Критерии выбора коэффициента загрузки силового трансформатора при проектировании подстанций распределительных сетей

УДК 621.316

КРИТЕРИИ ВЫБОРА КОЭФФИЦИЕНТА ЗАГРУЗКИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПОДСТАНЦИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

А.А. ГАЛИМОВА Самарский государственный технический университет, г. Самара

При выборе мощности трансформатора на этапе проектирования необходима количественная оценка надежности и долговечности работы электрооборудования, эффективности затрат на сооружение системы электроснабжения. Срок службы трансформатора, а также аппаратов высокого и низкого напряжения подстанций зависит от коэффициента загрузки. В статье приведены результаты расчета относительного срока службы трансформатора от коэффициента загрузки, определены критерии выбора коэффициента загрузки в зависимости от мощности, структуры и типа потребителя электроэнергии.

Ключевые слова: мощность трансформатора, коэффициент загрузки, скорость износа изоляции, срок службы трансформатора.

Введение

Одной из основных задач при проектировании систем электроснабжения является выбор оборудования трансформаторной подстанции. При этом трансформатор является основным устройством, влияющим на выбор электрических аппаратов как высокого, так и низкого напряжения.

В статье рассматриваются некоторые аспекты выбора силового трансформатора для комплектных наружных трансформаторных подстанций распределительных сетей 6-10 кВ. В таких системах электроснабжения, как правило, применяются масляные трансформаторы с системой охлаждения ОКАК или ОКЛБ, которые относятся к группе распределительных трансформаторов и выполняют понижающую функцию. Мощность таких аппаратов не превышает 2500 кВА, класс напряжения до 35 кВ включительно.

В качестве основных критериев выбора силового трансформатора при проектировании принимаются: класс напряжения, расчетная мощность нагрузки, подключаемой к подстанции. Если к системе электроснабжения подключены потребители 1 или 2 категорий, выполняется также проверка работы трансформатора в аварийном режиме. Мощность трансформатора по условию выбора должна быть не меньше, чем расчетная мощность нагрузки.

В данной статье рассмотрен параметр, который согласно ГОСТ 11677-85 [1] не входит в перечень технических параметров и характеристик, включаемых в паспорт трансформатора - срок службы трансформатора. Проектирование и монтаж электрических сетей и трансформаторной подстанции для электроснабжения предприятия, как правило, является одной из существенных расходных статей потребителя электроэнергии, особенно в энергоемких технологиях и производствах. Поэтому важно знать экономическую и техническую эффективность затрат на сооружение системы электроснабжения. При этом паспортные данные электрооборудования, представляющие интерес для специалистов-энергетиков и электромонтажников, практически не содержат информации для специалистов других отраслей, то есть для потребителей.

© Галимова А.А.

Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

На самом деле срок службы трансформатора нельзя оценить однозначно. Можно говорить о предполагаемом сроке службы - некоторой условной величине, принимаемой для непрерывной постоянной нагрузки при нормальной температуре окружающей среды и номинальных условиях эксплуатации. Нагрузка, превышающая номинальную, а также температура окружающей среды больше расчетной приводят к ускоренному износу изоляции и заключают в себе некоторую степень риска. Кроме того, действительный срок службы зависит также от исключительных воздействий, таких как перенапряжения, возникающие в сети короткие замыкания, аварийные перегрузки. Вероятность безотказной работы при таких воздействиях зависит от степени воздействия (длительность и амплитуда) аварийных режимов и перенапряжений, конструкции трансформатора, содержания влаги в изоляции и масле. В режиме допустимых перегрузок увеличивается температура различных частей трансформатора, что также уменьшает срок безотказной работы аппарата. При этом негативному воздействию также подвергается и другое электрооборудование подстанции - переключатели, трансформаторы тока, а также вводы и концевые заделки кабелей. Если внешние воздействия зачастую зависят от работы энергосистемы в целом, то нормальные режимы работы может контролировать непосредственно потребитель.

Основным параметром, существенно влияющим на срок службы трансформатора и электрооборудования в целом, является коэффициент загрузки трансформатора р. Он определяет отношение рабочего тока нагрузки к номинальному току трансформатора или потребляемой мощности к номинальной мощности трансформатора. Коэффициент загрузки также влияет на коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора. Допустимое время работы трансформатора в режимах перегрузки также зависит от степени загрузки трансформатора при работе в установившемся режиме.

Известно, что КПД трансформатора зависит от потерь на намагничивание сердечника и потерь в обмотках. Потери на намагничивание являются постоянными, потери в обмотках могут изменяться, они зависят от квадрата тока, протекающего по обмоткам, такие потери называют также нагрузочными. Поэтому коэффициент загрузки влияет на потери в трансформаторе, а следовательно, и на КПД [3]. Максимальное значение коэффициента полезного действия наблюдается при оптимальном коэффициенте загрузки, когда потери в обмотках будут равны потерям холостого хода, то есть:

АР0 =Р2 -АРк .

Тогда коэффициент загрузки:

Роит =Ж.

V К

Для распределительных трансформаторов максимальное значение КПД возникает при коэффициенте загрузки в = 0,4 ^ 0,5. На практике при выборе мощности трансформатора во многих случаях руководствуются экономическим коэффициентом загрузки, который равен в = 0,6 ^ 0,7.

Основным нормативным документом, регламентирующим допустимые нагрузки и перегрузки масляных трансформаторов, является ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91) «Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов» [2]. В документе приведены указания по определению технически обоснованных режимов нагрузки силовых трансформаторов с точки зрения допустимых температур и термического износа. Расчет температуры в разных частях обмоток базируется на тепловых характеристиках различных групп трансформаторов, объединенных по мощности и © Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

системе охлаждения. Каждая группа имеет свои предельные значения по допустимым перегрузкам.

В статье рассматривается группа распределительных трансформаторов мощностью не более 2500 кВА. Это наиболее распространенный класс трансформаторов, применяется для электроснабжения предприятий практически всех отраслей промышленности, учреждений различной сферы деятельности, бытовой нагрузки. Подстанции с распределительными трансформаторами в основном находятся на балансе предприятия, при этом контроль часто ведется специалистами, не имеющими отношения к энергетике. Поэтому важно еще на этапе проектирования системы электроснабжения обеспечить высокую надежность работы электротехнических устройств.

В распределительных трансформаторах с естественным масляным охлаждением типа ОЫ в установившемся режиме температура наиболее нагретой точки и металлических частей, соприкасающихся с изоляцией, не должна превышать 140°С, температура, при которой обеспечивается нормальный срок службы трансформатора, -98°С. Превышение температуры на каждые 6°С более 98°С увеличивает скорость износа изоляции в 2 раза - так называемое 6-градусное правило - а следовательно, значительно уменьшает срок службы трансформатора. Известно, что в 43,6% случаев отказ работы трансформаторов мощностью до 2500 кВА происходит по причине нарушения изоляции [5]. Основным компонентом, влияющим на температуру наиболее нагретой точки, является коэффициент загрузки р.

Следует отметить, что расчет температуры наиболее нагретой точки выполняется в соответствии в графиком нагрузки потребителя для двух режимов: установившего теплового режима и неустановившего, когда нагрузка изменяется в течение интервала времени [2]. Однако на этапе проектирования целесообразно выполнять расчет для нагрузки, определяющей отпускную мощность или нагрузки в аварийном режиме для предприятий, имеющих потребителей 1 или 2 категорий, так как это режимы максимальной загрузки трансформатора. Тогда температура в установившемся тепловом режиме для трансформаторов с охлаждением ОЫ будет определяться по следующей зависимости:

"1+др"

© к = ©а + А© кг

1 + д

+ИЯг -Р

у

где ©а - температура охлаждающей среды, °С; А©кг - превышение температуры масла в нижней части обмотки, °С; Д - отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода при номинальной нагрузке; Р - коэффициент загрузки; И ^ - градиент температуры наиболее нагретой точки, °С; у - показатель степени обмотки.

Согласно ГОСТ 14209-97 при расчете для трансформаторов с системой охлаждения ОЫ необходимо применять тепловые характеристики, приведенные в табл.1.

Таблица 1

Тепловые характеристики трансформаторов с системой охлаждения ОЫ

©аС° А©кг,С° Д у

20 78 5 23 1,6

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Подставив приведенные в таблице характеристики и коэффициенты, получим зависимость максимальной температуры наиболее нагретой точки от коэффициента загрузки трансформатора:

к = 65-в + 23-в1,6 + 33.

На основании рассчитанных значений температуры наиболее нагретой точки можно определить некоторые показатели термического износа изоляции, например:

- относительная скорость термического износа изоляции

к -98

V=А - 2 6 ,

где А - постоянная, соответствует сроку службы при I = 0°, А = 0,112;

- срок службы определяется экспоненциальным отношением Монтсингер:

Срок службы = ,

где р - постоянная.

Значение постоянной в этом уравнении зависит от многих факторов: состава смеси исходных материалов, химических добавок, параметров окружающей среды (содержание влаги, свободного кислорода в системе) и других. Однако, в интервале допустимых температур от 80 °С до 140 °С допускается принимать некоторое постоянное значение коэффициента. Согласно [5] р = 0,1155 °С-1.

Пока не существует единственного и простого критерия оценки срока службы трансформатора, который может быть использован для количественной оценки полезного срока эксплуатации. Можно сделать сравнения, основанные на скорости износа изоляции. Тем не менее, для специалистов различных отраслей, не имеющих отношения к электротехнике, которыми в основном и являются потребители электроэнергии, по скорости износа изоляции сложно оценить перспективы использования электрооборудования, надежность его работы, а также качество электроэнергии. Поэтому при выборе вариантов системы электроснабжения, мощности электротехнического оборудования важно опираться на количественные критерии.

В статье в качестве количественного критерия предлагается относительное изменение срока службы трансформатора N от коэффициента загрузки, то есть от того, как увеличивается или уменьшается срок службы трансформатора в зависимости от загрузки по сравнению с базовым значением в. Базовое значение коэффициента загрузки - значение, которое обеспечивает температуру наиболее нагретой точки 98°С. В основе расчетов лежат зависимости и коэффициенты, приведенные в ГОСТ 14209-97 для класса распределительных трансформаторов с масляным естественным охлаждением мощностью до 2500 кВА.

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2

Расчет относительного изменения срока службы трансформатора _от коэффициента загрузки_

Коэффициент загрузки в Температура наиболее нагретой точки, °С Относительное изменение срока службы трансформатора, N

0,4 64,0 49,0

0,45 69,0 29,0

0,5 73,0 18,0

0,55 78,0 11,0

0,6 82,0 6,0

0,65 87,0 4,0

0,7 91,0 2,0

0,75 96,0 1,2

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

0,768 98,0 1,0

0,8 101,0 0,7

0,85 106,0 0,4

0,9 111,0 0,22

0,95 116,0 0,12

1,0 121,0 0,07

Расчеты показали, что температура 98°С обеспечивается при загрузке трансформатора на 76,8%, что соответствует значению N = 1. Принятый экономический коэффициент загрузки в = 0,6 ^ 0,7 соответствует увеличению срока службы в 6 ^ 2 раза. Если потребитель электроэнергии не планирует увеличивать объемы производства, при выборе мощности трансформатора для подстанции достаточно ориентироваться на экономический коэффициент загрузки. Если трансформаторная подстанция проектируется для электроснабжения новостроек, целесообразно руководствоваться коэффициентом загрузки в = 0,4 ^ 0,5, что соответствует режиму работы трансформатора с максимальным КПД. Новостройки со временем увеличивают потребление электроэнергии за счет развития инфраструктуры, при этом также возникает проблема наличия свободной территории для новой подстанции, особенно в условиях городской застройки.

На рисунке показаны графическая зависимость относительного изменения срока службы трансформатора N от коэффициента загрузки в. Зависимость носит экспоненциальный характер, поэтому даже небольшое уменьшение коэффициента загрузки может значительно увеличить срок службы масляного трансформатора.

45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

в

Рис. Зависимость относительного срока службы трансформатора от коэффициента загрузки

Следует отметить экономический аспект выбора мощности трансформатора.

Стоимость подстанции формируется из стоимости электрооборудования распределительных устройств высокого и низкого напряжения, корпуса или модульного здания и непосредственно трансформатора. Так как электрические аппараты высокого и низкого напряжения имеют высокие параметры по электродинамической и термической стойкости токам короткого замыкания, производители выпускают подстанции для диапазонов мощностей, например в

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

габаритах до 400 кВА устанавливают трансформаторы от 63 кВА до 400 кВА. Стоимость самого трансформатора составляет порядка 20% стоимости всей подстанции. Поэтому увеличение мощности трансформатора на одну ступень не приведет к существенному удорожанию подстанции, но значительно увеличит срок службы трансформатора.

В результате анализа влияния коэффициента загрузки на срок службы трансформатора и согласно расчетам можно сформулировать следующие выводы:

- коэффициент загрузки трансформатора оказывает существенное влияние на срок службы масляного трансформатора и электрооборудования подстанции;

- для электроснабжения потребителей небольшой мощности коэффициент загрузки необходимо выбирать исходя из его экономического значения 0,6 - 0,8;

- при выборе трансформатора для электроснабжения энергоемких предприятий с перспективой дальнейшего развития, а также для электроснабжения новостроек целесообразно выбирать коэффициент загрузки, соответствующий максимальному КПД 0,4 - 0,5;

- при загрузке трансформатора, близкой к его номинальной мощности, срок службы значительно снижается, так как зависимость относительного изменения срока службы трансформатора носит экспоненциальный характер;

- окончательное решение по выбору мощности трансформатора должно приниматься проектировщиком совместно с потребителем на основании технического и экономического критериев оценки проектируемой системы электроснабжения.

Summary

At the choice of power of transformer on the stage of planning the quantitative estimation of reliability and longevity of work of electrical equipment is needed, to efficiency of expenses on building of the system of power supply. Tenure of employment of transformer, and also vehicles of high and subzero tension of substations depends on a load factor. To the article the results of calculation of relative tenure of employment of transformer are driven from a load factor, the criteria of choice of load factor are certain depending on power, structure and type of consumer of electric power.

Keywords: power of transformer, load factor, speed of wear of isolation, tenure of employment of transformer.

Литература

1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

2. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.

3. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4 - 35 кВ и 110 - 1150 кВ. Том II. Изд. Папирус Про, 2004. 688с.

4. Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов. М: Энергия, 1980. 208 с.

5. Цирель Я.А., Поляков В.С. Эксплуатация силовых трансформаторов на электростанциях и в электрических сетях. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

Поступила в редакцию 23 мая 2013 г.

Галимова Акиля Анверовна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» (ТОЭ) Самарского государственного технического университета (СамГТУ). Тел.: 8 (927) 7434546. E-mail: akilya@mail.ru.

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6