ВЫБОР МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ДОПУСТИМЫЕ ПЕРЕГРУЗКИ
В связи с ростом удельных плотностей электрических нагрузок во всех отраслях промышленности повысились наивыгоднейшие мощности цеховых подстанций по сравнению с теми, которые были рекомендованы в начале внедрения принципа дробления цеховых подстанций, в 1934—1935 гг. Теперь во многих случаях целесообразно применять цеховые трансформаторы мощностью 1 600— 2 500 кВА вместо прежних 320—750 кВА. Однако повышение мощностей трансформаторов вызывает увеличение тока короткого замыкания на вторичном их напряжении.
На цеховых ТП применяют трансформаторы мощностью 630, 1000, 1600 и 2 500 кВА в зависимости от плотности электрических нагрузок. Наиболее часто применяются трансформаторы мощностью 1 000 и 630 кВА; трансформаторы мощностью менее 630 кВА применяются при относительно малой плотности нагрузок, в частности на периферийных участках предприятий, для административных зданий, клубов и т. и.
При большой удельной плотности нагрузок (более 0,2 кВА/м2) применяются трансформаторы 1600 кВА, а при очень концентрированном расположении крупных электроприемников уже становится целесообразным применение трансформаторов мощностью 2500 кВА (с учетом возросших токое к. з. на вторичном напряжении).
На ГШ и ЛГВ наиболее часто применяются трансформаторы мощностью 32, 40, 63 и 80 Мва. Трансформаторы меньшей мощности: 10, 16 и 25 МВА целесообразны при нагрузках, разбросанных на большей территории: горнорудные и рудоподготовительные предприятия, карьеры и т. и.
Рекомендуется применять трансформаторы, начинав с мощности 40 МВА и выше на три предела мощности при различной степени их охлаждения, например трансформатор мощностью 80/63/50 МВА.
На УРП при наличии трансформации электроэнергии (500/220, 330/220, 330/110, 220/110) рекомендуется, как правило, применять автотрансформаторы мощностью 120, 240 или 400 МВА (в группе).
При выборе трансформаторов необходимо приводить унификацию их типоразмеров и мощностей для удобства эксплуатации, удешевления и облегчения резервирования.
Наивыгоднейшая мощность трансформатора соответствует минимальным ежегодным затратам. Она зависит от величины и графика электрической нагрузки и длительности нарастания ее по годам, коэффициента мощности, удаленности трансформатора от источника питания, числа часов работы предприятия, стоимости энергии, условий окружающей среды и др. Эти факторы могут быть в различных сочетаниях, и в зависимости от них получаются различные значения наивыгоднейшей номинальной мощности трансформаторов. Работа трансформатора может оказаться выгодной как с недогрузкой, так и с перегрузкой, не допуская, конечно, предела теплового износа трансформатора, приводящего к сокращению его нормального срока службы. Величина и продолжительность перегрузок зависят от коэффициента заполнения суточного графика нагрузки, температуры окружающего воздуха, охлаждения трансформатора и т. и. (см. ниже). Температура окружающего воздуха +40 °С, принятая в стандарте, не держится длительно даже в жарких поясах и колеблется в очень больших пределах, достигая значений —25—35°С. Поэтому даже при одинаковом максимуме нагрузки наивыгоднейшие мощности трансформаторов могут быть разными, если режим их работы неодинаков. К тому же перечисленные факторы могут меняться во времени, что бывает очень трудно учесть заранее.
Для правильного выбора мощности трансформатора необходимо иметь график его нагрузки или, в крайнем случае, знать максимальную и среднесуточную нагрузки данной подстанции и хотя бы приблизительно суммарную продолжительность максимума нагрузки. Выбор трансформаторов только по максимальной нагрузке, как это часто делается, приводит к неоправданному увеличению мощности трансформаторов. Кроме того, следует тщательно анализировать вместе с технологами и эксплуатационниками работу предприятия при после- аварийном режиме1 для выявления возможности отключения на этот период части менее ответственных потребителей, в тех случаях когда нагрузка выбранного трансформатора при нормальном режиме приближается к его номинальной мощности.
1 Послеаварийным режимом предприятия называется режим, возникающий после отключения поврежденного элемента энергетической системы или сети, продолжающийся до восстановления нормальных условий работы, но длительностью не более суток.
Во многих производствах нагрузка трансформаторов при эксплуатации не бывает постоянной, а в течение многих часов суток оказывается ниже номинальной, иногда значительно ниже. Такие графики характерны для металлообрабатывающих и деревообрабатывающих предприятий, заводов стройматериалов и других отраслей промышленности. В других предприятиях, наоборот, график очень ровный, это — металлургия, химия и др.
В ряде случаев мощность трансформаторов выбирается по послеаварийному режиму, и, следовательно, при нормальном режиме они работают с недогрузкой. Благодаря этому трансформатор в определенные периоды времени может быть перегружен сверх номинальной мощности и зависимости от графика чего нагрузки и окружающей температуры без какого-либо ущерба для нормального срока его службы. На подстанциях с ровным графиком нагрузки трансформаторы допускают значительно меньшие перегрузки в основном за счет выбора мощности трансформаторов по нагрузкам послеварийного режима, обусловливающего их недогрузку при нормальном режиме работы.
Рис. 1. Суточный график нагрузки предприятия при трехсменной работе.
Сказанное наглядно иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 1. Заштрихованная часть представляет собой реальный суточный график нагрузки. На вертикальной оси (оси ординат) отложены токи: максимальный /м (по пику графика), средний /ср (см. пунктирную прямую) и номинальный ток трансформатора при полной его нагрузке 1„ (см. пунктир с точкой). На горизонтальной оси (ось абсцисс) отложены часы суток. График характеризует изменение токов I в течение суток за промежутки времени At. Средний ток /ср представляет собой отношение суммы произведений 2/Af ко времени суток
Таким образом, средний ток /ср всегда меньше максимального /м, а в ряде случаев он значительно меньше.
Рис. 2. Допустимая перегрузка трансформатора в период максимума в зависимости от его продолжительности t и от величины коэффициента заполнения суточного графика а.
Максимальный же ток может при определенных условиях превышать номинальный благодаря факторам, приведенным свыше.
Поэтому трансформатор в течение определенного периода времени t может быть Перегружен сверх номинального тока /и в зависимости от характера трафика его нагрузки и от окружающей температуры без какого-либо ущерба для «нормального срока его службы.
Значения и продолжительность допустимых нормальных перегрузок зависит от коэффициента заполнения суточного графика нагрузки, характера изменения суточной и годовой температуры окружающей среды, от способа охлаждения трансформаторов и других условий.
На рис. 2 показаны кратности допустимых перегрузок трансформаторов К в период максимальной нагрузки на питаемом им объекте в зависимости от продолжительности максимума /, ч, и от коэффициента заполнения суточного графика а, который представлен несколькими величинами (от 0,25 до 0,9).
Коэффициент « является отношением среднесуточного тока /Ср к максимальному току /м а=/СрДм-
Он почти всегда меньше единицы.
Коэффициент перегрузки К представляет отношение максимального тока /м к номинальному току трансформатора /и
он больше единицы и в частном случае равен ей. На рис. 2 отчетливо видно, что чем больше величина а и чем больше время t перегрузки, тем меньше "величина К. Так, например, при и=0,4 и if =1,3 ч трансформатор может быть перегружен на 40%, а при а=0.8 и t=3 ч— всего лишь на 12%. Следовательно, трансформаторы, длительно работающие на подстанциях с ровным графиком нагрузки, т. е. с малым а, значительно меньше способны к перегрузке. К числу таких подстанций относятся подстанции на заводах черной и цветной металлургии, химии и др. В этих случаях перегрузка может быть допущена, главным образом, лишь за счет температуры окружающей среды и за счет выбора мощности трансформаторов по противоаварийному режиму, обусловливающему их -недогрузку при нормальном режиме работы.
Правила устройства электроустановок допускают перегрузку трансформаторов при противоаварийных режимах до 40%, на время максимума общей суточной продолжительности не более 6 ч, в течение не более 5 суток. При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформатора а в условиях его перегрузки
должен быть не выше 0,75, т. е. должно быть выдержано соотношение
или
где Sep— среднесуточная нагрузка трансформатора; -Ьн — номинальная мощность трансформатора.
Следовательно, в вышеуказанных аварийных условиях превышение среднесуточной нагрузки трансформатора над его номинальной мощностью допускается не более 5%.
Рис. 3. Величины аварийных перегрузок трансформаторов в зависимости от их длительности.
I — трансформаторы масляные: 2 — трансформаторы сухие.
Это показывает, что при ровном графике нагрузки, т. е. при небольшом, допустимая перегрузка невелика. Приведенные указания полезны не только при выборе трансформатора, но и при работе его в эксплуатации, когда режим его работы и характер графика точно известны и можно полностью выявить и использовать его перегрузочную способность.
Кроме упомянутых перегрузок, обусловленных режимом нагрузок, трансформаторы допускают также аварийные перегрузки, которые могут иметь место, напри мер, при аварии с одним из параллельно работающих трансформаторов или при автоматическом переключении нагрузки аварийно отключившегося трансформатора на соседний трансформатор, который воспримет на себя его нагрузку. Величина этих перегрузок не зависит от предшествовавшего режима работы трансформатора, но она очень кратковременна и используется главным образом на время разгрузки перегрузившегося трансформатора от второстепенных потребителей, временное отключение которых не влияет на прохождение производственного процесса предприятия.
В табл. 1 и на рис. 3 приведены величины и продолжительности аварийных перегрузок масляных и сухих трансформаторов и автотрансформаторов. Трансформаторы с расщепленными обмотками допускают такие же перегрузки, как и обычные трансформаторы.
Аварийные перегрузки трансформаторов и автотрансформаторов в процентах их номинальной мощности
Кроме требований, предъявляемых к трансформатору при нормальном и аварийном режимах работы, он должен выдерживать без повреждений и остаточных деформаций установившийся ток короткого замыкания, не превышающий 25-кратный номинальный ток при замыкании на зажимах вторичной обмотки. При этом длительность протекания тока короткого замыкания в секундах не должна превышать значения tK=900/K2, где К=/к//и — кратность установившегося тока короткого замыкания в данной обмотке по отношению к номинальному току трансформатора /и, но при всех условиях величина tK не должна быть более 5 сек.
Величина 1К определяется по формуле
где 5Н — номинальная мощность трансформатора, МВА; UK — напряжение короткого замыкания трансформатора, %.
Более подробные дифференцированные указания по допустимым перегрузкам трансформаторов в разных условиях их работы и в зависимости от этих условий приведены в ГОСТ 14209-69 под названием «Трансформаторы (и автотрансформаторы) силовые масляные. Нагрузочная способность».
Ниже приведены примеры выбора трансформаторов с учетом сказанного выше.
Трансформаторы заводских подстанций при нормальном режиме работают в большинстве случаев с недогрузкой, так как они выбираются по условиям обеспечения питания при послеаварийном режиме, т. е по условиям взаимного резервирования. При большом числе часов использования максимума такая недогрузка при нормальном режиме является экономически целесообразной с точки зрения уменьшения потерь энергии.
Однако нельзя выбирать трансформаторы с заведомой недогрузкой, не оправдываемой их взаимным резервированием, так как при бурном росте промышленности потребность в них очень велика. Нужно также иметь в виду, что исходные данные, положенные в основу выбора трансформаторов: величины и суточные графики нагрузок, коэффициент мощности к др., часто являются весьма ориентировочными, как правило, завышенными и более точно выявляются уже в процессе эксплуатации.
При малом числе часов использования максимума экономически целесообразно использовать полностью нагрузочную способность трансформатора, выбирая его мощность минимально возможной по техническим соображениям без ущерба для сохранности трансформатора, т. е. в пределах перегрузок, допускаемых заводом. Такое положение может иметь место на предприятиях с односменной работой с преобладанием неответственных нагрузок, где требование к резервированию невелико, в частности на стройплощадках и на других временных электроустановках, а также на предприятиях с сезонной работой (торфоразработки, сахарные заводы, плодоовощные предприятия и т. и.).
Если же но время эксплуатации возникнут дополнительные нагрузки, то для их покрытия предусматривается возможность размещения в данной камере или на фундаментах (при открытой установке) трансформатора следующей по шкале мощности.
Очень важно соблюдать рациональную эксплуатацию трансформаторов и не допускать их работу с большой перегрузкой или недогрузкой. Отключение части трансформаторов в часы минимума нагрузок в ночные смены, выходные дни) дает большой экономический эффект в потерях энергии и в коэффициенте мощности.
