Наивыгоднейшая мощность трансформатора зависит от очень многих факторов. Этими факторами являются величина и характеристика электрической нагрузки, величина коэффициента мощности, длительность нарастания нагрузки по годам, удаленность трансформатора от источника производства электроэнергии, продолжительность использования максимума нагрузки или продолжительность включения трансформатора, число часов работы предприятия, стоимость электроэнергии, условия окружающей среды и др.
В зависимости от сочетания всех этих факторов получаются различные значения наивыгоднейшей номинальной мощности трансформатора.
Иногда бывает выгодно, чтобы трансформатор работал с недогрузкой, а в других случаях выгоднее работа с перегрузкой при условии, разумеется, что при этом не будут превзойдены пределы дополнительного теплового износа трансформатора, который приводит к сокращению его нормального срока службы. Поэтому даже при одинаковом максимуме нагрузки наивыгоднейшие мощности трансформаторов могут быть разными, если режим их работы неодинаков. К тому же эти факторы могут меняться во времени, что бывает очень трудно учесть заранее.
Для правильного выбора трансформатора необходимо построить график его нагрузки или в крайнем случае знать максимальную и среднесуточную нагрузку данной подстанции и хотя бы приблизительно суммарную продолжительность максимума нагрузки. Нужно тщательно проанализировать работу предприятия при аварийном режиме для выявления возможности отключения на этот период части менее ответственных потребителей и их мощности.
Во многих производствах нагрузка трансформаторов при эксплуатации не бывает постоянной, а в течение многих часов суток оказывается ниже номинальной, иногда значительно ниже. Такие графики характерны для металлообрабатывающих и деревообрабатывающих предприятий, заводов стройматериалов и других отраслей промышленности. В других предприятиях, наоборот, график очень ровный, это — металлургия, химия и др.
Сказанное наглядно иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 3. Заштрихованная часть представляет собой реальный суточный график нагрузки. На вертикальной оси (оси ординат) отложены токи: максимальный Iм (по пику графика), средний Iср (см. пунктирную пряную) и номинальный ток трансформатора при полной его нагрузке Iн (см. пунктир с точкой). На горизонтальной оси (оси абсцисс) отложены часы суток. График характеризует изменение токов I в течение суток за промежутки времени Δt. Средний ток Iср представляет собою отношение суммы произведений ΣIΔt ко времени суток.
Iср = ΣIΔt / 24.
Таким образом, средний ток Iср всегда меньше максимального Iм, а в ряде случаев он значительно меньше. Максимальный же ток может при определенных условиях превышать номинальный. Кроме того, нужно учитывать, что:
- во многих производствах мощность трансформаторов выбирается по аварийному режиму и, следовательно, при нормальном режиме они всегда работают с недогрузкой;
- температура окружающего воздуха 40° С, принятая в стандарте, не держится длительно даже в жарких поясах и колеблется в очень больших пределах, достигая: 25 ÷ -35°С.
Поэтому трансформатор в течение определенного периода времени t может быть перегружен сверх номинального тока Iн в зависимости от характера графика его нагрузки и от окружающей температуры без какого-либо ущерба для нормального срока его службы.
Кратности допустимых перегрузок трансформаторов
Значения и продолжительность допустимых нормальных перегрузок зависят от коэффициента заполнения суточного графика нагрузки, характера изменения суточной и годовой температуры окружающей среды, от способа охлаждения трансформаторов и других условий.
На рис. 4 показаны кратности допустимых перегрузок трансформаторов К в период максимальной нагрузки на питаемом им объекте в зависимости от продолжительности максимума t (ч) и от коэффициента заполнения суточного графика а, который представлен несколькими величинами (от 0,25 до 0,9).
Коэффициент а является отношением среднесуточного тока Iср к максимальному току Iм:
а = Iср / Iм.
Он почти всегда меньше единицы.
Коэффициент перегрузки К представляет отношение максимального тока Iм к номинальному току трансформатора Iн:
Рис. 4. Зависимость допустимой перегрузки трансформатора в период максимума от продолжительности последнего t и от коэффициента заполнения суточного графика а.
К = Iм / Iн.
Он больше единицы и в частном случае равен ей.
На рис. 4 отчетливо видно, что чем больше величина а и чем больше время t перегрузки, тем меньше величина К. Так, например, при а = 0,4 и t = 1,3 ч. трансформатор может быть перегружен на 40%, а при а = 0,8 и t = 1,3 ч. – всего лишь на 12%. Следовательно, трансформаторы, длительно работающие на подстанциях с ровным графиком нагрузки, т. е. с малым а, значительно меньше способны к перегрузке. К числу таких подстанций относятся подстанции на заводах черной и цветной металлургии, химии и др. В этих случаях перегрузка может быть допущена, главным образом, лишь за счет температуры окружающей среды и за счет выбора мощности трансформаторов по аварийному режиму, обусловливающему их недогрузку при нормальном режиме работы.
Правила устройства электроустановок допускают аварийную перегрузку трансформаторов при аварийных режимах до 40%, на время максимума общей суточной продолжительности не более 6 ч, в течение не более 5 суток. При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформатора а в условиях его перегрузки должен быть не выше 0,75, т. е. должно быть выдержано соотношение:
К = Iм / Iн.
где:
- Scp – среднесуточная нагрузка трансформатора;
- Sн – номинальная мощность трансформатора.
Следовательно, в вышеуказанных аварийных условиях превышение среднесуточной нагрузки трансформатора над его номинальной мощностью допускается не более 5%. Это показывает, что при ровном графике нагрузки, т. е. при небольшом а, допустимая перегрузка невелика. Приведенные указания полезны не только при выборе трансформатора, но и при работе его в эксплуатации, когда режим его работы и характер графика точно известны и можно полностью выявить его перегрузочную способность.
Трансформаторы допускают также аварийные перегрузки, которые могут иметь место, например, при аварии с одним из параллельно работающих трансформаторов или при автоматическом переключении нагрузки аварийно отключившегося трансформатора на соседний трансформатор, который воспримет на себя его нагрузку. Эти перегрузки не зависят от предшествовавшего режима работы трансформатора, но они очень кратковременны и используются, главным образом, на время разгрузки перегрузившегося трансформатора от второстепенных потребителей, временное отключение которых не влияет на прохождение производственного процесса предприятия.
Рис. 5. Величины аварийных перегрузок трансформаторов с медными обмотками в зависимости от длительности перегрузок. 1 – масляные трансформаторы; 2 – сухие трансформаторы.
В табл. 1 и на рис. 5 приведены величины и продолжительности аварийных перегрузок масляных и сухих трансформаторов и автотрансформаторов. Трансформаторы с расщепленными обмотками допускают такие же перегрузки, как и обычные трансформаторы.
Таблица 1. Аварийные перегрузки трансформаторов и автотрансформаторов в процентах их номинальной мощности.
| Масляные с медными обмотками | Сухие с медными обмотками | ||
| Величина перегрузки. % | Продолжительность перегрузки | Величина перегрузки. % | Продолжительность перегрузки |
| 30 | 2 ч. | 10 | 1 ч. 15 мин. |
| 60 | 45 мин. | 20 | 1 ч. |
| 75 | 20 мин. | 30 | 48 мин. |
| 100 | 10 мин. | 50 | 20 мин. |
| 200 | 1.5 мин. | 60 | 5 мин. |
Кроме требований, предъявляемых к трансформатору при нормальном и аварийном режимах работы, он должен выдерживать без повреждений и остаточных деформаций установившийся ток короткого замыкания, не превышающий 25-кратный номинальный ток при замыкании на зажимах вторичной обмотки. При этом длительность протекания тока короткого замыкания в секундах не должна превышать значения
tк = 900 / K2.
где К — кратность установившегося тока короткого замыкания в данной обмотке, но при всех условиях величина tк не должна быть более 5 сек.
Ниже приведены примеры выбора трансформаторов с учетом сказанного выше.
Пример 1. Максимальная нагрузка цеховой подстанции составляет 1350 кВа. Продолжительность максимума не превышает 6 ч. Преобладают нагрузки первой и второй категорий. Поэтому выбраны два трансформатора мощностью по 1000 кВа. Каждый из них при нормальном режиме будет нагружен в период максимума на
1350/(2*1000) * 100 = 67,5 %.
Среднесуточная нагрузка составляет 1 070 ква.
Среднесуточная нагрузка 1 070 ква несколько превысит допустимую по условию (1) величину
1,05 Sн=1050.
Но это превышение столь незначительно, что можно считать, что мощность транс-форма тора удовлетворяет и этому условию, особенно если продолжительность максимума меньше 6 ч.
При среднесуточной нагрузке, превышающей указанную величину, или продолжительности максимума, превышающей 6 ч, трансформатор 1000 кВа не удовлетворяет условиям ПУЭ. В этом случае возможно несколько решений:
- перейти на следующую большую мощность, что. вообще говоря, нежелательно по ряду причин и. в частности, вследствие возрастания тока короткого замыкания на низшем напряжении;
- перераспределить излишнюю нагрузку между соседними подстанциями;
- установить дополнительную подстанцию;
- предусмотреть отключение части неответственных нагрузок на время аварийного режима.
Пример 2. Максимальная нагрузка цеховой подстанции 580 кВа. Для обеспечения нагрузок первой категории предусмотрена связь на вторичном напряжении с соседней подстанцией для взаимного резервирования нагрузок первой категории, рассчитанная на передачу-мощности 170 кВа. Среднесуточная нагрузка на данной подстанции составляет 480 кВа. Выбран один трансформатор мощностью 630 кВа Коэффициент заполнения суточного графика нагрузки данной подстанции при аварии с трансформатором соседней подстанции с учетом мощности, передаваемой по перемычке, подучается равным:
α = (480+170) / 1,4*630 = 0,74,
что удовлетворяет условию ПУЭ.
При нормальном режиме трансформатор будет загружен в период максимума на
580*100/630=92 %,
т. е. близко к своей номинальной мощности. При аварийном режиме трансформатор будет перегружен в период максимума на
(580+170-630)*100 / 630 = 19%,
т. е. в пределах, допускаемых ПУЭ. Что же касается среднесуточной нагрузки, то она по условию (1) не должна превышать
1,05 Sн = 660 кВа,
что также удовлетворяет требованиям аварийного режима, если даже предположить, что передача мощности 170 кВа на соседнюю подстанцию будет производиться круглосуточно в течение всего аварийного режима на ней.
Приведенные примеры показывают, что трансформаторы заводских подстанций при нормальном режиме работают в большинстве случаев с недогрузкой, так как они выбираются по условиям обеспечения питания при аварийном режиме, т. е. по условиям взаимного резервирования. При большом числе часов использования максимума такая недогрузка при нормальном режиме является экономически целесообразной с точки зрения уменьшения потерь энергии.
Однако нельзя выбирать трансформаторы с заведомой недогрузкой, неоправдываемой их взаимным резервированием, так как при бурном росте промышленности потребность в них очень велика. Нужно также иметь в виду, что исходные данные, положенные в основу выбора трансформаторов: величины и суточные графики нагрузок, коэффициент мощности и др., часто являются весьма ориентировочными, как правило, завышенными и более точно выявляются уже в процессе эксплуатации.
При малом числе часов использования максимума экономически целесообразно использовать полностью нагрузочную способность трансформатора, выбирая его мощность минимально возможной по техническим соображениям, т. е. в пределах перегрузок, допускаемых заводом. Такое положение может иметь место на предприятиях с односменной работой с преобладанием неответственных нагрузок, где требование к резервированию невелико, в частности, на стройплощадках и на других временных электроустановках.
