Тяговые и трансформаторные подстанции - Подстанции

На электростанциях 1 (рис. 1) генераторами вырабатывается трехфазный переменный ток промышленной частоты 50 Гц напряжением 10 кВ и выше и подается на повышающие подстанции 2. Переменный ток повышенного напряжения 35; 110 кВ и выше по линии электропередачи (ЛЭП) передается к потребителям через трансформаторы понижающей подстанции 3, понижающие напряжение до 10 кВ. Трансформаторы понижающей подстанции 4 понижают напряжение до 380/220 В. От шин пониженного напряжения энергия поступает к потребителям 5, Потребители 6 питаются от шин электростанции через понижающую подстанцию 7. Совокупность воздушных и кабельных линий электропередачи и подстанций, работающих на определенной территории, называются электрической сетью.
Электрическая подстанция — это электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии. Подстанции бывают повышающие и понижающие.
Повышающие подстанции 2 (см. рис. 1) сооружают обычно непосредственно при электростанциях. Они служат для связи электростанции с электрической системой и передачи электроэнергии до потребителей высоким напряжением.
Понижающие подстанции 3 (см. рис. 1) предназначены для преобразования напряжения питающей сети в более низкое напряжение, при котором электроэнергия передается потребителям, присоединенным к данной подстанции.

Рис. 1. Схема электрической сети

Они бывают с одним вторичным напряжением 10 (11) кВ и двумя вторичными напряжениями 10 (11) и 35 (38,5) кВ, как подстанция 2. На первых устанавливают двухобмоточные трансформаторы, а на вторых — трехобмоточные. Напряжение 35 кВ используют для питания удаленных от подстанций потребителей, а напряжение 10 кВ — для питания потребителей, расположенных вблизи подстанции.
Трансформатор является основным оборудованием в любом типе подстанции. Рассмотрим его устройство. Стальной сварной бак 22 (рис. 2) закреплен дном на тележке 19, а сверху закрыт крышкой 26 с прокладкой из маслостойкой резины для надежной герметизации бака. На крышке установлены: вводы высшего 2 (ВН), среднего 3 (СН) и низшего 5 (НН) напряжений; привод 6 переключателя обмотки высшего напряжения; выхлопная труба 7 для предохранения бака 22 от взрыва в случае повышения давления масла и газов в нем (масло выдавливает стеклянную крышку на торце трубы, происходит выброс масла наружу и снижение давления в баке); расширитель 9 с указателем уровня масла 10 и соединительной трубой, в рассечку которой установлено газовое реле 8.

Рис. 2. Устройство мощного трехобмоточного трансформатора

На баке трансформатора закреплены: трубчатые охладители 23, в середине которых установлены вентиляторы 25 е двигателями 24; фильтр 17 для непрерывной регенерации трансформаторного масла; кран 21 для спуска масла, крюк 1 для подъема трансформатора и скоба 20 для домкрата. Внутри бака расположена выемная часть трансформатора, основанием которой служит магнитопровод 12, на котором установлены обмотки низшего, среднего и высшего напряжения 15 с отводами 13 для присоединения к вводам 2, 3 и 5; емкостные экраны 16; однофазные переключатели 4 регулировочных ответвлений обмотки ВН; изоляционные цилиндры 14 для нижней части ввода ВН. Проушина 11 служит для подъема выемной части, направляющий штифт 18 на дне бака — для фиксации выемной части в баке трансформатора.
Трансформатор может иметь однофазный переключатель ответвлений 077, позволяющий ступенчато изменять число витков его первичной обмотки для регулирования напряжения под нагрузкой (рис. 3).
Кроме однофазных и трехфазных двух- и трехобмоточных трансформаторов, применяют однофазные и трехфазные автотрансформаторы, а также трансформаторы с расщепленными фазами на стороне низшего напряжения.
Часть обмотки высшего напряжения (ВН) автотрансформатора (рис. 4, а), заключенная между точками Al-1, Bl-2, С1-3, называется последовательной обмоткой, остальная часть между 1-Х, 2-Y, 3-Z называется общей обмоткой и соответствует среднему напряжению (СН). Обмотки ВН и СН, имеющие общие точки, связаны между собой гальванически (электрически), а с обмотками НН они связаны электромагнитно. Автотрансформатор (АТ) характеризуется номинальной Snow и типовой STип мощностями.

Рис. 3. Схема соединения обмоток трехобмоточного трансформатора

Рис. 4. Схема трехфазного автотрансформатора (а) и трансформатора с растепленными фазами (б)

Номинальная мощность представляет собой произведение высшего напряжения  и тока последовательной обмотки. Типовая мощность отображающая экономическую сторону конструкции АТ, т. е. расход активных материалов, зависит от номинальной мощности и коэффициента трансформации: STип = SHом, где Нвн-сн — коэффициент трансформации между ВН и СН; а = (1 — — 1/(nвн.сн)] — коэффициент выгодности АТ. Установлено, что при а > 0,5 изготовление АТ вместо трехобмоточных трансформаторов становится невыгодным. АТ применяют для связи электрических систем 220—110, 330—220, 500—220 кВ. В последнем случае коэффициент выгодности а = 1 — 1/(500 : 220)] = 0,56. Для связи между системами 110 и 35 кВ АТ невыгодны, так как а = [1 — 1/(110 : 35)1 = 0,68. Кроме того, АТ на напряжение 110/35 кВ нельзя выполнять из-за разных режимов нейтралей.
У трансформаторов с расщепленными фазами (рис. 4, б) обмотка низшего напряжения разделена на две по мощности равные части и каждая часть имеет отдельные выводы на крышке бака трансформатора. Такие трансформаторы позволяют уменьшить токи КЗ на стороне низшего напряжения и применить в РУ-6 или 10 кВ более дешевое оборудование, так как каждая часть обмотки может работать на отдельную систему или секцию сборных шин.
Режим работы, для которого машины и аппараты спроектированы и изготовлены, называется номинальным. Номинальный режим работы трансформатора характеризуется номинальными величинами, обозначенными на заводском щитке: мощностью, напряжением, током, испытательным напряжением короткого замыкания. ГОСТ 9680—77Е предусматривает следующие номинальные мощности трансформаторов и автотрансформаторов в кВ · А: 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300; 10 000; 16 000; 25 000, 40 000; 63 000 и более. Номинальная мощность однофазного трансформатора, предназначенного для работы в трехфазной группе, должна составлять одну треть мощности, указанной выше.

Например, однофазный трансформатор мощностью 10 000 кВ- А должен работать в трехфазной трансформаторной группе мощностью 30 000 кВ · А.
Номинальным напряжением генераторов, трансформаторов и приемников электроэнергии называется такое напряжение, при котором они предназначены для нормальной работы. Номинальные напряжения генераторов приняты на 5% выше номинальных напряжений приемников электроэнергии для компенсации потери напряжения в сетях. Первичные обмотки понижающих трансформаторов изготовляют на те же номинальные напряжения, что и приемники электроэнергии. Вторичные обмотки повышающих и понижающих трансформаторов изготовляют на напряжения, превышающие на 5—10% номинальные напряжения приемников электроэнергии из тех же соображений, что и для генераторов.
Номинальные напряжения электрических сетей и присоединяемых к ним источников и приемников энергии до 1000 В общепромышленного назначения приведены в табл. 1, выше 1000 В—в табл. 2 (ГОСТ 721—77 и ГОСТ 21128 -75). Кроме указанных в табл. 1 и 2, имеются следующие напряжения: 3: 150; 330; 500; 750 и 1150 кВ. Напряжения 3 и 150 кВ не рекомендованы для новых электроустановок. Для общепромышленного применения допускаются напряжения однофазного переменного тока 24 и 36 В и постоянного тока — 12, 24, 36, 48 и 60 В.
Номинальным током электрических машин, трансформаторов и аппаратов является наибольший допустимый ток, при прохождении которого сколь угодно длительное время температура нагрева токоведущих частей и изоляции не превышает установленной нормами величины при определенной расчетной температуре окружающей среды. Наиболее предпочтительными являются номинальные токи, кратные и дольные следующим значениям (ГОСТ 6827—76): 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 и 6,3 А. Например, 0,1; 1,0; 10; 100; 1000; 10 000 и 100 000 А.
Испытательное напряжение короткого замыкания зависит от мощности трансформатора, напряжения обмотки высшего напряжения, количества фаз и обмоток (одно- или трехфазные, двух- или трехобмоточные), способа регулирования напряжения.
Буквы и цифры, обозначающие тип трансформатора или автотрансформатора, имеют следующие значения в порядке их написания.
Таблица I

Исполнение: А — автотрансформатор (трансформатор не имеет отличительного буквенного обозначения); Т — трехфазный; О — однофазный; Р — наличие расщепленной обмотки НН. Вид охлаждения обозначается одной или двумя буквами. Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением: С — открытым, СЗ — защищенным, СГ—герметичным исполнением и СД—с воздушным дутьем. Масляные трансформаторы: М — естественная циркуляция масла и воздуха; Д — принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла; МЦ — естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла; ДЦ — принудительная циркуляция воздуха и масла; МВ — принудительная циркуляция воды и естественная циркуляция масла; Ц — принудительная циркуляция воды н масла. Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком: Н — естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком; НД — охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем. Количество обмоток: Т — трехобмоточный (двухобмоточный трансформатор не имеет специального буквенного обозначения). Наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) в одной из обмоток трансформатора — Н. В числителе дроби после буквенного обозначения типа указывается номинальная мощность трансформатора в кВ · А, в знаменателе — класс напряжения обмотки ВН в кВ. Пример обозначения трансформатора: ТРДН-25000/110 — трехфазный с расщепленной обмоткой НН, принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляцией масла, регулированием напряжения под нагрузкой мощностью 25 000 кВ · А, напряжением 110 кВ обмотки ВН.