ЛЕКЦИЯ 6
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ПОДСТАНЦИЙ С ТРЕХОБМОТОЧНЫМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ
Статистические показатели работы подстанций
На подстанциях широкое применение получили трехобмоточные трансформаторы, которые используются для связи различных электрических систем с неодинаковыми классами напряжений, получения нескольких напряжений, осуществления передачи электроэнергии на разные расстояния. Структурная схема, поясняющая работу подстанции с трехобмоточными трансформаторами, показана на рис. 6.1.
Рис. 6.1 Структурная схема подстанции с трехобмоточнми трансформаторами
На понизительных подстанциях с высшим напряжением 110 кВ доля количества трехобмоточных трансформаторов составляет приблизительно 56,3 %, а доля их мощности – 56 %. На понизительных подстанциях с высшим напряжением 220 и 330 кВ доля количества и мощности трехобмоточных трансформаторов выше.
На подстанциях напряжением 110 – 330 кВ, как правило, устанавливают два трансформатора. Количество подстанций напряжением 110 кВ с числом трансформаторов более двух незначительно, подстанций 220 кВ – примерно 7– 8 %, подстанций 330 кВ – достаточно велико (около 20 %), что является следствием ограниченной единичной мощности трансформаторов этого класса напряжения. Средневзвешенная загрузка трансформаторов напряжением 220 и 330 кВ составляет примерно 55 %.
Исследование оптимальных режимов работы подстанций с трехобмоточными трансформаторами сводится к задаче с двумя независимыми переменными – нагрузками двух вторичных обмоток.
Выбор оптимального режима работы подстанции с трехобмоточными трансформаторами должен производиться сравнением фактического сочетания двух вторичных нагрузок с их критическим сочетанием (для понизительных подстанций – нагрузок обмоток среднего  и низшего  напряжения, для повысительных подстанций – нагрузок обмоток высшего  и среднего напряжения) .
6.2 Распределение отходящих линий
Для определения оптимального распределения отходящих линий между шинами СН, НН необходимо принять во внимание принципиальную схему электрических соединений подстанции. Основные варианты схем двухтрансформаторных подстанций показаны на рис. 6.2. Варианты a и в соответствуют схеме линия – трансформатор, варианты б, г – параллельному включению трансформаторов на стороне ВН. Питание нагрузки СН в вариантах а, б – параллельно, в, г – раздельно. Питание нагрузки НН всегда производится раздельно. Для схем в, г задачей оптимизации является также распределение нагрузки на стороне СН. Годовой технологический расход энергии, кВт∙ч, в двух блоках линия – трехобмоточный трансформатор (рис. 6.2, а) можно определить, как и в случае с двухобмоточными трансформаторами, через средние квадратичные мощности.
Рис. 6.2 Схемы электрических соединений двухтрансформаторных подстанций с трехобмоточными трансформаторами
Оптимизация работы подстанции с трансформаторами одинаковой и различной мощности
Понижающие подстанции с трансформаторами одинаковой мощности. В числе подстанций с трехобмоточными трансформаторами, работающих в системах электроснабжения, преобладают подстанции с трехобмоточными трансформаторами одинаковой мощности.
Рассмотрим понизительную подстанцию с двумя трехобмоточными трансформаторами одинаковой мощности. Сравниваем суммарные потери мощности в трансформаторах, соответствующие режиму а (работает один трансформатор) и режиму б (работают два трансформатора)
 (6.1)
Преобразовав уравнение (6.1), получим
 (6.2)
 – приведенные потери КЗ обмоток трансформатора высшего, среднего и низшего напряжения соответственно, кВт;  – приведенные потери XX трансформатора, кВт;  – номинальные мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряжения трансформатора соответственно, кВ • А.
Для практических целей выбора экономичного режима работы подстанции удобно находить зоны экономичной работы в координатах двух вторичных нагрузок.
Для подстанций с трехобмоточными трансформаторами одинаковой мощности границы этих зон будут определяться линиями критического сочетания вторичных нагрузок, при которых суммарные приведенные потери мощности в трансформаторах одинаковы для двух сравниваемых режимов, т. е. при работе одного и двух трансформаторов или двух и трех трансформаторов. На рис. 6.3 показана диаграмма выбора экономичного режима работы понизительной подстанции 110/35/10 кВ с тремя трехобмоточными трансформаторами мощностью 10 MB • А каждый. Кривые критического сочетания вторичных нагрузок (сплошные линии) разделяют зоны экономичной работы одного (І), двух (ІІ) и трех (ІІІ) трансформаторов. На осях откладываются суммарные вторичные нагрузки подстанции в абсолютных единицах.
Понижающие подстанции с трансформаторами различной мощности. В результате роста электрических нагрузок установленная мощность трансформаторных подстанций мощность увеличивают установкой дополнительных трансформаторов и чаще другой мощности нежели работающие трансформаторы.
Рис. 6.3 Диаграмма выбора экономичного режима работы понизительной подстанции 110/35/10 кВ с тремя трансформаторами по 10 MB • А:
1 – γ = 0,20 кВт/квар; 2 – γ = 0,08 кВт/квар; 3 – γ = 0,20 кВт/ квар; 1 – зона экономичного режима работы одного трансформатора; ІІ – двух трансформаторов; ІІІ – трех трансформаторов.
Для таких подстанций, где установлены два трехобмоточных трансформатора неодинаковой мощности при выборе экономичного режима работы оказывается необходимым находить два критических сочетания вторичных нагрузок: Sк.м–б, определяющее целесообразность включения трансформатора большей мощности вместо трансформатора меньшей мощности (при устойчивом возрастании нагрузки), и Sк.б– Σ, определяющее целесообразность включения трансформатора меньшей мощности параллельно с уже работающим трансформатором большей мощности. Следовательно, необходимо иметь две зависимости для построения на диаграмме двух кривых критического сочетания вторичных нагрузок, разделяющих зоны экономичных режимов работы трансформатора меньшей мощности (М), большей мощности (Б) и параллельной работы двух трансформаторов (рис. 24). В общем виде сравниваем суммарные приведенные потери мощности в трансформаторах в двух режимах а и б, предполагая, что в данном случае этими индексами определяется число и мощность трансформаторов, включенных под нагрузку:
После ряда преобразований получим уравнение, аналогичное уравнению (6.2):
 (6.3)
Решив уравнение (6.3) относительно переменной  (суммарной нагрузки шин среднего напряжения), получим уравнение:
 (6.4)
где
 (6.5)
Pvва.б, Pvса.б, Pvна.б – суммарные приведенные потери КЗ обмоток высшего, среднего и низшего напряжения трансформатора в режиме а или б соответственно, кВт;  – суммарные приведенные потери XX трансформатора в режиме а или б соответственно, кВт;  – суммарные номинальные мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряжения трансформаторов в режиме а или б соответственно.
На рис. 6.4, а показана диаграмма выбора экономичного режима работы понизительной подстанции напряжением 110/35/10 кВ с трансформаторами мощностью 10 и 16 MB • А. Построенные по уравнению (6.4), кривые критического сочетания вторичных нагрузок (линии М,Б и Б,М + Б) разделяют зоны экономичной работы подстанции. При построении кривых М,Б сравниваем суммарные потери в режимах а – работа трансформатора меньшей мощности и б – работа трансформатора большей мощности и в уравнения (6.5) параметры с индексами а и б подставляем соответственно этим режимам. При построении кривых Б, М+ Б сравниваем суммарные приведенные потери при работе трансформатора большей мощности и параллельной работе двух трансформаторов, а в уравнениях (87) этим режимам соответствуют параметры с индексами а и б соответственно.
Рис. 6.4. Диаграмма выбора экономичного режима работы понизительной подстанции 110/35/10 кВ с трансформаторами 10 и 16 MB · А:
1 –  = 0.20 кВт/квар; 2 – = 0,08 кВт/квар; 3 – = 0,02 кВт/квар; а –  = 10,75 %,  = 0,  = 6,25 %; б – = 10,75 %, = 6,25 %, = 0.
При выводе указанных выше зависимостей предполагалось, что выполняются все условия параллельной работы трансформаторов, которые в отношении трехобмоточных трансформаторов можно сформулировать следующим образом:
Номинальные напряжения обмоток ВН, СН и НН должны быть соответственно равны.
Напряжения КЗ каждой пары обмоток (ВН – НН; ВН – СН; СН – НН) параллельно работающих трансформаторов должны быть соответственно равны.
Группы соединения соответствующих обмоток должны быть тождественны.
Отношения номинальных мощностей соответствующих обмоток ВН, СН, НН параллельно работающих трансформаторов не должны быть более 3. При соблюдении условий параллельной работы трансформаторов, нагрузки распределяются пропорционально номинальной мощности обмоток, в противном случае появляются уравнительные токи, которые вызывают дополнительную перегрузку трансформаторов и дополнительные потери мощности в них.
6.3 Перерасход мощности при несоблюдении оптимального режима работы
Несоблюдение экономичного режима работы подстанций с трехобмоточными трансформаторами, причинами которого являются отсутствие эффективной и доступной для эксплуатационного персонала подстанций методики выбора экономичного режима работы таких подстанций и несложной недорогой автоматики, которая могла бы взять на себя функции соблюдения экономичного режима работы подстанций с трехобмоточными трансформаторами, а также несоблюдение эксплуатационным персоналом требований экономичного режима таких подстанций и ряд других причин влечет за собой увеличение потерь (технологического расхода) мощности и электроэнергии при передаче ее от источников электроснабжения к потребителям.
Для увеличения практической ценности и удобства применения диаграмм выбора экономичного режима работы подстанций на диаграммах целесообразно строить изолинии перерасхода мощности, показывающие величину перерасхода мощности в трансформаторах при фактическом сочетании вторичных нагрузок, если оно не находится в зоне экономичного режима работы рассматриваемой подстанции. Величина перерасхода потерь мощности  (отн. ед.) вследствие отклонения от оптимального режима работы подстанции с трехобмоточными трансформаторами одинаковой мощности определяется выражением
 (6.6)
где  – потери мощности в трехобмоточных трансформаторах в оптимальном и неоптимальном режимах соответственно, кВт; n – количество работающих трансформаторов (неоптимальный режим);  – количество трансформаторов, работа которых экономически целесообразна (оптимальный режим);
 – коэффициенты загрузки обмоток высшего, среднего и низшего напряжений соответственно.
Для подстанций с трехобмоточными трансформаторами различной мощности выражение (6.6) имеет вид:
 (6.7)
В выражении перерасхода потерь мощности в трансформаторах различной мощности (6.6) все параметры со штрихом относятся к оптимальному режиму работы подстанции и определяются количеством и мощностью трансформаторов, включенных в экономически целесообразном режиме.
6.4 Влияние компенсации реактивной мощности
Трехобмоточные трансформаторы, связывающие сети трех классов напряжений (чаще распределительные сети 10 и 35 кВ с питающими сетями 110 кВ) устанавливаются на РТП, которые являются центрами питания потребителей. В практике, на шинах вторичного напряжения (обычно на стороне 10 кВ) устанавливают БСК для компенсации реактивной мощности подстанции. Остановимся на некоторых особенностях, связанных с установкой БСК на шинах низшего напряжения подстанции с трехобмоточными трансформаторами на примере подстанции напряжением 110/35/10 кВ с двумя трансформаторами мощностью 20 MB • А каждый.
В результате компенсации реактивной нагрузки подстанции, потери активной мощности в трансформаторе снижаются на некоторую величину :
где  – потери мощности в трансформаторе до и после установки батареи статических конденсаторов соответственно, кВт,
 (6.8)
где  – активная нагрузка обмотки среднего и низшего напряжения соответственно, кВт;
 – реактивная нагрузка этих же обмоток, квар;
 – мощность, отдаваемая батареей конденсаторов в сеть, квар.
Значение потерь мощности в трансформаторе до компенсации  определяется по выражению (6.8) при значении  .
Как видно из выражения (6.8), при величине вырабатываемой конденсаторами мощности уменьшается протекающая по обмотке НН реактивная мощность на величину  и по обмотке ВН – на величину. В случае, когда  , реактивная мощность, проходящая по обмотке НН, увеличивается на величину  , которая потребляется реактивной нагрузкой обмотки СН. Если мощность, вырабатываемая конденсаторами превысит суммарную реактивную нагрузку подстанции, т.е.  то величина реактивной мощности  будет отдаваться в питающую сеть (перекомпенсация реактивной нагрузки), что крайне нежелательно, т. е. приводит к увеличению потерь мощности в обмотках ВН и НН, а, следовательно, к увеличению суммарных потерь мощности в трансформаторе.
Вследствие работы батареи статических конденсаторов, установленной на шинах НН, изменяется коэффициент мощности нагрузки  и коэффициент загрузки обмоток НН, а, следовательно, всего трансформатора.
Регулируя долю выработки реактивной мощности батарей конденсаторов, изменяем потерю мощности в питающей сети и трансформаторе и потерю напряжения на рассматриваемом участке, которая была бы вызвана протеканием доли реактивной мощности.
Для определения оптимальной емкости конденсаторов используются номограммы, которые показывают изменения напряжения и потерь мощности в трехобмоточных трансформаторах с батареями конденсаторов на стороне НН. Коэффициенты загрузки обмоток определяются из наиболее характерных для конкретной подстанции суточных графиков нагрузки.
Потери напряжения между обмотками ВН – СН и ВН – НН трехобмоточного трансформатора напряжением 110/35/10 кВ мощностью 20 MB·А составляют 5– 6,5 % и 6– 8 % соответственно от первичного напряжения. В результате компенсации реактивной нагрузки потери напряжения уменьшаются, а вторичные напряжения повышаются (могут превысить свои номинальные значения). Одновременно снижаются потери мощности в трансформаторе – величина снижения потерь мощности зависит и от степени загрузки трансформатора, и от коэффициентов мощности нагрузки.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
О.М. Закладний, А.В. Праховник, О.Ш. Соловей. Енергозбереження засобами промислового електропривода: Навчальний посібник. – К: Кондор, 2005. – 408 с.
Клевов А.В. Средства оптимизации потребления электроэнергии. – М: СОЛОН–П, 2005. – 240 с.: ил.
Копытов Ю.В., Чуланов Б.А. Экономия электроэнергии в промышленности: Справочник. – 2-е изд. – М: Энероатомиздат, 1982. – 112 с.ил.
Снижение технологического расхода электроэнергии в трансформаторных подстанциях/ В.М. Синьков, И.П. Притака, А.А. Омельчук и ДР. – К: Техніка, 1987. – 127 с., ил.
Снижение технологического расхода энергии в электрических сетях/ Ю.В. Щербина, Н.Д. Бойко, А.Н. Бутейко. – К: Техніка, 1981. 104 с.
Потери мощности и энергии в электрических сетях./ Під ред. Г.Е. Поспелова. – М: Энергоиздат, 1981. – 210 с., ил.
Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Справочник по экономии топливно-энергетических ресурсов. – К: Техніка, 1985. – 383 с., ил.
Навчальне видання
енергозбереження
Конспект лекцій
Частина перша
(для студентів спеціальності 7.090603 Електротехнічні системи споживання)
укладач:
Костянтин Вадимович Філімоненко
Редактор Л.В. Бугокова
Техн. редактор Т.М. Дрововоз
Оригінал-макет О.В. Могильна
Підписано до друку
Формат 60х84 1/16. Папір типогр. Гарнітура Times.
Друк офсетний. Умов. друк. арк. 3,0. Обл. - вид. арк.. ,
Тираж 100 прим. Вид. № . Замов. № . Ціна договірна.
Видавництво
Східноукраїнського національного університету
91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а
Адреса видавництва: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а
Телефон: 8(0642) 41-34-12. Факс: 8(0642) 41-31-60
E-mail: uni @ snu. edu. ua
http: //snu.edu.ua
|
