Электрические сети энергоемких предприятий - Выбор трансформаторов

1-5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА, МОЩНОСТИ И ИСПОЛНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
а) Выбор числа и мощности трансформаторов. На подстанциях всех напряжений, как правило, применяется не более двух трансформаторов по соображениям технической и экономической целесообразности. В большинстве случаев это удовлетворяет требованиям электросетей крупных промышленных предприятий, так как обеспечивает надежное питание потребителей предприятия
и в то же время дает возможность применять простейшие блочные схемы подстанций на всех напряжениях без сборных шин на первичном напряжении, что резко упрощает их конструктивные решения и уменьшает стоимость.
Резервирование осуществляется при помощи складского и передвижного резервов. Однотрансформаторные цеховые подстанции 6—10 кВ можно применять при хорошо поставленном складском резерве не только для потребителей III категории, но и для некоторых групп потребителей II категории. Однотрансформаторные цеховые подстанции могут быть применены также при нагрузках I категории, если величина их не превышает 15—20% общей нагрузки, и их быстрое резервирование может быть обеспечено при помощи резервных перемычек на вторичном напряжении. Эти перемычки могут быть применены также для питания в периоды минимальных режимов при отключении части подстанций.
Однотрансформаторные подстанции 110 кВ (ГПП и ПГВ) допустимо применять при обеспечении на время после аварийного режима питания нагрузок I категории по связям вторичного напряжения с другими ГПП, ПГВ с ТЭЦ или другими источниками питания и при обязательном наличии централизованного резерва трансформатора. При отсутствии указанных связей применение одной однотрансформаторной ГПП на предприятии недопустимо. При магистральном питании однотрансформаторных ГПП или ПГВ по линиям 110—220 кВ рекомендуется ближайшие подстанции питать от разных линий для возможности использования связей на вторичном напряжении.
Двухтрансформаторные цеховые подстанции применяются в тех случаях, когда большинство электроприемников относится к I и II категориям, которые не Допускают перерыва в питании во время доставки и установки резервного трансформатора со склада, на что требуется не менее 3—4 ч при хорошо налаженной эксплуатации. Двухтрансформаторные подстанции целесообразно применять также независимо от категории питаемых потребителей при неравномерном суточном или годовом графике нагрузки, когда выгодно изменять подсоединенную мощность трансформаторов при длительных изменениях нагрузок в течение суток или года, в частности при наличии сезонных нагрузок или при одно- и двухсменной работе со значительной разницей загрузки смен.
Если мощность трансформаторов лимитируется условиями их транспорта, высотой помещения и другими соображениями, требующими облегчения веса или уменьшения габаритов установленных единиц, то также применяются двухтрансформаторные подстанции.
Применение цеховых подстанций с числом трансформаторов более 2, как правило, экономически нецелесообразно, но иногда это неизбежно, например при наличии крупных сосредоточенных нагрузок либо при отсутствии места в цехе для рассредоточенного расположения подстанций по производственным условиям или же по условиям окружающей среды, как это имеет .место, например, на текстильных фабриках и некоторых химических предприятиях. Более двух трансформаторов на одной цеховой подстанции -применяется также в следующих случаях:
при раздельных трансформаторах для силы и света, если установка этих трансформаторов целесообразна на общей подстанции;
при питании совмещенных территориально силовых цеховых нагрузок на различных напряжениях; при необходимости выделения питания нагрузок с резкими, часто повторяющимися толчками, например крупных электросварочных аппаратов и т. п.
ГПП или ПГВ с числом трансформаторов более 2 могут быть применены в следующих случаях:
а) если необходимо выделить крупные, часто повторяющиеся толчковые нагрузки, например крупные электропечи, крупные электродвигатели и т. п.;
б) на транзитных ГПП со сборными шинами и несколькими питающими и отходящими линиями, когда по условиям коммутации одно- или двухтрансформаторная схема не имеет существенных преимуществ;
в) при очень концентрированных нагрузках, когда двухтрансформаторные ГПП не представляется возможным применить по схемным, конструктивным или транспортным соображениям.
В указанных случаях число трансформаторов на ГПП определяется эксплуатационными условиями, соображениями дальнейшего развития подстанции, ее связи с энергетической системой, а также в зависимости от характера и режима работы главных потребителей и других факторов, но с обязательным условием техникоэкономического анализа различных вариантов.
Наивыгоднейшая мощность трансформатора зависит от очень многих факторов:
величины и характера графика электрической нагрузки;
длительности нарастания нагрузки по годам; числа часов работы предприятия; стоимости энергии и др.
Указанные факторы сочетаются различным образом и изменяются во времени. В зависимости от них работа трансформатора может оказаться выгодной как с недогрузкой, так и с перегрузкой в пределах, разумеется, допустимого износа трансформатора без сокращения его нормального срока службы. Величина и продолжительность перегрузок зависят от коэффициента заполнения суточного графика нагрузки, температуры окружающего воздуха (колеблющейся в пределах от —25 до +35°С), охлаждения трансформатора и характера производства. В ряде случаев мощность трансформаторов выбирается по послеаварийному режиму, когда один из трансформаторов отключается, и, следовательно, в нормальном режиме они работают с недогрузкой даже во время максимума. При этих условиях трансформатор в определенные периоды времени может быть перегружен сверх номинальной мощности в зависимости от графика его нагрузки и окружающей температуры без ущерба для нормального срока его службы. При ровном графике нагрузки трансформаторы допускают значительно меньшие перегрузки, в основном за счет выбора мощности их по нагрузкам послеаварийного режима, обусловливающего их недогрузки в нормальном режиме работы, и температуры окружающей среды. К числу таких подстанций относятся подстанции на заводах черной и цветной металлургии, химии и др. В принципе же оптимальная мощность трансформатора должна определяться по минимуму ежегодных затрат с учетом всех перечисленных выше факторов.
Рекомендованные при дроблении подстанций (наивыгоднейшие мощности цеховых трансформаторов 320— 750 кВА) значительно повысились: примерно до 1 600—2 500 кВА (верхний предел), так как удельные плотности нагрузок во всех отраслях промышленности
значительно возросли. Но при таких больших мощностях значительно увеличиваются токи короткого замыкания на вторичном напряжении. Это должно учитываться при выборе аппаратов. Существующая аппаратура устойчива против токов короткого замыкания при мощностях трансформаторов до 1 000 кВА при напряжении 380 в и до 1 600 кВА при напряжении 660 в.
Автомат серии «Электрон», к освоению которого приступила электропромышленность, имеет большую коммутационную способность в пределах 25—65 кА при напряжении 380 в и 15—50 кА при напряжении 660 в. Он может быть применен при трансформаторах мощностью до 2 500 кВА.

Выбор мощности трансформаторов производится с учетом послеаварийного режима работы, т. е. при выходе из строя одного из трансформаторов данной подстанции или данного участка сети, а также с учетом того, что Правила устройства электроустановок допускают послеаварийную перегрузку трансформаторов на 40% на время максимума общей суточной продолжительности не более 6 ч, причем такая перегрузка может повторяться в течение до 5 суток. Предполагается, что в течение этого времени повреждение трансформатора будет устранено или же он будет заменен складским или передвижным резервом. При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформатора а должен быть не выше 0,75, т. е.
(1-1)
откуда

таким образом, допускаемое ПУЭ превышение среднесуточной нагрузки трансформатора над его номинальной мощностью составляет не более 5% и, следовательно, при ровном графике нагрузки, т. е. при большом а, допустимая перегрузка трансформатора невелика.
Кроме регламентированных ПУЭ относительно длительных послеаварийных перегрузок трансформаторов допускаются очень кратковременные перегрузки приведенные в табл. 1-1.
Таблица 1-1
Допускаемые кратковременные перегрузки трансформаторов

Указанные перегрузки будут иметь место, например, при аварии с одним из параллельно работающих трансформаторов или автоматическом переключении нагрузки аварийно отключившегося трансформатора, на соседний, который воспримет ее на себя. Такие перегрузки не зависят от предшествовавшего режима работы трансформатора. Они используются главным образом на время разгрузки перегрузившегося трансформатора от второстепенных потребителей, временное отключение которых не влияет на прохождение производственного процесса предприятия.
Из формулы (1-1) вытекает, что для правильного выбора трансформатора необходимо иметь график его нагрузки или хотя бы знать максимальную и среднесуточную нагрузки на подстанции, а также суммарную продолжительность максимумов нагрузки в течение суток. Выбор трансформаторов только по максимальной нагрузке, как это часто делается, приводит к неоправданному увеличению мощности трансформаторов. Необходимо также хотя бы в общих чертах представлять себе режим работы предприятия при послеаварийном режиме для выявления возможности отключения на этот период части менее ответственных потребителей в тех случаях, когда нагрузка выбранного трансформатора в нормальном режиме приближается к его номинальной мощности и, следовательно, его резервирующая способность сравнительно невелика.
На двухтрансформаторной подстанции мощность трансформаторов выбирается, исходя из того, чтобы при выходе из работы одного из них второй мог обеспечить питание основных нагрузок подстанции с учетом допустимой перегрузки в послеаварийном режиме и возможного временного частичного отключения потребителей III и частично II категорий по заранее заданному графику. Если отсутствуют точные данные о потребителях, которые можно отключить в период послеаварийного режима, то каждый трансформатор может быть предварительно выбран на 50—80% полной мощности подстанции, причем нижний предел относится к односменной работе и неравномерному графику нагрузки, а верхний к трехсменной работе и равномерному графику нагрузки.
Послеаварийным называется режим, возникающий после отключения поврежденного элемента энергетической сети и продолжающийся до восстановления нормальных условий работы, но длительностью не более суток.
На однотрансформаторных подстанциях при наличии перемычки с соседней подстанцией мощность трансформаторов выбирается с учетом взаимного резервирования по перемычке и, конечно, также допустимой послеаварийной перегрузки после выхода из работы трансформатора соседней подстанции и включения резервной перемычки. Следовательно, в обоих этих случаях мощность каждого трансформатора выбирается по нагрузке в послеаварийном режиме, т. е. при выходе из работы одного из трансформаторов, но с учетом возможной перегрузки трансформатора, с одной стороны, и разгрузки его от неответственных потребителей, с другой стороны.
На однотрансформаторных подстанциях без связей на вторичном напряжении мощность трансформатора выбирается по максимальной нагрузке при рабочем режиме. Вопрос о резервировании отдельных цеховых трансформаторов мощностью до 1 000—1 600 кВА решается относительно просто путем применения так называемого «складского» резерва. При хорошо организованной эксплуатации для замены установленного на подстанции цехового трансформатора «складским» резервом, находящимся на данном предприятии, требуется не более 3—4 ч, при условии что резервный трансформатор находится в постоянной готовности. Сложнее обстоит дело с резервированием трансформаторов, установленных на КТП. Прежде всего число резервных трансформаторов каждой мощности увеличивается вдвое, так как трансформаторы КТП имеют так называемое «правое» и «левое» исполнения. Кроме того, конструкция КТП не позволяет применить один резервный трансформатор для замены поврежденных трансформаторов смежных мощностей, тем более при отсутствии пока полной унификации исполнения КТП разными заводами. Эти обстоятельства затрудняют и удорожают, а следовательно, ограничивают применение складского резервирования трансформаторов на КТП. Однако полностью от него отказаться нельзя. При решении вопроса о необходимости и степени складского резервирования трансформаторов, установленных на КТП, нужно учитывать величину предприятия, общее число установленных на нем КТП, требуемую степень бесперебойности электроснабжения, а также наличие или отсутствие резервных связей и перемычек на стороне низшего напряжения. Нужно также иметь в виду повышенную надежность трансформаторов, поставляемых с КТП, по сравнению с обычными трансформаторами, что вытекает из официальных гарантий заводов и в принципе позволяет в известной степени ограничить складской резерв.
Для сокращения числа резервных трансформаторов для КТП на складе необходимо при построении схемы электроснабжения свести до минимума число типоразмеров трансформаторов на предприятии, что целесообразно также и с точки зрения эксплуатации.
На однотрансформаторных КТП, имеющих небольшую (до 20—30%) мощность нагрузок, требующих бесперебойного питания, следует шире предусматривать перемычки на стороне низшего напряжения между соседними КТП для взаимного резервирования, и тогда складского резерва можно не предусматривать.
Для двухтрансформаторных КТП с трансформаторами, Выбранными с соответствующим запасом мощности для взаимного резервирования складского резерва, можно не предусматривать или хранить на складе не более двух типоразмеров трансформаторов, каждый из которых должен иметь правое и левое исполнения. Так решаются вопросы резервирования цеховых подстанций.
Рациональное решение вопроса о резервировании мощных трансформаторов 110—220 кВ на промышленных предприятиях значительно сложнее. Очень трудно осуществить быстро доставляемый передвижной резерв. Оставлять же большую часть предприятия без питания на длительное время невозможно, и в то же время нельзя во всех случаях предусматривать 100%-ное резервирование.
Для доставки и установки крупного резервного трансформатора взамен потерпевшего аварию нужно много времени даже при хорошо налаженной эксплуатации. Затруднения увеличиваются при удаленности предприятия от мощной энергосистемы или другого крупного предприятия или невозможности кооперирования с ними в отношении резервирования трансформаторов, а также при транспортных затруднениях из-за характера местности и т. п. В связи с этим мощность трансформаторов на ГПП выбирается с таким расчетом, чтобы при выходе из работы наиболее крупного из них остальные обеспечивали работу предприятия на время замены выбывшего трансформатора с учетом возможного ограничения нагрузки без ущерба для основной деятельности предприятия с использованием допустимой перегрузки трансформатора, а также связей но вторичному напряжению с соседними подстанциями и других возможных источников резервирования. Степень резервирования выбирается в зависимости от рода предприятия, сменности его работы, характера графика нагрузки и других факторов. При отсутствии или неполноте этих сведений мощности трансформаторов выбираются такими, чтобы загрузка каждого из них при нормальном режиме не превышала:
для металлургических и машиностроительных заводов 70—75%;
для химических и нефтехимических заводов 50—70%;
для заводов прочих отраслей промышленности 60— 80% номинальной мощности трансформатора в зависимости от факторов, перечисленных выше.
На очень крупных энергоемких предприятиях с большим числом трансформаторов может оказаться экономически оправданным «складской» (передвижной) резервный трансформатор для ГПП и ПГВ по аналогии с цеховыми подстанциями. Кроме рекомендаций, изложенных выше, при решении вопросов резервирования нужно учитывать также, что время периодических ревизий и ремонта трансформаторов обычно приурочивается ко времени ремонта основного технологического оборудования, когда соответственно снижаются электрические нагрузки предприятия.
Теперь несколько слов об оптимальных режимах работы трансформаторов. Трансформаторы, которые выбираются по условиям взаимного резервирования, нормально работают с недогрузкой. При большом числе часов использования максимума (при трехсменной работе) такой режим работы экономически оправдан, так как при этом потери энергии уменьшаются. Если же число часов использования максимума невелико, то с точки зрения экономики следует полностью использовать нагрузочную способность трансформатора, выбирая его мощность минимально возможной по техническим соображениям, т. е. в пределах максимальных перегрузок, допускаемых заводом.
Нельзя допускать заведомую недогрузку трансформаторов, не оправдываемую взаимным резервированием, учитывая, что в условиях быстро растущей промышленности велика потребность в электрооборудовании. Нельзя забывать, что исходные данные для выбора мощности трансформаторов (величины и суточные графики нагрузок, коэффициент мощности и др.) в .период разработки проекта являются весьма ориентировочными и, как .правило, завышены. Если же во время эксплуатации на данной подстанции возникнут дополнительные нагрузки, то проектом предусматривается возможность размещения в камере или на фундаментах трансформатора следующего по шкале мощности.

б) Выбор исполнения трансформаторов. На напряжениях 35—220 кВ применяются масляные трансформаторы. В ряде случаев целесообразно применение трансформаторов с расщепленными обмотками вторичного напряжения 6—10 кВ, так как благодаря их повышенному реактивному сопротивлению это иногда позволяет отказаться от реактирования. Расщепленные обмотки могут быть одинакового или разных напряжений (6 и 10 кВ). Последнее исполнение позволяет экономично решать систему электроснабжения в тех случаях, когда большое число электродвигателей 6 кВ вызывает необходимость применения двух напряжений в распределительных сетях второй ступени (6 и 10 кВ). Мощность каждой ветви расщепленной обмотки составляет 50% номинальной мощности трансформатора. Предельная неравномерность загрузки расщепленных обмоток низшего напряжения допускается до 100%, т. е. одна из расщепленных обмоток низшего напряжения может быть загружена на полную мощность, в то время как другая обмотка не будет загружена совсем.
На очень крупных ГПП 110—330 кВ применяются силовые автотрансформаторы. Это снижает стоимость подстанций и уменьшает потери электроэнергии на трансформацию по сравнению с трансформаторами, так как

автотрансформаторы рассчитываются по так называемой «типовой» мощности ST, которая меньше номинальной мощности:
где c = UJUc — коэффициент трансформации между высшим и средним напряжениями;—коэффициент выгодности применения автотрансформатора по сравнению с трансформатором.
Следовательно, автотрансформаторы наиболее выгодны для связи сетей с близкими напряжениями, например 220 и 330, 150 и 220, 110 и 150, 110 и 220 кВ, так как при этом коэффициент с невелик. В этих случаях типовая мощность автотрансформатора составляет примерно от 30 до 50% проходной мощности. Для связи между сетями с напряжениями 110 и 35 кВ автотрансформаторы не применяются, так как, во-первых, это менее выгодно, а, во-вторых, системы 110 и 35 кВ имеют разные режимы работы нейтралей: в сетях 110 кВ нейтраль заземлена, а в сетях 35 кВ — изолирована. Автотрансформаторы 220/110/10 кВ имеют примерно наполовину меньший вес, чем трансформаторы такой же мощности. Они дают экономию активных материалов: меди на 15—25% и активной стали на 50—60%. Потери энергии в автотрансформаторах меньше на 30—35%.
Наряду с указанными преимуществами необходимо также учитывать следующие недостатки автотрансформаторов:
Ввиду непосредственного электрического соединения сетей среднего и высшего напряжений возможен переход перенапряжений из одной сети в другую, поэтому на выводах среднего и высшего напряжений необходимы вентильные разрядники.
Автотрансформаторы не могут применяться в сетях с незаземленной нейтралью, так как в этом случае при замыкании на землю одной фазы в сети высшего напряжения напряжение двух других фаз среднего напряжения повысится относительно земли до недопустимой величины.
Имеют место неудобства в регулировании напряжения.
При разных режимах работы автотрансформаторов пропускная способность отдельных обмоток ограничена.
Повышаются токи короткого замыкания во вторичной сети, так как автотрансформаторы имеют меньшую реактивность по сравнению с трансформаторами. Промышленность выпускает масляные, совтоловые и сухие трансформаторы 6—10 кВ. Все они применяются на цеховых подстанциях. Но преимущественное применение находят масляные трансформаторы. При установке же в камерах с дверями, выходящими наружу или в цех с производствами категорий Г и Д, целесообразно применение только масляных трансформаторов.
К категории Д относятся производства, связанные с обработкой несгораемых материалов в холодном состоянии, а к категории Г — производства по обработке материалов в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии.
Применение совтоловых трансформаторов (мощностью до 1 000—1 600 кВА) целесообразно в тех случаях, когда по условиям среды нельзя устанавливать близко к центрам нагрузок масляные трансформаторы и недопустима установка сухих негерметизированных трансформаторов. При выборе этих трансформаторов необходимо учитывать их повышенную стоимость (примерно в 2,75 раза больше, чем масляных) и токсичность, так как при работе с совтолом выделяются вредные пары, длительное вдыхание которых вызывает раздражение слизистых оболочек носа и глаз. Это вызывает возражения санитарной инспекции против совтоловых трансформаторов. Осторожное отношение к применению совтоловых трансформаторов в известной мере объясняется недостаточно качественным исполнением их (наличие течи).
Совтоловое хозяйство на промпредприятиях можно не предусматривать, так как из-за токсичности совтола операции с ним должен «производить специально инструктированный персонал. Из гарантий наших заводов и зарубежной практики вытекает, что герметизированные совтоловые трансформаторы практически исключают необходимость в процессе эксплуатации в наполнении, сливе и взятии проб негорючей жидкости. В случаях повреждения совтолового трансформатора его следует заменять «складским» резервом и направлять на завод- изготовитель для устранения неисправностей.
Сухие трансформаторы (мощностью до 1 000—1 600 кВА) также имеют ограниченное применение, так как они дороже масляных (пока в 4 раза) и имеют следующие недостатки:
боятся грозовых перенапряжений; создают при работе повышенный шум по сравнению с масляными;
требуют установки в сухих непыльных помещениях с относительной влажностью не более 65%.
Применение сухих трансформаторов целесообразно главным образам при мощности их от 10 до 160—400 кВА. В основном они применяются там, где недопустима установка масляных трансформаторов из-за пожарной опасности, а трансформаторов с негорючей жидкостью из-за их токсичности, например в административных зданиях, клубах и других помещениях, где окопляется много людей, а также в производственных помещениях, опасных в пожарном отношении.
Небольшие сухие трансформаторы можно размещать на колоннах, кронштейнах, балках, фермах и т. п., так как они не содержат охлаждающей жидкости и, следовательно, не требуется громоздких устройств для ее удаления. Благодаря этому применение их очень целесообразно, например, для питания освещения, особенно при системе раздельного питания силы и света.
Сухие и совтоловые трансформаторы допустимо устанавливать непосредственно в производственных и других помещениях без ограничения мощности, а также в подвалах и на любом этаже зданий, а масляные нельзя ставить выше 2-го и ниже 1-го этажа более чем на 1 м. В этом заключается преимущество сухих и совтоловых трансформаторов. В настоящее время сухие и совтоловые трансформаторы неэкономичны по сравнению с масляными, это будет иметь место впредь до резкого снижения стоимости совтола и других исходных материалов. В тех случаях, когда ПУЭ разрешают применение как совтоловых, так и сухих трансформаторов на промышленных предприятиях рекомендуется при одинаковых экономических показателях применять сухие трансформаторы как более безопасные и простые в эксплуатации.