История развития трансформатора. Основные понятия

Электрооборудование трансформаторных подстанций горных предприятий
1) Общие сведения;
2) Силовые трансформаторы;
3) Выбор силовых трансформаторов главное понизительной подстанции;
4) Соображения по выбору числа и мощности цеховых подстанций
5) Конструкции распределительных устройств и цеховых трансформаторных подстанций;
6) Аппараты высокого напряжения;


1)
Передача и распределение электрической энергии от источника питания до токоприемников осуществляются по проводникам. Проводниками являются голые и изолированные провода, кабели, шины, а также обмотки и токоведущие части аппаратов и элементов электрооборудования различного вида и назначения.
Выключатель высокого напряжения служит для оперативного включения и отключения линии, а также для автоматического отключения при перегрузке или коротком замыкании в ней, разъединитель — для включения и отключения цепей при отсутствии тока, трансформаторы тока и напряжения — для присоединения к ним измерительных приборов и приборов защиты, предохранители — для защиты цепей от действия токов короткого замыкания, реакторы — для ограничения токов короткого замыкания и поддержания уровня напряжения на шинах ЭС или ПС при коротком замыкании за реактором, силовой трансформатор — для понижения величины напряжения электроэнергии, которая подводится к цеховому оборудованию.
2)
Наиболее дорогими и ответственными электрическими аппаратами на промышленном предприятии являются силовые трансформаторы.
Трансформаторы бывают понижающие и повышающие, двухобмоточные и трехобмоточные, однофазные и трехфазные. Из трех однофазных двух- или трехобмоточных трансформаторов составляется одна трехфазная группа.
Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12—15% ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20—25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.
Основными паспортными данными силовых трансформаторов являются номинальные мощность, напряжение и токи обмоток высшего и низшего напряжений, а также напряжение короткого замыкания и группа соединений.
Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется напряжение, которое при номинальной частоте следует подвести к зажимам одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в них установились номинальные токи.
Напряжение короткого замыкания выражается в процентах номинального и колеблется для трансформаторов средней мощности в пределах от 5,5 до 10,5%.
Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.
Первичные и вторичные обмотки каждой фазы трехфазного или группы из трех однофазных трансформаторов могут быть соединены между собой в звезду или треугольник, причем в зависимости от углового смещения векторов междуфазного линейного напряжения обмотки низшего напряжения по отношению к обмотке высшего напряжения может быть образовано несколько групп соединений. Наибольшее распространение получили группы соединения звезда — треугольник и звезда с выведенной нейтральной точкой. Эти группы имеют следующие стандартные обозначения: Y/ -11 и Y/Y0-12.
При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева.
Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название «сухих». Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении С; при защищенном исполнении СЗ, при герметизированном исполнении СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.
Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно. В таких трансформаторах тепло, выделенное в обмотках и магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиаторным трубам, передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +95°С.
Для лучшей отдачи тепла в окружающую среду бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.
Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб помещаются вентиляторы. Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.
Для предотвращения увлажнения, загрязнения и окисления масла кожух трансформатора желательно выполнить герметическим, но осуществить это практически невозможно вследствие значительного изменения объема масла при изменении температуры. Поэтому трансформаторы мощностью более 50 кВА снабжаются расширителями. Расширитель устанавливается выше верхней крышки трансформатора и соединяется с баком трансформатора трубопроводом. Расширитель снабжается маслоуказателем, по которому можно судить об уровне масла в расширителе. В верхней части расширителя имеется пробка с отверстиями для входа и выхода воздуха при изменении объема масла. При нагревании избыток масла поступает из трансформатора в расширитель, при охлаждении — наоборот.
Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последнего охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло. Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать +70°С
Чтобы предотвратить попадание воды в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0,02 МПа (2 Н/см2). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное выполнение и применяется на мощных трансформаторах (160 MВА и более). Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ) применяется для трансформаторов мощностью 630 MBА и более.
Для нормальной эксплуатации токоприемников необходимо поддерживать на их зажимах напряжение, близкое к номинальному. Однако в силу наличия потерь напряжения в каждой сети напряжение на отдельных участках сети высокого напряжения не может быть одинаковым, а потому и равным номинальному. С целью регулирования в небольших пределах (±5%) напряжения у потребителя широко применяется способ регулирования путем изменения коэффициента трансформации силовых трансформаторов.
Изменение коэффициента трансформации трансформаторов может также производиться специальным трехфазным переключателем, установленным на верхней
крышке трансформатора. Рассмотренные способы регулирования напряжения можно применять только без нагрузки при снятом напряжении. Имеются также трансформаторы, оборудованные переключателями, при помощи которых можно осуществлять регулирование напряжения под нагрузкой.
В большинстве случаев на подстанциях промышленного предприятия устанавливается не один, а несколько трансформаторов, которые какую-то часть времени работают параллельно.
Параллельная работа трансформаторов возможна при выполнении следующих условий:
1) номинальные напряжения первичных и вторичных обмоток равны;
2) группы соединений обмоток тождественны;
3) напряжения короткого замыкания равны;
4) отношение номинальных мощностей наибольшего и наименьшего по мощности трансформаторов не более 3:1.
Невыполнение первого условия приводит к появлению уравнительных токов во вторичной цепи, что, с одной стороны, не позволяет полностью нагрузить трансформатор, а с другой — сопряжено с дополнительными потерями энергии. Несоблюдение второго условия вызывает также уравнительные токи, которые могут быть весьма большими и поэтому опасными для обмоток. При разных напряжениях короткого замыкания нагрузка между трансформаторами распределяется непропорционально их номинальным мощностям. То же наблюдается и при несоблюдении последнего условия. [1,2]


3)
Главные силовые трансформаторы, питающие промышленное предприятие электрической энергией, выбираются по номинальной мощности, напряжению и конструктивному исполнению.
Выбор числа и мощности трансформаторов производится на основании потребляемой мощности, которая задается в виде годового графика нагрузки промышленного предприятия, и категории потребителя электроэнергии. Выбор мощности трансформаторов производится обычно на основании нескольких расчетных вариантов, каждый из которых обязан удовлетворять требованиям надежного электроснабжения. Окончательное решение принимается на основании сравнения технико-экономических показателей нескольких вариантов. Основными критериями сравнения являются капитальные затраты, расход цветных металлов и годовые эксплуатационные расходы (издержки производства).
Наиболее простым вариантом электроснабжения промышленного предприятия является питание его от одного трансформатора. Однако при отсутствии резервного питания такой вариант приемлем лишь для предприятия с нагрузками третьей категории, для которых допустим длительный перерыв в питании. Для обеспечения надежного питания промышленного предприятия электроэнергией применяется чаще всего схема с двумя трансформаторами. Большее число трансформаторов обычно нерационально, так как при этом усложняется распределительная система электроснабжения промышленного предприятия.
При выборе мощности трансформаторов главной понизительной подстанции (ГПП) необходимо руководствоваться следующими соображениями:

1. 
   Мощность трансформаторов двухтрансформаторной ГПП выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного из них второй мог нести всю нагрузку с учетом возможности отключения потребителей третьей категории.
   
2. 
   Мощность трансформатора однотрансформаторной ГПП, имеющий резервную связь с другой ГПП на вторичном напряжении, выбирается с учетом влияния величины этого резервирования на величину допустимой аварийной перегрузки.
   
3. 
   В случае отсутствия резервной связи на вторичном напряжении мощность трансформатора выбирается по максимальной нагрузке рабочего режима.
   
4. 
   Во всех рассмотренных вариантах необходимо наличие централизованного передвижного резервного трансформатора для быстрой замены выбывшего из строя.
   
5. 
   Силовые трансформаторы при эксплуатации допускают значительные перегрузки, что должно быть учтено при выборе схемы электроснабжения.
   

Возможность перегрузок обусловливается тем, что трансформаторы в течение суток на протяжении ряда часов работают с недогрузкой, особенно в летние месяцы. Кроме того, температура окружающего воздуха, принятая в Государственном стандарте равной 4-40° С, даже в жарких поясах имеет место не все время суток и колеблется в широких пределах от минус 25—35° С до плюс 20— 40° С. Поэтому трансформаторы можно перегружать до известных пределов, не сокращая срока их службы (16—20 лет).
Величина допустимой перегрузки трансформатора обусловлена коэффициентом заполнения суточного графика и продолжительностью максимума нагрузки.
В случае возникновения аварий независимо от величины предшествующей нагрузки согласно действующим правилам допустимы кратковременные перегрузки масляных и сухих трансформаторов с медными обмотками.


4)
Основными критериями для выбора числа и мощности цеховых подстанций промышленного предприятия являются:
1) минимальные капитальные затраты;
2) минимальные эксплуатационные расходы;
3) минимальный расход цветных металлов.
Правильный выбор числа, места расположения и мощности цеховых трансформаторных подстанций (ТП) может быть сделан путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов.
Опыт эксплуатации и проектирования цеховых подстанций свидетельствует о том, что при выборе вариантов необходимо руководствоваться следующими соображениями:
1. Цеховые ТП надо располагать в центре нагрузки, т. е. сооружать их встроенными. Это существенно сокращает общую протяженность и уменьшает сечения проводников сети низкого напряжения. В случаях, когда этому препятствуют технологические соображения или условия пожаро- или взрывоопасности, ТП следует сооружать в непосредственной близости от нагрузок, например пристроенными к зданиям цехов.
2. До последнего времени рекомендовалось устанавливать на цеховых подстанциях трансформаторы мощностью не более 1000 кВт. В настоящее время в связи с увеличением плотности нагрузки и числа этажей цеховых зданий рациональным является применение трансформаторов 1600 кВт по новой и 1800 кВт по старой шкале номинальных мощностей при напряжении 380 В.
3. Чтобы ограничить число резервных трансформаторов на складе промышленного предприятия, необходимо стремиться к сокращению числа разнотипных по мощности и исполнению трансформаторов.
4. Для резервирования потребителей первой категории необходимо устанавливать на одной ТП не менее двух трансформаторов. Для потребителей второй и третьей категорий при их суммарной мощности не более 1600 кВт следует устанавливать один, а при большей мощности — два и более трансформаторов.
5. Наибольшая мощность трансформаторов ограничивается коммутационной способностью аппаратов. Выпускаемые аппараты устойчивы против токов короткого замыкания трансформаторов мощностью до 1000 кВт при напряжении 380 В и 1600 кВт при 660 В. По этой причине в случае, когда необходима большая мощность цеховой ТП, прибегают к установке вместо одного двух «спаренных» трансформаторов одинаковой мощности.
6. При проектировании необходимо учитывать перспективный рост нагрузок как следствие расширения производства и появления новых потребителей. Поэтому сооружение ТП должно производиться с учетом возможности установки в ней трансформатора следующей большей мощности.


5)
Промышленные предприятия средней и малой мощности в большинстве случаев снабжаются электроэнергией при напряжении 6—10 кВ, что исключает необходимость в сооружении главной понизительной подстанции (ГПП). На промышленных предприятиях, где имеется ГПП, обычно ЦРП отдельно не сооружаются: распределение энергии высокого напряжения осуществляется непосредственно с распределительного устройства (РУ) ГПП.
Конструкция и расположение оборудования в ГПП, ЦРП и ТП должны обеспечивать:
1) надежное, безопасное и удобное обслуживание;
2) возможность отсоединения аппаратов каждой цепи от сборных шин с целью их осмотра, замены или ремонта без нарушения нормальной работы РУ;
3) удобное наблюдение за приборами контроля, измерения и защиты;
4) возможность транспортировки оборудования без разборки конструкции РУ.
Центральные распределительные пункты и ТП при напряжении до 10 кВ строятся, как правило, закрытого типа. Большинство ГПП при напряжениях 35 и 110 кВ сооружается открытого типа. Главные понизительные подстанции и ЦРП при напряжениях 35 кВ и выше при наличии в атмосфере вредных веществ, разрушающих оборудование или покрывающих изоляторы токопроводящей пылью, выполняются закрытыми.
Главные понизительные подстанции и ЦРП закрытого типа чаще всего располагаются в помещениях, прилегающих к одному из основных цехов промышленного предприятия, реже — в сооруженном отдельно здании. Здание ЦРП целесообразно пристраивать к одной из цеховых ТП. Трансформаторные подстанции в подавляющем большинстве случаев располагаются в помещениях внутри цехов или пристраиваются к ним. [2]


6)