Выбор комплектной трансформаторной подстанции

Источником питания электроприемников (ЭП) строительной площадки напряжением 0,38 кВ является комплектная трансформаторная подстанция (КТП). Под КТП понимается подстанция, состоящая из одного или двух трансформаторов, аппаратуры защиты и автоматики, скомплектованная по чертежам проектной организации на заводе – изготовителе. Количество трансформаторов КТП определяется категорией надежности электроснабжения потребителей [1].

К первой категории по надежности относят ЭП, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, повреждение дорогостоящего технологического оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных объектов коммунального хозяйства.

Ко второй категории по надежности относят ЭП, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и общественного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

К третьей категории по надежности относят ЭП, которые не попадают под определение первой и второй категорий.

Установление категории электроснабжения осуществляется технологами совместно с электриками.

Для ЭП первой категории следует использовать двухтрансформаторные КТП, так как перерыв в электроснабжении для них допустим только на время автоматического восстановления питания. Последнее в двухтрансформаторных КТП осуществляется посредством устройства для автоматического ввода резерва (АВР) на стороне низшего напряжения трансформаторов. В нормальном режиме каждый трансформатор КТП обеспечивает электроснабжение только присоединенных к нему ЭП. При отключении любого из трансформаторов КТП устройством АВР (секционный автоматический воздушный выключатель) автоматически к оставшемуся в работе трансформатору присоединяются все ЭП, электроснабжение которых осуществлялось от отключенного трансформатора.

Для ЭП второй категории перерыв в электроснабжении допустим на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады. При наличии централизованного резерва трансформаторов допускается электроснабжение ЭП второй категории от однотрансформаторной КТП. Количество трансформаторов КТП для ЭП второй категории может быть равно как двум, так и одному, причем более обоснованной стратегией, как доказано в [2], является ориентация на КТП с двумя трансформаторами.

Для ЭП третьей категории перерыв в электроснабжении допустим на время не более суток, что соответствует достаточности для их электроснабжения от однотрансформаторной КТП.

Мощность трансформатора однотрансформаторной КТП

где S_НАГР - мощность нагрузки КТП.

Мощность двухтрансформаторной КТП

где 1,4 – коэффициент, учитывающий допустимую перегрузочную способность трансформатора.

В основе определения электрических нагрузок нескольких ЭП лежат статистические коэффициенты, характеризующие режим электропотребления характерных групп. Коэффициентом использования К_И именуется отношение средней мощности, потребляемой за наиболее загруженную смену, Р_СМ, к номинальной мощности ЭП, то есть

Значения К_И приведены в табл.2 и заимствованы из [3].

Таблица 2

Расчетные коэффициенты электрических нагрузок

технологического оборудования

Наименование оборудования	Коэффициент
ки	q	cosφ	tgφ
Металлообрабатывающие станки ремонтных участков, растворомешалки	0,15	0,6	0,55	1,52
Технологические вентиляторы, компрессоры, насосы, калориферы	0,55	0,9	0,8	0,75
Сантехнические вентиляторы и насосы	0,65	0,9	0,8	0,75
Насосы водоснабжения	0,7	0,9	0,8	0,75
Краны, кран-балки, тельферы, лебедки	0,1		0,5	1,73
Сварочные агрегаты	0,25	0,8	0,7
Электроосвещение: лампы накаливания, люминесцентные лампы, дуговые ртутные лампы			0,95 0,5	0,33 1,73
Бытовки, электропрогрев бетона	0,95	0,95

При определении мощности, потребляемой группой ЭП, и выборе количества единиц технологического оборудования, как показали исследования последних лет [4, 7], необходимо учитывать неритмичность технологических процессов и наличие простоев оборудования в ремонтах, что достигается введением в расчет технологического коэффициента q. Значения q, обоснованные в [4], приведены в [7] и в табл. 2.

Для n – электроприемников с номинальной мощностью Р_Нi (i=1, 2, …n) средняя активная мощность определяется по формуле

Средняя активная мощность (интенсивность передачи электрической энергии от источника и ее активное преобразование в другие виды энергии) за наиболее загруженную смену определится для однотипного оборудования по формуле

Средняя реактивная мощность нагрузки

Средняя реактивная мощность (интенсивность обмена энергии между источником и магнитным или электрическим полем ЭП) за наиболее загруженную смену для однотипного оборудования определится по формуле

Полная средняя мощность нагрузки

Результаты расчета электрических нагрузок электроприемников строительной площадки сводим в табл.3.

Таблица 3

Расчет электрических нагрузок

электроприемников насосной станции

№ на схеме	Наименование оборудования	Номинальная мощность РН, кВт	n	КИ	q	tgφ	РС , кВт	QC , кВАр

В целях снижения потерь электроэнергии в питающих сетях и уменьшения значения устанавливаемой мощности КТП нормативными документами [5] регламентируется необходимость компенсации реактивной мощности посредством установки батарей конденсаторов, изготавливаемых электропромышленностью в виде комплектных конденсаторных установок (ККУ). Номенклатура ККУ приведена в табл. 4.

Таблица 4

Номенклатура комплектных конденсаторных установок

Тип конденсаторной установки	Номинальная мощность, кВАр	Номинальное напряжение, кВ
ККУ – 0,38 - 75		0,38
ККУ – 0,38 - 150		0,38
ККУ – 0,38 - 225		0,38
ККУ – 0,38 - 300		0,38
ККУ – 0,38 - 450		0,38

Мощность ККУ, присоединяемой к каждому трансформатору КТП, должна выбираться из условия максимальной компенсации реактивной мощности нагрузки ЭП (ближайшей, но не большей), электроснабжение которых осуществляется от этого трансформатора.

Если обозначить Q_НАГРрасчетную реактивную мощность нагрузки, Q_ККУ реактивную мощность ККУ, Q реактивную мощность нагрузки после компенсации, то мощность ККУ должна быть такой, чтобы разность была положительной и минимальной:

По формуле (2) мощность трансформатора двухтрансформаторной КТП выбирается из условия

где Р_С1, Р_С2 – среднее значение активной мощности нагрузки первого и второго трансформаторов, кВт; Q₁, Q₂ – среднее значение реактивной мощности нагрузки первого и второго трансформаторов после компенсации, кВАр.

Необходимо учитывать, что по (10) определяется мощность одного трансформатора двухтрансформаторной КТП, который при отказе (аварии) другого трансформатора с перегрузкой 140% будет являться источником электроснабжения всех ЭП рассматриваемой КТП.

Предварительно принимается КТП из номенклатуры по табл. 5, мощность трансформатора которой является ближайшей большей к результату расчета по (10) или (1) величиной.

Таблица 5

Комплектные трансформаторные подстанции

Тип подстанции	Количество трансформаторов	Мощность трансформатора, кВА	Напряжение, кВ
высшее	низшее
КТП-100/10/0,4-3У3				0,4
КТП-160/10/0,4-3У3				0,4
КТП-250/10/0,4-3У3				0,4
КТП-400/10/0,4-3У3				0,4
КТП-630/10/0,4-3У3				0,4
КТП-1000/10/0,4-3У3				0,4
КТП-100/10/0,4-3У3				0,4
КТП-160/10/0,4-3У3				0,4
КТП-250/10/0,4-3У3				0,4
КТП-400/10/0,4-3У3				0,4
КТП-630/10/0,4-3У3				0,4
КТП-1000/10/0,4-3У3				0,4

Выбранный трансформатор должен быть проверен по условию обеспечения допустимого значения остаточного напряжения при пуске электродвигателя наибольшей по мощности, определяемого как

где Х_ДВ – реактивное сопротивление электродвигателя в начале пуска, Ом; Х_Т– реактивное сопротивление трансформатора КТП, Ом.

Значение Х_ДВ определяется по формуле

При отсутствии данных о значениях i_П, cosφ и η_Н электродвигателя можно использовать приближенную формулу

Реактивное сопротивление трансформатора КТП

Здесь U_Н – номинальное напряжение электродвигателя. U_Н = 0,38 кВ;
Р_Н -номинальная мощность электродвигателя, МВт (т.е. кВт /1000); i_П , cosφ, η_Н– соответственно кратность пускового тока и номинальные значения коэффициента мощности и кпд электродвигателя (табл.6); U_НН - номинальное напряжение обмотки низшего напряжения. U_НН =0,4 кВ; S_ТН – номинальная мощность трансформатора КТП, МВА (т.е. кВА/1000).

Технические данные асинхронных двигателей серии 4А с синхронной частотой вращения 1500 об/мин приведены в табл. 6.

Таблица 6

Технические данные асинхронных двигателей

с короткозамкнутым ротором серии 4А

Тип двигателя	Мощность, кВт	КПД→ηн ,%	cosφ	iп
4АН160S4У3	18,5	88,5	0,87	6,5
4АН160М4У3			0,88	6,5
4АН180S4У3			0,84	6,5
4АН180М4У3		90,5	0,89	6,5
4АН200М4У3			0,89	6,5
4АН200L4У3			0,89	6,5
4АН225М4У3		92,5	0,89	6,5
4АН225S4У3			0,88	6,5
4АН250М4У3		93,5	0,89	6,5
4АН280S4У3			0,89
4АН280М4У3		93,5	0,9
4АН315S4У3			0,91
4АН315М4У3			0,91	6,5
4АН355S4У3		94,5	0,91

Если определенное по (9) значение

то предварительно принятая мощность трансформатора является окончательной. В противном случае необходимо увеличить мощность трансформатора на одну ступень по табл.5 и вновь проверить выполнение условия (15). Выбор мощности трансформатора завершается при выполнении условия (15).