Выбор числа трансформаторов

Число трансформаторов на ГПП и ЦТП определяется требованиями надёжности электроснабжения. Надёжность электроснабжения потребителей I-ой категории обеспечивается за счёт наличия двух независимых источников питания, при этом необходимо осуществлять резервирование питания и иметь на одном вводе минимум один трансформатор (желательно два, т.к. при этом не производят отключения II-ой категории потребителей, если возможна замена вышедшего из строя трансформатора в течение нескольких часов).

При проектировании цеховых трансформаторных подстанций желательно использовать КТП. Правильное определение мощности КТП и их числа производят на основании технико-экономических расчётов (ТЭР) с учётом компенсации реактивных нагрузок на напряжении до 1 кВ. Выбор количества трансформаторов определяют из диапазона:

(6.2)

где - минимальное число цеховых трансформаторов (при полной компенсации реактивных нагрузок); - максимальное число цеховых трансформаторов (при отсутствии компенсирующих устройств); - расчётная нагрузка цеха; - средний коэффициент загрузки для всех ТП; - номинальная мощность цехового трансформатора.

На рис. 1 приведена схема электроснабжения с установкой одного и двух трансформаторов, а на рис. 2 даны схемы их замещения. В схеме на рис. 2 изображены элементы цепи (с одним и двумя трансформаторами), соединенные последовательно: шинный разъединитель, выключатель на стороне высшего напряжения, трансформатор, выключатель на стороне низшего напряжения или автоматический выключатель и разъединитель или штепсельный разъём на стороне низшего напряжения.

Рис. 1. Схема электроснабжения: а) с одним трансформатором; б) с двумя трансформаторами.	Рис. 2. Схема замещения для расчёта схемы электроснабжения: а) с одним трансформатором; б) с двумя трансформаторами.

Задача заключается в том, чтобы из двух намеченных вариантов схем (рис. 1, а и б) выбрать одну с лучшими технико-экономическими показателями. Оптимальный вариант схемы выбирается на основе сравнения приведенных годовых затрат по каждому варианту:

(6.3)

где - эксплуатационные расходы i-го варианта; - капитальные затраты i-го варианта; - убытки потребителя электроэнергии от перерывов электроснабжения.

По схеме на рис. 1, а наступает полный перерыв питания, а по схеме на рис. 1, б оставшийся в работе трансформатор с перегрузкой обеспечивает питание всех потребителей. Для схемы на рис. 1, а питание со стороны низшего напряжения трансформатора по резервной кабельной линии от соседней трансформаторной подстанции осуществлять нецелесообразно, так как такая схема аналогична схеме подстанции с двумя трансформаторами, но имеет худшие показатели за счёт длинной кабельной линии между системами шин двух удалённых друг от друга подстанций.

Объективная оценка при выборе числа трансформаторов должна быть произведена с учётом фактора надёжности.

Под надёжностью системы электроснабжения понимается свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования.

Показатели надёжности - это количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надёжность. Одним из основных показателей надежности является вероятность безотказной работы . Это вероятность того, что в пределах заданного времени отказа не возникнет.

Формула вероятности безотказной работы системы с нагруженным резервом:

(6.4)

где n – количество элементов в цепи; m – количество резервных цепей.

При решении практических задач, задаваясь значениями и , получают количество резервных цепей.

С помощью (6.4) можно получить выражение, при известной вероятности безотказной работы каждого элемента цепи ( ), для практических расчётов определения требуемого количества резервных цепей:

(6.5)

Надёжность системы с точки зрения продолжительности работы до отказа оценивается наработкой на отказ или средним временем безотказной работы.

Связь между вероятностью безотказной работы и наработкой на отказ выражается уравнением:

. (6.6)

равно площади, ограниченной функцией вероятности безотказной работы и координатными осями, или математическому ожиданию времени безотказной работы (по оси абсцисс).

Принимая допущение, что интенсивность отказов элементов постоянна во времени, можно использовать показательный (экспоненциальный) закон распределения вероятности безотказной работы:

(6.7)

где - интенсивность отказов цепи; t – заданное время.

Период работы, для которого справедлива данная формула, называют периодом нормальной эксплуатации устройства.

Вероятность безотказной работы системы в течение заданного времени t не зависит от того, сколько времени система проработала до этого.

В общем случае время безотказной работы запишется в виде выражения:

(6.8)

Несколько преобразовав выражение (6), с помощью ввода дополнительной переменной, уравнение безотказного времени работы системы можно записать в более удобном для расчётов виде:

(6.9)

Интенсивность отказов в работе берётся из справочной литературы по расчёту надёжности.

Зависимость вероятности безотказной работы резервируемой системы от среднего времени безотказной работы исходной системы электроснабжения, получается на основании вышеприведённых выражений ((6.6) - (6.8)):

(6.10)

Сооружение однотрансформаторных подстанций не всегда обеспечивает наименьшие затраты. Если же по условиям резервирования питания потребителей необходима установка более одного трансформатора, то нужно стремиться к тому, чтобы их было не более 2.

При использовании двухтрансформаторных подстанций, выход из строя одного из трансформаторов, обеспечивается 100%-ная надёжность питания в течение времени, необходимого для ремонта поврежденного трансформатора или его замены.

Выбор числа трансформаторов связан также с режимом работы подстанции. График нагрузки может быть таким, при котором по экономическим соображениям необходимо установить не один, а два трансформатора. Это имеет место, как правило, при низком коэффициенте заполнения графика нагрузки (0,5 и ниже). В этом случае необходима установка отключающих аппаратов для оперативных действий (производящихся дежурным персоналом или происходящих автоматически) с силовыми трансформаторами при соблюдении экономически целесообразного режима их работы.

С учётом вышесказанного использование двухтрансформаторных подстанций экономически более целесообразно, чем подстанций с одним или большим числом трансформаторов. Схемы электрических соединений на стороне высшего напряжения подстанций представлены на рис. 3.

Рис. 3. Однолинейные схемы электрических соединений главных понизительных подстанций с двумя трансформаторами: а, б – без выключателей на стороне высшего напряжения; в – с выключателем на стороне высшего напряжения.

Схему рис. 3, а (два блока линия - трансформатор с отделителями и автоматически действующей перемычкой) применяют для ответвительных или тупиковых подстанций, когда необходимо автоматическое восстановление питания трансформатора после аварийного отключения его линии. Схему рис. 3, б (блок линия - трансформатор с отделителем) рекомендуют для подстанций, присоединяемых к линии, питающей несколько подстанций. Применение короткозамыкателей на линиях длиной 10—12 км не рекомендуется из-за возможности появления километрического эффекта. Тогда вместо короткозамыкателя используют телепередачу отключающего импульса по каналам связи. Схему рис. 3, в (мостик с выключателем в перемычке и отделителями в цепи трансформаторов) применяют при двустороннем питании или транзите мощности по одной линии при отсутствии АПВ. Применение простых схем (рис. 3) особенно выгодно, когда стоимость выключателя на стороне высшего напряжения соизмерима со стоимостью установки трансформатора. Для снижения токов КЗ и облегчения работы аппаратов напряжением до 1 кВ в нормальном режиме обычно применяют раздельную работу трансформаторов. Для резервирования части нагрузки при отключении одного из работающих трансформаторов второй включается с помощью секционного автоматического выключателя, обеспечивает электроснабжение потребителей и работает с перегрузкой до восстановления схемы нормального режима работы. Ввод резервного питания для потребителей первой категории должен осуществляться автоматически.