Меню

Как выбрать мощность трансформатора напряжения



Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

Для контроля за режимом работы электроприемников, а также для производства денежного расчета с энергоснабжающей организацией применяются контрольно-измерительные приборы на подстанциях, присоединяемые к цепям высокого напряжения через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

  1. Выбор трансформаторов тока
  2. Классы точности трансформаторов тока
  3. Выбора трансформаторов напряжения
  4. Условия выбора трансформаторов напряжения
  5. Надежность измерительных трансформаторов напряжения в сетях с изолированной нейтралью

Выбор трансформаторов тока

Трансформаторы тока выбираются по номинальному напряжению, номинальному первичному току и проверяются по электродинамической и термической стойкости к токам короткого замыкания. Особенностью выбора трансформаторов тока является выбор по классу точности и проверка на допустимую нагрузку вторичной цепи.

Классы точности трансформаторов тока

  • Трансформаторы тока для присоединения счетчиков, по которым ведутся денежные расчеты, должны иметь класс точности 0,5.
  • Для технического учета допускается применение трансформаторов тока класса точности 1;
  • Для включения указывающих электроизмерительных приборов — не ниже 3;
  • Для релейной защиты — класса 10(Р).

Чтобы погрешность трансформатора тока не превысила допустимую для данного класса точности, вторичная нагрузка Z2 не должна превышать номинальную нагрузку Z2ном, задаваемую в каталогах.

Индуктивное сопротивление таковых цепей невелико, поэтому принимают Z2р = г2р. Вторичная нагрузка г2 состоит из сопротивления приборов г приб, соединительных проводов гпр и переходного сопротивления контактов гк:

Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

Для определения сопротивления приборов, питающихся от трансформаторов тока, необходимо составить таблицу — перечень электроизмерительных приборов, устанавливаемых в данном присоединении.

Суммарное сопротивление приборов, Ом, рассчитывается посуммарной мощности:

Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

В РУ 6—10 кВ применяются трансформаторы с /2ном = 5А; в РУ 110 — 220 кВ — 1 или 5 А. Сопротивление контактов ГК принимают 0,05 Ом при двухтрех приборах и 0,10 — при большем количестве приборов. Сопротивление проводов рассчитывается по их сечению и длине. Для алюминиевых проводов минимальное сечение — 4 мм2; для медных — 2,5 мм2.

Расчетная длина провода зависит от схемы соединения трансформатора тока и расстояния l от трансформатора до приборов:

  • при включении трансформаторов тока в неполную звезду;
  • 21 — при включении всех приборов в одну фазу;
  • l — при включении трансформаторов тока в полную звезду.

При этом длина l может быть принята ориентировочно для РУ 6—10 к В:

  • при установке приборов в шкафах КРУ / = 4… 6 м;
  • на щите управления /= 30…40 м;
  • для РУ 35 кВ / = 45…60 м;
  • для РУ ПО — 220 кВ/ = 65…80 м.

Если при принятом сечении провода вторичное сопротивление цепи трансформаторов тока окажется больше ZHOU для заданного класса точности, то необходимо определить требуемое сечение проводов с учетом допустимого сопротивления вторичной цепи:

Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

где р — удельное сопротивление.

Полученное сечение округляется до большего стандартного сечения контрольных кабелей: 2,5; 4; 6; 10 мм2.

Условия выбора трансформатора тока приведены в табл. 7.5. Дополнительно могут быть заданы: КТН = 1т.тн/УР21ном — кратность тока динамической стойкости трансформатора тока; КТ = /Т//|„ОМ — кратность тока термической стойкости; /i„OM — номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока.

Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

Выбора трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения, предназначенные для питания катушек напряжения измерительных приборов и реле, устанавливают на каждой секции сборных шин. Их выбирают по форме исполнения, конструкции и схеме соединения обмоток, номинальному напряжению, классу точности и вторичной нагрузке.

Условия выбора трансформаторов напряжения

Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения: формулы, расчет, схемы

  • конструкция, схема соединения;
  • соблюдение условия Uc.ном = U1ном (где Uc.ном— номинальное напряжение сети, к которой присоединяется трансформатор напряжения, кВ;
  • U1.ном— номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора, кВ);
  • класс точности;
  • соблюдение условия S2 рас

При определении вторичной нагрузки сопротивление соединительных проводов не учитывается, так как оно мало. Однако ПУЭ требует оценить потерю напряжения, которая в проводах от трансформаторов к счетчикам не должна превышать 0,5 %, а в проводах к щитовым измерительным приборам — 3 %. Сечение провода, выбранное по механической прочности, как правило, отвечает требованиям потерь напряжения.

Выбор типа трансформатора напряжения определяется его назначением. Если от ТН получают питание расчетные счетчики, то целесообразно использовать на напряжениях 6, 10, 35 кВ два однофазных трансформатора типа НОМ или НОЛ, соединенных по схеме открытого неполного треугольника.

Два однофазных ТН обладают большей мощностью, чем один трехфазный, а по стоимости на напряжения 6 и 10 кВ они примерно равноценны. Если одновременно с измерением необходимо производить контроль изоляции в сетях 6—10 кВ, то устанавливают трехфазные трехобмоточные пятистержневые трансформаторы напряжения серии НТМИ или группу из трех однофазных трансформаторов серии ЗНОМ или ЗНОУТ, если мощность НТМИ недостаточна.

При использовании трех однофазных трансформаторов, соединенных в звезду, нейтральная точка обмотки высокого напряжения ТН должна быть заземлена для правильной работы приборов контроля состояния изоляции

Для напряжения 110 кВ и выше применяют каскадные трансформаторы НКФ.

Надежность измерительных трансформаторов напряжения в сетях с изолированной нейтралью

Электрические сети 6-35 кВ Украины и стран СНГ выполнены с изолированной нейтралью. Эти сети при определенных токах замыкания на землю (для Uн=35 кВ – 10 А; Uн=10 кВ – 20 А; Uн=6 кВ – 30 А) должны иметь, как правило, реакторную или резистивную компенсацию нейтрали.

Читайте также:  Производственная мощность по английски

надежность трансформаторов тока

Основным преимуществом сетей с изолированной нейтралью является возможность обеспечивать длительное время потребителей электроэнергией даже при наличии «земли» в сети без их отключения. В то же время одним из основных недостатков является опасность возникновения (при малых токах замыкания на землю, равных 0,5-3,5 А) феррорезонансных процессов с последующим повреждением электромагнитных трансформаторов напряжения (ТН).

Феррорезонансные процессы (ФРП) в таких сетях, как показывает опыт эксплуатации и исследования, проведенные учеными «Львовской политехники», возникают во время появления и обрыва «земли» в сети (срабатывание разрядников, касание ветвями деревьев, обрыв троса фаз ЛЭП, стекание капель росы по изоляторам, особенно загрязненным, некоторым коммутационным переключениям, приводящим к изменению емкости в сети и т.д.).

В большинстве случаев эти ФРП проходят при частотах 17 и 25 Гц и сопровождаются протеканием через первичную обмотку ТН сверхтоков, которые на порядок и больше превышают допустимые для ТН токи, из-за чего первичные обмотки перегорают в течение нескольких минут. В эксплуатации имеют место случаи, когда первоначально по два-три раза (после замены) перегорает высоковольтный предохранитель 35 кВ, рассчитанный на номинальный ток срабатывания 2 А (это при том, что допустимый ток первичной обмотки ТН не превышает 60 мА), при этом повреждается ТН. Таким образом, имеют место неоднократные протекания больших токов через об-мотку ТН сверх допустимых, которые постепенно, за счет перегрева внутренних слоев, приводят к разложению изоляции и повреждению ТН.

В настоящее время, если судить по публикациям российских журналов, проводится большая работа по защите ТН от их повреждений в сетях.

Однако каждый из предлагаемых методов имеет свои недостатки и не в состоянии полностью решить проблему защиты ТН от воздействия ФРП. Кроме того, отсутствует возможность фиксации появления ФРП на участке сети с ТН.

С этой точки зрения наиболее эффективным способом подавления (а главное фиксацией времени и длительности) ФРП является устройство подавления резонанса (УПР), разработанное на кафедре электрических сетей «Львовской политехники», типа ПЗФ-5 (рис. 1, 2).

надежность трансформаторов тока

При возникновении феррорезонанса на выводах обмотки «разомкнутого треугольника» трехфазного ТН (или группы трех однофазных ТН) возникает напряжение нулевой последовательности 3U0 ? 100 В с субгармонической частотой (чаще всего 20-25 Гц).

После появления напряжения с субгармонической частотой устройство ПЗФ-5 с заданной задержкой времени однократно подключает к выводам обмотки «разомкнутого треугольника» резистор 5-6 Ом на время, заданное для гашения ФРП. Подключенный резистор обеспечивает срыв (погашение) феррорезонансных колебаний в течение t ?0,3 с, что исключает возможность термического повреждения обмоток ВН ТН феррорезонансными процессами.

У устройства ПЗФ-5 предусмотрено однократное его включение на заданное время с повторной готовностью к срабатыванию через заданное время. При длительном феррорезонансе предусмотрено повторное однократное срабатывание устройства с последующим запретом (блокированием) импульса гашения вплоть до ликвидации феррорезонанса, после чего устройство снова будет готово к работе. Это обеспечивает термическую стойкость резистора при многократных частых пусках устройства (например, при перемежающей дуге, частыми замыканиями на землю проводов сети ветками деревьев, порывами ветра и т.д.). Устройство формирует архив и отражает на дисплее 5 последних режимов феррорезонанса (срабатываний устройства). В «архиве аварий» устройства накапливается информация о дате и времени возникавших аварийных состояний, что дает эксплуатационным службам дополнительную информацию о состоянии сети в том или ином режиме. По анализу «архива» появляется возможность принять меры по повышению надежности сети в целом.

В настоящее время в системах установлено около 60 УПР. В сетях, где они установлены, информации о повреждениях ТН и неправильной работе ПЗФ не поступало.

Устройство представляет собой металлический ящик размерами 240х185х80 мм, к которому подводится питание ТН 100 В, 50 Гц и напряжение 3U0 от «разомкнутого треугольника», по которому и определяется наличие резонанса в сети. Устройство потребляет не более 10 ВА, устанавливается на панели релейной защиты и может работать при температуре окружающей среды от -55 0С до +60 0С. УПР ПЗФ-5 имеет кнопки вызова – ввода информации (с контролем информации по цифровому индикатору), проверки исправности (тестирования), а также контакты для запуска реле сигнализации при срабатывании (пуске) защиты или потере питания. Масса устройства 3 кг (рис. 3).

Прибор типа ПЗФ-5 обеспечивает защиту трансформатора напряжения от повреждения при феррорезонансных процессах. Вместе с этим нужно учитывать, что ПЗФ-5 может защитить ТН от повреждения только в том случае, если не менее 60% ТН в электрически связанной сети будет оборудовано устройством защиты от ФРП. Наиболее благоприятными условиями для предотвращения ФРП является оборудование такими устройствами 80-90% ТН в электрически связанной сети. Это необходимо потому, что вывод в ремонт одного ТН, оборудованного устройством ПЗФ, приведет к уменьшению общего процента оборудованных ТН, и условия для предотвращения ФРП соответственно ухудшатся.Разработчики и изготовители ТН, так же как и эксплуатационники, заинтересованы в безаварийной работе ТН и было бы целесообразно провести проверку работы устройства ПЗФ-5 в наиболее проблемных сетях, обобщить опыт работы и на его основе принять окончательное решение о целесообразности применения ПЗФ-5.

Читайте также:  Радиатор прадо мощность квт

Источник

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:  Мощность аккумуляторных батареек для фотоаппарата

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