Содержание материала

ВЫБОР МОЩНОСТИ И ЧИСЛА УСТАНАВЛИВАЕМЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ (АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ)
Для правильного выбора номинальной мощности трансформатора (автотрансформатора) необходимо располагать суточным графиком нагрузки, из которого известна как максимальная, так и среднесуточная активная нагрузка данной ПС, а также продолжительность максимума нагрузки. При отсутствии суточного графика с достаточной для практических целей точностью максимальная активная нагрузка ПС на заданный расчетный уровень определяется из выражения

где ΣΡ- суммарная потребляемая мощность по категориям нагрузки, МВт; ко - коэффициент одновременности.
Если известна установленная мощность потребителей Ру, то максимальная активная нагрузка ПС, МВт, равна

где кс~ коэффициент спроса.
Если при выборе номинальной мощности трансформатора на однотрансформаторной ПС исходить из условия

где ΣΡ max — максимальная активная нагрузка| пятого года эксплуатации; Рр - проектная расчетная мощность ПС, то при графике с кратковременным пиком нагрузки (0,5-1 ч) трансформатор будет длительное время работать с недогрузкой. При этом неизбежно завышение номинальной мощности трансформатора и, следовательно, завышение установленной мощности ПС. В ряде случаев выгоднее выбирать номинальную мощность трансформатора близкой к максимальной нагрузке достаточной продолжительности с полным использованием его перегрузочной способности с учетом систематических перегрузок в нормальном режиме.
Наиболее экономичной работа трансформатора по ежегодным издержкам и потерям будет в том случае, когда в часы максимума он работает с перегрузкой. Значение допустимой перегрузки выбирается в соответствии с графиком нагрузки и его коэффициентом начальной нагрузки и зависит от температуры окружающей среды, при которой работает трансформатор.
Коэффициент нагрузки, или коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, практически всегда меньше единицы и равен

где Рср, Рmax, и Iср, Imax - соответственно среднесуточные и максимальные мощности и ток.
Рис. 4.4. Преобразование заданного графика нагрузки (кривая а) в эквивалентный в тепловом отношении двухступенчатый прямоугольный график (кривая б)

В зависимости от характера суточного графика нагрузки (коэффициента начальной нагрузки и длительности максимума), эквивалентной температуры окружающей среды, постоянной времени трансформатора и вида его охлаждения согласно ГОСТ допускаются систематические перегрузки трансформаторов.
Указанные перегрузки определяются, исходя из преобразования заданного графика нагрузки (рис. 4,4, кривая а) в эквивалентный в тепловом отношении двухступенчатый график (кривая б).
Допустимая нагрузка трансформатора зависит от начальной нагрузки, максимума и его продолжительности и характеризуется коэффициентом превышения нагрузки (перегрузки), определяемым из выражения

а коэффициент начальной нагрузки определяется из выражения

где Iэк. max  - эквивалентный максимум нагрузки (на рис. 4.4 период максимума нагрузки 2 ч); Iэк. н - эквивалентная начальная нагрузка (определяется за время 10 ч, предшествующее началу максимума нагрузки).
Эквивалентный максимум нагрузки (и эквивалентная начальная нагрузка) определяется по формуле

где α1, α2, . . . , αn-различные ступени средних значений нагрузок в долях номинального тока; t1, t2, . . ., tn - длительность этих нагрузок, ч.
Допустимые систематические перегрузки трансформаторов, приведенные в табл. 4,5, где коэффициент перегрузки kпер. дается в зависимости от среднегодовой температуры воздуха tсг, вида охлаждения и мощности трансформаторов, коэффициента начальной нагрузки kн.н и продолжительности двухчасового эквивалентного максимума нагрузки можно определить по кривым нагрузочной способности трансформатора).
Таблица 4.1. Допустимые коэффициенты перегрузки

Следует иметь в виду также, что если максимум графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается дополнительная 1%-ная перегрузка трансформатора на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15%. Суммарная систематическая перегрузка трансформатора не должна превышать 150%.
При отсутствии систематических перегрузок допускается длительная нагрузка трансформаторов током на 5% выше номинального при условии, что напряжение каждой из обмоток не будет превышать номинального.
На трансформаторах допускается повышение напряжения сверх номинального: длительно - на 5% при нагрузке не выше номинальной и на 10% при нагрузке не выше 0,25 номинальной; кратковременно (до 6 ч в сутки) - на 10% при нагрузке не больше номинальной.
Приведенные в табл. 4.5 значения перегрузок относятся также к автотрансформаторам и трансформаторам с расщепленной обмоткой. Для последних допускаются те же перегрузки, отнесенные к номинальной мощности каждой ветви, что и для трансформаторов с нерасщепленной обмоткой. Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются в соответствии с указаниями завода-изготовителя.
Номинальная мощность автотрансформатора определяется на основании значения максимальных потоков активной и реактивной мощности, текущих из сети ВН и СН и наоборот, т. е

где Р и Q - соответственно активный и реактивный потоки мощности.
k-пер трансформаторов с различной системой охлаждения

Мощность синхронного компенсатора, присоединенного к третичной обмотке автотрансформатора, допустимая при одновременной выдаче мощности из сети ВН в сеть СН, определяется потоками активной и реактивной мощности и соотношением напряжений ВН/СН автотрансформатора.
Загрузка общей обмотки автотрансформатора проверяется по следующей формуле:

где QCK - выдаваемая синхронным компенсатором мощность в сеть СН; Рс - расчетный активный поток мощности в сеть СН;Qс=Рс= Pctg φc- расчетный реактивный поток мощности в сеть СН; φс-угол, соответствующий расчетному потоку мощности; к- коэффициент, равный, (Uвн/ Uсн) - 1; Iо и Iо. ном — фактический и номинальный (гарантируемый заводом) токи общей обмотки автотрансформатора: Uвн и Ucн- высшее и среднее напряжения автотрансформатора.
Если ток Iо.ном заводом не задан, проверка загрузки общей обмотки автотрансформатора производится по формуле

где So - действительная загрузка общей обмотки; Sном - номинальная (проходная) мощность автотрансформатора.
В этих выражениях положительные значения (φс и QCK соответствуют режиму выдачи реактивной мощности в сеть вторичного напряжения.

Максимальный ток общей обмотки автотрансформатора может быть также определен из следующего условного комбинированного режима: одновременной передачи из сети НН в сеть СН 65% реактивной мощности и до 35 % номинальной (проходной) мощности из сети ВН в СН.
Номограмма для определения максимальной мощности синхронных компенсаторов, присоединяемых к третичной обмотке автотрансформатора, дана на рис. 4.5.
Номинальная мощность каждого трансформатора двухтрансформаторной ПС, как правило, определяется аварийным режимом работы ПС: при установке двух трансформаторов их мощность выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного из них оставшийся в работе трансформатор с допустимой аварийной перегрузкой мог обеспечить нормальное электроснабжение потребителей.
Номинальная мощность трансформатора на ПС, MBA, с числом трансформаторов п>1 в общем виде определяется из выражения

где Рmах - суммарная активная максимальная нагрузка ПС на расчетный уровень 5 лет, МВт; к1-2 - коэффициент участия в нагрузке потребителей 1-й и 2-й категорий; kпер - коэффициент допустимой аварийной перегрузки; cos φ- коэффициент мощности нагрузки.

Так как к1-2< 1, а кпер1>, то их отношение к = к1-2/ к1пер всегда меньше единицы и характеризует собой ту резервную мощность, которая заложена в трансформаторе при выборе его номинальной мощности.
Таким образом, для двухтрансформаторной ПС

В настоящее время существует практика выбора номинальной мощности трансформатора для двухтрансформаторной ПС, исходя из значения к - 0,7, т. е.

Рис. 4.5. Номограмма для определения максимальной мощности синхронных компенсаторов, присоединяемых к третичной обмотке автотрансформатора
Таким образом, суммарная установленная мощность двухтрансформаторной ПС равна

В общем виде при n трансформаторах суммарная располагаемая мощность ПС с распределением нагрузки преимущественно на стороне НН равна

где nShom - суммарная установленная мощность трансформаторов.
Условие покрытия расчетной нагрузки в случае аварийного выхода из строя одного трансформатора с учетом использования резервной мощности Speз сети НН (СН) определяется выражением

Выбор номинальной мощности автотрансформаторов на системных ПС определяется преимущественно режимом обменных потоков мощности сеть ВН - сеть СН и сеть СН - сеть ВН, т. е. величиной Ps-jQ. На ответственных ПС исключаются аварийные ограничения потребителей, а также нет необходимости учитывать резервную мощность со стороны НН.
Условия покрытия суммарного потока мощности через ПС в аварийном режиме определяются из выражения

где Рs — jQ - суммарный поток активной и реактивной мощностей.
В табл. 4.6 приведены значения кратковременных перегрузок масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц сверх номинального тока (независимо от длительности предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды и места установки). Там же приведены перегрузки для сухих трансформаторов.
Для трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов указанные перегрузки относятся к наиболее нагруженной обмотке.
Т аб лица4.6. Аварийные перегрузки масляных трансформаторов со всеми видами охлаждения и сухих трансформаторов с медными обмотками


Масляные

Сухие

Перегрузки, %

Продолжительность перегрузки, мин

Перегрузки, %

Продолжительность перегрузки, мин

30

120

20

60

45

80

30

45

60

45

40

32

75

20

50

18

100

10

60

5

 200

1,5

 

 

В трансформаторах и автотрансформаторах с дутьевым охлаждением (Д) при аварийном отключении всех вентиляторов допускается длительность номинальной нагрузки указанная ниже:

Ниже указаны допустимые нагрузки трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц при изменении числа работающих охладителей:

В трансформаторах мощностью не более 250 MBA с системами охлаждения ДЦ и Ц в случае аварийного прекращения искусственного охлаждения (прекращение работы вентиляторов при ДЦ, циркуляции воды при Ц, циркуляции масла при ДЦ и Ц) допускается поддерживать номинальную нагрузку в течение 10 мин (или в режиме холостого хода в течение 30 мин) и до 1 ч при условии непревышения температуры верхних слоев масла 80 °С; для трансформаторов мощностью 250 МВ·А - 75 °С.
С 01.01.90 г. для трансформаторов, в конструкции которых использована нагревостойкая изоляционная бумага, допустимые аварийные перегрузки трансформаторов для ПС энергосистем определяются ГОСТ 14209-85 для следующих условий:
начальная нагрузка, предшествующая перегрузке, не должна превышать 0,8 номинальной;
продолжительность перегрузки не должна быть более 4 ч;
максимум нагрузки должен приходиться на зимнее время года; эквивалентная температура охлаждающей среды для различных климатических районов должна находиться в зимнее время в пределах 0-20° С.
Устанавливаются следующие нормативы выбора мощности трансформаторов напряжением до 150 кВ мощностью до 40 МВ·А включительно:
в регионах Юга, Северного Кавказа, Закавказья и Средней Азии, а также в республиках Прибалтики kав max — 1,8;
в регионах Центра, Урала, Средней Волги, Сибири, Казахстана и Дальнего Востока kав max = 1,8;
Для трансформаторов класса напряжения 110 кВ мощностью 63 и 80 MB A, 150 кВ - 63 и 220 кВ - 25-100 MB-А устанавливается единый норматив для всех регионов - кав max = 1,6.
Для летнего времени года (средняя температура не выше +20 °С) норматив выбора мощности трансформаторов устанавливается kав max=1,4.
Для принятия решения по сооружению одно- или двухтрансформаторной ПС необходимо выполнить технико-экономическое сравнение вариантов с учетом ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителю при установке одного трансформатора.
Указанное выше сравнение вариантов производится по формуле приведенных расчетных затрат:

где рн — нормативный коэффициент эффективности, равный 0,125, что соответствует восьми годам окупаемости; ра - амортизационные отчисления (капитальный ремонт и реновация), равные 6,3%; К - капитальные вложения; С - ежегодные издержки эксплуатации, включая затраты на потери электроэнергии; М(У) - народно-хозяйственный ущерб от недоотпуска электроэнергии при выходе из строя одного трансформатора.
Технико-экономическое сравнение вариантов следует производить по разнице в дополнительных капитальных затратах ∆К и соответствующих расчетных затратах ∆З при сооружении двух- или однотрансформаторной ПС. Значение ∆З должно быть сравнено с размером ущерба М(У). ∆К оправдываются при сроке окупаемости Ток<2-3 года.
Народно-хозяйственный ущерб, вызванный недоотпуском электроэнергии, зависит от математического ожидания длительности аварийного перерыва электроснабжения, ч, в течение года, определяемого из выражения

где λт - удельная повреждаемость трансформатора (шт/год); taв - средняя длительность аварийного перерыва, вызванного потребным временем на ремонт или замену поврежденного трансформатора.
Народно-хозяйственный ущерб от недоотпуска электроэнергии, руб/год, определяется из выражения

где Pср - среднегодовая максимальная нагрузка, равная Рсг = РmaxTmax /8760 (Тmax — число часов использования максимума нагрузки); у0 - среднее значение удельного народно-хозяйственного ущерба от недоотпуска 1 кВт ч электроэнергии (0,2-0,6 руб/(кВт-ч)].
Применение однотрансформаторных ПС с учетом ущерба экономически целесообразно при соблюдении условия

Выбор числа трансформаторов для мощных узловых ПС, в особенности сверхвысоких напряжений, определяется иными условиями, чем на упрощенной ПС, где можно было ограничиться одним-двумя трансформаторами.

На двухтрансформаторной упрощенной ПС выбор трансформаторов, исходя из коэффициента к=0,7, возможен благодаря не только использованию аварийной перегрузочной способности трансформаторов, но и допустимости отключения в аварийном режиме ПС с автотрансформаторами, выдающими в сеть СН подчас большие потоки мощности и питающими на стороне СН городские и промышленные районы, отключение части потребителей в аварийном режиме чаще всего невозможно. На таких ПС при установке только двух автотрансформаторов и использовании в аварийном режиме перегрузочной способности 1,4 Sном при к = 0,7 возможно обеспечение нагрузки, равной 0,98 Рmах. Однако при этом суммарная установленная мощность автотрансформаторов уже в первый период эксплуатации составит 1,4 Ртах. Поскольку Рmax определяется на расчетный уровень в 5 лет, то уже на первом этапе развития ПС будет иметь место чрезмерное завышение установленной мощности трансформаторов. Сооружать же мощные узловые ПС в расчете на длительную эксплуатацию с одним автотрансформатором недопустимо, а замена в будущем автотрансформаторов на более мощные не всегда целесообразна. Поэтому на мощных узловых ПС уместна установка более двух автотрансформаторов.
Пользуясь приведенным выражением для номинальной мощности трансформатора (автотрансформатора)
Sном=к[Ртах/ (п-1)] определением ее для значений п=2; 3 и 4 как приемлемого числа устанавливаемых автотрансформаторов, исходя при этом из принятого в современной практике значения к = 0,7 для п = 2 и для нагрузки Ртах.
Результаты расчетов приведены в табл. 4.7 и на рис. 4.6.
Из кривых на рис. 4.6 видно, что при установке на мощных узловых ПС 220 кВ и выше четырех автотрансформаторов вместо двух имеет место резкое снижение как единичной, так и суммарной установленной мощности автотрансформаторов (33,5 и 67,5% соответственно). Как видно из таблицы, при четырех автотрансформаторах суммарная установленная мощность трансформаторов ∑Sном близка к максимуму нагрузки Ртах, а покрытие нагрузки в аварийном режиме близко к 100%.
При двух автотрансформаторах суммарная установленная мощность в 3 раза больше максимума нагрузки, при четырех - приблизительно равна максимуму нагрузки, а покрытие нагрузки или обеспечение перетоков мощности в аварийном режиме происходит за счет использования перегрузочной способности в такой же степени, как и для двухтрансформаторной ПС.

Таблица 4.7.
Покрытие нагрузки Рmax в аварийном режиме в зависимости от числа устанавливаемых трансформаторов

Рис. 4.6. Зависимость единичной Smax и суммарной Σ Shom установленных мощностей трансформаторов на ПС от их числа

При четырех автотрансформаторах очередность их установки (после первого) определяется динамикой роста нагрузки, что в большинстве случаев позволит рассредоточить по годам капиталовложения, исключая их замораживание. Следует учесть, что стоимость автотрансфоматоров на современных мощных узловых ПС достигает примерно 45-50% полной стоимости ПС.
Надежность распредустройств ответственных ПС высокого и сверхвысокого напряжения, в схемах которых предусмотрено четыре, а не два трансформатора, значительно выше надежности РУ с двумя трансформаторами. Это происходит не только за счет количества трансформаторов, а главным образом за счет более рационального построения схемы.
Схема в виде спаренных четырехугольников с четырьмя трансформаторами, присоединенными к четырем секциям, надежнее схемы Ш-Т с четырьмя парными цепочками и полуторной схемы с четырьмя цепочками трансформатор-линия.
Сказанное не относится к массовым ПС 35-220 кВ, в которых требуемый уровень надежности может быть ниже и создан при двух трансформаторах.

где С - ежегодные эксплуатационные расходы, включая стоимость потерь энергии.

Учитывая целесообразность установки на мощных узловых ПС более двух автотрансформаторов, можно произвести технико-экономическое сравнение вариантов и определить минимум приведенных капитальных затрат с учетом реальной динамики роста нагрузки вплоть до заданного конечного расчетного уровня. В результате этих расчетов должны быть определены наиболее целесообразное число устанавливаемых автотрансформаторов, их номинальная мощность, очередность установки по годам и др. Окончательный оптимальный вариант, как и в других инженерных расчетах, выбирается по минимуму расчетных затрат:

Соответствующие величины для определения капиталовложений могут приниматься по прейскурантам, а при ориентировочных подсчетах - по удельным стоимостям для различных типов трансформаторов и автотрансформаторов.
Таблица 4.8.

Значения τmax=f(Tв) для разных cos φ

Определение годовых эксплуатационных расходов, куда входят потери электроэнергии в трансформаторах, зависит от типа устанавливаемых трансформаторов.
Полные потери мощности в обмотках автотрансформаторов с учетом фактически протекающих по ним потоков мощности (Sд) характеризуются коэффициентом загрузки β= Sд/Sном и определяются для любого момента времени из выражения

Полные годовые потери электроэнергии в автотрансформаторах, кВт-ч, определяются по формуле

где βв, βс, βн - коэффициенты загрузки обмоток высшего, среднего и низшего напряжений; Гв - число часов включения трансформаторов; τmax - число часов максимальных потерь зависящих от Тв (значения τmax приведены в табл. 4.8); ΔΡηβ, ∆Рнс, ΔΡηη - потери КЗ в обмотках высшего, среднего и низшего напряжений.
На конструкциях трансформатора и автотрансформатора обязательно располагается табличка с буквенными обозначениями, характеризующими основные данные аппарата (рис. 4.7).


Рис. 4.7. Таблица с обозначением типов трансформаторов
Таблица 4.9. Схемы и группы соединений обмоток трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов (независимо от мощности)

Примечание. Для двухобмоточных трансформаторов независимо от мощности: 110 —500 кВ; с расщепленной обмоткой (НН)
Обозначения приведены в 10 вертикальных столбцах в следующем порядке:

  1. - А- автотрансформатор;
  2. - Т-трехфазный;

О - однофазный;

  1. - Р - расщепленная фаза;
  2.  - охлаждение;

С - собственное воздушное;
М - естественное масляное;
Д- масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла; ДЦ- то же с принудительной циркуляцией масла;
МВ - масляно-водяное с естественной циркуляцией масла; Ц- то же с принудительной циркуляцией масла;

  1. Т- трехобмоточный трансформатор;
  2.  вид переключения ответвлений: Н -включение одной из обмоток с устройством РПН;

АН - то же с автоматическими РПН;

  1.  -особенности исполнения;

Г -грузоупорный (в новых трансформаторах опускается, так как они все выпускаются грозоупорными);
З - защищенное исполнение;
У- усовершенствованный;

  1. - Э - для электрификации железных дорог;
  2.  - номинальная мощность, кВА.;
  3. -класс напряжения обмотки ВН (для автотрансформаторов с обмоткой СН 110 кВ и выше также указывается класс напряжения обмотки СН), кВ.

Некоторые трансформаторы имеют дополнительную букву А, означающую изготовление обмоток из алюминия.
Данные по схемам и группам соединений обмоток трехобмоточных Т и АТ приведены в табл. 4.9.