Изложены требования, определяющие выбор числа и мощности трансформаторов главной понижающей и цеховых подстанций; рассмотрены конструктивные схемы трансформаторов и назначение их основных элементов, а также характеристики трансформаторного масла, способы его очистки и сушки. Представлены режимы работы трансформаторов и условия их включения после монтажа и ремонта.
Для студентов электроэнергетических специальностей вузов и средних профессиональных учебных заведений. Может быть полезно работникам, занимающимся эксплуатацией электрооборудования.
Глава 1. Силовые трансформаторы промышленных предприятий и их выбор
Глава 2. Конструктивные схемы и назначение основных элементов трансформатора.
Глава 3. Эксплуатация трансформаторного масла
Глава 4. Режимы работы трансформатора
Глава 5. Включение трансформаторов после монтажа и ремонта
ПРЕДИСЛОВИЕ
Силовые трансформаторы являются основными элементами систем электроснабжения и используются во всех отраслях экономики, включая промышленность, жилищно-коммунальное и сельское хозяйство, отдельные учреждения, организации, фирмы. Надежность электроснабжения различных потребителей и экономичность работы электрооборудования во многом определяются правильным выбором вида и мощности трансформаторов.
В учебном пособии рассмотрены общие условия, влияющие на выбор числа и мощности трансформаторов, а также необходимые согласования и технические решения, которые должны учитываться при построении схемы электроснабжения. Так как трансформаторы являются системообразующими элементами и по своим техническим и конструктивным параметрам не подлежат частой замене, т.е. аварийный выход трансформатора из строя ставит под угрозу нормальное функционирование объекта, существует необходимость некоторой интуитивной (техноценологической) оценки принимаемого решения по выбору конкретного трансформатора.
В учебном пособии представлены материалы, позволяющие выбрать трансформаторы для установки на главных понижающих подстанциях (ГПП) предприятия и цеховых трансформаторных подстанциях (ТП), приведены схемы, основные конструктивные решения и характеристики различных видов трансформаторов, а также характеристики и показатели трансформаторного масла, методы его очистки и сушки. Изложен современный подход к утилизации совтола, учитывающий сложность этой проблемы. Рассмотрены номинальный, перегрузочный и аварийный режимы работы трансформатора. Даны примеры выбора трансформаторов для специфических условий эксплуатации.
В приложениях содержатся основные данные трансформаторов на различные напряжения, позволяющие осуществить правильный их выбор для различных схем электроснабжения при курсовом и дипломном проектировании.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» и студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группам специальностей «Энергетика», «Электротехника» и специальности «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий».
Предисловие, гл. 2, 3, 5 и приложения написаны проф. Г. Ф. Быстрицким; введение, гл. I, 4 — проф. Б. И. Кудриным.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение .
Глава 1. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ИХ ВЫБОР
1.1. Общие требования и условия работы
1.2. Выбор силовых трансформаторов
1.3. Трансформаторы главных понижающих подстанций
1.4. Цеховые подстанции систем электроснабжения
1.5. Преобразовательные подстанции
Глава 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРА.
2.1. Основные элементы трансформатора
2.2. Трехобмоточные трансформаторы
2.3. Системы охлаждения силовых трансформаторов
2.4. Регулирование напряжения трансформаторов
2.5. Группы соединений обмоток трансформатора
2.6. Параллельная работа трансформаторов
2.7. Экономический режим работы трансформаторов
2.8. Сухие трансформаторы и трансформаторы с негорючим жидким наполнителем
2.9. Совтоловые трансформаторы и их утилизация
2.10. Трансформаторы малой мощности.
Глава 3. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА
3.1. Характеристики и показатели трансформаторного масла
3.2. Очистка и сушка трансформаторного масла
3.3. Метод глубокой сушки трансформаторного масла
3.4. Заливка трансформаторов маслом.
Глава 4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
4.1. Общие сведения о старении изоляции
4.2. Тепловая диаграмма трансформатора.
4.3. Нагрев трансформаторов при неравномерном графике нагрузки
4.4. Нагрузочная способность трансформатора
4.5. Выбор мощности силовых трансформаторов для дуговых сталеплавильных печей.
4.6. Контроль состояния трансформатора
Глава 5. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОСЛЕ МОНТАЖА И РЕМОНТА
5.1. Общие сведения
5.2. Методы контроля влажности изоляции трансформатора
5.3. Условия включения трансформаторов в эксплуатацию без сушки
5.4. Контрольный прогрев и контрольная подсушка трансформаторов в масле
5.5. Сушка трансформаторов.
5.6. Включение сухих и совтоловых трансформаторов на напряжение до 15,75 кВ
5.7. Техническая документация и включение трансформаторов.
Приложения. Основные данные трансформаторов
Список литературы
Силовые трансформаторы — неотъемлемые элементы энергосистемы. Данные элементы выполняют очень важную функцию — они преобразуют электроэнергию из одного значения напряжение в другое значение, необходимое для дальнейшей передачи энергии или для питания конечных потребителей.
Важнейшей задачей энергетики является поддержание нормального и бесперебойного режима работы оборудования, в том числе и силовых трансформаторов, который может быть обеспечен только при правильной его эксплуатации. В данной статье подробно рассмотрим особенности эксплуатации силовых трансформаторов.
Требования к установке силовых трансформаторов
Прежде всего, следует отметить, что правильная и безаварийная эксплуатация силовых трансформаторов возможна только при соблюдении требований при его установке.
Трансформаторы, конструктивно имеющие газовую защиту, должны устанавливаться на фундамент оборудования под небольшим уклоном таким образом, чтобы верхняя крышка трансформатора поднималась в сторону газового реле на 1-1,5%, а маслопровод к расширителю на 2-4 %. Трансформаторы номинальной мощностью до 1000 кВА, как правило, не комплектуются газовой защитой, поэтому они устанавливаются без уклона.
Наиболее важным условием правильной эксплуатации силового трансформатора является соблюдение нормированного температурного режима при его работе. Поэтому очень важно выполнить все требования завода-изготовителя относительно установки трансформатора. Основная задача в данном случае – обеспечить нормальную работу трансформатора под нагрузкой с учетом возможных изменений температуры окружающей среды.
Температурный режим работы трансформатора
Работа трансформатора в нормальном температурном режиме обеспечивается, прежде всего, предусмотренной конструктивно системой охлаждения. Соответственно нормальная эксплуатация силового трансформатора возможна только при условии исправности и эффективной работы системы охлаждения.
Если трансформатор устанавливается в закрытой камере, то помимо штатной системы охлаждения должна быть обеспечена эффективная вентиляция в помещении. Для трансформаторов небольшой мощности, как правило, ограничиваются естественной вентиляцией. В зависимости от местных условий, характеристик работы силового трансформатора и его мощности, может быть предусмотрено наличие принудительной приточно-вытяжной вентиляции. Эффективность охлаждения трансформатора определяется по разнице температур приточного и отводимого воздуха – она не должна превышать 15 град.
Отвод тепла от обмоток масляных трансформаторов обеспечивается при помощи трансформаторного масла, в которое помещены обмотки данного элемента оборудования. Во избежание повреждения обмоток в процессе эксплуатации должен быть соблюден требуемый уровень масла в баке трансформатора. Поэтому эксплуатация трансформатора предусматривает контроль уровня масла в расширителе бака трансформатора. Уровень масла должен находиться в пределах допустимых границ и примерно соответствовать температуре окружающей среды с учетом текущей нагрузки на трансформаторе.
Также на трансформаторах устанавливаются термометры или датчики температуры, посредством которых осуществляется контроль над температурой верхних слоев масла трансформатора, которая должна соответствовать требованиям, предъявляемым к той или иной системе охлаждения.
Нагрузочный режим работы трансформатора
Контроль нагрузочного режима – одна из важнейших задач при эксплуатации силового трансформатора. Ток нагрузки каждой из обмоток трансформатора не должен превышать номинальное значение. Допускаются незначительные перегрузки, величина и продолжительность которых зависит от множества факторов – эти данные указываются в документации по эксплуатации.
Продолжительная перегрузка трансформаторов выше допустимых норм негативно сказывается на сроке эксплуатации трансформатора. Поэтому в случае нехватки мощности трансформатор должен быть заменен на более мощный, который будет соответствовать текущим потребностям потребителей.
В случае сезонных перепадов нагрузок при нехватке мощности вариантом решения проблемы будет установка дополнительного трансформатора, который при необходимости включается в параллельную работу. Включать на параллельную работу трансформаторы можно только при соблюдении нескольких условий:
равенство групп соединения обмоток;
соотношение номинальных мощностей трансформаторов не более 1 к 3;
равенство номинальных напряжений (допускается 0,5% разницы между коэффициентами трансформации);
равенство напряжения короткого замыкания (допускается отклонение 10%);
соблюдение фазировки при соединении обмоток.
Пожарная безопасность при эксплуатации силовых трансформаторов
Силовые трансформаторы – это оборудование повышенной пожарной опасности. Поэтому в процессе эксплуатации силовых трансформаторов необходимо строго соблюдать правила пожарной безопасности.
В закрытой камере или на территории открытого распределительного устройства, где установлен трансформатор, должны быть в наличии необходимые средства пожаротушения – ящики с песком, огнетушители.
Для трансформаторов большой мощности монтируются специальные автоматические установки для тушения пожара. В данном случае эксплуатация трансформаторов предусматривает периодические проверки работоспособности и техническое обслуживание данных установок.
Для трансформаторов с большим объемом трансформаторного масла во избежание растекания масла в случае нарушения герметичности бака устанавливаются специальные маслоприемники, которые связаны трубопроводами с резервуаром-маслосборником. В случае повреждения трансформатора весь объем масла попадет в маслосборник.
На энергетических объектах особое внимание уделяется подготовке обслуживающего персонала в вопросах пожарной безопасности: организуется обучение, периодическая проверка знаний правил пожарной безопасности, проводятся противопожарные тренировки, разрабатываются специальные схемы пожаротушения с учетом местных условий.
Защита силовых трансформаторов
Эксплуатация силовых трансформаторов в пределах заявленного срока службы обеспечивается благодаря наличию защитных устройств, основная задача которых — защита трансформаторов от нежелательных перегрузок и внутренних повреждений.
Поэтому эксплуатация трансформаторов также включает в себя своевременную проверку и техническое обслуживание элементов релейной защиты и автоматики трансформатора.
Как осуществляется эксплуатация силовых трансформаторов на энергетических объектах
Для обеспечения бесперебойной и продолжительной работы эксплуатация силовых трансформаторов на подстанциях включает в себя следующие мероприятия:
проведение периодических осмотров оборудования;
проведение плановых текущих и капитальных ремонтов;
устранение неисправностей после аварийных ситуаций.
Периодичность осмотров трансформаторов зависит от типа электроустановки. В электроустановках с постоянным дежурством оперативного персонала осмотр осуществляется один раз в сутки, без постоянного персонала — не менее одного раза в месяц, а осмотр трансформаторов в распределительных пунктах — один раз в 6 месяцев.
В зависимости от условий работы трансформатора, в частности нагрузочного режима, температуры окружающей среды, а также технического состояния элемента оборудования в целом периодичность осмотров может быть изменена.
В случае возникновения аварийных ситуаций, после срабатывания защит или резкого изменения температуры окружающей среды производятся внеочередные осмотры трансформатора.
Осмотры трансформаторов производятся без их отключения. При осмотре силового трансформатора проверяются:
показания датчиков температуры, уровень масла в расширителе и соответствие этих данных среднесуточной температуре окружающей среды с учетом величины нагрузки силового трансформатора;
отсутствие посторонних потрескиваний внутри бака трансформатора, шумов, не характерных для нормальной работы трансформатора;
целостность заземляющего проводника (шины);
целостность и отсутствие загрязнений изоляторов вводов, давление масла и отсутствие течи на герметичных вводах;
состояние ошиновки и контактных соединений, отсутствие их нагрева;
отсутствие течи масла на баке трансформатора, трубопроводах и других элементах конструкции;
состояние сигнального силикагеля в воздухоосушителе;
исправность и правильную работу маслоочистного оборудования, охлаждающих устройств;
при наличии РПН – соответствие положения РПН на приводе, расположенном на трансформаторе и на указателе, находящемся на панели защит, управления и автоматики;
также на панели защит проверяются показания приборов – ток нагрузки и уровни напряжения по каждой из сторон, отсутствие посторонних сигналов защит и автоматики, соответствие положений переключающих устройств нормальной схеме работы оборудования.
Эксплуатация трансформаторов также включает в себя контроль над уровнями напряжений у потребителя. В случае отклонения напряжений за пределы допустимых значений осуществляется регулировка напряжения посредством переключений ответвлений обмоток устройствами ПБВ или РПН.
Рациональная схема электроснабжения зависит от технически обоснованного подбора мощности трансформатора, влияющего на эксплуатационные затраты и окупаемость, которая возможна за 6 – 10 лет.
При выборе трансформатора руководствуются следующими критериями:
- Категория электроснабжения – определяется количество трансформаторов. Объекты категории электроснабжения III – один трансформатор. Объекты II и I категории электроснабжения – два или в некоторых случаях три трансформатора.
- Перегрузочная способность – определение мощности трансформатора.
- Суточный график распределения нагрузок – учет нагрузок по времени и дням в неделю.
- Экономичный режим работы тр-ра.
Выбор числа трансформаторов
Однотрансформаторные подстанции используются в двух случаях. Во-первых, для объектов III категории электроснабжения. Во-вторых, для потребителей, имеющих возможность резервирования электроснабжения с помощью АВР (автоматического включения резерва) с другого источника питания.
При питании потребителей I и II категории в аварийном режиме на двухтрансформаторной подстанции после срабатывания АВР целый трансформатор принимает на себя нагрузку неисправного. Поэтому его перегрузочной способности должно хватить на время замены вышедшего из строя трансформатора. В нормальном режиме трансформаторы работают недогруженными, что экономически нецелесообразно. Поэтому при аварийной ситуации некоторые потребители III категории электроснабжения отключают от сети.
Перерыв питания объектов II категории ограничен временем в одни сутки. Для восстановления схемы необходим стратегический складской резерв оборудования необходимого для ликвидации аварии. При этом мощность нового трансформатора должна быть идентична заменяемому. Таким образом, сокращается количество резервного оборудования.
Как выбрать силовой трансформатор по мощности
Сбор и анализ мощностей потребителей, запитанных от одного трансформатора, не всегда оказывается достаточным.
Для производственных объектов руководствуются порядком ввода оборудования в работу. При этом учитывают, что все потребители не могут быть включены одновременно. Однако также принимают во внимание возможное увеличение производственной мощности.
Поэтому при расчете и выборе мощности силового трансформатора руководствуются графиком среднесуточной и полной активной нагрузки подстанции, а также длительностью максимальной нагрузки. Если рассчитывается трансформатор, который будет участвовать в электроснабжении объектов жилой инфраструктуры, то учитывают и время года. В зимнее время нагрузка увеличивается за счет включения электрического обогрева, летом – кондиционеров.
Таблица №1 — Выбор силового трансформатора по мощности и допустимым аварийным нагрузкам
| Вид нагрузки | Интервалы нагрузки (кВ-А) для трансформаторов мощностью (кВ-А) | |||||||
| 25 | 40 | 63 | 100 | 160 | 250 | 400 | 630 | |
| Производственные потребители, хоздворы, мастерские по обслуживанию сельскохозяйственной техники, стройцеха, овощехранилища и насосные станции водоснабжения, котельные |
до 42 | 43-68 | 69-107 | 108-169 | 170-270 | 271-422 | 423-676 | 677-1064 |
| Комунально-бытовые потребители — общественные и административные предприятия (школы, клубы, столовые, бани, магазины) в сочетании с жилыми домами |
до 44 | 45-70 | 71-110 | 111-176 | 177-278 | 279-435 | 436-696 | 697-1096 |
| Сельские жилые дома, группы сельских жилых домов (как правило, одноэтажной застройки) |
до 45 | 46-72 | 73-113 | 114-179 | 180-286 | 287-447 | 448-716 | 717-1127 |
| Комунально-бытовые потребители поселков городского типа и городов районного подчинения |
до 43 | 44-68 | 69-108 | 109-172 | 173-270 | 271-422 | 423-676 | 677-1064 |
| Жилые дома, поселки городского типа и города районного подчинения |
до 42 | 43-68 | 69-107 | 108-170 | 171-273 | 274-427 | 428-684 | 685-1077 |
| Смешанная нагрузка с преобладанием (более 60%) производственных потребителей |
до 42 | 43-67 | 68-106 | 107-161 | 162-257 | 258-402 | 403-644 | 645-1014 |
| Со смешанной нагрузкой с преобладанием (более 40%) комунально-бытовых потребителей |
до 42 | 43-68 | 69-107 | 108-164 | 165-262 | 263-410 | 411-656 | 657-1033 |
При отсутствии точных сведений активная нагрузка определяется по формуле:
Sном ≥ ∑ Pmax ≥ Pp;
Где ∑ Pmax – максимальная активная мощность;
Pp– проектная мощность подстанции.
Если график работы подстанции характеризуется кратковременным пиковым режимом мощности – 30 мин или не более 1 часа, то тр-ор будет работать в недогруженном режиме. Поэтому выгоднее подбирать трансформатор с мощностью, приближенной к продолжительной максимальной нагрузке и полностью использовать перегрузочные возможности трансформатора с учетом систематических перегрузок в нормальном режиме.
В реальных условиях значение допустимой перегрузки определяется коэффициентом начальной загрузки. На выбор величины нагрузки влияет температура окружающего воздуха, в котором находится работающий трансформатор.
Коэффициент загрузки всегда меньше единицы.
Kн = Pc/Pmax = Ic/Imax ; где Pc, Pmax и Ic, Imax – среднесуточные и максимальные мощности и тока.
Таблица №2 — Рекомендуемые коэффициенты загрузки силовых трансформаторов цеховых ТП. Коэффициент ограничивает перегрузку трансформатора оставляя по мощности некоторый запас.
| Коэффициент загрузки трансформатора | Вид ТП и характер нагрузки |
Таблица №3 — длительности и величины перегрузки при аварийных режимах с принудительным охлаждением масла устанавливается по заводским параметрам. ПТЭ и ПТБ электроустановок тб. ЭП-4-1
| Нагрузки в долях номинальной по току | ||
| Маслонаполненные трансформаторы | Сухие трансформаторы | |
| 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,75 2,00 |
— 120 90 70 45 20 10 |
60 45 32 18 5 — — |
Характер суточной нагрузки эквивалентен температуре окружающей среды, постоянной времени трансформатора, типу охлаждения, допускаются периодические перегрузки.
Рисунок 1 — Расчетный график нагрузки. 1 – суточный по факту; 2 – двухступенчатый эквивалентный фактическому
Согласно графику, начальный период нагрузки характеризуется работой трансформатора с номинальной нагрузкой за 20 часов и коэффициентом начальной нагрузки – 0,705.
Второй период – коэффициент перегруза kпер.= 1,27 и временем – 4 часа. Значит, перегрузки определяются графиком нагрузки преобразованном в эквивалентный график с учетом тепла. Допустимая нагрузка тр-ра зависит от номинальной нагрузки, ее длительности и максимального пика, определяется по коэффициенту превышения нагрузки:
kпер = Iэ max / Iном
коэффициент начальной нагрузки
Iэ max – эквивалентный максимум нагрузки;
Iэ.н — эквивалентная начальная нагрузка.
Перегрузки трансформаторов допустимы, но их возможности: время и величина ограничены нормативами, установленными заводом изготовителем. Правила ПТЭЭП, глава 2. 1. 20 и гл. 2. 1. 21. ограничивают перегрузку трансформатора до 5%.
Таблица №4 — Перегрузка по времени для масляных трансформаторов
