1.1. Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов

Цеховые трансформаторы имеют следующие номинальные мощности: 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500 кВА.

С увеличением мощности трансформаторов растут токи короткого замыкания. Поэтому единичная мощность трансформаторов, питающих электроустановки до 1000 В, ограничивается допустимыми величинами тока короткого замыкания. Считают нецелесообразным применение трансформаторов с вторичным напряжением 0,4 кВ мощностью более 2500 кВА [2]. Поэтому предельная мощность трансформаторов, изготавливаемых заводами на напряжение 0,4−0,66 кВ, составляет 2500 кВА. Число типоразмеров трансформаторов должно быть минимальным.

Цеховые подстанции могут быть однотрансформаторными и двухтрансформаторными.

Однотрансформаторные подстанции рекомендуют применять при наличии в цехе (корпусе) приемников электроэнергии, допускающих перерыв электроснабжения на время доставки «складского» резерва, или при резервировании, осуществляемом на линиях низкого напряжения от соседних ТП, т. е. они допустимы для потребителей II и III категории, а также при наличии в сети 380−660 В небольшого количества (до 20 %) потребителей I категории.

Двухтрансформаторные подстанции рекомендуют применять в следующих случаях: при преобладании потребителей I категории и наличии потребителей особой группы; для сосредоточенной цеховой нагрузки и отдельно стоящих объектов общезаводского назначения (компрессорных и насосных станций); для цехов с высокой удельной плотностью нагрузок (выше 0,5−0,7 кВА/м²).

Для двухтрансформаторных подстанций также необходим складской резерв для быстрого восстановления нормального питания потребителей в случае выхода из строя одного трансформатора на длительный срок. Оставшийся в работе трансформатор должен обеспечивать электроснабжение всех потребителей I категории на время замены поврежденного трансформатора.

Цеховые ТП с количеством трансформаторов более двух используют только при надлежащем обосновании [4].

Ориентировочный выбор числа и мощности цеховых трансформаторов производят по удельной плотности σ_н нагрузки

, (1.1)

где S_р – расчетная нагрузка цеха (корпуса, отделения), кВА; F – площадь цеха (корпуса, отделения), м².

При плотности нагрузки до = 0,2 кВА/м² целесообразно применять трансформаторы мощностью до 1000 и 1600 кВА, при плотности 0,2–0,5 кВА/м² – мощностью 1600 кВА. При плотности более 0,5 кВА/м² целесообразность применения трансформаторов мощностью 1600 или 2500 кВА обосновывают технико-экономическими расчетами [4, 5].

Выбор номинальной мощности трансформаторов производят по расчетной мощности нормального и аварийного режимов работы исходя из рациональной загрузки в нормальном режиме и с учетом минимально необходимого резервирования в послеаварийном режиме. Номинальную мощность трансформаторов S_ном.т определяют по средней нагрузке S_см за максимально загруженную смену:

, (1.2)

где N – число трансформаторов; К_з – коэффициент загрузки трансформатора.

Оптимальная загрузка цеховых трансформаторов зависит от категории надежности потребителей электроэнергии, от числа трансформаторов и способа резервирования. Рекомендуем принимать следующие коэффициенты загрузки трансформаторов: для цехов с преобладающей нагрузкой I категории для двухтрансформаторных ТП К_з = 0,75−0,8; для цехов с преобладающей нагрузкой II категории для однотрансформаторных подстанций в случае взаимного резервирования трансформаторов на низшем напряжении К_з = 0,8–0,9; для цехов с нагрузкой III категории К_з = 0,95–1 [2].

При выборе числа и мощности ЦТП одновременно решают вопрос об экономически целесообразной величине реактивной мощности, передаваемой через трансформаторы в сеть напряжения до 1000 В [4].

Суммарную расчетную мощность конденсаторных батарей низшего напряжения (НБК), устанавливаемых в цеховой сети, рассчитывают по минимуму приведенных затрат в два этапа:

1) выбирают экономически оптимальное число цеховых трансформаторов;

2) определяют дополнительную мощность НБК в целях снижения потерь в трансформаторах и в сети напряжением 6−10 кВ предприятия.

Суммарная расчетная мощность Q_нк НБК составит:

_, (1.3)

где и – суммарные мощности НБК, определенные на двух указанных этапах расчета.

Реактивная мощность, найденная по (1.3), распределяется между трансформаторами цеха пропорционально их реактивным нагрузкам.

Минимальное число цеховых трансформаторов N_min одинаково мощности S_ном.т, предназначенных для питания технологически связанных нагрузок, определяют по формуле

, (1.4)

где Р_см – средняя активная мощность технологически связанных нагрузок за наиболее нагруженную смену; К_з – рекомендуемый коэффициент загрузки трансформатора; ∆N – добавка до ближайшего целого числа.

Экономически оптимальное число трансформаторов N_опт определяется удельными затратами З^٭ на передачу реактивной мощности и отличается от N_min на величину m:

, (1.5)

где m – дополнительно установленные трансформаторы;

,

где З_нк, З_вк, З_тп – соответственно усредненные приведенные затраты на НБК, батареи конденсаторов напряжением выше 1000 В (ВБК) и цеховые ТП;

,

где З_нк, З_вк, З_тп определяют по выражению

, (1.6)

где Е_н – нормативный коэффициент экономической эффективности; К – единовременные капитальные вложения, тыс. руб./г; И – ежегодные издержки производства, тыс. руб./г.

При известных составляющих оптимальное число трансформаторов рекомендуют определять по кривым (рис. 1.4) следующим образом:

1) по значениям N_min и находят расчетную точку А;

2) по значениям N_min и ∆N находят расчетную точку Б;

3) если точка А, расположенная в зоне m графика, оказывается правее точки Б этой же зоны, то к N_min прибавляется число m, в противном случае число (m – 1).

Рис. 1.4. Кривые определения дополнительного числа трансформаторов по фактическим З* при Кз = 0,7−0,8 (значение Nmin в скобках для Кз = 0,9−1)

При отсутствии достоверных стоимостных показателей для практических расчетов допускается считать = 0,5 и тогда N_опт определять по (1.5), принимая значения m в зависимости от N_min и ∆N по рис. 1.5.

При трех трансформаторах и менее их мощность выбирается по средней активной мощности за наиболее загруженную смену Р_см:

. (1.7)

а	б
Рис. 1.5. Зоны для определения дополнительного числа трансформаторов: а − Кз = 0,7−0,8; б − Кз = 0,9−1

Наибольшую реактивную мощность, которую целесообразно передать через трансформаторы в сеть напряжением до 1000 В, определяют по формуле

. (1.8)

Суммарная мощность конденсаторных батарей на напряжение до 1000 В составит

, (1.9)

где Q_см – суммарная средняя реактивная мощность за наиболее загруженную смену на напряжение до 1000 В.

Если в расчетах окажется, что Q_нк1 < 0, то установка батарей конденсаторов при выборе оптимального числа трансформаторов не требуется (составляющая Q_нк1 будет равна нулю).

Дополнительная мощность Q_нк2 НБК для данной группы трансформаторов определяется по формуле

, (1.10)

где – расчетный коэффициент, зависящий от расчетных параметров K_р1 и K_р2, и схемы питания цеховой ТП (для радиальной схемы γ определяют по рис. 1.6; для магистральной схемы с двумя трансформаторами − рис. 1.7; для магистральной схемы с тремя и более трансформаторами − γ = K_р1/30; для двухступенчатой схемы питания трансформаторов от РП 6−10 кВ, на которых отсутствуют источники реактивной мощности − γ = K_р1/60).

а	б
Рис. 1.6. Кривые определения коэффициента γ для радиальной схемы питания трансформаторов напряжением 6 (а) и 10 кВ (б)

Значения K_р1 зависят от удельных приведенных затрат на НБК и ВБК и потерь активной мощности

, (1.11)

где З_нк, З_вк – удельные приведенные затраты соответственно на НБК и ВБК; С_рп – расчетная стоимость потерь, равная 8 % от тарифа на электроэнергию.

При отсутствии достоверных данных показателей З_нк и З_вк для практических расчетов K_р1 следует принимать по табл. 1.3.

Значения K_р2 определяют по формуле

, (1.12)

где s – сечение питающей линии; l – длина линии (при магистральной схеме с двумя трансформаторами – длина участка, км, до первого трансформатора).

а	б
Рис. 1.7. Кривые определения коэффициента γ для магистральной схемы питания трансформаторов при напряжении сети 6 (а) и 10 кВ (б)

При отсутствии соответствующих данных допускается значение K_р2 принимать по табл. 1.4.

Если в расчетах окажется, что Q_нк2 < 0, то для данной группы трансформаторов реактивная мощность Q_нк2 принимается равной нулю.

Пример 1.1. Выбрать число и мощность силовых трансформаторов для механического цеха с учетом компенсации реактивной мощности. Средние активная и реактивная нагрузки цеха за наиболее загруженную смену составляют: Р_см = 14950 кВт, Q_см = 13870 квар. Напряжение питающей сети 10 кВ. Цех работает в две смены, завод расположен в Сибири. Удельная плотность нагрузки цеха 0,25 кВА/м², потребители цеха относятся ко II категории по надежности. Цеховые трансформаторы питаются по магистральной схеме, длина линий в пределах 2 км.

Решение. 1. Учитывая удельную плотность нагрузки, выбираем к установке трансформаторы с номинальной мощностью 1600 кВ∙А и с коэффициентом загрузки 0,8, определяем минимальное число цеховых трансформаторов:

.

Таблица 1.3

Значения коэффициента K_р1 для энергосистем

Энергосистема	Количество рабочих смен	Расчетный коэффициент удельных потерь Kр1
Центра, Северо-Запада, Юга	1	24
	2	11
	3	19
Средней Волги	1	12
	2	13
	3	12
Урала	1	22
	2	14
	3	11
Северного Кавказа, Закавказья	1	14
	2	13
	3	12
Сибири	1	15
	2	15
	3	15
Дальнего Востока	1	9
	2	9
	3	9

2. Оптимальное число трансформаторов:

,

где m определено по рис. 1.5, а.

3. Находим по (1.8) наибольшую реактивную мощность, квар, которую целесообразно передать через 8 трансформаторов:

.

4. Определяем мощность, квар, по (1.9):

.

5. Находим дополнительную мощность, квар, по (1.10):

,

где γ = 0,3 согласно рис. 1.7, б при K_р1 = 15 (табл. 1.3) и K_р2 = 23 (табл. 1.4).

Таблица 1.4

Значения коэффициента K_р2

Мощность трансформатора Sном.т, кВА	Коэффициент Kр2 при длине питающей линии l, км
	до 0,5	0,5–1,0	1–1,5	1,5–2	выше 2
400 630 1000 1600 2500	2 2 2 3 5	4 7 7 10 16	7 10 10 17 26	10 15 15 23 36	17 27 27 40 50

Таблица 1.5

Исходные и расчетные параметры к примеру 1.1

Трансформатор	Расчетная нагрузка Qсм, квар	Расчетная мощность Qнк, квар	Количество и марка НБК	Фактическая мощность НБК, квар
1Т 2Т 3Т 4Т 5Т 6Т 7Т 8Т	980 980 1050 1080 1020 950 1310 1310	706,78 706,78 757,29 778,94 735,66 685,18 944,82 944,82	225×3+30 300×2+150 536+225 300+200+180 300×2+200+150	705 705 750 787,5 736 680 950 950
Итого	8680	6260,27		6263,5

6. Суммарная мощность, квар, НБК цеха равна:

.

7. Суммарную мощность НБК распределяем пропорционально нагрузкам трансформаторов, выбираем марку НБК и определяем фактическую мощность Q_нкФ согласно справочным данным (табл. 1.5).