Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в другое.

Выбор трансформаторов включает в себя определение числа, типа и номинальной мощности трансформаторов структурной схемы проектируемой электроустановки.

Рекомендуется применять трехфазные трансформаторы, и только в случае невозможности изготовления заводами трансформаторов необходимой мощности или при наличии транспортных ограничений допускается применение групп из двух трехфазных или трех однофазных трансформаторов.

Все трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы, а также двухобмоточные трансформаторы подстанций и станций, кроме включенных в блоки с генераторами, должны иметь встроенные устройства для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

Выбор номинальной мощности трансформатора производят с учетом его нагрузочной способности. В общем случае условие выбора мощности транс- форматора имеет вид

S_расч≤S_ном·k_п, (5.1)

где S_расч– расчетная мощность;

S_ном – номинальная мощность трансформатора;

k_п– допустимый коэффициент перегрузки.

При определении Sрасч принимается во внимание нагрузка на пятый год, если считать от конца сооружения электроэнергетического объекта, причем учитывается перспектива дальнейшего его развития на 5−10 лет вперед.

Выбор блочных трансформаторов. Блочный трансформатор должен обеспечивать выдачу мощности генератора в сеть повышенного напряжения за вычетом мощности нагрузки, подключенной на ответвлении от генератора. При этом возможны два варианта:

1) на ответвлении к блоку подсоединена только нагрузка собственных нужд. В этом случае

(5. 2)

При равенстве коэффициентов мощности генератора и потребителей собственных нужд

S_расч~S_ном.г-S_с.н., (5.3)

2) на ответвлении к блоку подключены местная нагрузка и нагрузка собственных нужд.

Тогда

, (5.4)

где Рном.г , Qном.г – активная и реактивная номинальные мощности генератора;

Рс.н., Qс.н. – активная и реактивная нагрузки собственных нужд;

Рм.н, Qм.н – активная и реактивная местные нагрузки.

Если генератор включается в блок с повышающим автотрансформатором (обычно без местной нагрузки), то расчетная мощность последнего определяется максимальной нагрузкой третичной обмотки, к которой присоединен генератор:

(5.5)

где k тип – коэффициент типовой мощности автотрансформатора.

При этом предполагается, что мощность третичной обмотки равна типовой мощности автотрансформатора.

После выбора номинальной мощности автотрансформатора проверяют возможность передачи через него максимальной мощности из РУ СН в РУ ВН. Если такой режим нагрузки оказывается недопустимым, то изменяют или число блоков, присоединенных к РУ СН, или число автотрансформаторов, или реже их мощность.

Если суточный график нагрузки генератора, а следовательно, и блочного трансформатора имеет заметно выраженное понижение мощности в ночное время, то при выборе номинальной мощности трансформатора можно учесть его способность к систематическим перегрузкам в дневное время без сокращения срока службы, т.е.

, (5.6)

где kп.сист – допустимый коэффициент систематических перегрузок, который определяют по графикам нагрузочной способности трансформаторов (мощностью до 250 МВА включительно), согласно ГОСТ 14209-85.

Если блок работает в базовой части графика нагрузки, то выбор блочного трансформатора необходимо производить без учёта его перегрузочной способности.

Выбор трансформаторов связи на электростанциях.

Расчетную мощность автотрансформаторов связи, включенных между РУ высшего и среднего напряжения определяют на основе анализа перетоков мощности между этими РУ в нормальном и аварийном режимах. В частности, необходимо рассматривать отключение одного из блоков, присоединенных к РУ СН. При выборе числа автотрансформаторов связи учитывают, во-первых, требуемую надежность электроснабжения потребителей сети СН, а во-вторых, допустимость изолированной работы блоков на РУ СН. Если нарушение связи между РУ высшего и среднего напряжений влечет за собой недоотпуск электроэнергии потребителям или окажется, что минимальная нагрузка сети СН ниже технологического минимума мощности отделившихся блоков, то предусматривают два автотрансформатора связи.

При выборе трансформаторов связи между РУ генераторного (ГРУ) и повышенного напряжений ТЭЦ руководствуются соображениями надежности тепло- и электроснабжения местного потребителя. На ТЭЦ, как правило, предусматривают два трансформатора связи ГРУ с системой. Один транс- форматор связи можно установить лишь в тех редких случаях, когда нарушение связи ТЭЦ с системой, сопровождающееся переходом генераторов на работу по графику местной электрической нагрузки, не вызывает ограничения теплового потребления. Однако даже при наличии условий, определяющих принципиальную возможность выбора одного трансформатора связи, из соображений уменьшения перетоков мощности между секциями обычно устанавливают все-таки два трансформатора связи.

При выборе номинальной мощности трансформаторов связи составляют и анализируют предполагаемые графики нагрузки трансформаторов: а) в нормальном режиме; б) при отключении одного из работающих генераторов.

Мощность, передаваемая через трансформаторы связи, в общем случае (при разных значениях коэффициентов мощности генераторов, местной нагрузки и собственных нужд):

, (5.7)

где РΣг, QΣг – суммарные активная и реактивная мощности генераторов, присоединенных к ГРУ.

Учет нагрузочной способности трансформаторов связи зависит от режима, определившего расчетную (наибольшую) мощность. В нормальном режиме работы по диспетчерскому (т.е. заданному диспетчером системы) графику нагрузки трансформаторы, как правило, не должны перегружаться. В остальных случаях, если вероятность расчетного режима достаточно велика (плановое или аварийное отключение одного генератора на станции, аварийная ситуация в системе), то при выборе номинальной мощности можно идти лишь на перегрузку без сокращения срока службы (kп.сист). В тех случаях, когда расчетный режим редкий (отказ одного из трансформаторов связи), при выборе Sном используют коэффициент допустимой аварийной перегрузки kп.ав. Расчёт допустимых перегрузок выполняется в соответствии с ГОСТ 14209-85.

Выбор трансформаторов на подстанциях. Число трансформаторов на подстанции выбирают в зависимости от мощности и ответственности потребителей, а также наличия резервных источников питания в сетях среднего и низшего напряжений.

Так как большей частью от подстанции питаются потребители всех трех категорий, и питание от системы подводится лишь со стороны ВН, то по условию надежности требуется установка двух трансформаторов.

На очень мощных узловых подстанциях может оказаться экономически целесообразной установка трех- четырех трансформаторов (автотрансформаторов).

На однотрансформаторных подстанциях номинальная мощность трансформатора выбирают с учетом возможности систематических перегрузок:

, (5.8)

где

, (5.9)

Рmax – максимальная нагрузка наиболее загруженной обмотки трансформатора на 5-й год, если считать с момента ввода первого трансформатора.

При установке на подстанции более одного трансформатора (в общем случае Nт) расчетным является случай отказа одного из трансформаторов, когда оставшиеся в работе трансформаторы с учетом их аварийной перегрузки должны передавать всю необходимую мощность:

. (5.10)

Структура условного обозначения трансформаторов приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Структура условного обозначения трансформаторов

Примечания:

1. Для обозначения автотрансформаторов добавляется буква «А»

2. Для обозначения расщепленной обмотки НН после числа фаз ставится буква «Р», например, «ТРДН».

Проверка трансформаторов на перегрузочную способность по ГОСТ 14209-85.

Проверяем трансформаторы подстанций по ГОСТ 14209-85 на систематическую перегрузку.

Определяем коэффициент

, (5.11)

где S_нт – номинальная мощность трансформатора (МВА);

S_м - расчетная максимальная нагрузка (МВА);

n – количество трансформаторов на подстанции.

Если К_нт^*≥ 1 то трансформаторы подстанции не испытывают систематических перегрузок.

В противном случае на суточный зимний график нагрузки наносим линию параллельную оси абсцисс с ординатой равной величине К_нт^*, рисунок 5.2.

Рисунок 5.2 - суточные зимний графики нагрузок для резинотехнической
промышленности

По пересечению графика нагрузок и линии К_нт^* определяем предварительное время перегрузки t_п^’ .

Определяем коэффициент начальной загрузки К₁.

К₁= , (5.12)

В формуле 5.1.13 суммирование ведется по тем ступеням графика, которые не относятся к зоне перегрузке.

Примечание: Если график нагрузки имеет несколько участков перегрузки (несколько пиков) то за зону перегрузки принимают ту, которая имеет максимальный тепловой импульс (максимальную площадь участка), при этом второй участок перегрузки с меньшим тепловым импульсом учитывается при расчете К₁.

Определяем предварительный коэффициент перегрузки по графику .

= (5.13)

В выражении 5.1.14 суммирование ведется по тем ступеням графика, которые относятся к зоне перегрузки.

Если ^≥ 0,9 , то принимаем расчетный коэффициент перегрузки К₂ = , а время перегрузки t_п = , иначе принимаем К₂ =0,9, а время перегрузки корректируем по выражению

(5.14)

По таблицам ГОСТ систематических перегрузок (таблица 5.2), в зависимости от К₁, t_п, эквивалентной температуры охлаждающей среды Θ (так как выбор трансформатора осуществлялся по зимнему графику, имеющему больший максимум нагрузки то в качестве Θ принимаем эквивалентную зимнюю температуру) и системы охлаждения трансформатора, находим допустимый коэффициент перегрузки К_2доп.

Примечание. При несовпадении расчетных значений К₁, t_п, или Θ с табличными значение К_2доп.определяют по правилам линейной интерполяции.

Таблица 5.1 - Значения годовой и сезонных эквивалентных температур охлаждающего воздуха по населенным пунктам.

Таблица 5.2 - Нормы максимально допустимых систематических и аварийных перегрузок трансформаторов.

Продолжение таблицы 5.2

Продолжение таблицы 5.2

Примечание: 1.Знак + означает, что при данном режиме нагрузки расчётное значение К_2доп >2, при этом по согласованию с изготовителем трансформатора допускаются его любые значения в интервале 1,5<К_2доп <2.

Таблица 5.3 -Допустимые аварийные перегрузки ( в долях номинального тока ) трансформаторов классов напряжения до 110 кВ включительно без учёта начальной ( предшествующей ) нагрузки.

Проверка осуществляется по выражению:

К₂ ≤ К_2доп. (5.15)

Если условие 5.15 не выполняется, то необходимо увеличить мощность трансформатора на одну ступень и повторить расчет.

Примечание. Таблицы ГОСТ приведены для проверки трансформаторов классов напряжения до 110 кВ включительно. При проверке трансформаторов класса 150 кВ и выше следует скорректировать величину Θ, увеличив ее на +20ºС.

Проверяем трансформаторы на аварийную перегрузку.

Проверка трансформаторов осуществляется только для подстанций с числом трансформаторов два и более при отключении одного из трансформаторов.

Определяется коэффициент:

, (5.16)

На суточный зимний график нагрузки наносится линия параллельно оси абсцисс с ординатой равной величине К_{нт ав}^*, рисунок 5.2.

По пересечению графика нагрузок и линии К_{нт ав}^* определяется время аварийной перегрузки t_{п ав} .

Определяется коэффициент начальной загрузки в аварийном режиме К_1ав:

К_1ав= , (5.17)

В формуле 5.17 суммирование ведется по тем ступеням графика, которые не относятся к зоне аварийной перегрузке.

Определяется коэффициент аварийной перегрузки по графику .

= (5.18)

В выражении 5.18 суммирование ведется по тем ступеням графика, которые относятся к зоне аварийной перегрузки

По таблицам ГОСТ аварийных перегрузок (таблица 5.2), в зависимости от К_1ав, t_пав, эквивалентной температуры охлаждающей среды Θ и системы охлаждения трансформатора, находится допустимый коэффициент перегрузки К_{2доп ав}.

Проверку осуществляется по выражению

К_2ав ≤ К_2допав. (5.19)

Если условие 5.19 не выполняется то определяется допустимая мощность трансформатора в аварийном режиме

S_доп=К_2допав* S_нт (5.20)

Определяют необходимую мощность отключения нагрузки

S_откл = S_м - S_доп (5.21)

Далее проверяется условие:

, (5.22)

где - удельный вес потребителей 3-ей категории в общей нагрузки подстанции.

Если условие 5.22 выполняется, то за счет отключения потребителей 3-ей категории в послеаварийном режиме трансформатор сможет нести оставшуюся нагрузку.

Если условие 5.22 не выполняется, то следует увеличить мощность трансформатора и повторить проверку на аварийную перегрузку. В таблицах 5.4 – 5.6 приведены технические данные двухобмоточных сухих и масляных трансформаторов, в таблице 5.7 – трехобмоточных масляных трансформаторов.

Таблица 5.4 – Технические данные трехфазных сухих трансформаторов,

U_ном < 1000 В

Таблица 5.5 – Технические данные трехфазных сухих трансформаторов,

U_номВН >1000 В

Таблица 5.6 – Технические данные трехфазных масляных трансформаторов