Глава 8 Выбор числа и мощности силовых трансформаторов 8. 1 Выбор число трансформаторов • Рис. 8. 1 Типичная схема электроснабжения. а — с одним трансформатором; б — с двумя трансформаторами. Правильный технически и экономически обоснованный выбор числа и мощности силовых трансформаторов для главных понизительных и цеховых подстанций промышленных предприятий имеет существенное значение для рационального построения схемы электроснабжения этих предприятий.
Рис. 8. 1 Типичная схема электроснабжения. а — с одним трансформатором; б — с двумя трансформаторами. • Рис. 8. 1 Типичная схема электроснабжения. а — с одним трансформатором; б — с двумя трансформаторами.
Рис. 8. 2 Схема замещения для расчетов надежности схемы электроснабжения. а — с одним трансформатором; б — с двумя трансформаторами.
• Число трансформаторов определяется требованиями надежности электроснабжения. С этих позиций наилучшим является вариант с установкой двух трансформаторов, обеспечивающий практически бесперебойное электроснабжение предприятия или цеха. • На рис. 8. 1 приведена схема с установкой одного и двух трансформаторов. На рис. 8. 2 даны схемы их замещения. В схеме на рис 8. 2 изображены элементы цепи (с одним и двумя трансформаторами), соединенные последовательно: шинный разъединитель, выключатель на стороне высшего напряжения, трансформатор, выключатель на стороне низшего напряжения или автомат и разъединитель или штепсельный разъем на стороне низшего напряжения. Задача заключается в том, чтобы из двух намеченных вариантов схем (рис. 8. 1, а и б) выбрать одну с лучшими технико-экономическими показателями. Оптимальный вариант схемы выбирается на основе сравнения приведенных годовых затрат по каждому варианту:
где — эксплуатационные расходы i-го варианта; — капитальные затраты i-гo варианта; — убытки потребителя электрической энергии от перерывов электроснабжения. Следует заметить, что по схеме на рис. 8. 1, а наступает полный перерыв питания, а по схеме на рис. 8. 1, б оставшийся в работе трансформатор с перегрузкой обеспечивает питание всех потребителей. Здесь уместно подчеркнуть, что для схемы на рис. 8. 1, а питание со стороны низшего напряжения трансформатора по резервной кабельной линии от соседней трансформаторной подстанции не может быть принято во внимание, так как такая схема аналогична схеме подстанции с двумя трансформаторами, но с худшими показателями за счет длинной кабельной линии между системами шин двух подстанций, удаленных друг от друга. • Для рассматриваемого случая формула вероятности безотказной работы системы резервирования имеет вид:
• Одним из основных количественных критериев надежности системы является вероятность безотказной работы ее за определенный промежуток времени. В таком случае под вероятностью безотказной работы понимается вероятность того, что система будет выполнять заданные функции в течение данного промежутка времени. • Рассмотрим надежность работы системы как функцию времени t, т. е. Р(t). Надежность системы с точки зрения продолжительности работы до первого отказа оценивается средним временем безотказной работы системы Тср. Связь между вероятностью и средним временем безотказной работы резервируемой системы выражается уравнением:
• Таким образом, установка на подстанциях промышленных предприятий двух трансформаторов (рис. 8 -1, б) с необходимой аппаратурой включения и отключения обеспечивает надежное питание потребителей. Это означает, что при повреждении одного трансформатора второй, как правило, обеспечивает 100%-ную надежность питания в течение времени, вполне достаточного для замены поврежденного трансформатора или его ремонта. • Кроме требований надежности при выборе числа трансформаторов следует учитывать режим работы приемников электроэнергии. Так, например, при низком коэффициенте заполнения графика на переключений необходима соответствующая аппаратура с ручным или дистанционным управлением. Расчеты и опыт проектирования показывают, что главные понизительные и цеховые подстанции желательно выполнять с числом трансформаторов не более двух. • Двухтрансформаторные подстанции обычно экономически более целесообразны, чем подстанции с одним или с тремя и большим числом трансформаторов. При сооружении двухтрансформаторных подстанций желательно осуществлять наиболее простую схему электрических соединений со стороны высшего напряжения.
Рис. 8. 3 Однолинейные схемы электрических соединении главных понизительных подстанций с двумя трансформаторами. а— с выключателями из стороне высшего напряжения; б — без выключателей на стороне высшего напряжения.
• Такой схемой является, например, схема, приведенная на рис. 8. 3. Применение простых схем с числом выключателей, меньшим числа присоединений, особенно выгодно, когда стоимость выключателя на стороне высшего напряжения соизмерима со стоимостью установки трансформатора. В нормальном режиме трансформаторы работают раздельно. При этом ток к. з. уменьшается вдвое, чем облегчаются условия работы аппаратов до 1000 В. При отключении одного из трансформаторов второй включается с помощью секционного автомага или выключателя, принимает на себя всю или часть нагрузки и продолжает работать с перегрузкой до восстановления питания.
• При проектировании подстанций необходимо учитывать требование резервирования, исходя из следующих соображений. Потребители 1 -й категории должны иметь питание от двух независимых источников электроэнергии; при этом может быть обеспечено резервирование питания и всех других потребителей. Обеспечивая надежное питание от двух подстанций, на них можно устанавливать по одному трансформатору. При питании потребителей 1 -й категории от одной подстанции для обеспечения надежности необходимо иметь минимум по одному трансформатору на каждой секции шин; при этом мощность трансформаторов должна быть выбрана так, чтобы при отключении одного из них второй с учетом допустимой перегрузки обеспечивал питание потребителей 1 -й • категории. Ввод резервного питания для потребителей 1 -й категории должен осуществляться автоматически.
• Потребители 2 -й категории должны быть обеспечены резервом, вводимым автоматически или действиями дежурного персонала. При питании от одной подстанции необходимо иметь два трансформатора или «складской» резервный трансформатор для нескольких подстанций, питающих потребителей 2 й категории, при условии, что замена трансформатора может быть произведена в течение нескольких часов. На время замены трансформатора может вводиться ограничение питания потребителей с учетом допустимой перегрузки оставшегося в работе трансформатора. • Потребители 3 -й категории могут получать питание от однотрансформаторной подстанции при наличии «складского» резервного трансформатора.
8. 2 Выбор мощности силовых трансформаторов • В системах электроснабжения промышленных предприятий мощность силовых трансформаторов должна обеспечивать в нормальных условиях питание всех приемников электроэнергии. При выборе мощности трансформаторов следует добиваться экономически целесообразного режима работы и соответствующего обеспечения резервирования питания приемников при отключении одного из трансформаторов, причем нагрузка трансформаторов в нормальных условиях не должна (по нагреву) вызывать сокращения естественного срока его службы. • Все промышленные предприятия из года в год увеличивают свою производственную мощность и расширяются за счет строительства новых цехов и освоения новых площадей или за счет более рационального использования существующих. Целесообразно для учета увеличения потребляемой
предприятием мощности предусматривать возможность расширения подстанций за счет замены менее мощных трансформаторов более мощным, т. е. предусматривать возможность установки трансформаторов большей на одну ступень мощности. Так, например, если устанавливают два трансформатора по 6300 к. В·А, то фундаменты и конструкции нужно предусматривать для возможной установки двух трансформаторов по 10 000 к. В·А без существенных переделок подстанции. • Надежность электроснабжения предприятия достигается за счет установки на подстанции двух трансформаторов, которые работают раздельно. При этом соблюдается условие, что любой из оставшихся в работе трансформаторов (при аварии с другим) обеспечивает полностью или с некоторым ограничением потребную мощность. Обеспечение потребной мощности может осуществляться не только за счет использования номинальной мощности трансформаторов, но и за счет их перегрузочной способности (в целях уменьшения их установленной мощности).
• 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. Под этими условиями согласно ГОСТ 14209 -69 и 11677 -65 понимают: температуру охлаждающей среды, равную 20° С; • превышение средней температуры масла над температурой охлаждающей среды для систем охлаждения М и Д 44°С и для систем охлаждения ДЦ и Ц 36° С (их расшифровка приведена ниже); • превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над средней температурой обмотки 13°С; • отношение потерь к. з. к потерям х. х. , равное 5 -кратному (принимается наибольшее значение для обеспечения запаса по нагреву изоляции); • при изменении температуры изоляции на 6°С от среднего ее значения при номинальной нагрузке, равного 85°С, срок службы изоляции изменяется вдвое
• (сокращается при повышении температуры или увеличивается при ее понижении); • во время переходных процессов в течение суток наибольшая температура верхних слоев масла не должна превышать 95°С, а наиболее нагретая точка металла обмотки 140°С. • Здесь необходимо отметить, что последнее условие справедливо только для эквивалентной температуры охлаждающей среды, равной 20° С. При резком снижении этой температуры необходимо следить за нагрузкой трансформатора по контрольно-измерительным приборам и во всех случаях не допускать превышения нагрузки сверх 150% номинальной (ГОСТ 14209 -69). • Мощность силовых трансформаторов целесообразно определять с учетом их перегрузочной способности. Если это не принимать во внимание, можно без всяких оснований завысить установленную мощность трансформатора. Перегрузочная способность определяется в зависимости от графика нагрузок для устанавливаемого трансформатора. Допускаются аварийная и возможная систематическая в условиях эксплуатации перегрузки трансформаторов.
• а) Перегрузка аварийная. В соответствии с ГОСТ 14209 -69 для сухих трансформаторов и имеющих системы охлаждения М, Д, ДЦ и Ц, можно допускать (вне зависимости от длительности предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды и места установки) кратковременную перегрузку в соответствии с зависимостями. • Трансформатор можно перегружать на срок до 5 суток на 40%, когда его нагрузка (для систем охлаждения М, Д, ДЦ и Ц) до 176 аварийной перегрузки не превышала 0, 93 его паспортной мощности, но при этом продолжительность перегрузки каждые сутки не должна превышать 6 ч (суммарная продолжительность перегрузки подряд или с перерывами). • б) Перегрузка систематическая. Перегрузочная способность трансформатора зависит от особенностей графика нагрузок, который характеризуется коэффициентом заполнения графика
• В системах электроснабжения промышленных предприятий довольно часто встречается несимметричная нагрузка трансформаторов. При работе трансформатора в таком режиме, если его мощность выбрана по максимально нагруженной фазе, будет иметь место явное недоиспользование его. Поэтому трансформатор следует выбирать с учетом возможной перегрузки его, что позволяет сократить потребную мощность трансформатора. Пример 6. 2 Трансформатор с естественным масляным охлаждением работает с коэффициентом загрузки Кз = 0, 8, после этого он в течение 2 ч нагружается на 1, 35 Sном, т, п. Определить, допустим ли такой режим работы. • Постоянная времени нагрева τ = 2, 5 ч для эквивалентной температуры охлаждающей среды θохл, э=20° С. По ГОСТ 1420969 Кд, п = 1, 35, следовательно, указанный режим работы трансформатора допустим.
8. 3 Общие выводы по выбору числа и мощности силовых трансформаторов • Выбор числа, мощности и типа силовых трансформаторов (автотрансформаторов) для питания нагрузок промышленных предприятий производится по изложенной ниже общей схеме. • 1. Определяется число трансформаторов на подстанции, исходя из обеспечения надежности питания с учетом категории потребителей. • 2. Намечаются возможные варианты мощности выбираемых трансформаторов с учетом допустимой нагрузки их в нормальном режиме и допустимой перегрузки в аварийном режиме.
• 3. Определяется экономически целесообразное решение из намеченных вариантов, приемлемое для данных конкретных условий. • 4. Учитывается возможность расширения или развития подстанции и решается вопрос о возможной установке более мощных трансформаторов на тех же фундаментах или предусматривается возможность расширения подстанций за счет увеличения числа трансформаторов. Пример 8. 1 Выбрать число и мощность трансформаторов ГПП машиностроительного завода. Суточный график нагрузки наиболее загруженного дня и годовой график нагрузок по продолжительности заданы на рис. 8. 4. Приемники электроэнергии 1 -й категории на заводе потребляют мощность 20 MB·А. Завод в будущем подлежит расширению.
• Выбираем число трансформаторов, устанавливаемых на ГПП завода. На заводе имеются потребители 1 -й категории, поэтому на ГПП должны быть установлены два силовых трансформатора. • Намечаем два возможных варианта мощности трансформаторов ГПП завода с учетом допустимых перегрузок. Из суточного графика нагрузок завода (рис. 8. 4, б) определяем значение максимальной нагрузки за наиболее загруженный день Sм = 60 MB·А и продолжительность этой нагрузки за те же сутки tп = 3 ч. Определяем коэффициент заполнения графика нагрузок в наиболее загруженные сутки: • В соответствии с суточным графиком нагрузок ориентировочно принимаем допустимую систематическую перегрузку трансформаторов при = 0, 64 = = 0, 11 • За счет неравномерности годового графика нагрузки (недогрузка в летние месяцы) может быть допущена дополнительная перегрузка трансформаторов в размере = 0, 15
Рис. 8. 4 График нагрузок машиностроительного завода. а — годовой график нагрузок по продолжительности использования мощности. б — суточный график нагрузок. Определяем общую (полную) допустимую перегрузку трансформатора в нормальном режиме при максимальной нагрузке завода:
• Намечаем два варианта мощности трансформаторов. 1 -й вариант: два трансформатора по 40 MB·А. В нормальном режиме трансформаторы будут работать с неполной загрузкой. В часы максимума коэффициент загрузки равен: • 2 -й вариант: два трансформатора по 25 MB·А. С учетом перегрузки, определенной выше, оба трансформатора в нормальном режиме смогут пропустить всю потребную мощность во время максимальной нагрузки завода, поскольку допустимая мощность двух трансформаторов составит:
МВ·А С точки зрения работы в нормальном режиме оба варианта приемлемы. • 3. Проверяем возможность работы намеченных трансформаторов при отключении одного из них. 1 -й вариант: при отключении одного из трансформаторов 40 MB·А оставшийся в работе сможет пропустить мощность, равную: МВ·А, т. е. 93, 5% всей потребляемой заводом мощности, что приемлемо. Коэффициент 1, 4 учитывает допустимую перегрузку трансформатора в послеаварийном режиме. 2 -й вариант: при отключении одного из трансформаторов 25 MB·А оставшийся в работе трансформатор сможет пропустить мощность, равную:
МВ·А Учитывая, что в этом режиме питание потребителей 1 -й категории не нарушается, а потребители 2 -й и 3 -й категорий допускают перерыв в питании на некоторое время, считаем 2 -й вариант также приемлемым. 4. Определяем экономически целесообразный режим работы трансформаторов. МВ·А; ∆Px =40 к. Вт; ∆Pк=145 к. Вт; Ix=0, 80%; 1 -й вариант: uк%=10, 9%; K 40=35 тыс. руб. 2 -й вариант: МВ·А; ∆Px =21 к. Вт; ∆Pк=130 к. Вт; Ix=1, 1%; uк%=10, 5%; K 25=20 тыс. руб.
• Определяем потери мощности и энергии в трансформаторах за год при работе их в экономически целесообразном режиме. Принимаем при расчетах к. Вт/(квар) (задан энергосистемой для данного завода в соответствии с его местоположением). • 1 -й вариант: = 320 квар; = 4360 квар;
= 56 к. Вт. =363 к. Вт. Приведенные потери мощности в одном трансформаторе 363 к. Вт; в двух параллельно работающих трансформаторах 363.
= • Здесь — новый коэффициент загрузки за счет деления нагрузки пополам между двумя одинаковыми трансформаторами. 2 -й вариант: = 275 квар; = 2620 квар 21 +0, 05· 275 = 34, 7;
= 130 +0, 05· 2620 =261 к. Вт = 34, 7+ = 69, 4+ 261 к. Вт 522 к. Вт Находим нагрузку, при которой необходимо переходить на работу с двумя трансформаторами: 1) для трансформаторов 40 MB·А (1 -й вариант) МВ·А; 2) для трансформаторов 25 MB·А (2 -й вариант) MB·А.
• При технико-экономическом сопоставлении вариантов установки трансформаторов получаем: 1 –й вариант. Капитальные затраты =2 = 2 · 35 = 70 тыс. руб Амортизационные отчисления = 0, 1· 70 = 7 тыс. руб/год. Стоимость потерь электроэнергии при с0= 0, 02 руб/(к. Вт · ч): =0, 02 · 2 575 200= 51, 5 тыс. руб/год. Суммарные годовые эксплуатационные расходы: =7+51, 5=58, 5 тыс. руб/год. 2 -й вариант. Капитальные затраты =2· 20=40 тыс. руб.
Амортизационные отчисления руб/год. = 0, 1 · 40= 4 тыс. Стоимость потерь электроэнергии 800 = 80, 9 тыс. руб/год. Суммарные годовые эксплуатационные расходы = 4+ 80, 9 = 84, 9 тыс. руб/год. Определяем срок окупаемости: = 0, 02· 4 043
• Срок окупаемости получился значительно меньше нормативного Тн = 8 лет, поэтому 1 -й вариант по экономическим соображениям является более рациональным. Учитывая заданные условия о расширении завода, окончательно принимаем вариант установки двух трансформаторов по 40 000 к. В·А.
Контрольные вопросы По каким требованиям определяется выбор числа трансформаторов? По каким требованиям определяется выбор мощности трансформаторов? Почему важен правильный выбор числа и мощности? Какой сделан вывод?
Скачать презентацию Глава 8 Выбор числа и мощности силовых трансформаторов
глава 8.pptx