Силовые трансформаторы промышленных предприятий и их выбор — Трансформаторы главных понижающих подстанций
Содержание материала
Проектирование подстанций с высшим напряжением 35. 330 кВ, к которым относятся главные понижающие подстанции (ГПП), подстанции глубокого ввода, опорные и др. (рис. 1.2), осуществляется на основе технических условий, определяемых схемами развития электросистемы (возможностями источников питания) и электрических сетей района, а также схемами внешнего электроснабжения предприятия, т.е. присоединения к подстанции энергосистемы (рис. 1.3) или к ВЛ (рис. 1.4), схемами организации их ремонта и применением системной автоматики и релейной защиты.
На схеме электроснабжения крупного металлургического завода (см. рис. 1.2) с максимальной нагрузкой 800 МВт приведены 17 штук-особей ГПП, отличающиеся наименованием, мощностью трансформаторов и схемными решениями. На схеме также указаны:
две ТЭЦ — районная с трансформаторами связи 3 х 125 MB А и заводская с блочными трансформаторами 80 MB • А и трансформаторами связи 1×31,5 MB — А и 1×60 MB — А;
две распределительные подстанции на 110 кВ;
три районные подстанции энергосистемы, имеющие трансформаторы 2×240 MB А, 2×180 MB * А, 3×200 MB-А.
Схема отражает фактическое разнообразие установленных трансформаторов и объясняемую ценологическими свойствами систем электроснабжения крупных предприятий нумерацию ГПП не по порядку. При проектировании данного предприятия оптимизация по критериям гиперболического I/-распределения произведена не была.
На рис. 1.3 приведены схемы присоединения потребителей к подстанциям энергосистемы, которая все оперативные переключения производит выключателем Q. Самая простая схема показана на рис. 1.3, а, обычная — на рис. 1.3, б, редкая — на рис. 1.3, г. Наиболее распространена на ответственных районных подстанциях схема с двойной секционированной и обходной системами шин, что обеспечивает высокую надежность и маневренность управления с помощью выключателя Q1.
Варианты схем присоединения подстанций 5УР. ЗУР к воздушной линии (на практике подключаются более трех, так как это не регламентируется по условиям надежности) изображены на рис. 1.4. Наиболее распространены схемы подключения, показанные на рис. 1.4, б, г, е. Наименее надежна схема на рис. 1.4, а, наиболее надежна схема на рис. 1.4, ж, но она требует наибольших инвестиций. Схема на рис. 1.4, а при развитии предприятия обычно преобразуется в схемы рис. 1.4, б, г.
В качестве исходных данных при выборе трансформаторов ГПП необходимо знать:
район размещения подстанции и загрязненность в нем атмосферы;
значения и рост нагрузки по годам с указанием ее распределения по напряжениям;
значение питающего напряжения;
уровни и пределы регулирования напряжения на шинах подстанции, необходимость дополнительных регулирующих устройств;
режимы заземления нейтралей трансформаторов, значения емкостных токов в сетях на 10; 6 кВ;
расчетные значения токов короткого замыкания;
требующуюся надежность и технологические особенности потребителей и отдельных электроприемников.
Районная ТЭЦ-2 
РП
«Степная»
4×120 ГПП-22
Прокатный стан 2500 
Сталеплавильный цех
Конвертерный цех
Прокатный стан 1500
ТЭЦ-2
РП-1 
Производство Ферросплавное Аглофабрика Цех разливки сажевый цех производство стали
Рис. 1.2. Схема электроснабжения
Выбор трансформаторов выполняется на расчетный период (пять лет с момента предполагаемого срока ввода в эксплуатацию). Дальнейшее расширение подстанции, включая резерв территории, производится с учетом возможности ее развития в последующие пять лет. Площадка подстанции должна размещаться вблизи центра электрических нагрузок, автомобильных дорог (для трансформаторов мощностью 10 MB • А и выше) и существующих инженерных сетей. Учитывается также наличие подъездных железнодорожных путей промышленных предприятий.
На подстанциях устанавливается, как правило, не более двух трансформаторов. Большее их число (см. рис. 1.2) допускается устанавливать на основе соответствующих технико-экономических расчетов и в тех случаях, когда на подстанциях требуются два средних напряжения, а по соотношению нагрузок, например 6 и 10 кВ, 10 и 3 кВ, не удается подобрать трансформатор с расщепленными обмотками.
От РП «Металлургическая» 
3×63 ГПП-17
2×100 2×60 ГПП-15
25 12 50 МВт МВт МВт
60 60 40 ГПП-4
Доменная печь
Кислородная станция № 2
Азотное производство
РП-1
РП-1 
2×63 ГПП-23
РП
«Восточная»
2×80 ГПП-13
2×40 ГПП-19
Прокатный стан 2000
Цех холодной Коксохим прокатки производство
Доменная станция № 1 Кислородная печь крупного промышленного предприятия
При наличии крупных сосредоточенных нагрузок и необходимости выделения питания ударных, резкопеременных и других специальных электрических нагрузок для производств, цехов и предприятий преимущественно с электроприемниками I категории и особой группы I категории возможно применение трех и более трансформаторов с проведением соответствующего технико-экономического обоснования. В первый период эксплуатации при постепенном росте нагрузки подстанций допускается установка одного трансформатора при условии обеспечения резервирования питания потребителей по сетям среднего и низкого напряжений.
б в 
Рис. 1.3. Схема присоединения потребителей к подстанциям энергосистемы:
а. г — соответственно с одной, двумя, тремя и четырьмя системами сборных шин; д — с двойной системой шин
Мощность трансформаторов выбирается такой, чтобы при отключении наиболее мощного из них оставшиеся в работе обеспечивали питание нагрузки во время ремонта или замены этого трансформатора с учетом допустимой перегрузки оставшихся в работе и резерва по сетям среднего и низкого напряжений. При установке двух трансформаторов и отсутствии резервирования по сетям среднего и низкого напряжений мощность каждого из них выбирается с учетом загрузки трансформатора не более чем 70 % от суммарной максимальной нагрузки подстанции на расчетный период. При росте нагрузки сверх расчетного уровня увеличение мощности подстанции производится, как правило, путем замены трансформаторов более мощными.
Трансформаторы должны быть оборудованы устройством регулирования напряжения под нагрузкой. При отсутствии трансформаторов с устройством регулирования напряжения под нагрузкой допускается использование регулировочных трансформаторов.
Предохранители на стороне высокого напряжения подстанций 35; 110 кВ с двухобмоточными трансформаторами могут применяться при условии обеспечения селективности предохранителей и релейной защиты линий высокого и низкого напряжений, а также надежной защиты трансформаторов с учетом режима заземления нейтрали и класса ее изоляции. Для трансформаторов с высшим напряжением 110 кВ, нейтраль которых в процессе эксплуатации может быть разземлена, установка предохранителей недопустима. Отделители на стороне высшего напряжения могут применяться как с короткозамыкателями, так и с передачей отключающего сигнала. Применение передачи отключающего сигнала должно быть обосновано (удаленностью от питающей подстанции, мощностью трансформатора, ответственностью линии, характером потребителя). При передаче отключающего импульса по высокочастотным каналам (кабелям связи) необходимо выполнять резервирование по другому высокочастотному каналу (кабелю связи) или с помощью короткозамыкателя.
Рис. 1.4. Варианты схем присоединения подстанций 5УР. ЗУР к воздушной линии (ВЛ):
а — к одной радиальной; б — к двойной радиальной; в — к двустороннему питанию по одной линии; г — к двустороннему питанию по двум линиям; д — с заходом на подстанцию с автоматической перемычкой; е — с заходом на подстанцию с неавтоматической перемычкой; ж — в рассечку каждой линии и с заходом обеих линий на подстанцию
Распределительные устройства на 6; 10 кВ на двухтрансформаторных подстанциях выполняются, как правило, с одной секционированной или двумя одиночными секционированными выключателями системами сборных шин с отходящими линиями. На однотрансформаторных подстанциях РУ выполняются, как правило, с одной секцией. На стороне напряжений 6; 10 кВ подстанций должна предусматриваться раздельная работа трансформаторов.
При необходимости ограничения токов короткого замыкания (КЗ) на стороне напряжений 6; 10 кВ могут предусматриваться:
применение трехобмоточных трансформаторов с максимальным сопротивлением между обмотками высшего и низшего напряжений и двухобмоточных трансформаторов с повышенным сопротивлением;
применение трансформаторов с расщепленными обмотками на 6; 10 кВ;
применение токоограничивающих реакторов в цепях вводов от трансформаторов.
Выбор варианта ограничения токов КЗ следует обосновать технико-экономическим сравнением. Степень ограничения токов КЗ распределительных устройств на 6; 10 кВ определяется с учетом применения наиболее легкой аппаратуры, кабелей и проводников и допустимых колебаний напряжения при резкопеременных толчковых нагрузках.
При необходимости компенсации емкостных токов в сетях на 35, 10, 6 кВ на подстанциях должны устанавливаться заземляющие реакторы. При напряжении на 6; 10 кВ заземляющие реакторы подключаются к сборным шинам через выключатели и отдельные трансформаторы. Не допускается подключение заземляющих реакторов к трансформаторам собственных нужд, присоединенным к трансформаторам подстанций до ввода на шины низшего напряжения, а также к трансформаторам, защищенным плавкими предохранителями.
В закрытых распределительных устройствах на все напряжения должны устанавливаться воздушные, малообъемные масляные или элегазовые выключатели. Баковые выключатели устанавливаются, когда отсутствуют малообъемные выключатели с соответствующим током отключения. Могут применяться и другие типы выключателей после начала их серийного производства. В открытых распределительных устройствах на 330 кВ и выше должны устанавливаться воздушные выключатели.
При выборе аппаратов и ошиновки по номинальному току оборудования (синхронных компенсаторов, реакторов, трансформаторов) необходимо учитывать нормальные эксплуатационные, пос-леаварийные и ремонтные режимы, а также перегрузочную способность оборудования. Аппаратура и ошиновка в цепи трансформатора должны выбираться, как правило, с учетом установки в перспективе трансформаторов следующего габарита.
Выбор местоположения, типа, мощности и других параметров ГПП в основном обусловливается значениями и характером электрических нагрузок и размещением их на генплане, а также производственными, архитектурно-строительными и эксплуатационными требованиями. Важно, чтобы ГПП располагалась возможно ближе к центру питаемых ими нагрузок, что сокращает протяженность питающих и распределительных сетей электроснабжения предприятия, а следовательно, их стоимость и потери в них. Намеченное место расположения уточняется по условиям планировки предприятия, ориентировочным габаритным размерам и типу подстанции (отдельно стоящая, пристроенная, внутренняя, закрытая, комплектная) и возможности подвода высоковольтных линий от энергосистемы (места ввода ЛЭП) к ГПП. Допускается смещение подстанции на некоторое расстояние от геометрического центра питаемых ею нагрузок в сторону подвода линии от энергосистемы.
ГПП выполняется двухтрансформаторной. Мощность трансформаторов определяется активной нагрузкой предприятия и реактивной мощностью, передаваемой от системы в период максимума нагрузок. Мощность трансформаторов выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного из них второй воспринял основную нагрузку подстанции с учетом допускаемой перегрузки в послеаварийном режиме и возможного временного отключения потребителей третьей категории. В соответствии с существующей практикой проектирования мощность трансформаторов на понижающих подстанциях рекомендуется выбирать из условия допустимой их перегрузки в послеаварийных режимах до 60. 70 % (на время максимума общей суточной нагрузки продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 сут), т.е. по условию [сравните (1.6) и (1.7)]
Масляные трансформаторы в большинстве случаев устанавливаются открыто, а РУ на 10 кВ — внутри помещения или пристраиваются к цеху (хотя в последние десятилетия наметилась тенденция закрытой установки трансформаторов).
При разработке схем коммутации ГПП предприятий средней мощности следует стремиться к их максимальному упрощению и применению минимума коммутационных аппаратов. Линии и трансформаторы, как правило, работают раздельно. На высшем напряжении ГПП рекомендуется следующая схема: мостик с выключателем в перемычке и выключателями в цепи ВЛ.
На вторичном напряжении ГПП применяется одна система шин, секционированная выключателем, который в большинстве случаев оборудуется устройством автоматического включения резерва (АВР).
Большинство подстанций промышленных предприятий выполняется без сборных шин на стороне первичного напряжения по блочному принципу, реализуемому в виде схем:
линия — трансформатор;
линия — трансформатор — токопровод (магистраль).
Блочные схемы просты и экономичны. Установка на подстанциях промышленных предприятий, как правило, двух трансформаторов удовлетворяет по надежности электроснабжение потребителей I категории.
На рис. 1.5 показаны схемы блочных ГПП, выполненных без перемычки (мостика) между питающими линиями 35; 110; 220; 330 кВ, с двухобмоточными трансформаторами. При конкретном проектировании могут применяться трансформаторы с расщепленными обмотками, трехобмоточные и др. При напряжении 110 кВ в нейтрали трансформаторов устанавливается заземляющий разъединитель-разрядник, при 220 кВ нейтраль заземляется наглухо. При необходимости высокочастотной связи на вводах ВЛ устанавливается аппаратура высокочастотной (ВЧ) обработки линии.
Схема соединений распределительных устройств ГПП со стороны высокого напряжения определяется скорее внешними требованиями субъекта электроэнергетики и реальными сетями энергосистемы, чем мощностью трансформатора. Однако возможность переключений предопределяет предпочтительность различных режимов работы трансформатора, в том числе и аварийного, влияя тем самым на выбор его мощности. При этом могут применяться следующие схемы соединений:
линия — трансформатор без коммутационной аппаратуры на ГПП;
линия — трансформатор с предохранителем у трансформатора на высокой стороне или с отделителем;
с перемычкой (мостиком) между двумя трансформаторами с ручным (на разъединителях) или автоматическим управлением выключателем. При транзите мощности может быть предусмотрен второй мостик.
Для подстанций, являющихся сетевыми узлами, в которые заходят три и более линий, применяются следующие схемы: двойной мостик с обходным выключателем, квадрат, расширенный квадрат, рабочая и обходная системы шин, две основные и третья обходная системы шин. Рассмотрим простейшие схемы, характерные для ГПП промышленных предприятий.
В качестве заземляющего разъединителя используется аппарат типа ЗОН-110. Нейтраль трансформатора заземляют через разрядник, рабочее напряжение которого должно быть равным половине рабочего напряжения ввода. Для напряжения 110 кВ можно использовать составную колонку из разрядников РВС-35 и РВС-20, соединенных последовательно фланцами (с проверкой по току проводимости). 
Рис. 1.5. Безмостиковые схемы блочных ГПП:
а — глухого присоединения; б — с разъединителем; в — с короткозамыкателем и разъединителем; г — с отделителем; д — с короткозамыкателем, отделителем и ремонтным разъединителем; е — с силовыми выключателями
Схема, приведенная на рис. 1.5, а, является простейшей при радиальном питании и получила широкое распространение при закрытом вводе кабельной линии в трансформатор (глухое присоединение). Ее применение особенно целесообразно при загрязненной окружающей среде, высокой стоимости земли, необходимости размещения подстанции глубокого ввода (ПГВ) на плотно застроенном участке, например, расширении или реконструкции предприятия. При повреждении в трансформаторе отключающий импульс его защиты вызывает отключение выключателя на питающей подстанции.
Глухое присоединение допускается при радиальном питании и для воздушной линии (ВЛ), если территория, где она проходит с загрязненной атмосферой, а проектируемая ГПП и источник питания эксплуатируются одной организацией. Обычно на спуске проводов от ВЛ к трансформатору в этом случае устанавливается разъединитель (см. рис. 1.5, б), создающий ремонтный воздушный разрыв.
На рис. 1.5, в показана схема для воздушных линий с коротко-замыкателями и ремонтными разъединителями. При возникновении повреждения в трансформаторе короткозамыкатель включается под действием релейной защиты (газовой, дифференциальной), к которой не чувствительна защита головного участка линии, и производит искусственное ее короткое замыкание, вызывающее соответственно отключение головного выключателя на этой линии, т.е. головной выключатель защищает не только линию, но и трансформатор.
Схема с отделителями (см. рис. 1.5, г) используется при магистральном питании для отпаечных ГПГТ. Отделитель в этом случае осуществляет оперативные отключения трансформатора.
На рис. 1.5, д показана схема, получившая наибольшее распространение из-за дешевизны и больших оперативных возможностей: для воздушных линий с короткозамыкателями, отделителями и ремонтными разъединителями. Эта схема применяется при питании от одной ВЛ нескольких подстанций с помощью так называемых отпаек. В отдельных случаях она может быть применена и при радиальном питании, когда имеется реальная вероятность подсоединения в дальнейшем к этой линии других подстанций.
Последовательность работы такой схемы: замыкается короткозамыкатель поврежденного трансформатора и отключается выключатель на головном участке питающей магистрали, снабженный автоматическим повторным включением (АПВ). С помощью вспомогательных контактов короткозамыкателя замыкается цепь привода отделителя поврежденного трансформатора, который должен отключиться при обесточенной питающей линии, т.е. позже отключения головного выключателя, но ранее его АПВ — во время так называемой бестоковой паузы.
Если собственное время отключения отделителя меньше или равно времени действия защиты выключателя головного участка линии, то в схеме отключения отделителя необходимо предусмотреть выдержку времени, иначе отделитель будет не способен отключить ток нагрузки и ток повреждения. Для фиксации отключения головного выключателя питающей линии в схемах с применением отделителей в цепи короткозамыкателя используется трансформатор тока.
После отключения отделителем поврежденного трансформатора АПВ головного участка линии, имеющее необходимую выдержку времени, вновь автоматически включает линию и тем самым восстанавливает питание неповрежденного трансформатора на данной подстанции и на всех других отпаечных подстанциях, подключенных к данной линии.
На рис. 1.5, е приведена схема с силовыми выключателями, которая может быть применена как для отпаечных подстанций, питаемых по магистральным линиям, так и для тупиковых подстанций, питаемых по радиальным линиям. Эта схема может оказаться целесообразной для подстанций, расположенных близко к источнику питания (применение короткозамыкателей в этих случаях приводит к значительным падениям напряжения на шинах источника питания).
Схемы с перемычками между питающими линиями следует применять лишь при обоснованной необходимости устройства перемычек. В загрязненных зонах их следует избегать, так как наличие дополнительных элементов, подвергающихся загрязнению, увеличивает вероятность аварий на подстанции.
Достаточно распространена схема подстанций с отделителями и короткозамыкателями на линиях и с неавтоматизированной перемычкой из двух разъединителей, установленной со стороны питающих линий (рис. 1.6, а). Эта перемычка позволяет:
присоединить оба трансформатора к одной линии (при таком режиме при повреждении одного трансформатора отключаются оба);
сохранить в работе трансформатор при повреждении питающей его линии, переключив его на вторую линию (перекрестное питание);
обеспечить питание подстанции на время ревизии или ремонта трансформатора.
В такой схеме вместо короткозамыкателя может быть использован отключающий импульс.
Схема, показанная на рис. 1.6, б, применяется при питании подстанций по транзитным линиям на 110; 220 кВ или по линиям с двусторонним питанием. Как вариант может быть применена схема со второй (показанной пунктиром) перемычкой со стороны линий, выполненная разъединителями. Этот вариант схемы позволяет не прерывать транзит электроэнергии в периоды ремонта одного из выключателей на 110; 220 кВ. Если в схеме предусмотреть дополнительную установку отделителей в цепях трансформаторов, то при повреждении трансформатор отключается отделителем (в бестоковую паузу), а транзит мощности автоматически восстанавливается.
Схема с автоматикой в перемычке, приведенная на рис. 1.6, может быть применена для тупиковых подстанций, если короткозамыкатель невозможно использовать по техническим причинам, а стоимость оборудования для передачи отключающего импульса соизмерима со стоимостью выключателя.
Эта схема может быть применена также при включении трансформаторов в рассечку транзитных линий или линий с двусторонним питанием при сравнительно небольших расстояниях между отпайками или между головным выключателем питающей подстанции и отпайкой. При этом повреждение трансформатора не нарушает питания всех других подстанций, связанных с этими линиями.
Схемы с выключателями в электроснабжении промышленных предприятий раньше применялись редко, так как капитальные затраты в этом случае выше, чем при использовании схем с отделителями и короткозамыкателями. Однако повышение надежности электроснабжения и оперативности управления в условиях рыночной экономики оказались более важными факторами, что привело к увеличению использования схем с выключателями. Применение выключателей в общем случае определяют следующие факторы:
условия самозапуска электродвигателей, так как время действия автоматики в схемах с отделителями больше, чем в схемах с выключателями, что может оказаться недопустимым для некоторых производств с непрерывным технологическим процессом;
усложнение систем защиты и автоматики в схемах с отделителями при подпитке со стороны напряжения 6; 10 кВ места короткого замыкания на линии на 110; 220 кВ или на ответвлении от нее;
недостаточная надежность отделителей и короткозамыкателей, что существенно при работе в загрязненных зонах и районах Крайнего Севера;
дальнейшее развитие проектируемой подстанции, требующее применения сборных шин на 110; 220 кВ;
включение трансформаторов в рассечку транзитных линий или линий с двусторонним питанием;
невозможность по техническим причинам применения короткозамыкателей и большая стоимость устройств и кабелей, используемых для передачи отключающего импульса (с учетом его резервирования), соизмеримая со стоимостью схемы с выключателями.
При отсутствии перечисленных условий, определяющих применение выключателей, рекомендуется использование простейшей блочной схемы ГПП без перемычек. Но в любом случае необходимо учитывать мнение инвестора и требования эксплуатационных служб, предпочитающих схемы, показанные на рис. 1.5, е и 1.6, в, т.е. схемы без короткозамыкателей.
Мощность трансформаторов, присоединяемых по приведенным схемам, должна находиться в пределах коммутационной способности разъединителей и отделителей по отключению тока холостого хода, а при использовании силовых выключателей она определяется их параметрами.
Источник
