Унификация элементов сети - Выбор количества и мощности трансформаторов

Шкала номинальных мощностей силовых трансформаторов согласно ГОСТ 9680-77 Е приведена в табл. 16.
Силовые трансформаторы выполняются с независимыми обмотками (собственно трансформаторы) и с гальванически связанными (автотрансформаторы).

Таблица 16
Шкала номинальных мощностей силовых трансформаторов, кВ А, при разном шаге                 

В сетях 110 кВ используются двухобмоточные (110/6— 10 кВ) и трехобмоточные (110/35/6—10 кВ) трансформаторы единичной мощностью, главным образом, от 6,3 до 40 МВ-А. Наиболее часто используются трансформаторы мощностью 10—16 МВ-А. Трансформаторы других мощностей, предусмотренных ГОСТ, используются редко. Двухобмоточные трансформаторы мощностью 25 МВ-А и более выполняются с расщепленной обмоткой НН; при этом сумма мощностей обмоток НН равна мощности обмотки ВН в отличие от трехобмоточного трансформатора, у которого мощности всех трех обмоток равны.
В сетях 220—330 кВ применяются главным образом автотрансформаторы. Обмотка СН автотрансформаторов 220—330 кВ выполняется на напряжение 110 кВ, ее мощность соответствует номинальной мощности АТ; обмотка НН выполняется на 10 либо 35 кВ и имеет сниженную мощность.
При выборе автотрансформаторов решаются две специфические задачи: выбор напряжения третичной обмотки и проверка загрузки общей обмотки. Проверка требуется при присоединении к обмотке НН синхронного компенсатора и может быть выполнена по приближенной формуле
(4) где S0 — загрузка общей обмотки; S1 — загрузка обмотки ВН; S3 — загрузка обмотки НН; S ном — номинальная мощность АТ; α=( U 1— U 2)/ U 1 — коэффициент выгодности АТ; U 1 — высшее напряжение; U 2 — среднее напряжение.
Номинальные мощности используемых АТ составляют в основном для сетей 220 кВ 63, 125 и 200 МВ-А, для сетей 330 кВ —125 и 200 МВ-А (см. § 4). В сетях 220 кВ используются также двухобмоточные (220/НН) трансформаторы для подстанций глубокого ввода, а также трехобмоточные трансформаторы (220/27—35/НН) для электрификации сельского хозяйства и железных дорог (как правило, в восточных районах страны).

Выбор количества и мощности трансформаторов является технико-экономической задачей, правильное решение которой дает оптимальное использование установленной мощности при обеспечении необходимой надежности электроснабжения потребителей, что в конечном счете выражается в минимальных приведенных затратах.

Суммарная установленная мощность трансформаторов на подстанциях должна удовлетворять условиям
(5)

где nт , S т — количество и единичная номинальная мощность трансформаторов; Рмах, Рав — максимальная нагрузка подстанции в нормальном и аварийном режимах; nотк — количество отключенных трансформаторов; Кав —допустимый по ГОСТ коэффициент систематической перегрузки трансформаторов.
Нагрузка Рав меньше, чем Ртах, на величину резервирования нагрузки подстанции, которое может быть обеспечено по сети СН и НН; nотк в практике проектирования принимается равным 1, так как при частоте отказов в год на один трансформатор (автотрансформатор), равной 0,02—0,04 [43], вероятность nотк >1 достаточно мала. В качестве расчетного периода на практике принимается 5-й год эксплуатации подстанции [46]; выполненные технико-экономические расчеты показали, что этот срок близок к оптимальному [47].
 Допустимая систематическая перегрузка трансформаторов согласно ГОСТ 14209-69 в суточном разрезе зависит от температуры окружающего воздуха, графика нагрузки и вида охлаждения. При длительности максимума нагрузки 2—4 ч и температуре окружающего воздуха до +5 °C (зимой) допустимая перегрузка автотрансформатора находится в пределах 1,35—1,45. В практических расчетах эта величина принимается равной 1,4.
С учетом изложенного действующие нормативные документы [46] предусматривают установку на понижающих подстанциях 35—750 кВ, как правило, двух трансформаторов; мощность каждого из них выбирается с учетом загрузки не более 70 % максимальной нагрузки подстанции Ртах при отсутствии резервирования по сетям СН и НН или Рав при его наличии.
Согласно [40] на подстанциях допускается установка одного трансформатора для питания электроприемников второй и третьей категорий при наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены повредившегося трансформатора за время не более 1 сут. 
Следует отметить, что для подстанций 110 кВ и выше выполнение этого условия практически нереально: при существующей организации ремонтного хозяйства и значительной территории, обслуживаемой энергосистемами, для замены поврежденного трансформатора требуется не менее 3—5 сут (масса трансформатора 110/10 кВ, 6,3 МВ·А составляет около 40 т; его перевозка требует наличия в энергосистемах специальных транспортных средств, соответствующих грузоподъемных устройств и т. п.).
Поэтому важнейшим критерием для принятия решения должны служить результаты технико-экономических расчетов. Снижению первоначальных затрат и ежегодных издержек при применении однотрансформаторной подстанции противопоставляется ущерб от перерывов электроснабжения при повреждении трансформатора. Известно, что трансформаторы в принципе обладают достаточно высокой надежностью (среднее число отказов для напряжения 110— 330 кВ составляет 0,02—0,04 в год), однако продолжительность их ремонта велика. Произведенные технико-экономические расчеты при различных исходных данных [44, 48] дают близкие результаты: применение однотрансформаторных подстанций оказывается допустимым для подстанций напряжением 110 кВ при мощности до 6,3 МВ-А.
Указанные исследования, опыт проектирования и эксплуатации дали основания для рекомендаций в последних нормативных документах об ограничении применения однотрансформаторных подстанций 110 кВ и выше. Согласно [39, 46] установка одного трансформатора допускается на первом этапе эксплуатации с учетом постепенного роста нагрузки при обязательном условии возможности осуществления резервирования по сетям СН и НН. Применение однотрансформаторных подстанций допускается также при таком построении сети, когда выход одной подстанции резервируется от соседних по сети СН и НН. Примером такого решения является схема «дробления» подстанций для питания сосредоточенной нагрузки, расположенной на небольшой территории (например, в городах, промышленных узлах). При этом суммарная мощность п—1 подстанций должна обеспечивать покрытие всей нагрузки рассматриваемого района, а связывающие их сети НН — резервирование каждой подстанции. Технико-экономическая целесообразность такой схемы должна быть обоснована в каждом конкретном случае. Достаточно сложной организационной задачей являются согласованное планирование и осуществление ввода отдельных объектов схемы (подстанций и сетей НН) таким образом, чтобы на каждом этапе развития обеспечивалась необходимая надежность электроснабжения.
Приведенные соображения подтверждаются практикой проектирования и строительства подстанций: несмотря на постоянный ввод новых подстанций с установкой первых трансформаторов, удельный вес однотрансформаторных подстанций в сетях 110—330 кВ неуклонно снижается (см. § 4).
При росте нагрузки сверх расчетного уровня увеличение мощности двухтрансформаторной подстанции производится, как правило, путем замены трансформаторов на более мощные. Поэтому при проектировании аппаратура и ошиновка в цепи трансформаторов должны выбираться с учетом установки в перспективе трансформаторов следующей по шкале ГОСТ номинальной мощности.
Установка дополнительных (сверх двух) трансформаторов требует технико-экономического обоснования. Следует отметить, что существуют достаточно большие интервалы расчетных нагрузок, когда при действующей шкале номинальных мощностей трансформаторов использование установленной мощности при двух единицах является наименьшим (см., например, табл. 17 для трансформаторов с ВН 110 кВ).
Таблица 17

С учетом того, что для большинства подстанций характерен постепенный рост нагрузок по годам, представляет практический интерес сравнение вариантов двух-, трех-  и четырехтрансформаторных подстанций по минимуму приведенных затрат, так как варианты с nт>2 дают возможность осуществления более благоприятного распределения затрат во времени за счет установки третьего и четвертого трансформаторов в более поздние сроки.  Сравнение производилось для области электрических нагрузок, где применение nт>2 дает наибольший экономический эффект. Анализ результатов расчетов и принятых исходных данных показывает, что в большинстве случаев двухтрансформаторная подстанция является оптимальным вариантом [47]. С учетом изложенного установка на подстанциях более двух трансформаторов (автотрансформаторов) допускается в следующих случаях:
на подстанциях промышленных предприятий, если необходимо выделить по режиму работы толчковые нагрузки (электропечи и т. п.);
если по технико-экономическим соображениям целесообразно использование на подстанции двух средних напряжений;
если для покрытия нагрузки недостаточно предельной мощности двух автотрансформаторов по существующей шкале (например, 330/110 кВ, 200 МВ-А);
если вариант двух групп из спаренных трехфазных автотрансформаторов имеет технико-экономические преимущества по сравнению с группами из однофазных автотрансформаторов.
В трех последних случаях два автотрансформатора, как правило, подключаются на стороне ВН под общий выключатель. Из сказанного выше и анализа статистических данных можно сделать следующие выводы о количестве и единичной мощности трансформаторов для типовых унифицированных подстанций  110—330 кВ:
количество трансформаторов должно равняться двум;
подстанции 110 кВ проектируются, как правило, с трансформаторами единичной мощностью от 6,3 до 40 МВ-А (трансформаторы мощностью 63 МВ-А применяются редко) ;
подстанции 220 кВ должны быть рассчитаны на установку автотрансформаторов единичной мощностью, как правило, 125 и 200 МВ-А (в отдельных случаях 63 и 250 МВ-А);
подстанции 330 кВ должны быть рассчитаны на установку автотрансформаторов единичной мощностью 125 и 200 МВ-А;
учитывая значительный удельный вес подстанций 330 кВ, сооружаемых в районах с высокой плотностью нагрузки, необходимо рассмотреть возможность и целесообразность создания такой схемы и компоновки типовой двухтрансформаторной подстанции, которая допускала бы ее расширение путем установки двух дополнительных автотрансформаторов.