Статья посвящена особой группе трансформаторов, которые обеспечивают надежность работы подстанций – трансформаторам собственных нужд (ТСН). На основе подробного анализа условий функционирования трансформаторов собственных нужд представлены особенности их характеристик, а также выбор параметров и конструктивных схем ТСН.
Назначение трансформаторов собственных нужд
Использование электроэнергии предполагает ее транспортировку, трансформацию и распределение. Последние «процедуры» осуществляются на трансформаторных или распределительных подстанциях (ТРП, РП). Подстанции (ПС) – это комплекс устройств, которые обеспечивают надежность электроснабжения потребителей. Практически все эти устройства работают от электричества. Поэтому каждая ПС имеет свое электрохозяйство, и основным элементом его являются трансформаторы собственных нужд (ТСН).
Состав нагрузок собственных нужд ПС [1 - 3] зависит от класса напряжения и мощности основных трансформаторов. Для ПС класса напряжения до 220 кВ к ТСН может подключаться форсированная система охлаждения силовых трансформаторов. Трансформаторы собственных нужд должны обеспечить функционирование систем РЗиА, пожаротушения. От них запитываются обогревающие устройства шкафов и ячеек, зарядные устройства аварийного и штатного освещения. Полный перечень приёмников собственных нужд и их характеристики по ответственности и длительности включения приведены в таблице на рис. 1. Самыми значимыми, наиболее ответственными приемниками СН являются системы управления, автоматические приборы, охранное оборудование, сигнализация, релейная защита, телемеханика. Классификация приёмников собственных нужд приведена на рис. 1а. Мощности приёмников СН приведены в таблицах на рис. 1б – 1ж.
Насосы пожаротушения имеют мощность 2 кВт, количество их может составлять от 100 до 250 штук. Мощность отопления насосной станции пожаротушения – 20 кВт. Мощность, потребляемая на освещение может составлять 2,2 кВт. На отопление закрытых РУ при наружной температуре минус 20 – 40 градусов Цельсия расходуется до 100 кВт; на устройство связи – до 6 кВт, на аварийную сигнализацию до 0,2 кВт.
Как видно из перечня оборудования, снабжаемого электричеством от ТСН, значимость надежности этих трансформаторов крайне высока. Поэтому и расчет мощности, и параметры, и конструктивные особенности ТСН требуют от производителей трансформаторов самого ответственного отношения выпуску данного вида трансформаторного оборудования.
Рис. 1. Характеристики приёмников собственных нужд (СН).
Рис. 1а. Классификация приемников собственных нужд по ответственности и по длительности отключения.
Рис. 1б. Количество и мощность устройств охлаждения силовых трансформаторов 110 кВ (штук * кВт)
Рис. 1в. Количество и мощность устройств охлаждения силовых трансформаторов 220 – 500 кВ (штук * кВт)
Рис. 1г. Количество и мощность устройств охлаждения силовых трансформаторов 220 – 500 кВ (штук * кВт)
Рис. 1д. Устройства подогрева выключателей и приводов
Рис. 1е. Устройства подогрева шкафов
Рис. 1ж. Компрессорное оборудование
Особенности эксплуатации ТСН
Схема присоединения трансформатора собственных нужд (рис. 2) определяется типом оперативного тока (рис. 3 и рис. 4). На рис. 3 ТСН подключен через предохранители к вводам низкого напряжения силового трансформатора до высоковольтных выключателей. На рис. 4 приведена схема включения ТСН при постоянном оперативном токе.
Рис. 2. Трансформаторы собственных нужд (сухие), готовые к отправке.
Рис. 3. Схема подключения ТСН на ПС с переменным оперативным током
Рис. 4. Схема подключения ТСН на ПС с постоянным оперативным током
В связи с необходимостью обеспечить максимально высокую надежность работы ПС, при эксплуатации трансформаторов собственных нужд, во-первых: они запитываются от разных секций (если их два); во-вторых: никаких приемников, кроме собственных нужд к ТСН не может быть подключено; в-третьих: ТСН должны работать независимо от АВР. Также для большей надежности работы ПС ТСН подключается с применением нейтрали (заземленной или изолированной). В линию нейтрали устанавливается катушка индуктивности, которая необходима для компенсации емкостного тока при фазном замыкании на землю.
Особенности выбора количества мощности ТСН
Трансформаторные подстанции 35 кВ – 750 кВ являются двухтрансформаторными, и для обеспечения высокой надежности электроснабжения должны иметь два ТСН.
Мощности потребителей собственных нужд ПС различных мощностей с различными силовыми трансформаторами были приведены выше. Ориентировочно, нагрузку ТСН можно рассчитать по формуле:
Активная и реактивные мощности СН Р уст Q уст известны; k c – коэффициент одновременности нагрузки (равен 0,8).
При этом коэффициент загрузки должен быть менее 0,7, чтобы можно было подключать дополнительных потребителей.
Также необходимо учитывать время года. Поэтому расчетная нагрузка принимается по зимнему времени года.
Также необходимо учитывать перегрузку ТСН в аварийном режиме. Коэффициент перегрузки равен 1,4.
Мощность трансформатора собственных нужд должна перекрывать всех потребителей СН. Но, как правило, она не может превышать 630 кВА.
Конструктивные особенности ТСН
Для электропитания СН в КРУ применяются сухие трансформаторы. Это обеспечивает более простое обслуживание. В случае КРУН выбирают масляные трансформаторы, так как в случае категории размещения 1 ГОСТ запрещает использовать сухие трансформаторы.
ТСН, как правило, имеют небольшие мощности. Но при мощности ТСН более 63 кВА, он размещается вне ячейки КРУ.
Особое значение для трансформаторов собственных нужд имеет схема соединения обмоток. Подробно этот вопрос рассматривается в статьях [4, 5]. На конкретных расчетах показано, что схема соединения обмоток Y/Yн-0 совершенно не обеспечивает защиту трансформатора. Кроме того, при однофазном коротком замыкании фазные напряжения в неповрежденных фазах могут повышаться в 1,5 – 1,6 раза, что неизбежно приведет к выходу из строя аппаратуры потребителей из-за перенапряжения.
Заключение
Особая ответственность ТСН в гарантировании надежного электроснабжения определяет и особые требования к ним при их проектировании, и также необходимость высокого качества их изготовления. При этом, по мнению авторов статей [4, 5], необходима корректировка основных нормативных документов по проектированию подстанций. С учетом современного тренда цифровизации, конструкция ТСН безусловно требует коренной инновационной переработки. ТСН должен стать «умным» трансформатором.
Выражаю искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные материалы (фотографии, технические и другие данные).
Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., независимый эксперт
По любым вопросам можно связаться с автором по адресу:
direktor@rus-trans.com
Список литературы.
- Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. – Красноярск. – Издательские проекты. – 2006. – 720с.
- ТСН (трансформатор собственных нужд) как средство жизнеобеспечения электроустановки. [Электронный ресурс]. URL: https://www.kesch.ru/info/articles/tsn-transformator-sobstvennykh-nuzhd-kak-sredstvo-zhizneobespecheniya-elektroustanovki-/ (Дата обращения 28.01.2021).
- Приемники собственных нужд ПС. [Электронный ресурс]. URL: https://infopedia.su/15x5cd9.html (Дата обращения 28.01.2021).
- Фишман В.С., Федоровская А.И. Силовые трансформаторы 6(10)/0,4 кВ. Особенности применения различных схем соединения обмоток [Электронный ресурс]. URL: http://news.elteh.ru/arh/2009/60/07.php (Дата обращения 28.01.2021).
- Фишман В.С. Система питания собственных нужд подстанций 110–220 кВ. Ошибочные и нерациональные решения, дискуссионные вопросы. [Электронный ресурс]. URL: http://news.elteh.ru/arh/2011/70/05.php (Дата обращения 28.01.2021)