Трансформаторные подстанции

Технико-экономическая сторона вопроса о распределении электрической энергии в низшей ступени находится в прямой зависимости от количества, месторасположения и мощности трансформаторных подстанций. Поэтому проектирование силовых электрических сетей немыслимо без ознакомления с порядком выбора самих подстанций и их параметров, хотя эти вопросы, как правило, рассматриваются и решаются в проектах электроснабжения.

Выбор числа подстанций является сложным вопросом, который не может быть здесь полностью рассмотрен. Следует лишь отметить, что при увеличении числа (дроблении) подстанций возрастают первоначальные затраты, но уменьшается как расход металла в сетях низшего напряжения, так и потери в них электроэнергии, и что современная практика в общем идет по пути приближения подстанций к центрам нагрузок, применяя подстанции относительно небольшой мощности.

В настоящее время чаше всего, особенно на предприятиях с крупными, энергоемкими цехами, сооружаются так называемые цеховые подстанции: встроенные, пристроенные и внутрицеховые и относительно реже — отдельно стоящие подстанции.

Встроенные подстанции размещаются внутри здания, но примыкают к его наружным стенам, что позволяет выкатывать трансформаторы из камер непосредственно наружу, за пределы цеха, и обходиться естественной вентиляцией. Благодаря этим достоинствам встроенных подстанций область их применения не ограничивается ни мощностью, ни категорией производства, если только последние не относятся к числу взрывоопасных.

Пристроенные подстанции размещаются снаружи зданий и примыкают к их стенам. Устройство таких подстанций недопустимо лишь у взрывоопасных цехов; их мощность также не ограничивается и по технико-экономическим показателям они равноценны встроенным подстанциям.

Внутрицеховыми называются подстанции, все оборудование которых находится внутри производственных помещений, причем доступ к этому оборудованию осуществляется из тех же помещений. Такие подстанции сооружаются обычно в крупных цехах металлообрабатывающих производств. Максимальное приближение этих подстанций к центрам электрических нагрузок обеспечивает наилучшие технико-экономические показатели по расходу электроэнергии и цветного металла.

Размещение внутрицеховых подстанций в деревянных зданиях не допускается. В зданиях с деревянными перекрытиями подстанции можно размещать только под огнестойкими или полуогнестойкими зонами.

В многоэтажных зданиях внутрицеховые подстанции с маслонаполненным оборудованием разрешается сооружать лишь при условии, если эти здания имеют в соответствующей своей части огнестойкие стены, опоры и перекрытия.

Внутрицеховые подстанции могут быть закрытыми и открытыми. Закрытые подстанции располагаются в специально сокруженных для них помещениях внутри основных или вспомогаельных помещений. Устройство таких подстанций допускается ф производствах, которые, согласно противопожарным нормам строительного проектирования промышленных предприятий, относятся по степени пожарной опасности к категориям Г и Д. Оборудование закрытых внутрицеховых подстанций в производствах категории В допускается лишь с особого в каждом отдельном случае разрешения органов Государственного пожарного надзора

На закрытой внутрицеховой подстанции может быть установлено не более трех масляных трансформаторов, мощностью не свыше 1000 ква каждый, с общим количеством масла не более 3000 кг мощность подстанций, размещаемых во втором этаже, не должна превышать 750 ква. Мощность закрытых внутрицеховых подстанций с сухими или заполненными негорючей жидкостью трансформаторами не ограничивается.

В производственных и вспомогательных помещениях, относящихся к категориям Г и Д, за исключением помещений особо сырых и с едкими парами, разрешается устройство открытых трансформаторных подстанций. При этом в цехах, обслуживаемых кранами, тельферами и другими подъемно-транспортными механизмами, открытые подстанции следует располагать в пределах мертвых зон этих механизмов.

Мощность открытой внутрицеховой подстанции с масляными трансформаторами не должна превышать 750 ква при трансформаторах сухих или заполненных негорючей жидкостью мощность не ограничивается.

Наиболее совершенным типом открытой внутрицеховой подстанции является так называемая комплектная трансформаторная подстанция (КТП), все оборудование которой монтируется в металлических шкафах и кожухах, изготовленных на заводах в серийном порядке, благодаря чему удешевляется и ускоряется монтаж всей установки. Общий вид КТП изображен на рис. 7-1.

Если устройство цеховых подстанций почему-либо невозможно или нецелесообразно, то прибегают к сооружению отдельно стоящих подстанций, т. е. таких, которые располагаются вне зданий и не примыкают к их стенам. Эти подстанции предназначаются обычно для питания нескольких объектов, расположенных в пределах их радиуса действия. Они оправдывают себя лишь в том случае, когда нагрузки отдельных объектов настолько незначительны, что сооружение для каждого из них собственной цеховой подстанции нецелесообразно. В условиях современных промышленных предприятий отдельно стоящие подстанции находят свое применение, главным образом, на окраинах территорий, где обычно размещаются разнообразные мелкие объекты вспомогательного назначения (например гаражи, пожарные депо, различные склады и т. п.), а также при наличии взрывоопасных цехов, от которых подстанции должны быть удалены на определенное расстояние. Отдельно стоящие трансформаторные подстанции могут быть как закрытыми, так и открытыми. Существуют комплектные открытые подстанции, полностью изготовленные на заводах-изготовителях, со сплошным закрытием всех токоведущих частей. Такие подстанции бывают как стационарными, так и передвижными.


Открытая подстанция, состоящая из одного трансформатора мощностью не свыше 320 ква, может быть размещена на деревянной опоре (столбовая подстанция).

Требуемую мощность подстанции можно составить из различного числа трансформаторов, однако дробление трансформаторов приводит к увеличению расхода цветных металлов в трансформаторах и аппаратуре, к дополнительным капитальным затратам на подстанции и, конечно, к повышению годовых расхо- 11 дов, так как к. п. д. трансформаторов уменьшается вместе с уменьшением их мощности. Поэтому установка на подстанции нескольких трансформаторов может быть оправдана лишь техническими или эксплуатационными соображениями.

Щ Дробление трансформаторов по техническим соображениям может потребоваться при следующих обстоятельствах:

а) когда мощность подстанции больше высшей по стандарту мощности трансформаторной единицы (1800 ква при низшем напряжении 380—500 е);

б) когда необходимо снизить мощность короткого замыкания на низшем напряжении (путем секционирования шин);

в) когда подстанция должна питать нагрузки разных напряжений, либо нагрузки с резко отличными характеристиками, требующие самостоятельного питания на высшем напряжении (например крупная электросварка).

По эксплуатационным соображениям вопрос о дроблении трансформаторов может возникнуть в следующих двух случаях когда в числе нагрузок, получающих питание от данной подстанции, имеются такие, которые относятся к первой и второй категориям в отношении обеспечения надежности электроснабжения и требуют вследствие этого резервирования питания;

б) когда целесообразно регулировать включенную мощность подстанции соответственно изменяющемуся графику нагрузки.

Внутрицеховые подстанции, как правило, проектируются однотрансформаторными, так как рационально выбранная мощность их не должна превышать 1000 ква, а область применения ограничивается такими цехами, в которых ответственные электроприемники обычно отсутствуют.

Дробление трансформаторов не является единственным способом обеспечения резервирования питания и регулирования включенной мощности. Действительно, если в районе объекта, имеющего электроприемники первой и второй категорий, находится какая-либо другая подстанция, не слишком удаленная от него по сравнению с основной, то такая подстанция может служить источником резервного питания. Таким же путем может быть разрешен вопрос и об уменьшении включенной мощности (например в третью смену при двухсменной работе и в выходные дни). На этот случай между распределительными щитами подстанций или ближайшими точками силовых сетей, питаемых от них, прикладываются резервирующие перемычки, рассчитываемые на 10—20% мощности наибольшего из трансформаторов.

Устройство перемычек с большей пропускной способностью целесообразно только тогда, когда протяженность их невелика, как это обычно имеет место в объектах с несколькими цеховыми подстанциями. В противном же случае, увеличение пропускной способности перемычек может оказаться экономически менее выгодным, чем работа трансформаторов с недостаточной загрузкой.

Использование какой-либо другой подстанции в качестве резервного источника питания оправдывается только тогда, когда это не влечет за собой увеличения ее установленной мощности. В противном случае следует идти по пути дробления трансформаторов на основной подстанции.

Если нагрузка от ответственных электроприемников превышает 50% общей нагрузки подстанции, то увеличение мощности последней неизбежно и при дроблении трансформаторов. В обратном случае дробление трансформаторов может привести лишь к незначительному изменению мощности подстанции и иногда даже в меньшую сторону; так, вместо одного трансформатора мощностью 750 ква могут быть установлены два трансформатора мощностью по 320 ква, если это позволяет общий максимум нагрузки подстанции.

Стремление ограничить токи короткого замыкания на стороне низшего напряжения трансформаторов делает нежелательным применение трансформаторов мощностью свыше 1000 ква. Это также учитывается при выборе расположения подстанций и числа трансформаторных единиц.

Если на одной и той же подстанции необходимо установить два или более одинаковых трансформатора, возникает вопрос о выборе параллельной или раздельной работы их.

Подобный же вопрос может возникнуть и для трансформаторов, установленных на разных однотрансформаторных подстанциях одного и того же цеха, в котором распределение энергии на низшем напряжении осуществляется магистралями (кольцевыми или разомкнутыми).

Схемы параллельной работы для обоих случаев даны на рис. 7-2. Так как при параллельной работе трансформаторов увеличиваются значения т. к. з. на стороне низшего напряжения, а аппаратура защиты имеет определенные пределы устойчивости т. к. з., то последние не должны превышать допустимых для аппаратуры величин. Этим условием и определяется в первую очередь возможность параллельной работы.

Решающее значение на величину т. к. з. оказывают число и мощность параллельно работающих трансформаторов и сопротивление сети низшего напряжения, в свою очередь зависящее от ее протяженности, сечения и способа выполнения. Влияние мощности к. з. на стороне высшего напряжения в месте установки трансформаторов бывает обычно незначительным.


В табп. 7-1 приведены расчетные данные по т. к. з. на стороне низшего напряжения 380 в трансформаторов различных мощностей при мощностях короткого замыкания на стороне высшего напряжения, лежащих в пределах 75—200 Мва.

Из данных табл. 7-1 видно, что при параллельной работе двух трансформаторов мощностью свыше 560 ква, установленных на одной подстанции, значения т. к. з. будут превышать 30 ка, и аппаратура защиты, установленная в распределительных устройствах 380 в (предохранители, автоматы), может оказаться неустойчивой. В более благоприятных условиях оказывается аппаратура защиты, установленная непосредственно у электроприемников, что видно, например, из кривых, изображенных на рис. 7-3 [Л. 3].


При построении этих кривых помимо реактивности системы и трансформаторов учтены также активные сопротивления трансформаторов и шинных выводов длиной 5 м от трансформаторов до щитов. Этим объясняются уменьшенные значения т. к. з. по кривым при 1 = 0 по сравнению с данными табл. 7-1.

Параллельная работа двух трансформаторов мощностью до 560 ква является возможной с точки зрения устойчивости т. к. з. установленной аппаратуры, но все же не может быть рекомендована ввиду присущих ей существенных недостатков:

а) необходимости устройства защиты от коротких замыканий на стороне низшего напряжения каждого из трансформаторов;

б) неизбежности одновременного отключения обоих трансформаторов при коротких замыканиях на сборных шинах распределительного устройства низшего напряжения и, следовательно, полного прекращения подачи электроэнергии;


в) перехода всей нагрузки на один из трансформаторов при отключении по тем или иным причинам другого трансформатора, что может вызвать недопустимую перегрузку и срабатывание защиты.

Раздельная работа трансформаторов на секционированные шины во всех отношениях проще и надежнее параллельной работы. Присоединение трансформаторов к шинам низшего напряжения осуществляется при этой схеме только через разъединители, а всякого рода аварии носят локальный характер, т. е. ограничиваются одной из секций.

Поэтому параллельная pa-i бота трансформаторов, установленных на одной подстанции, если она вообще возможна по условиям т. к. з., может быть рекомендована лишь в тех исключительных случаях, когда при раздельной работе не представляется возможным осуществить более или менее равномерную нагрузку трансформаторов путем надлежащего распределения по секциям фидеров и отдельных мощных электроприемников. Рассмотрим теперь параллельную работу трансформаторов, установленных на разных подстанциях.


В этом случае условия к. з. облегчаются за счет снижающего действия сопротивления магистралей (в основном — реактивного).

На рис. 7-4 представлены кривые действующих значений периодической составляющей т. к. з. в зависимости от отношения реактивного сопротивления Хм участка магистрали-шинопровода между соседними трансформаторами к реактивному сопротивлению трансформатора Хноя для короткого замыкания на шинах низшего напряжения 380 в (в точке К1 на рис. 7-2) при различном числе и мощности трансформаторов, работающих параллельно на общее кольцо [Л. 4]. Эти кривые построены без учета снижающего влияния на т. к. з. сопротивления сети высшего напряжения и активных сопротивлений трансформаторов и магистралей; с другой стороны, не учтено также и повышающее влияние на т. к. з. наиболее удаленных трансформаторов. В результате того и другого величины т. к. з., определенные по этим кривым, будут весьма близки к действительности. Считая т. к. з. порядка 30 ка предельно допустимыми как для аппаратуры, так и для шинопроводов, следует сделать вывод о возможности параллельной работы любого числа трансформаторов мощностью до 560 ква на общее кольцо, так как в обычных условиях при шинопроводах из цветного металла и расстояниях между цеховыми подстанциями 70—100 м значения Хя и АГ10И т бывают близки друг к другу.

Схему параллельной работы нескольких однотрансформаторных подстанций на кольцевую магистраль при мощностях трансформаторов не свыше 560 ква следует рекомендовать в многопролетных цехах с резко перемещающимися толчковыми нагрузками (при наличии мощных кранов, крупных сварочных потребителей и т. п.).

При этом, помимо повышения надежности питания, почти всегда будет достигнуто уменьшение установленной мощности трансформаторов за счет долевого участия нескольких трансформаторов в покрытии максимума нагрузки, перемещающегося с одного трансформатора на другой.

В иных случаях, т. е. при отсутствии перемещающихся нагрузок, следует применять раздельную работу трансформаторов, при которой в значительной мере упрощаются схемы защиты и эксплуатация.