Силовые трансформаторы являются основой системы электроснабжения крупных предприятий, имеющих в своем составе главные понижающие подстанции — ГПП (5УР), и средних предприятий, имеющих распределительные подстанции — РП на 6; 10 кВ (4УР) с разветвленными высоковольтными сетями и несколькими трансформаторными подстанциями ТП на 6; 10 кВ (ЗУР). Производственная деятельность мелких предприятий, как правило, имеющих в своем составе одну-две ТП на 6; 10/0,4 кВ, во многом зависит от надежной работы силовых трансформаторов [щитов и шкафов, распределительных пунктов РП на 0,4 кВ (2УР)]. В реальных условиях каждый из шести уровней системы электроснабжения может быть границей раздела предприятие — энергосистема, решения по которой юридически согласовываются между энергоснабжающими организациями и потребителем (абонентом).
По расчетной электрической нагрузке Рр предприятия определяется необходимость сооружения ГПП (или ПГВ — подстанции глубокого ввода, или ОП — опорной подстанции электроснабжения предприятия). Наиболее распространенное число подстанций с напряжением пятого уровня на одном предприятии одна-две, но бывает до двух и более десятков. ГПП принимают электроэнергию от трансформаторов энергосистемы или, например, от блочной ТЭЦ или гидроэлектростанции (ГРЭС). Высшее напряжение трансформаторов ГПП в России 35, 110, 154, 220, 330 кВ; питание подводится по воздушным и кабельным линиям электропередач (ЛЭП). Отходящие от ГПП высоковольтные распределительные сети, рассчитанные на 6; 10 кВ (хотя могут быть и на 110 кВ), называют межцеховыми (заводскими). Обычный ряд мощностей ГПП: 10, 16, 25, 40, 63, 80, 100, 125 MB * А, а в отдельных случаях и выше.
Для электроснабжения потребителей напряжением до 1 кВ (220, 380, 500, 600 В) сооружают трансформаторные подстанции с высшим напряжением чаще всего на 6; 10 кВ (но существуют и подстанции с напряжением 3 и 20 кВ), которые обычно называют цеховыми, а с учетом комплектной поставки (с трансформаторами, щитом низкого напряжения и ошиновкой, вводным высоковольтным отключающим устройством) их обозначают КТП. Ряд применяемых мощностей ТП: 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500 кВ-А. Из-за больших токов короткого замыкания (КЗ) на стороне 0,4 кВ, вызывающих сложности коммутации и передачи электроэнергии приемникам, трансформаторы на 2500 кВА применяются только в специальных случаях.
Кроме трансформаторов, устанавливаемых на 5УР для присоединения предприятия к энергосистеме, и трансформаторов, устанавливаемых на ЗУР, обеспечивающих потребителей низким (до 1 кВ) напряжением трехфазного переменного тока, существуют специальные подстанции со своими силовыми трансформаторами: печными, выпрямительными (для создания сети постоянного тока до 1,5 кВ), преобразовательными, сварочными и другими, которые могут использоваться и как ГПП, и как цеховые ТП, но в этой книге они не рассматриваются.
Решение о строительстве трансформаторной подстанции принимается в составе решения о строительстве завода (цеха). Особенностью решения о строительстве трансформаторной подстанции является то, что она не выделяется, а рассматривается и утверждается как часть предприятия, сооружения — объекта, подлежащего новому строительству, реконструкции, модернизации, расширению, перевооружению (далее все называется строительством). Конечно, для электриков подстанции и сети являются самостоятельными объектами, согласование параметров которых с субъектами электроснабжения, а также их последующее проектирование, строительство и принятие в эксплуатацию осуществляются по отдельным срокам и графикам, не зависящим от основного производства.
Принятие технического решения начинается с утвержденного технологического задания на строительство завода определенного состава. По технологическим данным оценивают параметры электропотребления, определяют нагрузку по цехам (для выбора мощности цеховых трансформаторов и выявления высоковольтных двигателей) и заводу в целом (для выбора ГПП, их числа и единичной мощности трансформаторов на каждой подстанции). Готовые решения служат материалом для получения технических условий от энергоснабжающей организации (энергосистемы). Одновременно собирают следующие сведения: особенности энергосистемы и вероятных мест присоединения потребителей; данные по объектам-аналогам и месту строительства. Определяющими данными на начальном этапе являются значение расчетного максимума нагрузки и число часов использования этого максимума, связанных с электропотреблением.
Исходными для окончательного выбора схемы электроснабжения (включающей в себя данные по силовым трансформаторам ГПП или трансформаторам ЗУР, если отсутствует необходимость в сооружении ГПП) служат следующие материалы:
генеральный план завода, определяющий размещение основных и вспомогательных производственных зданий и сооружений, основных подземных и наземных коммуникаций и являющийся ключевым документом при размещении трансформаторных подстанций (в отдельных случаях компоновка цехов влияет на мощность единичного трансформатора), а также устанавливающий условия транспортировки трансформаторов (автомобильная или железнодорожная), что особенно важно для ГПП;
данные по электроемкости, удельным расходам электроэнергии, составу и характеру электрических нагрузок и электроприемников как технологических механизмов, так и вспомогательных устройств цехов и сооружений завода с выделением энергоемких агрегатов (характер электрических нагрузок и особенно мощные энергоемкие агрегаты влияют, а в отдельных случаях определяют мощность, число и схему соединения обмоток трансформатора);
перечень объектов основного производственного, обслуживающего и подсобного назначения, а также энергетического хозяйства (включая сети и сооружения водоснабжения и канализации) с указанием производственных показателей и объемно-планировочных архитектурных решений, сменности работы, структуры управления (все эти данные на выбор мощности трансформатора влияют незначительно, но на стадии разработки рабочих чертежей определяют компоновку и размещение подстанции);
данные по характеру производства, условиям пожаро- и взрывобезопасности (включая температуру, влажность, запыленность, агрессивность выделяемых веществ, загрязнение атмосферы и грунта), что при выборе трансформатора может определить повышение класса его изоляции (например, по проектным соображениям следует выбрать трансформатор 110/10 кВ, но неблагоприятные условия эксплуатации могут потребовать установки трансформатора 220 кВ, а следовательно, повлиять на стоимость и габаритные размеры подстанции);
требования к надежности электроснабжения отдельных производств, цехов, агрегатов и механизмов с выделением потребителей особой группы I категории по надежности электроснабжения (категория потребителей определяет число трансформаторов на подстанции, которое обычно принимается не менее двух для потребителей I и II категорий с установкой третьего и четвертого трансформаторов при наличии специальной технологической нагрузки);
данные по нагрузкам сторонних потребителей, подключаемых к заводским сетям, а также по токам и мощностям короткого замыкания на шинах источников питания, и требования к компенсации реактивной мощности в сетях завода, устройствам релейной защиты, автоматики, связи и телемеханики. Эти данные во многом определяются требованиями, выдаваемыми в технических условиях энергоснабжающей организацией, и могут обусловить увеличение мощности трансформатора (при значительной нагрузке сторонних потребителей) или изменение схемы его подключения (по условиям КЗ, компенсации, релейной защиты);
геологические и климатические данные, т. е. характер грунта в различных районах площадки завода, его состав, состояние, температура, удельное тепловое и электрическое сопротивления, глубина промерзания, уровень грунтовых вод, расчетная температура почвы в зонах прокладки электрических коммуникаций, высота площадки завода над уровнем моря, сейсмичность (эти данные не определяют выбор мощности трансформатора, но они необходимы при выполнении рабочих чертежей, устройстве заземления, выполнении строительной части подстанций и сетей, сооружении фундаментов под трансформатор);
метеорологические условия, т. е. число грозовых дней в году, скорость ветра, влажность, гололедность, максимальная, минимальная и средняя температуры воздуха, а также наличие и характер загрязненности воздуха пылью, химически активными газами и парами, естественная освещенность (эти данные определяют место размещения подстанции, а в отдельных случаях и необходимость выбора специального трансформатора или повышение класса его изоляции);
основные чертежи (планы и разрезы) цехов и сооружений завода с указанием установки технологического и вспомогательного оборудования (необходимы на стадии выбора места установки трансформаторов);
основные архитектурно-строительные чертежи зданий и сооружений завода (необходимы при решении вопроса о встраивании, пристраивании, размещении в цехе или обоснования отдельной установки трансформатора);
данные по силовому электрооборудованию (паспорта основных агрегатов и расчеты по приводу) и электроосвещению объектов завода (требуются на стадии разработки рабочей документации трансформаторной подстанции для унификации решений по силовому электрооборудованию);
сведения по организации ремонта электрооборудования, возможности кооперации и специализации (необходимы для решения вопросов по обслуживанию и ремонту трансформатора, в том числе капитального, организации трансформаторно-масляного хозяйства, установке специальных подъемно-транспортных устройств и выделению соответствующих площадей при определении габаритов подстанции);
схема примыкающей районной энергосистемы с характеристиками источников питания и сетей внешнего электроснабжения, позволяющая решить вопросы выбора мощности трансформатора и схемы его присоединения (размещение трансформатора следует увязывать с заходами ЛЭП).
Предложения (проектные проработки) по выбору трансформатора ЗУР (в диапазоне мощности 100...2500 кВ • А) определяются условиями потребителя, а для средних и крупных предприятий — особенностями энергосистемы, к сетям которой они подключены. Основными параметрами, определяющими конструктивное выполнение и построение сети являются:
для линий электропередачи — номинальное напряжение, направление (откуда и куда), протяженность, число цепей и сечение провода;
для подстанций — сочетание номинальных напряжений, число и мощность трансформаторов, схема присоединения к сети и компенсация реактивной мощности.
В России сложились две системы электрических сетей на номинальные напряжения 110 кВ и выше (110, 220, 500 кВ), принятая на востоке страны, и 110 (154), 330, 750 кВ, принятая в западной части страны. Для электроэнергетики страны это означает:
увеличение потерь электроэнергии из-за повышения числа ее трансформаций, необходимость создания сложных коммутационных узлов и ограничение пропускной способности межсистемных связей;
дополнительную загрузку предприятий электропромышленности, т. е. увеличение номенклатуры выпускаемых видов продукции;
финансирование дополнительного строительства подстанций и линий передачи предприятиям, попавшим в зону «стыковки»;
необходимость учета тенденций развития электрохозяйства, т. е. расчет и прогнозирование параметров электропотребления.