Трансформаторных подстанций предприятия

При выборе трансформаторов цеховых подстанций ТП определяют их количество, вид (тип, габарит), учитывают единичную номинальную мощность каждого, место размещения, способ присоединения со стороны высокого напряжения и выхода на щит низкого напряжения, вид переключения ответвлений, схемы и группы соединения обмоток.

Цеховые трансформаторные подстанции могут быть электропечными, преобразовательными и понизительными общепромышленного назначения. Последние подстанции предназначены для понижения напряжения в большинстве случаев с 6 или 10 кВ на 0.4 или 0.69 кВ и являются основным видом, поэтому рассмотрим их выбор.

Мощность трансформаторов цеховой ТП зависит от величины нагрузки электроприемников, их категории по надежности электроснабжения, от размеров площади, на которой они размещены, и т.п. При одной и той же равномерно распределенной нагрузке с увеличением площади цеха должна уменьшаться единичная мощность трансформаторов. Так, в цехе, занимающем значительную площадь, установка трансформаторов заведомо большей единичной мощности увеличивает длину питающих линий (расход цветного металла проводников) цеховой сети и потери электроэнергии в них.

Существующая связь между экономически целесообразной мощностью отдельного трансформатора цеховой ТП и плотностью электрической нагрузки цеха получена на основе технико-экономических расчетов и приближенно представлена в таблице 3.6 [17].

Таблица 3.6 – Плотность электрических нагрузок цеха

Плотность электрической нагрузки цеха , кВ×А/м2	0,05	0,08	0,2	0,5	>0,5
Экономически целесообразная мощность одного трансформатора цеховой ТП , кВ×А

При ³0,4 кВА/м² - в любом случае целесообразно использовать 2-х трансформаторные подстанции.

Здесь принято , × (3.19)

где - расчетная нагрузка цеха, кВ×А; - площадь цеха, м²_.

Величина рассчитана в предположении равномерного распределения электрических нагрузок по площади цеха. Следует иметь в виду, что при единичной мощности трансформаторов более 1000 кВ×А, они не обладают достаточным токоограничивающим действием, и поэтому подключаемую к ним низковольтную аппаратуру нужно проверять на термическую и электродинамическую стойкости к токам к.з. По указанной причине иногда приходится ограничивать мощность трансформаторов до 1000 кВ×А.

Выбор трансформаторов осуществляется в зависимости от окружающей среды. При наружной установке применяют масляные трансформаторы (ТМ, ТМЗ), для внутренней также преимущественно масляные, но с ограничениями по количеству и мощности с учетом этажности (не выше второго этажа здания). В одном помещении внутрицеховой подстанции рекомендуется устанавливать одну КТП (допускается установка не более трех КТП) с масляными трансформаторами суммарной мощностью не более 6,5 МВ·А. Суммарная мощность масляных трансформаторов внутрицеховой подстанции, установленных на втором этаже, должна быть не более 1 МВ·А. Для трансформаторов сухих (ТСЗ, ТСЛ…) или с негорючими жидкими (твердым) диэлектриком (ТНЗ, ТНЭЗ…) для внутренней установки отсутствуют ограничения по мощности, количеству, этажу. Сухие трансформаторы до 1000 кВА устанавливают преимущественно в административных и общественных зданиях ( по условиям пожарной безопасности и для питания освещения при системе раздельного питания силовых и осветительных нагрузок).

Трансформаторы мощностью 630 кВА и менее рекомендуется применять для питания вспомогательных цехов и участков крупных предприятий, а трансформаторы 1000, 1600 и 2500 кВА рекомендуется устанавливать в крупных цехах предприятий основного производства.

Таким образом, мощность трансформаторов цеховой ТП корректируется в зависимости от величины расчетной нагрузки цеха, ее категории, числа типогабаритов трансформаторов на предприятии и других факторов.

Расчетное число трансформаторов всех подстанций цеха (или части цеха) находим по выражению:

, (3.20)

где - расчетная активная нагрузка цеха (части цеха) от низковольтных потребителей, кВт; - допустимый коэффициент загрузки трансформаторов в нормальном режиме; - выбранная номинальная мощность трансформаторов цеховых ТП, кВ×А. Принимаем ближайшее большее целое число N трансформаторов.

Количество трансформаторов одной подстанции зависит от категории электроприемников по надежности электроснабжения [2, раздел 2-13].

Однотрансформаторные подстанции применяют для питания потребителей 3-й и иногда 2-й категории.

При питании потребителей 3-й категории коэффициент загрузки трансформаторов должен составлять 1,0.

При преобладании нагрузок 2-й категории и их резервировании по связям вторичного напряжения коэффициент загрузки =0,7-0,8, а для нагрузок 1-II категории КЗ принимается 0,6-0,7.

Двухтрансформаторные подстанции применяют для питания потребителей 1-й и 2-й категорий. При преобладании нагрузок 2-й категории и при наличии складского резерва трансформаторов =0,9-0,95.

Трехтрансформаторные подстанции и подстанции с числом трансформаторов более 3 применяются редко (для питания потребителей особой группы 1-й категории, при большой концентрации потребителей, ограниченности свободных мест для расположения подстанций и т.п.). При этом в каждом конкретном случае необходимо технико-экономическое обоснование данного варианта. Наибольшая загрузка трансформаторов трехтрансформаторной подстанции должна быть не более 0,93 (при питании от трех независимых источников и взаимном резервировании трансформаторов). Загрузка трансформаторов в нормальном режиме выбирается такой, чтобы при выходе из строя одного из них оставшиеся в работе трансформаторы имели перегрузку не более допустимой. Коэффициент загрузки трансформаторов в послеаварийном режиме не должен превышать 1,3-1,4. Согласно ГОСТ 14209-97 «Трансформаторы силовые, масляные, общего назначения. Допустимые нагрузки», послеаварийные перегрузки силовых трансформаторов необходимо определять следующим образом. Допустимая послеаварийная перегрузка трансформаторов с масляными системами охлаждения типов М, Д, ДЦ, Ц принимается в зависимости от температуры охлаждающего воздуха и суточной продолжительности перегрузки. При выборе мощности трансформаторов расчетную суточную продолжительность послеаварийной перегрузки трансформаторов принимают при односменной работе - 4 ч, при двухсменной- 8 ч, при трехсменной - 12-24 ч.

Допустимые послеаварийные перегрузки трансформаторов определяют по таблице 3.7, а с учетом вида их установки [17].

Таблица 3.7 – Допустимые послеаварийные перегрузки трансформаторов

(в долях номинального тока) при предшествующей нагрузке, не

превышающей 0,8 (ГОСТ 14209-97)

Продолжительность перегрузки в течение суток, ч	Перегрузки в зависимости от эквивалентной годовой температуры окружающего воздуха, С
-10
М,Д	Д,Ц	М,Д	Д,Ц	М,Д	Д,Ц	М,Д	Д,Ц	М,Д	Д,Ц
0,5 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 12,0 24,0	2,0 2,0 2,0 1,7 1,6 1,6 1,5 1,5	1,8 1,7 1,6 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5	2,0 2,0 1,9 1,7 1,5 1,5 1,5 1,5	1,8 1,7 1,6 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5	2,0 2,0 1,8 1,6 1,5 1,4 1,4 1,4	1,7 1,6 1,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4	2,0 2,0 1,7 1,4 1,4 1,3 1,3 1,3	1,6 1,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4	2,0 1,9 1,6 1,3 1,3 1,2 1,2 1,2	1,5 1,5 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

Примечания: 1. Для трансформаторов, установленных на открытом воздухе, в зависимости от эквивалентной годовой температуры охлаждающего воздуха района размещения подстанций (г. Курган +8,8°С). 2. Для трансформаторов, установленных в закрытых камерах или не отапливаемых помещениях (цехах), - по эквивалентной годовой температуре +10 С. 3. Для внутрицеховых подстанций, устанавливаемых в отапливаемых цехах, - по эквивалентной годовой температуре +20°С.

Допустимые перегрузки сухих трансформаторов меньше, чем масляных, и не должны превышать 30% номинальной нагрузки.

В аварийных случаях для маслонаполненных и сухих трансформаторов при всех системах охлаждения независимо от предшествующей нагрузки, температуры охлаждающего воздуха и места установки трансформаторов (при условии, что температура верхних слоев масла не выше +115°С) допускается кратковременные перегрузки при послеаварийных режимах.

Помимо этого, для маслонаполненных трансформаторов, работающих с коэффициентом начальной нагрузки < 0,93, допускается перегрузка на 40% сверх номинального тока не более 5 суток на время максимумов нагрузки общей продолжительностью не более 6 ч. в сутки.

Согласно ГОСТ трансформаторы для КТП должны допускать аварийные перегрузки на 30% сверх номинального тока не более чем 3 ч. в сутки, если длительная предварительная нагрузка составляла не более 70% номинального тока трансформатора.

Таблица 3.8 – Допустимые кратковременные перегрузки трансформаторов при послеаварийных режимах

Трансформаторы
маслонаполненные	сухие
Перегрузка сверх номинального тока, %	Длительность перегрузки трансформатора, мин	Перегрузка сверх номинального тока, %	Длительность перегрузки трансформатора, мин
	1,5	-	-

Если в цехе имеются в основном потребители 1-й и 2-й категорий и все ТП можно принять с одинаковым числом трансформаторов (например, при равномерном распределении нагрузки и наличии свободных площадей для размещения этих подстанций), то расчетное количество ТП можно определить с помощью следующего соотношения:

, (3.21)

где n - количество трансформаторов на одной подстанции.

При дробном числе необходимо принять ближайшее большее целое число M. Если электроприемники цеха относят к 3-й категории, то число подстанций M=N.

При выборе трансформаторов цеховых ТП должна определяться наибольшая реактивная мощность, которую трансформаторы могут пропустить из сети 6 или 10 кВ в сеть напряжением ниже 1000 В. Для одной ТП:

, (3.22)

где - число трансформаторов цеховой ТП; - допустимый коэффициент загрузки трансформаторов цеховой ТП в нормальном режиме; - номинальная мощность трансформаторов цеховой ТП; - расчетная активная нагрузка на ТП.

Величина должна быть равной:

0,95-1,0 - для одиночных трансформаторов без резервирования;

0,7-0,8 - при взаимном резервировании двух трансформаторов;

0,93 - при взаимном резервировании трех трансформаторов, питающихся от трех независимых источников.

Величина - является расчетной, поэтому в общем случае реактивная нагрузка трансформаторов не равна ей, где - расчетная реактивная нагрузка на ТП.

При < трансформаторы ТП не могут пропустить всю реактивную нагрузку, и поэтому часть ее должна быть скомпенсирована с помощью конденсаторов, которые следует установить на стороне низшего напряжения ТП. Мощность этих конденсаторов будет составлять:

, (3.23)

и они должны устанавливаться на ТП обязательно. Следует иметь в виду, что в разделе «Расчет и выбор устройств компенсации реактивной мощности» определяется дополнительная мощность конденсаторов, которые могут быть установлены на стороне низшего напряжения той же ТП.

В пояснительной записке к проекту приводятся подробные расчеты по выбору трансформаторов одного из цехов (ремонтно-механического или электроремонтного), а остальные расчеты по выбору трансформаторов сводятся в таблицы 3.9, 3.9, а; 3.9, б. Суммарные потери активной и реактивной мощности в трансформаторах цеховых ТП с учетом и без учета соответствующей нагрузки можно привести в виде итоговых данных в колонках 22…25 этой расчетной таблицы. Каталожные данные для силовых трансформаторов можно найти в справочниках [2, раздел 2-42; 5, раздел 17-8]. Приближенно расчет потерь мощности в цеховых трансформаторах предлагается выполнить не формуле:

, (3.24)

где – потери активной мощности (кВт).

, (3.25)

где – потери реактивной мощности (квар).

, (2.26)

где – полные потери мощности (кВА);

– номинальная мощность трансформатора (кВА).

При глухом заземлении нейтрали сети напряжением до 1000 В следует принимать трансформаторы со схемой соединения обмоток «треугольник – зигзаг» при их мощности до 250 кВ·А включительно и со схемой соединения обмоток «треугольник – звезда с нулем » при мощности трансформаторов 400 кВ×А и выше.

Таблицы 3.9 – Расчетные данные по выбору трансформаторов цеховой ТП

Номер цеховой ТП	Порядковый номер цеха (участка, отделения)	Категория потребителей по надежности электро- снабжения	Расчетная активная нагрузка Рр , кВт	Расчетная реактивная Нагрузка Qp , квар	Полная расчетная нагрузкаSр , кВ×А	Площадь цеха Fц∙103 , м2	Удельная плотность нагрузки δ, кВА/м2	Экономически целесообразная мощность трансформатора Sэ.т., кВ×А	Тип трансформатора

Таблица 3.9, а – Расчетные данные по выбору трансформаторов цеховой ТП

Номинальная мощность трансформатора Sнтi , кВА	Кол-во трансформаторов на ТП ni , штук	Допустимый коэффициент загрузки трансформаторов Кздi	Uном обмоток, кВ ВН/НН	Допустимая реактивная нагрузка трансформаторов Qtд, квар	Мощность конденсаторных батарей Qk=Qp-Q1р, квар	Схема и группа соединения обмоток	Потери холостого хода Трансформатора ∆Рхх, кВт

Таблица 3.9, б – Расчетные данные по выбору трансформаторов цеховой ТП

Потери короткого замыкания трансформатора ∆Ркз, кВт	Ток холостого хода трансформатора Iхх, %	Напряжение короткого замыкания трансформатор Uкз , %	Потери активной мощности в трансформаторах ∆Рт, кВт	Потери реактивной мощности в трансформатора ∆Qт, квар	Активная мощность, потребляемая трансформаторами Рр+∆Рт, кВт	Реактивная мощность, потребляемая трансфор-маторами Q1+∆Qт, квар	Полная мощность, потребляемая трансформаторами Sp, кВ×А

Данная рекомендация определяется в основном надежностью действия релейной защиты от однофазных коротких замыканий в сетях напряжений до 1000 В.

Местоположение подстанций следует выбирать по возможности ближе к центрам электрических нагрузок. Однако при этом следует учитывать расположение технологического оборудования и предусматривать установку подстанций так, чтобы они не препятствовали нормальному ходу технологического процесса.

В зависимости от места расположения ТП их разделяют на внутрицеховые, встроенные, пристроенные, отдельно стоящие и другие.

Наиболее экономичным типом с точки зрения расхода проводникового материала и потерь электроэнергии в питающих сетях является внутрицеховая трансформаторная подстанция. Располагаются такие ТП между опорными колоннами, либо около внутренних или наружных стен здания внутри цеха. В этом случае обычно используются комплектные трансформаторные подстанции. К недостаткам применяемых внутрицеховых подстанций относится то, что они занимают дефицитную площадь цеха. Поэтому сооружение их возможно не во всех цехах.

Встроенные ТП являются менее экономичными, чем внутрицеховые. Они располагаются внутри цеха в специальных помещениях, обычно у наружных стен здания. Следующая разновидность ТП – пристроенные, которые сооружаются снаружи, у стен зданий цехов, и в конструктивном отношении могут быть как закрытыми, так и открытыми.

Наименее экономичными как по капитальным затратам, так и эксплуатационным расходам являются отдельно стоящие ТП. Они используются для питания группы мелких, рассредоточенных цехов, либо для питания электроприемников одного цеха, когда расположение подстанции в нем недопустимо по условиям пожаро-, взрывобезопасности или по другим соображениям. Применение отдельно стоящих ТП должно быть обосновано технически, либо технико – экономически.

При выборе ТП следует учитывать рекомендации относительного числа типогабаритов трансформаторов на одном предприятии: их число не должно превышать 3-4. Это существенно сокращает резерв и упрощает эксплуатацию трансформаторов, что особенно важно для небольших предприятий.

На промышленных предприятиях для установки цеховых ТП применяют три типа понижающих трансформаторов общепромышленного назначения: масляные, с жидким диэлектриком и сухие [ ]. Выбор их зависит от условий установки охлаждения, состояния окружающей среды и т.п. Для наружной установки применяют масляные трансформаторы (типа ТМ, ТМЗ), которые в данном случае оказываются наиболее экономичными. В загрязненных зонах предприятий при наружной установке используются трансформаторы с усиленной изоляцией вводов.

Если в здании имеются цехи с небольшой нагрузкой (расчетная полная нагрузка составляет до 100 кВА) и в соседних цехах предусмотрена установка ТП, то рекомендуется установка низковольтных распределительных пунктов (РПН) для питания нагрузок от ТП соседних цехов, при выполнении следующего соотношения:

кВА·м., (2.27)

где - полная расчетная нагрузка цеха (кВА);

- расстояние от РПН цеха до соседей ТП, м

Таблица 3.10 – Перечень низковольтных распределительных пунктов

Номер цеховой ТП	Номер низковольтного РПН	Произведение , кВ×А×м

При выборе трансформаторов цеховых ТП в некоторых случаях для уменьшения мощности этих трансформаторов следует использовать низковольтные перемычки от распредустройств ближайших ТП с целью резервирования потребителей 1-й и 2-й категорий небольшой мощности (15-25% мощности нагрузки цеха).

В качестве примера рассмотрим выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП станкостроительного завода. Для этого нарисуем генеральный план завода (рис. 3.1) и на нем для каждого цеха приведем следующие данные: расчетную активную нагрузку , удельную плотность нагрузки и категорию по надежности нагрузки. Указанные данные могут быть представлены также в виде таблицы (табл.3.11), однако такое представление имеет меньшую наглядность при выборе цеховых ТП.

В результате принято 4 типогабарита трансформаторов мощностью 160, 250, 400 и 1000 кВ×А. Типы трансформаторов: ТМ, ТМЗ и ТНЗ. В электроцехе, ремонтно- механическом и в других цехах предусмотрены комплектные трансформаторные подстанции.

Следует иметь в виду, что в 11-м и 13-м цехах предусмотрена установка низковольтных распределительных пунктов, подключенных к ТП соответственно 10-го и 8-го цехов. Это позволяет не только запитать электроприемники 11-го и 13-го цехов, но и иметь необходимый резерв для потребителей 1-й категории с целью обеспечения соответствующей надежности электроснабжения.

Для питания потребителей 4, 5, 8… 11 и 13…16-го цехов было рассмотрено несколько вариантов и принят в каждом случае один из них. Напомним, что при выполнении курсового проекта соответствующие расчеты по данному разделу следует сводить в таблицы 3.9 и 3.10. На рис. 3.2 в качестве примера приведен генплан предприятия с указанием на нем местоположения ГПП, ТП, РП, РПН и связями между ними.

В заключении отметим, что в практике проектных организаций выбор трансформаторов цеховых ТП осуществляется по средней нагрузке за наиболее загруженную смену [ ]. Это делается с целью увеличения загрузки трансформаторов. Во-первых, ожидаемые электрические нагрузки определяются, как правило, с завышением. Во-вторых, не все проектируемые электроприемники включаются сразу в работу, а некоторые из них в процессе эксплуатации практически не используются. При возрастании же нагрузки трансформаторы могут быть заменены на другие, имеющие на ступень большую мощность, так как фундаменты под них предусматриваются еще на стадии проектирования. Однако при точном определении ожидаемых электрических нагрузок теоретически правильно выбирать трансформаторы нужно по расчетной (максимальной) мощности [ ].

Таблица 3.11 – Выбор трансформаторов цеховых подстанций

Номер цеха	Наименование цеха	Удельная плотность нагрузки s, кВ×А/м2	Расчетная активна нагрузка Рр, кВт	Категория по надежности электроснабжения	Принято
Мощность трансформатора подстанции	Число трансформа-торов на подстанции	Количество подстанции
	Инструментальный	0,032	323,3
	Термический	0,050	550,7
	Литейный	0,026
	Насосная	0,075	318,4
	Компрессорная	0,038	251,8
	Электроцех	0,058	249,5
	Склад готовой продукции	0,019	907,2
	Сборочный	0,053	957,3
	Токарно механический	0,080
	Кузнечный	0,048	732,8
	Ремонтно-механический	0,080	533,1
	Склад оборудования	0,013	129,5
	Гараж и пожарное депо	0,034	171,6	1,3
	Медпункт	0,019	126,9
	Заводоуправление	0,011	120,6
	Столовая	0,025	108,7
	Центральная заводская лаборатории	0,026	278,6

Рисунок 3.2 – Генплан предприятия