75— 85% от номинальной мощности. При такой загрузке трансформаторы имеют наилучший коэффициент полезного действия и некоторый запас мощности на случай роста нагрузки. Трансформаторы в случае необходимости допускают перегрузку — систематическую и аварийную.
Систематическая перегрузка трансформатора в течение суток может быть допущена только при условии, если у него была недогрузка. Коэффициент допустимой перегрузки К2 и продолжительность t зависят от коэффициента начальной загрузки К1. Коэффициент допустимой перегрузки К2 определяют по графикам, разработанным для каждого типа трансформатора.
Рис. 61. Зависимость коэффициента, допустимой перегрузки K2 и продолжительности t трансформаторов мощностью от 1000 до 1600 кВ-А (а) и мощностью до 1000 кВ-А (б) от коэффициента загрузки Κ2
На рис. 61 приведены графики для трансформаторов с масляным охлаждением, работающим с незначительными суточными и сезонными колебаниями, что соответствует условиям работы трансформаторов на нефтеперекачиваемых и газокомпрессорных станциях.
Пример. Трансформатор с масляным охлаждением постоянно работает с коэффициентом загрузки K1=0,8. Мощность трансформатора 1600 кВ-А. Определить допустимое время его работы с коэффициентом перегрузки К2=1,4.
По графику рис. 61, а находим, что трансформатор, работавший с коэффициентом загрузки K1 =0,8, может работать с коэффициентом перегрузки Κ2=1,4 в течение двух часов.
В зимние месяцы допускается дополнительная 1%-ная перегрузка на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15%. Суммарная нагрузка во всех случаях не может быть более 150% от номинальной мощности трансформатора.
Аварийная перегрузка сверх номинального тока независимо от предшествующей нагрузки, температуры окружающей среды и места установки допускается в следующих пределах: 30% в течение 120 мин; 45% —
80 мин; 60% — 4о мин; 75% — 20 мин; 100% — 10 мин; 200% — 1,5 мин.
Если коэффициент начальной загрузки был не более 0,93, то допускается аварийная перегрузка на 40% сверх номинального тока в течение 5 сут на время максимумов нагрузки общей продолжительностью не более 6 ч в сутки. При этом необходимо принять меры для усиления охлаждения трансформатора (включение вентиляторов, резервных охладителей и др.).
