Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические станции и подстанции. В 2 частях. Ч.2.. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В. В. АФОНИН, К. А. НАБАТОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ
И ПОДСТАНЦИИ
В двух частях
Часть 2
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для бакалавров, обучающихся
по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика
и электротехника» очной и заочной форм обучения
Учебное электронное издание
комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2017
1
УДК 621.316.717
ББК 31.277.1я723
А94
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор ФГБНУ ВНИИТиН
А. М. Шувалов
Кандидат технических наук,
доцент кафедры «Электроэнергетика» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
Ж. А. Зарандия
А94 Электрические станции и подстанц
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-1724-6 (ч. 2)
ISBN 978-5-8265-1298-2 (общ.)
Афонин, В. В.
ии [Электронный ресурс] :
учебное пособие : в 2 ч. / В. В. Афонин, К. А. Набатов. – Тамбов :
Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт. диска (CD-
ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ;
CD-ROM-дисковод ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-1298-2.
Ч. 1 : Электрические станции и подстанции. 1 электрон. опт.
диск ; 43,1 Mb ; RAM. – ISBN 978-5-8265-1387-3.
Ч. 2 : Электрические станции и подстанции. 1 электрон. опт.
39,0 Mb ; RAM. – ISBN 978-5-8265-1724-6.
диск ;
Рассматриваются конструкции основного электрооборудования
подстанций (силовых трансформаторов и автотрансформаторов), электрические схемы распределительных устройств, электростанций и подстанций.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» очной и заочной форм обучения.
УДК 621.316.717
ББК 31.277.1я723
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
2
Содержание учебного пособия «Электростанции и подстанции»,
ч. 2 соответствует программе курса «Электростанции и подстанции»,
который читается бакалаврам по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Дисциплина «Электростанции и подстанции» – одна из базовых,
в которых закладывается фундамент специальной подготовки. Цель
изучения дисциплины – формирование знаний в области производства
электроэнергии и тепла, её преобразования и трансформации на по
станциях, уст
ройстве и конструкциях основного оборудования элек-
тростанций.
В учебном пособии рассмотрены конструкции и условия эксплуатации основного электрооборудования подстанций, распределительных устройств, варианты электротехнических схем распределительных
устройств, электростанций и подстанций.
Содержание курса базируется на знаниях высшей математики,
физики, теоретических основ электротехники, программирования на
ЭВМ, электрических машин.
Настоящее пособие позволит студентам получить следующие
мпетенции:
ко
− способн
ость рассчитывать режимы работы электроэнергетических установок различного назначения, определять состав оборудования и его параметры, схемы электроэнергетических объектов
(ПК-16);
− готовность осуществлять оперативные изменения схем, режи-
мов работы энергообъектов (ПК-25);
− готовность участвовать в исследовании объектов и систем
электроэнергетики и электротехники (ПК-38).
В результате о
своения курс
торому будет способствовать данное пособие, студент должен будет:
− знать: схемы и основное электрическое оборудование электро-
станций и подстанций; схемы электротехнического и коммутационного оборудования электрических станций и подстанций; электрические
аппараты как средства управления режимами работы;
− уметь: применять, эксплуатировать и проводить выбор обору-
вания электрос
до
танций и подстанций;
− владеть: методами анализа режимов работы электроэнергети-
ческого оборудования.
ВВЕДЕНИЕ
д-
а «Электростанции и подстанции», ко-
3
CПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
КПД – коэффициент полезного действия
КЗ – короткое замыкание
ТЭС – тепловая электростанция
КЭС – конденсационная электростанция
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль
ГЭС – гидроэлектростанция
ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция
АЭС – атомная электростанция
НН – обмотка низшего напряжения
ВН – обмотка высшего напряжения
СН – обмотка среднего напряжения
ПТЭ – Правила технической эксплуатации
РПН – регулирование под нагрузкой
ПБВ – переключение без возбуждения
АВР – автоматическое включение резерва
ТСН – т
рансформат
ор собственных нужд
с.н. – собственные нужды
РУ – распределительное устройство
ПС – подстанция
4
Глава 1. ОСНОВНОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ПОДСТАНЦИЙ
1.1. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Электрическая энергия, вырабатываемая на станциях, при пере-
даче к потребителям претерпевает многократную трансформацию в
повышающих и понижающих трансформаторах. Поэтому установленная мощность трансформаторов в энергосистемах превышает установленную мощность генераторов (киловольт – амперы) в 4–5 раза. Несмотря на то, что КПД трансформаторов относительно высок
(у трансформаторов большой мощности он достигает 99,5%), стоимость эне
ргии, теряемой ежегод
чительную сумму. Естественно поэтому стремление к уменьшению
числа ступеней трансформации, уменьшению установленной мощности трансформаторов и лучшему их использованию [1].
Силовое трансформаторное оборудование устанавливается на
подстанциях для изменения одного уровня напряжения на другое с
сохранением частоты переменного тока. Трёхфазные силовые трансформаторы имеют большее р
суммарной мощности [2]. Это объясняется снижением уровня потерь
активной мощности в них на 15 – 20%, а объёмы активных материалов и цена падают на 20 – 25%. Мощность отдельного трёхфазного
силового трансформатора лимитируется условиями перевозки, габаритами и массой.
Силовые трехфазные трансформаторы изготавливаются на следующие номинальные мощности в зависимости от напряжения:
220 кВ до 1000 МВ⋅А;
–
–
330 кВ до 1250 МВ⋅А;
– 500 кВ до 1000 МВ⋅А.
Если по условиям транспортировки нельзя изготовить трехфазный силовой трансформатор, тогда используют группы из однофазных
трансформаторов. Максимальная мощность группы из однофазных
трансформаторов составляет 3×533 МВ⋅А для напряжения 500 кВ;
3×417 МВ⋅А – на 750 кВ и 3×667 МВ⋅А на 1150 кВ.
1.1.1. Типы трансформаторов
но в трансформаторах, составляет зна-
аспространение, чем одно
фазные той же
5
Трансформаторы различаются так же по числу обмоток на каждую фазу в зависимости от их напряжения. По этому признаку различают двухобмоточные и трёхобмоточные трансформаторы (рис 1.1, а, б).
Если обмотка низшего напряжения состоит из двух и более параллельных ветвей (они изолированы от заземленных частей и друг друга),
то такого типа тр
ансформаторы называют трансформаторами с расщ
еплёнными обмотками (рис. 1.1, в). Если трансформатор двухобмоточный, то обмотку высшего напряжение называют ВН, а низшего НН;
в случае трёхобмоточного трансформатора добавляется обмотка среднего напряжения, которую обозначают СН.
а) б) в)
Рис. 1.1. Электрические схемы соединения обмотки
у силовых трансформаторов:
а – двухобмоточные; б – трёхобмоточные;
в – расщеплённой обмоткой низшего напряжения
Применение мощных трансформаторов на электростанциях (ЭС),
особенно с расщеплёнными обмотками упрощают схему распределительных устройств (РУ) на
можн
о подключение нескольких агрегатов к одному трансформатору
330 – 500 кВ, так как в этом случае воз-
(повышающему). В схемах электроснабжения собственных нужд теп-
ловых электростанций, на которых установлены энергоблоки мощностью 200 – 1200 МВт, трансформаторы с расщеплённой обмоткой также широко применяются, как и на подстанциях (понижающих) для
уменьшения (ограничения) токов короткого замыкания.
6
1.1.2. Параметры трансформаторов
К основным параметрам трансформатора относятся: номинальные
мощность, напряжение, ток; напряжение КЗ; ток холостого хода; потери холостого хода и КЗ.
То значение полной мощности, которую силовой трансформатор
может передать за указанный в паспорте срок службы непрерывно при
номинальных условиях установки (частоте, охлаждении), является его
номинальной мощностью.
Для трансформаторов общего назначения, установленных на от-
ом воздухе и име
крыт
ющих естественное масляное охлаждение без
обдува и с обдувом, за номинальные условия охлаждения принимают
естественно меняющуюся температуру наружного воздуха (для климатического исполнения У: среднесуточная не более 30 °С, среднегодовая не более 20 °С), а для трансформаторов с масляно-водяным охлаждением температура воды у входа в охла
дитель принимается не боле
25 °С (ГОСТ 11677–85). Номинальная мощность для двухобмоточного
трансформатора – это мощность каждой из его обмоток. Трёхобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную
мощность принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора. За номинальную мощность ав
трансформатора принимается но
минальная мощность каждой из сто-
то-
рон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная
мощность»).
Силовые трансформаторы устанавливают на открытом воздухе,
а также в закрытых распределительных устройствах, т.е. внутри помещений, например, в цеховых подстанциях. При этом эти помещения
не должны отапливаться (по возможности), и в них должна быть естественная вентиляция. Это улучш
ает условия охлаж
дения, но всё равно
они уступают тем условиям, в которых работают трансформаторы в
открытых распределительных устройствах.
Под номинальным напряжением обмоток силового трансформатора понимают напряжение обмоток в режиме холостого хода. Тогда
для трёхфазного трансформатора этим напряжением будет межфазное
напряжение. У однофазного трансформатора, который включают по
ме «звез
схе
да» в трёхфазной группе, это напряжение составляет U
/
3
В рабочем нагрузочном режиме при подаче номинального напряжения
е
.
7
обмотки высокого напряжения трансформатора на понижающей подстанции напряжение на обмотках низшего напряжения будет меньше
номинального из-за потерь напряжения в самом трансформаторе.
Коэффициент трансформации трансформатора п определяется отношением номинальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений:
U
номВ
n =
.
U
номН
В трёхобмоточных трансформаторах определяется коэффициент
трансформации каждой пары обмоток: ВН и НН; ВН и СН; СН и НН.
Номинальными токами трансформатора называются указанные в
заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная нормальная работа трансформатора.
Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по
её номинальной мощности и номинальному напряжению.
Нап
ряжение коротко
го замыкания u
– это напряжение, при под-
к
ведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой
накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному току.
Напряжение КЗ определяют по падению напряжения в трансформаторе, оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.
В случае трёхобмоточного трансформатора и автотрансформатора
напряжение короткого замыкания определяется для ка
мот
ок отдельно, третья при этом остаётся разомкнутой. Поэтому для
ждой пары об-
них в справочниках приводятся по три значения напряжения короткого
замыкания: u
к ВН-НН
, u
к ВН-СН
, u
к СН-НН
.
Напряжение КЗ (короткого замыкания) практически определяется
реактивным индуктивным сопротивлением, так как оно значительно
превосходит активное (так, например, у крупных силовых трансформаторов этот разрыв достигает 15 – 20 раз; у трансформаторов немалой мощности – всего 2–3 раза). Такое соотношение r
и xт зависит от
т
взаимного расположения обмоток трансформатора, их высоты, ширины канала между ними. Значение u
определяет ГОСТ как функцию от
к
мощности трансформатора и его номинального напряжения. Напряжение КЗ тем выше, чем больше мощность трансформатора и напряжение его обмоток ВН. Действительно, силовой трансформатор с
номинальной мощностью 630 кВ·А и напряжением обмотки ВН 10 кВ
8
имеет uк = 5,5%, с u
= 80 000 кВ·А и u
= 35 кВ – uк = 6,5%; трансформатор с S
Вном
= 35 кВ имеет uк = 9%, а с u
Вном
= 110 кВ – uк =
Вном
Тном
=
= 10,5%.
Увеличивая значение u
, можно уменьшить токи КЗ на вторичной
к
стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформаторов. Если трансформатор 110 кВ мощностью 25 MB·А выполнить с u
= 20% вместо 10%, то расчётные затраты на него возрастут на
к
15,7 %, а потребляемая реактивная мощность возрастёт вдвое (с 2,5 до
5,0 Мвар).
Относительно значения u
трёхобмоточные трансформаторы
к
имеют два варианта исполнения в зависимости от зваимного расположения обмоток.
Если обмотка НН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН – снаружи, а обмотка СН – между ними, то наибольшее значение имеет u
, а меньшее значение – u
к ВН-НН
. В этом случае по-
к ВН-СН
тери напряжения по отношению к выводам СН уменьшатся, а ток КЗ в
сети НН будет ограничен благодаря повышенному значению u
к ВН-НН
.
Если обмотка СН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН – снаружи, а обмотка НН – между ними, то наибольшее значение имеет u
, а меньшее – u
к ВН-СН
к ВН-НН
. Значение u
к СН-НН
останется
одинаковым в обоих исполнениях.
Ток холостого хода характеризует активные и реактивные потери
в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества
сборки магнитопровода и от магнитной индукции. Ток холостого хода
выражается в процентах от номинального тока трансформатора. В современных трансформаторах токи холостого хода
не превышает 1%,
при этом магнитопровод изготавливают из холоднокатаной стали.
Экономичность работы силового трансформатора характеризуют
потери холостого хода (P
) и короткого замыкания (Pк). Потери холо-
x
стого хода определяются потерями на перенамагничивание. Для их
уменьшения используют электротехническую сталь марок 3405, 3406 и
других толщиной 0,3…0,5 мм с изоляционным жаростойким покрытием. Значение P
в каталогах и справочниках приводятся для двух уров-
x
ней: А и Б. Уровень А – это трансформаторы, изготовленные из электротехнической стали с удельными потерями не более 0,9 Вт/кг, а уровень Б соответствует удельным потерям не более 1,1 Вт/кг при значениях магнитной индукции 1,5 Тл и номинальной частоте 50 Гц.
9
Потери электрической энергии в режиме короткого замыкания
включают в себя потери в обмотках от токов нагрузки и добавочные
потери, которые проявляются в конструкциях трансформатора и его
обмотках. Последний вид потерь определяется магнитными потоками
рассеяния в воздушных промежутках трансформатора, а так же на
крайних витках обмотки (в которых индуцируются вихревые токи) и в
х конс
элемента
трукции трансформатора (ярмовые балки, стенки бака и
др.). Чтобы снизить нагрузочные потери в трансформаторе его обмотки изготавливают многожильным транспонированным проводом, а
магнитными шунтами экранируют стенки бака.
Современные силовые трансформаторы отличаются малыми
потерями, т.е. имеют достаточно высокий КПД. Так, например,
трансформатор с параметрами S
= 220 кВт и Рк = 790 кВт, работая круглый год (ТНБ =
Р
х
= 250 МВ·А и U
тном
= 110 кВ,
Вном
= 6300 ч), характеризуется потерями электроэнергии на уровне
0,43%, пропущенной через трансформатор. Однако эти потери растут
с уменьшением мощности трансформатора. В сетях энергосистем
установлено большое количество трансформаторов малой и средней
мощности, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны значительны и очень важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкции трансформаторов с целью
даль
нейшег
о уменьшения значений Р
и Рк.
х
1.1.3. Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов
Обмотки трансформаторов имеют обычно соединения: звезда – ,
звезда с выведенной нейтралью – и треугольник – .
Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток (Е
и Е2)
1
принято выражать условно группой соединений [2].
В трёхфазном трансформаторе применением разных способов соединений обмоток можно образовать двенадцать различных групп соединений, причём при схемах соединения обмоток звезда–звезда
можно получить любую чётную группу (2, 4, 6, 8, 10, 0), а при схеме
звезда–треугольник или треугольник–звезда – любую нечётную группу
(1, 3, 5, 7, 9,11).
Группы соединений указываются справа от знаков схе
ния обмот
ок. Трансформаторы по рис. 1.1. имеют схемы и группы со-
м соедине-
единения обмоток: -11; -0-11; -11-11.
10