Меню

Как выбирать мощность трансформаторов тп



Новая методология выбора мощности силового трансформатора

В распределительных электросетях нашей страны эксплуатируется примерно 3 миллиона силовых трансформаторов I-III габарита мощностью 25-6300 кВА класса напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ [1]. При этом, по разным оценкам, [2] доля трансформаторного оборудования со сроком эксплуатации 30 лет составляет 55 %. Это потребует ежегодных замен нескольких десятков тысяч штук трансформаторов. Одновременно количество вновь подключаемых трансформаторов указанных выше габаритов в 2021-2022 годах может также составить несколько десятков тысяч штук [3]. И в каждом случае замены трансформатора на существующем объекте или при установке трансформатора для электроснабжения нового объекта требуется, прежде всего, решить вопрос о мощности трансформатора и об оптимальных режимах его эксплуатации.

Поэтому при проектировании сетей электроснабжения и при их эксплуатации всегда актуальна задача выбора оптимальной мощности силовых трансформаторов и оптимальных режимов нагрузки. Важность этой задачи многократно возросла в условиях цифровизации электроэнергетики и в связи с требованиями повышения энергоэффективности электросетевого комплекса. По мнению авторов работы [4] «. цифровизация с использованием методов непрерывного проектирования предоставляет средства оптимизации и повышения эффективности электросетевого комплекса». В этот тренд вписывается повсеместное внедрение энергоэффективного трансформаторного оборудования. Инновационное переформатирование электроэнергетики требует новых математических моделей, новых методологий для достижения новых целей.

Существующая методология выбора мощности и оптимальных режимов эксплуатации силовых (распределительных) трансформаторов

Основными нормативными документами по выбору мощности силовых (распределительных) трансформаторов для электроснабжения объектов/потребителей являются:

  • НТП ЭПП-94. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования (разделы 6.3 — 6.4).
  • ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.
  • СТО 56947007-29.180.074-2011. Типовые технические требования к силовым трансформаторам 6-35 кВ для распределительных электрических сетей (пункты 5.1- 5.5).

Указанные документы определяют алгоритм выбора мощности как последовательность следующих шагов: 1) расчет суммарных нагрузок (мощностей электроприемников); 2) определение нескольких значений мощности трансформатора (не более трех) по допускаемой перегрузке; 3) экономический расчет выбранных вариантов и выбор наилучшего.

В основу классической методологии выбора мощности силового трансформатора в описанном алгоритме, как указано в работах [5, 6] положено определение допустимых нагрузок трансформатора, полученных при расчете тепловых переходных процессов. Усовершенствование, предложенное в работе [6], состоит в том, что номинальная мощность трансформатора выбирается по критерию минимума стоимости трансформации электроэнергии с учетом требований ГОСТ 14209-85 по нагрузочной способности и с учетом срока службы трансформатора, которое обусловлено тепловой деградацией изоляции. Методики экономической оценки выбранных вариантов силового/ распределительного трансформатора были узаконены только в отраслевом стандарте СТО 34.01-3.2-011-2017. Указаны два варианта: 1) минимизация приведенных затрат при эксплуатации трансформатора; 2) оценка совокупной капитализированной стоимости в соответствии с [7]. Стоит отметить, что методика, изложенная в главе 4 работы [7] сложна для практического применения, по признанию самих авторов.

Непригодность существующих нормативных документов по выбору мощности силовых/ распределительных трансформаторов для новых условий функционирования электросетевого комплекса нашей страны заключается в том, все они, во-первых: создавались для трансформаторов с характеристиками, нормированными ГОСТами времен СССР (например, ГОСТ 12022-76); во-вторых: предписываемый выбор, по существу, является не оптимизацией, а грубой подгонкой приблизительно подходящего трансформатора под условия эксплуатации. Инновационные энергоэффективные трансформаторы, как будет показано ниже, не вписываются в рекомендации действующих нормативно-технических документов. Более того, новая парадигма функционирования электросетей — это парадигма адаптивного управления, в том числе и энергоэффективностью передачи электроэнергии.

Многолетние исследования автора настоящей статьи проблемы энергоэффективности силовых трансформаторов позволили сформулировать следующий тезис: энергоэффективность является управляемым состоянием трансформаторного комплекса [8]. Данный тезис заставляет по-новому поставить проблему выбора силового трансформатора для электроснабжения нового объекта (или трансформатора для замены на существующем объекте). Новая постановка проблемы заключается в том, что условия эксплуатации должны диктовать характеристики потерь трансформатора. И в отраслевой литературе в последние годы появилось много публикаций по выбору параметров инновационных энергоэффективных трансформаторов [9-16].

В работе [9] дается оценка эффективности замены обычного трансформатора на энергоэффективный трансформатор большей мощности, но с меньшей загрузкой. Меньшая загрузка энергоэффективного трансформатора при этом проверяется на оптимальность по соотношению потерь холостого хода и короткого замыкания, как это сделано в работе [10]. Также сравнивается экономическая эффективность трансформатора с малой загрузкой и обычного трансформатора с большой загрузкой по критерию совокупной стоимости владения. Автор статьи Тульчинская утверждает, что подобная замена экономически выгодна и также повышает надежность электроснабжения за счет большей перегрузочной способности и большего срока службы изоляции.

Алгоритмы принятия решений и технико-экономическое обоснование замены старых трансформаторов рассмотрены в работах специалистов ОАО «МРСК Северо-Запада» к. т. н. С. П. Высогорец и Д. И. Никонова [11], а также сотрудников Казанского государственного энергетического университета И. А. Хатановой и А. А. Елизаровой [12].

В работе белорусских специалистов [13] впервые получено, по существу, решение задачи управления энергоэффективностью трансформаторных комплексов; авторы выявили и исследовали взаимосвязь приведенных эксплуатационных затрат с параметрами эксплуатации трансформаторов до 1600 кВА и характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания. На основе этих взаимосвязей выведены аналитические зависимости для расчета потерь от режимов загрузки при условии минимума приведенных эксплуатационных затрат.

Читайте также:  Светильник аварийный выход мощность

Начальник управления энергосбережения и повышения энергоэффективности филиала «МСК Центра» — «Белгородэнерго» Н. В. Якшина в работе [14] всесторонне анализирует целесообразность применения энергоэффективных инновационных трансформаторов.

Автор настоящей статьи в статьях [15-16] впервые рассмотрел проблему обоснования и нормирования характеристик потерь энергоэффективных трансформаторов.

При этом все указанные работы в той или иной степени восходят к работе Р. Я. Федосенко [17]. В этой без преувеличения классической работе всесторонне рассмотрены различные аспекты рациональной эксплуатации трансформаторов в распределительной сети.

Основные положения новой методологии выбора силового трансформатора для распределительной сети

Краткий обзор работ, приведенный выше, содержит в себе основные контуры новой методологии выбора силового трансформатора для распределительной сети. Главный момент при этом — максимальный учет особенностей нагрузки объекта электроснабжения и обеспечение максимальной экономической эффективности электроснабжения. Существующая методология — выбор из ограниченного множества стандартизованных неоптимальных трансформаторов и их проверка на экономическую квазиоптимальность. В наступающей цифровой эре нет места таким решениям. В новых цифровых сетях электроснабжения силовой трансформатор должен иметь оптимальные для данного объекта электроснабжения параметры: мощность, характеристики потерь. Он должен оптимально встраиваться в сеть с существующей нагрузкой, обеспечивая минимальную стоимость трансформации электроэнергии.

Для выбора трансформатора в новых условиях необходимо изучить взаимосвязь финансовых показателей трансформации электроэнергии, параметров трансформатора (мощность, характеристики потерь) и условий эксплуатации (загрузка трансформатора). Как указано в работе [7], эта взаимосвязь очень сложна. Поэтому пока отсутствуют аналитические зависимости для решения задачи выбора оптимального трансформатора за один шаг алгоритма.

Однако получив в результате математического моделирования диапазоны оптимальных режимов работы трансформатора для минимальных стоимостей трансформации электроэнергии в определенных диапазонах потерь, можно получить новые рекомендации для формирования нового содержания нормативных документов, указанных выше. Но это будет вариант для отдельных потребителей, не имеющих возможности осуществить компьютерный выбор оптимального трансформатора для своего электроснабжения. Крупные потребители, электросетевые организации будут формировать требования к потерям своих трансформаторам, исходя из реальной потребности в электроэнергии технологического оборудования.

Анализ данных математического моделирования различных условий эксплуатации обычных и энергоэффективных трансформаторов

Ниже представлен анализ данных математического моделирования различных условий эксплуатации масляных и сухих трансформаторов мощностью 25-2500 кВА.

Рассматривались по два варианта каждого типа трансформаторов: обычный (со стандартными характеристиками потерь) и инновационный (с магнитопроводом из аморфной стали).

Для диапазона изменения коэффициента загрузки от 0,1 до 1,4 рассчитывались следующие показатели:

Удельная стоимость трансформации определяется по формуле:

  • kнорм — нормативный показатель;
  • Стр — стоимость трансформатора, [руб.];
  • Сквтч — стоимость электроэнергии, [руб./кВт·час];
  • Тр=8000 — время использования максимума нагрузки в год, [час];
  • P — потери холостого хода, [кВт];
  • Pн — нагрузочные потери, [кВт];
  • kз — коэффициент загрузки;
  • Sн — номинальная мощность трансформатора, [кВА].

Совокупная дисконтированная стоимость владения трансформатором за 30 лет эксплуатации определяется по формуле:

для срока службы трансформатора n=30 лет и процентной ставки ЦБ РФ 0,0425=16,78.

Срок окупаемости находится по следующей формуле:

Символ Δ обозначает разницу в потерях холостого хода, нагрузочных потерях, в ценах трансформаторов.

В расчетах годовое время использование максимума нагрузки было принято равным 8000 часов (как для предприятий химической промышленности в соответствии с данными работы [18]). Стоимость электрической энергии принята 2 руб./кВт·час (как в работе [14] Н. В. Якшиной).

Результаты представлены в таблицах 1-10 и на графиках рис. 1-4. Графики на рисунках продлены за пределы реальных нагрузок для того, чтобы проиллюстрировать графическое представление зависимостей.

Таблицы

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные обычные трансформаторы), тыс. руб.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.

Срок окупаемости (масляные энергоэффективные по сравнению с масляными обычными), лет.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие обычные трансформаторы), тыс. руб.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.

Срок окупаемости (сухие энергоэффективные по сравнению с сухими обычными), лет.

Графики

График 1

График 1

График 2

График 2

График 3

График 3

График 4

График 4

Заключение

Анализ результатов моделирования различных режимов эксплуатации обычных и энергоэффективных трансформаторов показывает, как было отмечено в начале данной статьи, несоответствие экономически выгодных режимов эксплуатации рекомендациям нормативных документов по выбору силовых трансформаторов для распределительных электросетей даже для обычных трансформаторов (0,8. 0,9 для масляных; 1,2. 1,3 для сухих). Для энергоэффективных трансформаторов оптимальные режимы нагрузки выходят за пределы допустимых значений. Сроки окупаемости для загрузок, близких к номинальным, составляют 5. 10 лет в зависимости от мощности трансформатора.

Автор: кандидат технических наук, независимый эксперт Юрий Михайлович Савинцев.

Ю. М. Савинцев также выражает искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные материалы (технические и другие данные).

Источник

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

Выбор числа и мощности трансформаторов на подстанциях определяется величиной и характером электрических нагрузок (требуемой надежностью электроснабжения и характером потребления электроэнергии), территориальным размещением нагрузок, их перспективным изменением и при необходимости обосновывается техникоэкономическими расчетами.

  1. Основные принципы выбора трансформатора
  2. Одно трансформаторные ТП
  3. Двух трансформаторные ТП
  4. Выбор мощности трансформатора
  5. Выбор мощности в сетях промышленных предприятий
  6. Выбор мощности в городских электрических сетях
Читайте также:  Виды инверторных кондиционеров по мощности

Основные принципы выбора трансформатора

Как правило, в системах электроснабжения применяются одно и двухт рансформаторные подстанции. Применение трех трансформаторных подстанций вызывает дополнительные капитальные затраты и повышает годовые эксплуатационные расходы. Трехтрансформаторные подстанции используются редко, как вынужденное решение при реконструкции, расширении подстанции, при системе раздельного питания силовой и осветительной нагрузок, при питании резкопеременных нагрузок.

На крупных подстанциях (ГПП) применяются в основном два трансформатора (два независимых источника питания), так как через такие подстанции должны обеспечиваться электроэнергией электроприемники I, II и III категорий надежности электроснабжения.

При нескольких пунктах приема электроэнергии на предприятии на ГПП, а также при питании предприятия по схеме глубокого ввода наПГВ допускается применять по одному трансформатору при обеспечении послеаварийного питания нагрузок по связям вторичного напряжения с соседними подстанциями (ПГВ, ГПП), с ТЭЦ или другими ИП. При магистральном питании однотрансформаторных ПГВ по линиям 35—220 кВ ближайшие подстанции рекомендуется присоединять к разным линиям или цепям с последующим использованием в послеаварийных режимах связей на вторичном напряжении.

Однотрансформаторные ТП 6—10/0,4—0,23 кВ применяются при питании нагрузок, допускающих перерыв электроснабжения на время не более одних суток, необходимых для ремонта или замены поврежденного элемента (питание электроприемников III категории), а также для питания электроприемников II категории, при условии резервирования мощности по перемычкам на вторичном напряжении или при наличии складского резерва трансформаторов.

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

Одно трансформаторные ТП

Однотрансформаторные ТП выгодны еще и потому, что если работа предприятия сопровождается периодами малых нагрузок, то за счет наличия перемычек между ТП на вторичном напряжении можно отключать часть трансформаторов, создавая этим экономически целесообразный режим работы. Под экономичным понимается такой режим работы, который обеспечивает минимальные потери мощности в трансформаторах.

В данном случае решается задача выбора оптимального количества работающих трансформаторов.

Такие ТП могут быть экономичны и в плане максимального приближения напряжения 6—10 кВ к электроприемникам, поскольку за счет децентрализации трансформирования электрической энергии уменьшается протяженность сетей до 1 кВ. В этом случае вопрос решается в пользу применения двух однотрансформаторных по сравнению с одной двухтрансформаторной подстанцией.

Двух трансформаторные ТП

Двухтрансформаторные ТП применяются при преобладании электроприемников I и II категорий. При этом мощность трансформаторов выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного Другой трансформатор с учетом допустимой перегрузки принял бы на себя нагрузку всех потребителей (в этой ситуации можно временно отключить электроприемники III категории). Такие подстанции желательны и независимо от категории потребителей, но при наличии неравномерного суточного или годового графика нагрузки.

В этих случаях выгодно менять присоединенную мощность трансформаторов, например, при наличии сезонных нагрузок, одно или двухсменной работы со значительными изменениями загрузки смен.

Электроснабжение населенного пункта, микрорайона города, цеха, группы цехов или всего предприятия может быть обеспечено от одной или нескольких ТП. Целесообразность сооружения одно или двухтрансформаторных подстанций определяется в результате техникоэкономического сравнения нескольких вариантов системы электроснабжения. Критерием выбора варианта является минимум приведенных затрат на сооружение системы электроснабжения. Сравниваемые варианты должны обеспечивать требуемый уровень надежности электроснабжения.

В системах электроснабжения промышленных предприятий наиболее распространены следующие единичные мощности трансформаторов: 630, 1000,1600 кВА, в электрических сетях городов — 400, 630 кВА. Практика проектирования и эксплуатации показала необходимость применения однотипных трансформаторов одинаковой мощности, так как разнообразие их создает неудобства в обслуживании и вызывает дополнительные затраты на ремонт.

Выбор мощности трансформатора

В общем случае выбор мощности трансформаторов производится на основании следующих основных исходных данных: расчетной нагрузки объекта электроснабжения, продолжительности максимума нагрузки, темпов роста нагрузок, стоимости электроэнергии, нагрузочной способности трансформаторов и их экономичной загрузки.

Основным критерием при выборе единичной мощности так же, как и количества трансформаторов, является минимум приведенных затрат, полученный на основе техникоэкономического сравнения вариантов.

Ориентировочно выбор единичной мощности трансформаторов может выполняться по удельной плотности расчетной нагрузки (кВА/м2) и полной расчетной нагрузки объекта (кВА).

При удельной плотности нагрузки до 0,2 ВА/м2 и суммарной нагрузке до 3000 кВА целесообразно применять трансформаторы 400; 630; 1000 кВА — с вторичным напряжением 0,4/0,23 кВ. При удельной плотности и суммарной нагрузке выше указанных значений более экономичны трансформаторы мощностью 1600 и 2500 кВА.

Однако эти рекомендации не являются достаточно обоснованными вследствие быстроменяющихся цен на электрооборудование, и в частности, ТП.

В проектной практике трансформаторы ТП часто выбирают по расчетной нагрузке объекта и рекомендуемым коэффициентам.

Важное значение при выборе мощности трансформаторов является правильный учет их нагрузочной способности. Под нагрузочной способностью трансформатора понимается совокупность допустимых нагрузок, систематических и аварийных перегрузок из расчета теплового износа изоляции трансформатора. Если не учитывать нагрузочную способность трансформаторов, то можно необоснованно завысить при выборе их номинальную мощность, что экономически нецелесообразно.

Читайте также:  Для зарядки машины мощность

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

На значительном большинстве подстанций нагрузка трансформаторов изменяется и в течение продолжительного времени остается ниже номинальной. Значительная часть трансформаторов выбирается с учетом послеаварийного режима и поэтому нормально они остаются длительное время недогруженными. Кроме того, силовые трансформаторы рассчитываются на работу при допустимой температуре окружающей среды, равной +40 °С. В действительности они работают в обычных условиях при температуре среды до 20… 30 °С.

Следовательно, силовой трансформатор в определенное время может быть перегружен с учетом рассмотренных выше обстоятельств без всякого ущерба для установленного ему срока службы (20.. .25 лет).

На основании исследований различных режимов работы трансформаторов разработан ГОСТ 1420985, регламентирующий допустимые систематические нагрузки и аварийные перегрузки силовых масляных трансформаторов общего назначения мощностью до 100 мВА включительно с видами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц с учетом температуры охлаждения среды.

Температура охлаждающей среды для определения допустимых систематических нагрузок принимается как эквивалентное значение для данной местности, вычисленное в соответствии с [24]. Для областных городов России, эквивалентная температура находится в пределах: 9,4…11 °С — годовая,3,4…6,7 °С — зимняя и 15,1…17,9 °С — летняя. При определении допустимых аварийных перегрузок температура охлаждающей среды принимается во время возникновения аварийной перегрузки.

Для определения систематических нагрузок и аварийных перегрузок в соответствии с необходимо также знать начальную нагрузку, предшествующую перегрузке, и продолжительность перегрузки.

Эти данные определяются по реальному исходному графику нагрузки (полной мощности или току), преобразованному в эквивалентный в тепловом отношении прямоугольный двух или многоступенчатый график.

В связи с необходимостью иметь реальный исходный график нагрузки расчет допустимых нагрузок и перегрузок в соответствии с может быть выполнен для действующих подстанций.

На стадии проектирования подстанций можно использовать типовые графики нагрузок или в соответствии с рекомендациями, также предлагаемыми в, выбирать мощность трансформаторов по условиям аварийных перегрузок согласно табл. 3.3.

Тогда для подстанций, на которых возможна аварийная перегрузка трансформаторов (двухтрансформаторные, однотрансформаторные с резервными связями по вторичной стороне), если известна расчетная нагрузка объекта Sp и коэффициент допустимой аварийной перегрузки Кзав (табл. 3.3), номинальная мощность трансформатора определяется какСледует также отметить, что нагрузка трансформатора свыше его номинальной мощности допускается только при исправной и полностью включенной системе охлаждения трансформатора.

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

Что касается типовых графиков, то на сегодняшний день они разработаны для ограниченного количества узлов нагрузок.

Частично типовые графики отдельных видов потребителей (коммунально бытовых и сельскохозяйственных) обработаны и для практического удобства сведены в табл. 3.4, 3.5 [25].
Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правилаВ этих таблицах в сокращенном виде соответственно указаны интервалы допустимых нагрузок и аварийных перегрузок трансформаторов с естественным масляным охлаждением, напряжением 10/0,4 кВ, мощностью до 630 кВА для некоторых видов потребителей с учетом климатических условий России.
Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила
По табл. 3.4 для необходимого вида нагрузки находится интервал минимальной и максимальной границы допустимой систематической нагрузки трансформатора (Samm…Samg), в котором находится величина расчетной нагрузки трансформатора Sp (для трансформаторов,определяет номинальную мощность трансформатора по допустимой нагрузке для нормального режима работы подстанции.

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

По табл. 3.5 для соответствующего вида нагрузки устанавливается номинальная мощность трансформатора по допустимой аварийной нагрузке исходя из условия:

Выбор числа и мощности трансформаторов: принципы и правила

В зависимости от возможных режимов работы трансформатора выбор мощности его осуществляется по табл. 3.4 или по табл. 3.4, 3.5.

Поскольку выбор количества и мощности трансформаторов, в особенности потребительских подстанций 6—10/0,4—0,23 кВ, определяется чаще всего экономическим фактором, то существенным при этом является учет компенсации реактивной мощности в электрических сетях потребителя.

Компенсируя реактивную мощность в сетях до 1 кВ, можно уменьшить количество ТП 10/0,4, их номинальную мощность.

Особенно это существенно для промышленных потребителей, в сетях до 1 кВ которых приходится компенсировать значительные величины реактивных нагрузок. Существующая методика по проектированию компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий предполагает выбор мощности компенсирующих устройств и одновременно — количества трансформаторов подстанций и их мощности.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, а также сложностей непосредственных экономических расчетов, быстроменяющихся стоимостных показателей строительства подстанций и стоимости электроэнергии выбор мощности силовых трансформаторов при проектировании новых и реконструкции действующих потребительских подстанций 6—10/0,4—0,23 кВ может быть осуществлен следующим образом:

Выбор мощности в сетях промышленных предприятий

Выбор мощности в сетях промышленных предприятий осуществляется по следующим принципам:

  1. единичная мощность трансформаторов выбирается в соответствии с рекомендациями удельной плотности расчетной нагрузки и полной расчетной нагрузки объекта;
  2. количество трансформаторов подстанции и их номинальную мощность определяют согласно указаниям по проектированию компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий [3] (см. также раздел 4.3);
  3. выбор мощности трансформаторов должен осуществляться с учетом рекомендуемых коэффициентов загрузки (табл. 3.2) и допустимых аварийных перегрузок трансформаторов (табл. 3.3);
  4. при наличии типовых графиков нагрузки выбор следует вести в соответствии с ГОСТ 1420985 и с учетом компенсации реактивной мощности в сетях до 1 кВ;

Источник