3.3. Выбор типа, числа и мощности трансформаторов на подстанции

Выбор трансформаторов (или автотрансформаторов) для организации электроснабжения промпредприятий производится на основании расчетов и обоснований по изложенной ниже общей схеме:

Определяют число трансформаторов на подстанции, исходя из обеспечения надежности электроснабжения с учетом категории потребителей.

Намечают возможные варианты мощности выбираемых трансформаторов с учетом допустимой нагрузки их в нормальном режиме и допустимой перегрузки в случае аварийного режима.

Определяют экономически целесообразное решение из наме­ченных вариантов, приемлемое для данных конкретных условий.

Тип и количество устанавливаемых трансформаторов определяются количеством ступеней трансформации напряжения и категорийностью потребителей, подключаемых к проектируемой подстанции. Возможна установка одного, двух и более трансформаторов. В настоящее время обычно проектируются одно- и двухтрансформаторные подстанции с одной и двумя ступенями трансформации напряжения.

При выборе мощности трансформаторов необходимо руководство­ваться суточным графиком нагрузки. Нагрузка трансформатора меняется в течение суток, и если мощность выбрать по максимальной нагрузке, то в периоды её спада трансформатор будет не загружен, т.е. недоиспользована его мощность. Опыт эксплуатации показывает, что трансформатор может работать часть суток с перегрузкой, если в другую часть суток его нагрузка меньше номинальной. Критерием различных режимов является износ изоляции трансформатора. Нагрузочная способность трансформатора - это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.

Для подсчета допустимой систематической перегрузки заданный график преобразуется в двухступенчатый эквивалентный график, оп­ределяемый коэффициентом начальной нагрузки и коэффициентом мак­симальной нагрузки.

Коэффициент начальной нагрузки эквивалентного графика опре­деляется по выражению

,

где S₁, S₂, S₃, ... , S_m - значения нагрузки в интервалах времени десятичасового периода t₁, t₂, t₃, ..., t_m; /m = 10/; S_ном - номинальная мощность предварительно принятого трансформа­тора.

Коэффициент максимальной нагрузки эквивалентного графика в интервале времени t_m1, t_m2 и др. определяется по выражению:

.

Если K'₂ > 0,9 К_mах , где К_mах = 1,5, то принимают К₂ = К₂' , если К₂' < 0,9 К_mах , то принимают К₂ = 0,9К_mах , т.е. К2 = 1,35. При наличии двух максимумов меньший максимум учитывается в эквивалентной началь­ной нагрузке. Эквивалентный график строится на отдельном листе и приводится в пояснительной записке.

С учетом вида системы охлаждения трансформатора (М–масло , Д– дутьё, ДЦ– дутьё с циркуляцией, Ц– циркуляция), постоянной времени его нагрева и эквивалентной температуры окружающей среды, пользуясь табл. 1, выбирают соответствующий номер графика нагрузочной способности, зависимость К₂ =ƒ(K₁), приведенные в ГОСТ 14209. Для трансформаторов мощностью от 6300 до 100000 кВА, группы Д, графики приведены на рис.2. Под эквивалентной температурой понимают температуру окружающей среды, зависящую от средне­месячных и среднегодовых температур климатической зоны расположения подстанции. Эквивалентная температура определяется по справочникам. Из табл. 1 в зависимости от типа и мощности выбранного трансформатора определяется номер графика кривых нагрузочной способности трансформатора. По графику с учетом коэффициентов начальной нагрузки К₁ и максимальной нагрузки К₂ определяется допустимая продолжительность перегрузки в часах и сравнивается со временем максимума заданного суточного графика. Делается заключение о допустимости такого режима работы трансформатора в течение зимнего и летнего периодов.

График зависимости К1 и К2 приводится в записке с указанием точки пересечения, построенной по расчетным данным.

Таблица 1

Система охлаж-дения	Постоянная времени нагрева трансформатора, час	Эквивалентная температура охлаждающей среды, ْС						Мощность трансфор-матора, кВА
		-10	0	+10	+20	+30	+40
		Номер графика по ГОСТ 14209
М	2,5	1	3	5	7	9	11	1-1000
	3,5	2	4	6	8	10	12	1000-6300
Д	2,5	13	15	17	19	21	23	6300-40000
	3,5	14	16	18	20	22	24	40000-100000
ДЦ, Д	2,5	25	27	29	31	33	35	100000-125000
	3,5	26	28	30	32	34	36	Свыше 125000

Полностью таблица и все графики приведены в ГОСТ 14209-97 и в работе [7].

Нагрузка трансформатора при естественном охлаждении (М) не должна превышать 130 % его номинальной мощности, для систем с форсировкой охлаждения (Д, ДЦ) – 140 %. Нагрузка более 150 % должна быть согласована с заводом-изготовителем (пунктирные линии на графиках). Нагрузка более 200 % не допускается для трансформаторов.

Аварийная перегрузка разрешается на двухтрансформаторных подстанциях при аварийном отключении одного из параллельно работающих трансформаторов. Значение допустимой аварийной перегрузки определяется также по ГОСТ 14209 в зависимости от коэффициента предшествующей нагрузки К1, эквивалентной температуры охлаждающей среды во время возникновения аварийной перегрузки длительности перегрузки. Максимальная аварийная перегрузка не должна превышать 2,0 S_ном.

По условиям аварийных перегрузок при выборе трансформаторов нужно воспользоваться табл. 2. Допустимость аварийных перегрузок лимитируется не износом изоляции, а предельно допустимыми температурами для обмотки и масла не более 140°С и 115°С соответственно.

Допустимые коэффициенты аварийной перегрузки трансформаторов и время перегрузки, в зависимости от системы охлаждения, температуры окружающей среды и при предшествующей нагрузке 0,8Sн приведены в табл. 2 (ГОСТ 14209).

Таблица 2

Продол­житель­ность пе­регрузки, ч	°С, Эквивалентная температура охлаждающего воздуха
	-10		0		+ 10		+20		+30
	М, Д	ДЦ	М, Д	ДЦ, Ц	М, Д	ДЦ, Ц	М, Д	ДЦ, Ц	М, Д	ДЦ, Ц
0,5	2,0	1,8	2,0	1,8	2,0	1,7	2,0	1,6	2,0	1,5
1,0	2,0	1,7	2,0	1,7	2,0	1,6	2,0	1,5	1,9	1,5
2,0	2,0	1,6	1,9	1,6	1,8	1,5	1,7	1,4	1,6	1,4
4,0	1,7	1,5	1,7	1,5	1,6	1,4	1,4	1,4	1,3	1,3
6,0	1,6	1,5	1,5	1,5	1,5	1,4	1,4	1,4	1,3	1,3
8,0	1,6	1,5	1,5	1,5	1,4	1,4	1,3	1,4	1,2	1,3
12	1,5	1,5	1,5	1,5	1,4	1,4	1,3	1,4	1,2	1,3
24	1,5	1,5	1,5	1,5	1,4	1,4	1,3	1,4	1,2	1,3

Рис. 2. Графики зависимости K₂ от K₁, ГОСТ – 14209

Окончание рис. 2

Анализируя данные приведенной таблицы, можно сделать вывод, что трансформаторы с системами охлаждения М и Д при первоначальной нагрузке не более 0,8 S_ном допускают перегрузку на 60 % в течение 4 часов в сутки (но не более 5 суток подряд) при температуре охлаждающего воздуха не более +10°С, и 30 % в течение 6 часов при температуре охлаждающего воздуха +30°С.

Точный расчет максимально допустимых нагрузок и аварийных перегрузок, а также износа витковой изоляции производится на ЭВМ по вспомогательным схемам, приведенным в ГОСТ 14209.

Допустимые нагрузки и аварийные перегрузки для трансформаторов мощностью свыше 100000 кВА устанавливаются в инструкциях по эксплуатации; для сухих трансформаторов и трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком - в стандартах или технических условиях на конкретные типы трансформаторов.

Числовой пример по допустимости нагрузок и перегрузок приведен в [9].

Самый выгодный вариант при выборе мощности трансформаторов может быть выявлен с помощью технико-экономических сравнений различных вариантов.

При сравнении двух вариантов А и В, имеющих одинаковый уровень надежности, может быть:

К_а > К_б и И_а > И_б . Здесь К_а и К_б - капитальные вложения в вариантах А и Б, тыс. руб.; И_а и И_б - ежегодные издержки по эксплуатации в вариантах А и Б, тыс. руб./год.

В этом случае принимается вариант Б как имеющий меньшие ка­питальные вложения и годовые издержки на эксплуатации;

К_а > К_б и И_а < И_б . В этом случае вопрос решается на основе определения срока окупаемости:

,

сравнения его с нормативным сроком окупаемости Т_нор = 8 лет. При Т_ок< 8 лет принимается вариант с большими капитальными затратами, т.е. вариант А, а при Т_ок> 8 лет – вариант с большими издержками по эксплуатации, т.е. вариант Б.

При сравнении вариантов с различным уровнем надежности электрооборудования рекомендуется пользоваться формулой приведенных затрат:

3 = Р_НОР К + И + У ,

где К - капитальные вложения (определяются по укрупненным показа­телям); Р_нор - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (для объектов энергетики Р_нор = 0,12); И - ежегодные издержки по эксплуатации (см. далее по тексту); У - народнохозяйственный ущерб от перерывов в электроснабжении за год.

В частности, в состав капитальных затрат трансформатора включаются все основные расходы, связанные с его приобретением, доставкой и монтажом. В случае анализа вариантов с различными схемами подключения трансформаторов, например двухобмоточный трансформатор с расщепленными обмотками, трансформатор с групповым реактором или просто двухобмоточный трансформатор, в составе капитальных затрат учитываются расходы, связанные с различием схем подключения. Так, в первом случае необходимо учесть приобретение и доставку трансформатора с расщепленной обмоткой и двух камер масляного выключателя, во втором случае - трансформатора, группового реактора и одной камеры выключателя, в третьем – двухобмоточного трансформатора и ячейки КРУ с одним выключателем.

В состав ежегодных издержек по эксплуатации входят:

а). амортизационные отчисления на капитальный ремонт и восстановление (реновация);

б) расходы на эксплуатацию, включающие в себя расходы на зарплату персонала, текущий ремонт и общеподстанционные расходы;

в) стоимость потерь электроэнергии.

Формула для расчета ежегодных издержек имеет вид

И=И_а + И_экс + И_п.

Здесь И_а - амортизационные отчисления на восстановление и капи­тальный ремонт, определяются по формуле И_а = Р_а·К , где К - капи­тальные вложения; Р_а - норма амортизационных отчислений (6,3 % для распределительных устройств и силового электротехнического оборудования); И_экс - расходы на эксплуатацию, включающие в себя расходы на заработную плату персонала подстанции, общеподстанционные расходы и расходы на текущий ремонт, определяются по формуле

И_экс = γ · n _{у.е. ,}

где γ = 35 руб./у.е. - среднестатистический расход на эксплуатацию на одну условную единицу; n_у.е. - количество условных единиц (согласно табл.10); И_п - составляющие издержек на покрытие потерь электроэнергии.

Ежегодные издержки на покрытие потерь электроэнергии в трансформаторе составляют:

где S_max - максимальная мощность нагрузки, кВА; S_ном - номинальная мощность трансформатора при нормальной нагрузке, кВА; Р_к - потери в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке, кВт; P_хх - потери в стали трансформатора при номинальном напряжении, кВт; τ - годовое число часов максимальных потерь, ч; t - время работы трансформатора, ч (включает работы в течение всего года t = 8760 ч); Ц_пм, Ц_пс - удельные затраты на возмещение потерь электроэнергии соответственно в меди и стали трансформаторов, коп./кВт·ч.