Трансформаторы. Узлы нагрузки. Электрические схемы подстанций

ЛЕКЦИЯ ПО ТЕМЕ № 2 Трансформаторы. Узлы нагрузки. Электрические схемы подстанций. План лекций 1. Трансформаторы (автотрансформаторы). 2. Понятие нагрузки. 3. Графики нагрузки. 4. Задание нагрузок при расчетах режимов электрических сетей. 5. Электрические схемы присоединения подстанций. Трансформаторы (автотрансформаторы) Трансформатор преобразует электроэнергию с одними параметрами в электроэнергию с другими параметрами (в частности, ток и напряжение). Трансформаторы бывают силовые, измерительные, по количеству обмоток - двухобмоточные, трёхобмоточные и многообмоточные; по количеству фаз – одно- и трёхфазные. Существуют понижающие и повышающие трансформаторы. По виду охлаждения бывают сухие и масляные. Трансформаторы с естественным воздушным охлаждением (сухие) обычно не имеют специальной системы охлаждения. Их недостаток – шум. В масляных трансформаторы в систему охлаждения входит бак, заливаемый маслом; для мощных трансформаторов – охладители, вентиляторы, масляные насосы, теплообменники и т.д. Недостаток – пожароопасность. Если в трансформаторе передача энергии происходит только посредством магнитного поля, то в автотрансформаторе обмотки связаны электрически и магнитно. Передача энергии происходит как посредством магнитного поля, так и электрическим путём. На рисунке 1 показан внешний вид трансформатора. Рис. 1. Из теории трансформаторов известно, что магнитосвязанные цепи можно заменить электрическими: схема замещения фазы будет иметь Тобразный вид. Но, поскольку поперечная проводимость значительно меньше продольной, соответствующий элемент можно перенести в сторону ВН. Тогда схеме замещения примет Г-образный вид (см. ниже). Подстанции с двухобмоточными трансформаторами На понижающих подстанциях 35 – 330 кВ устанавливаются трёхфазные двухобмоточные трансформаторы, имеющие устройство автоматического регулирования коэффициента трансформатора от сети (под трансформации нагрузкой). Кратко без отключения они называются трансформаторами с устройством РПН, где аббревиатура расшифровывается как "регулирование под нагрузкой". Принципиальная схема такого трансформатора показана на рис. 2. Схема замещения двухобмоточного трансформатора показана на рис. 2, б. Проводимости Gт и Bт определяют активную и реактивную слагающие намагничивающего тока трансформатора I . Рис. 2. Активная слагающая этого тока обусловлена потерями мощности в стали трансформатора, реактивная определяет магнитный поток взаимоиндукции обмоток трансформатора. В схему (рис. 2, б) включен идеальный трансформатор, не имеющий сопротивлений и магнитных потоков рассеяния. Благодаря этому соотношение напряжений на его зажимах постоянно и определяется коэффициентом трансформации реального трансформатора в режиме холостого хода: п =UВном/UНном или n = UНном / UВном . Наряду с полной схемой замещения часто используется упрощенная схема (рис. 2, в), в которой ветвь намагничивания представлена постоянным отбором мощности, равной потерям при холостом ходе ΔSх = ΔРх + jΔQx. Активное и индуктивное сопротивления одной фазы трансформатора могут быть экспериментально определены из опыта короткого замыкания. Этот опыт состоит в том, что вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко, а к первичной обмотке подводится такое напряжение, при котором токи в обеих обмотках трансформатора имеют номинальные значения. Это напряжение называется напряжением короткого замыкания. Активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, практически целиком расходуется на нагрев его обмоток. Потери в стали при этом ничтожны из-за малости приложенного. Отсюда вытекает выражение для определения активного сопротивления одной фазы трансформатора: 2 2 RT  PKU Вном / S Тном . Напряжение короткого замыкания uк складывается из двух составляющих: падения напряжения в активном (uка) и индуктивном (uкr) сопротивлениях от тока, протекающего в режиме короткого замыкания, причем в современных крупных трансформаторах первая слагающая составляет лишь небольшую долю от второй, так как в таких трансформаторах rт < хт. Пренебрегая падением напряжения в активном сопротивлении трансформатора, можно считать, что ик в процентах uк  uкr  ( 3I ном xт / U Вном )100 , откуда 2 u к U Вном u к U Вном . Xт   100 3I ном 100 S Тном Намагничивающая мощность ΔQx обычно принимается равной полной мощности потерь холостого хода трансформатора ΔSх ввиду малости потерь активной мощности ΔРх в сравнении с ΔQx Qх  Iх S Тном . 100 Полученные таким образом значения сопротивлений и проводимостей приведены к стороне ВН трансформатора. При параллельной работе Nт одинаковых трансформаторов схема замещения не меняется, а их эквивалентное сопротивление уменьшается в Nт раз, тогда как потери холостого хода увеличиваются в Nт раз. Потери мощности непосредственно по в трансформаторах каталожным могут параметрам быть найдены трансформаторов без предварительного вычисления сопротивлений Rт и Xт. P PT  к NT QT   S2   S Тном 2    N T Px ,  uк S 22 N I  T x S Тном . 100 N T S Тном 100 Математическая модель двухобмоточного трансформатора в фазных координатах имеет вид (см. схему замещения, для удобства индексы «Т» опущены): u1(t) – u`2(t) = Ldi`2(t)/dt + Ri`2(t), G u1(t) = ig(t), u1(t) = Lµ dib(t). После перехода к комплексным величинам и получаем: 𝑈̇1 - 𝑈̇`2 = Z𝐼 `̇ 2, I`g = G𝑈̇1, 1 𝑈̇1 = jXµ 𝐼 ḃ = j 𝐼 ḃ , где X = ωL, Xµ = ωLµ = 1/B, Z = R + jX. 𝐵 преобразований Уравнения 4-полюсника (опустим для простоты точки над комплексными параметрами): U1 = AU`2 + BI`2, I1 = CU`2 + DI`2. A = 1, B = Z, C = G +jB, D = (G +jB)Z + 1. Маркировка трансформаторов приведена в справочной литературе. Например, марка ТДН-16000/110 означает: трёхфазный, Д – дутьевое охлаждение, Н – с устройством РПН, 16000 – полная мощность в кВА, 110 кВ - номинальное напряжение. Подстанции с трёхобмоточными трансформаторами Современные трёхобмоточные трансформаторы выпускаются в трёхфазном исполнении на следующие сочетания номинальных напряжений связываемых ими сетей: 220/35/6(10), 110(150)/35/6(10) и 35/10/6 кВ. В настоящее время все эти трансформаторы имеют одинаковые номинальные мощности обмоток, равные номинальной мощности трансформатора. Так же как и двухобмоточные трансформаторы, они имеют устройство РПН со стороны СН (или нейтрали, что приводит к одновременному изменению коэффициенты трансформации между обмотками ВН-СН и ВН-НН). Схема замещения трёхобмоточного трансформатора (см. презентации) имеет вид трёхлучевой звезды. Потери холостого хода учитываются на стороне высшего напряжения в виде постоянного отбора мощности. Подстанции с автотрансформаторами Автотрансформаторы (AT) устанавливаются на мощных узловых подстанциях системообразующих и районных сетей. От шин среднего напряжения таких подстанций получают питание, как правило, целые районы с большим количеством пунктов потребления. По этой причине устройство РПН у автотрансформаторов установлено со стороны основного вывода обмотки среднего напряжения, что позволяет обеспечить регулирование напряжения на шинах СН подстанции с целью поддержания его желаемого уровня исходя из требований питаемой сети. Схема замещения и состав каталожных данных для AT такой же, как и у трёхобмоточных трансформаторов, однако дополнительно указывается номинальная мощность обмотки низшего напряжения (SНном). В трехфазном исполнении выпускаются автотрансформаторы мощностью до 400 MB∙А при напряжениях до 500 кВ. При большей мощности на подстанциях устанавливаются группы из однофазных AT с мощностью фазы 133–667 MB∙А при напряжениях 330-1150 кВ. Под предельная номинальной мощность, мощностью которая автотрансформатора может быть понимается передана через автотрансформатор со стороны высшего напряжения: S АТном  3I ВномU Вном . Для характеристики автотрансформаторов введено также понятие типовой мощности, которая характеризует способность автотрансформаторов передавать энергию магнитным путем. Она определяет габариты и стоимость автотрансформатора, а также расход материалов и мощность отдельных обмоток. Связь типовой мощности с мощностями общей и последовательной обмоток следующая:   U S тип  3I 2U 2  3I1 (U 1  U 2 )  3I Вном (U Вном  U Сном )  3I ВномU Вном 1  Сном   S АТном .  U Вном  где α = 1 – UСном/UВном – так называемый коэффициент выгодности. Ток в общей обмотке определяется разностью токов, замыкающихся    через сети высшего и среднего напряжения ( I 2  I B  I C ), поэтому эта обмотка рассчитывается на ток, меньший номинального тока автотрансформатора, определяемого на стороне высшего напряжения. Расчетная мощность этой обмотки, естественно, меньше номинальной мощности автотрансформатора и равна его типовой мощности. Мощность обмотки низшего напряжения составляет 25-50% от номинальной мощности автотрансформатора. Таким образом, конструкция автотрансформаторов делает возможность передачу через автотрансформатор мощности, большей той, на которую рассчитываются оказываются его обмотки. дешевле Благодаря трёхобмоточных этому автотрансформаторы трансформаторов равной номинальной мощности, характеризуются меньшим расходом активных материалов на их изготовление и, как следствие, меньшими потерями активной мощности. Различие технико-экономических характеристик трансформаторов и автотрансформаторов зависит от соотношения между номинальной и типовой мощностями, т.е. от коэффициента выгодности α. Очевидно, преимущества автотрансформаторов проявляются в большей степени тогда, когда с их помощью связываются сети более близких номинальных напряжений (при малых α). В тех случаях, когда в справочной литературе наряду с каталожными данными трансформаторов и автотрансформаторов приводятся их расчетные данные (активные и реактивные сопротивления обмоток, потери реактивной мощности при холостом ходе), во избежание ошибок рекомендуется при расчетах пользоваться этими данными. 3. Понятие нагрузки Приёмник электрической энергии (электроприёмник) — аппарат, агрегат, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид электроприёмник энергии. или Потребитель группа электрической электроприёмников, энергии — объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории. Устройства, потребляющие электроэнергию, традиционно называют нагрузкой. Электроустановка, электроприёмник, нагрузка – по сути близкие понятия. электропотребитель, Комплексная нагрузка и есть совокупность перечисленных элементов. Основная характеристика нагрузки – её полная мощность Sнг = Рнг + jQнг или активная мощность Р и коэффициент мощности cosφнг. Графики нагрузки Одними из наиболее существенных характеристик нагрузки любого узла сети P * являются 1,0 величины потребляемых активной и реактивной мощностей и их зависимости от времени. Эти величины 0,8 РсрРнб от отдельных Рнм 0,6 зависят например, 4 0,4 8 12 16 20 24 t, ч Рис. 3 числа и работы электроприёмников. мощность, промышленными определяется режима Так, получаемая предприятиями, количеством станков, работающих одновременно, характером технологического процесса, числом ламп, включенных для освещения цехов, и т.д. Очевидно, что в течение суток потребляемая мощность может изменяться в широких пределах, увеличиваясь в вечерние рабочие часы и уменьшаясь во время обеденных перерывов, в ночные часы. Поэтому характеристика нагрузки по потребляемой мощности будет полной лишь тогда, когда известна совокупность возможных значений мощности, необходимой вся данным потребителям. Эта характеристика дается графиками нагрузки, которые строятся в прямоугольных осях координат. Такие графики называются суточными графиками нагрузки. Суточные графики (рис. 3) могут существенно отличаться для различных потребителей, тем не менее целесообразно отметить для каждого из графиков некоторые общие количественные показатели. К числу таких показателей прежде всего относятся наибольшее (Рнб) и наименьшее (Рнм) значения мощности нагрузки (рис. 2.4). Другими важными показателями суточного графика являются среднесуточная нагрузка (Рср), коэффициент неравномерности графика (αсут) и плотность графика (βсут). Среднесуточная нагрузка определяется как отношение потребленной за сутки электроэнергии (Эсут) к числу часов в сутках: Рср = Эсут / 24. Коэффициент неравномерности представляет собой отношение наименьшей и наибольшей нагрузки в течение рассматриваемых суток: αсут = Рнм / Рнб . Плотность суточного графика характеризуется отношением среднесуточной нагрузки к наибольшей: βсут = Рср / Рнб . Очертания суточных графиков в той или иной мере меняются в зависимости от того, рассматриваются рабочие сутки или сутки, включающие нерабочий день. Суточные графики одного и того же потребителя в различные времена года также могут существенно отличаться друг от друга. Причиной этого является различная продолжительность светлого времени суток, изменение числа рабочих на предприятиях из-за отпусков, условий вентиляции и отопления и т.д. Все это не позволяет характеризовать потребление мощности каким-либо одним суточным графиком. При Р получении графиков нагрузки используют усреднение нагрузки, когда количество электроэнергии, потребленное за некоторый 2000 4000 6000 Рис. 4. СССтупе нчатый 8760 t,ч интервал времени делится на длительность этого интервала и полученное среднее значение мощности принимается для этого интервала времени. В качестве длительности интервала усреднения нагрузок принимается 30 или 60 минут. В этом случае суточный график нагрузки будет иметь ступенчатый характер с количеством ступеней нагрузки в зависимости от принятого интервала усреднения нагрузки. Часто для получения приближенного, но всё же более полного представления пользуются периодов работы суточными графиками для трех характерных потребителей: зимнего, летнего и весенне-осеннего. Соответственно различают наибольшую и наименьшую нагрузки для этих периодов. При этом для большинства районов нашей страны зимний график характеризуется максимальным значением наибольшей мощности Рнб, а летний – минимальным значением наименьшей мощности Рнм. Графики для отмеченных характерных периодов и число суток, которые могут быть отнесены к тому или иному периоду, позволяют получить годовые графики нагрузки. Одной из форм таких графиков, широко использующейся при проектировании и в практике эксплуатации электрических сетей, являются годовые графики по продолжительности нагрузки. Такой график (рис. 4) представляет собой ступенчатую диаграмму постепенно убывающих значений мощности, каждому из которых соответствует время, в течение которого данная мощность требуется потребителю в разрезе года. Другой важной формой годового графика следует считать график месячных максимумов нагрузки (рис. 5). На таком графике по оси абсцисс откладываются месяцы в календарном порядке, а по оси ординат отмечаются максимальные значения нагрузки за данные месяцы. Рис. 5. Обычно для такого графика характерны спад в летние месяцы вследствие уменьшения осветительной и отопительной нагрузок, отпусков и возрастание к концу года, которое объясняется присоединением новых потребителей. Оценка потребляемой электроэнергии Суточный позволяют и годовой определить графики энергию, нагрузки по получаемую продолжительности электроприёмниками соответственно за сутки и за год. При известной мощности нагрузки Рнi на интервале времени ti получаемая потребителем энергия за это время составляет Энi = Pнiti. Электроэнергия, получаемая за сутки или год при изменяющейся во времени мощности, определяется суммированием количеств энергии, соответствующих каждой ступени графика нагрузки m Р Э   Pнi t i , Рнб i 1 где m – количество ступеней графика нагрузки. Годовой Тнбt, ч Рис. 6. график характеризовать нагрузки показателем, удобно который называется числом часов использования наибольшей нагрузки Тнб. Этот показатель определяет время, в течение которого потребитель, работая с наибольшей нагрузкой, получил бы из сети то же количество энергии, что и при работе по действительному графику в течение года. Рис. 6 иллюстрирует определение времени Тнб для потребителя с некоторым ступенчатым графиком нагрузки по продолжительности. В общем случае при ступенчатом графике годовой нагрузки электроэнергия, полученная потребителем за год, определяется площадью, ограниченной этим графиком: m Эгод   Pнi t i . i 1 Та же площадь при неизменной нагрузке, равной наибольшей мощности, может быть вычислена так Эгод = РнбТнб . Следовательно, формально значение Тнб может быть определено следующим образом m Tнб  P t i 1 нi i Pнб . Время Тнб зависит от конкретных условий работы каждого потребителя. Однако опыт позволяет назвать пределы, в которых обычно лежит время Тнб для некоторых характерных потребителей. Для работы потребителей электрической энергии необходима передача по сети не только активной, но и реактивной мощности. Поэтому для полной характеристики нагрузки по потребляемой мощности необходимо также знание графиков изменения реактивной мощности. Конфигурации графиков активной и реактивной нагрузки подобна, но в общем случае не совпадают. Сопоставление этих данных показывает, что чем выше ступень напряжения, к которой приведена комплексная нагрузка, тем больше значение требующейся ей в режиме максимальной активной нагрузки реактивной мощности. Это обстоятельство вызвано прежде всего большими потерями реактивной мощности в трансформаторном оборудовании понижающих подстанций. Задание нагрузок при расчетах режимов электрических сетей. Каждый узел электрической сети характеризуется четырьмя режимными параметрами: активной Р и реактивной Q мощностью, модулем напряжения U и его фазным углом δ (рис. 7). Из этих четырех параметров только два являются независимыми и задаются при выполнении расчетов установившихся режимов. Другие два параметра являются зависимыми и определяются в результате расчета режима. В соответствии с этим выделяют два типа узлов: P,Q-узлы, для которых заданы активная и реактивная мощности, и P,U-узлы с заданными значениями активной мощности и напряжения. U н  U н  н U г  U г  г К первой группе относятся нагрузочные узлы. Нагрузка в них может задаваться непосредственно значениями Рн и Qн или S н  Pн  jQн Рис. 7. Sг  Pг  jQг значениями Рн и коэффициента мощности нагрузки cosφ.В этом случае реактивная мощность нагрузки определяется по выражению Qн = tgφ. Строго говоря, мощность нагрузки зависит от напряжения, что учитывается в современных программах расчёта режима. Существует понятие регулирующего эффекта нагрузки (РЭН) по напряжению и частоте. РЭН по напряжению равен dPн/dUн по активной мощности и dQн/dUн по реактивной. Зависимость мощности от напряжения называется статической характеристикой. Определяется экспериментально. В расчёте режима нагрузка может представляться следующим образом: 1. Постоянной мощностью Sн = const. 2. Постоянным сопротивлением (проводимостью) Zн = const. При этом мощность не равна const. 3. Статической характеристикой по напряжению (частоте). 4. Постоянным током Iн = const. В 3 случае в промышленных программах используют аппроксимированный полином (как правило, второй степени). Электрические схемы присоединения подстанций Понижающие подстанции предназначены для распределения энергии по сети низшего напряжения и создания пунктов соединения сети высшего напряжения. Классификация подстанций по их месту и способу присоединения к сети нормативными документами не установлена. В проектируемой районной сети можно выделить следующие группы подстанций: 1. Тупиковые – питаемые по одной или двум радиальным линиям. 2. Проходные (транзитные). 3. Узловые с 2 или 3 номинальными напряжениями. Основные требования к схемам электрических соединений: - схема должна обеспечивать надежное питание присоединенных потребителей в соответствии с категориями нагрузки; - обеспечение надежности транзита мощности через подстанцию; - схема должна быть по возможности простой, наглядной, экономичной и обеспечивать средствами автоматики восстановление питания потребителей в послеаварийной ситуации без вмешательства персонала; - возможность поэтапного развития РУ с переходом от одного этапа к другому без значительных работ по реконструкции и перерывов в питании потребителей; - число одновременно срабатывающих выключателей в пределах одного распредустройства (РУ) должно быть не более двух при повреждении линии и не более четырех при повреждении трансформатора. Типовые схемы РУ приведены в приложении. Схемы мостика и четырёхугольника применяют при двух приходящих линиях, в кольцевых схемах и на тупиковых подстанциях 110 – 220 кВ. РУ «четырёхугольник» обладает большей надёжностью и дороговизной и может быть рекомендован на подстанциях 220 кВ. Спорным является вопрос о наличии и месте установки ремонтной перемычки в схеме мостика. Она применяется при выводе межсекционного выключателя в ремонт и может устанавливаться со стороны линий или со стороны трансформаторов, в зависимости от того, что чаще повреждается. Аргументы против установки перемычки: согласно нормам проектирования, установка перемычки на стороне ВН требует специального обоснования; дороже; ниже надёжность из-за добавления элемента; повышенные габариты. Кроме того, при наличии перемычки питать от одной линии два трансформатора не всегда обязательно, т.к. трансформаторы обычно недогружены. Основная литература 1. Ананичева С.С. Анализ электроэнергетических сетей и систем в примерах и задачах [Электронный ресурс] : учебное пособие / С.С. Ананичева, С.Н. Шелюг. — Электрон. тексто-вые данные. — Екатеринбург: Уральский федеральный университет, ЭБС АСВ, 2016. — 176 c. — 978-5-7996-1784-4. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/65910.html/ 2. Короткевич М.А. Эксплуатация электрических сетей [Электронный ресурс]: учебник / М.А. Короткевич. — Электрон. текстовые данные. — Минск: Вышэйшая школа, 2014. — 351 c. — 978-985-06-2397-3. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/35574.html/ 3. Русина А.Г. Режимы электрических станций и электроэнергетических систем [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Русина А.Г., Филиппова Т.А.— Электрон. текстовые данные.— Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2016.— 400 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/91729.html/ Дополнительная литература 1. Хрущев Ю.В. Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах [Электронный ресурс] : учебное пособие / Ю.В. Хрущев, К.И. Заподовников, А.Ю. Юшков. — Электрон. текстовые данные. — Томск: Томский политехнический университет, 2012. — 154 c. — 978-5-4387-0125-5. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/34740.html/ 2. Ананичева С.С. Модели развития электроэнергетических систем [Электронный ресурс]: учебное пособие / С.С. Ананичева, П.Е. Мезенцев, А.Л. Мызин. — Электрон. текстовые данные. — Екатеринбург: Уральский федеральный университет, ЭБС АСВ, 2014. — 148 c. — 978-5-321-02313-6. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/65947.html/ 3. Русина А.Г. Балансы мощности и выработки электроэнергии в электроэнергетиче-ской системе [Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие / А.Г. Русина, Т.А. Филиппова. — Электрон. текстовые данные. — Новосибирск: Новосибирский государственный тех-нический университет, 2012. — 55 c. — 978-5-7782-1935-9. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/45078.html/ Приложение. Типовые электрические схемы присоединения ПС