76
СЕТИ
РОССИИ
Обоснование
количества
трансформаторов
на проектируемых
подстанциях
Согласно нормативным требованиям к надежности электро-
снабжения понижающие подстанции выполняются таким об-
разом, чтобы обеспечивать 100%-ное резервирование при от-
ключении одного трансформатора с учетом перегрузочной
способности оставшихся в работе. В связи с ограничением до-
пускаемых перегрузок трансформаторов в аварийных режимах
применение двухтрансформаторных схем подстанций приво-
дит к недоиспользованию трансформаторной мощности и ро-
сту токов короткого замыкания на шинах 6–10 кВ. В данной ста-
тье рассмотрены подстанции с количеством трансформаторов
до четырех и дополнены анализом схемных решений и усло-
вий симметрирования загрузки оставшихся в работе транс-
форматоров после вывода в плановый или аварийный ремонт
одного из них.*
Павел МАЛКИН, к.т.н., Санкт-Петербург
п
о
д
с
т
а
н
ц
и
и
подст
анции
В
настоящее
время
стандарт
-
ным
решением
для
потре
-
бительских
подстанций
на
-
пряжением
110
кВ
и
выше
является
установка
двух
силовых
трансформаторов
.
В
связи
с
ростом
плотности
нагрузок
,
особенно
ком
-
мунально
-
бытовых
,
проектируются
и
строятся
подстанции
на
напряже
-
нии
110/10
кВ
с
трансформаторами
мощностью
2×63
и
2×80
МВ
•
А
.
До
-
стоинством
двухтрансформаторных
подстанций
является
простота
по
-
строения
схемы
распредустройств
(
на
первичном
и
вторичных
напряже
-
ниях
)
и
простота
резервирования
пи
-
тания
потребителей
при
отключении
одного
из
трансформаторов
,
плано
-
вом
или
аварийном
.
Недостатком
это
-
го
варианта
является
необходимость
единовременных
затрат
на
подстан
-
цию
в
полном
объеме
,
хотя
трансфор
-
маторы
выбираются
на
перспективу
не
менее
10
лет
с
учетом
развития
потребления
,
и
низкое
использование
трансформаторной
мощности
.
Согласно
действующим
норматив
-
ным
документам
[2]
для
обеспечения
надежного
питания
потребителей
мощность
трансформаторов
на
по
-
нижающих
подстанциях
выбирается
таким
образом
,
чтобы
при
аварийном
*
В
[1]
рассмотрены
преимущества
и
недостатки
применения
трехтрансформа
-
торных
схем
ПС
110
кВ
для
надежного
электроснабжения
потребителей
.
77
отключении
одного
трансформатора
оставшиеся
в
работе
обеспечивали
нормальное
электроснабжение
с
допустимой
перегрузкой
в
течение
времени
,
необ
-
ходимого
для
ремонта
или
замены
аварийного
транс
-
форматора
.
В
[3]
приведены
допустимые
перегрузки
остав
-
шихся
в
работе
трансформаторов
на
время
аварий
-
ного
отключения
одного
из
них
независимо
от
вида
охлаждения
трансформаторов
,
длительности
пред
-
шествующей
нагрузки
,
температуры
охлаждающей
среды
и
места
установки
.
Эти
перегрузки
составляют
только
30%
в
течение
двух
часов
ежедневно
.
В
[4]
для
условий
эксплуатации
допускаются
перегрузки
в
диа
-
пазоне
1,3–1,4
в
течение
24
часов
при
температурах
от
–10
до
0
градусов
,
расчетных
для
периода
зимнего
максимума
в
европейской
части
России
.
При
проек
-
тировании
новых
и
реконструируемых
подстанций
ис
-
пользуют
указания
[3],
то
есть
принимают
допустимые
аварийные
перегрузки
с
коэффициентом
1,3.
Нетрудно
видеть
,
что
если
на
подстанции
предус
-
мотрены
два
взаиморезервирущих
трансформатора
,
то
их
допустимая
загрузка
в
нормальном
режиме
ра
-
боты
составляет
всего
65%.
Учитывая
,
что
мощность
трансформаторов
выбирается
исходя
из
перспек
-
тивного
роста
нагрузки
на
период
не
менее
10
лет
,
оказывается
,
что
за
срок
службы
трансформаторная
мощность
используется
не
более
,
чем
на
50%.
В
то
же
время
при
установке
трех
трансформаторов
их
до
-
пустимая
загрузка
по
условию
резервирования
увели
-
чивается
до
86,7%,
а
при
четырех
—
до
97,5%.
Рассмотрим
плюсы
и
минусы
увеличения
количе
-
ства
трансформаторов
свыше
двух
на
примере
ПС
110
кВ
,
для
которой
в
классическом
варианте
пред
-
полагается
установка
двух
трансформаторов
единич
-
ной
мощностью
80
МВ
•
А
(
суммарная
установленная
мощность
160
МВ
•
А
).
Допустимая
загрузка
трансфор
-
маторов
в
нормальном
режиме
по
условию
резер
-
вирования
составляет
при
этом
80 × 1,3 = 104
МВ
•
А
.
В
качестве
альтернативы
рассмотрим
установку
трех
трансформаторов
единичной
мощностью
40
МВ
•
А
(
суммарная
установленная
мощность
120
МВ
•
А
,
допу
-
стимая
загрузка
такая
же
— 104
МВ
•
А
)
или
4×25
МВ
•
А
(
суммарная
установленная
мощность
100
МВ
•
А
,
до
-
пустимая
загрузка
близка
к
базовому
варианту
и
со
-
ставляет
75 × 1,3 = 97,5
МВ
•
А
).
ТОК
КОРОТКОГО
ЗАМЫКАНИЯ
(
ТКЗ
)
НА
ШИНАХ
6–10
КВ
Увеличение
количества
трансформаторов
с
со
-
ответствующим
снижением
их
единичной
мощности
позволяет
снизить
не
только
суммарную
мощность
,
но
и
проще
решать
проблемы
строительства
,
эксплу
-
атации
и
ограничения
токов
короткого
замыкания
на
шинах
вторичного
напряжения
.
На
рисунке
1
приведены
значения
токов
короткого
замыкания
в
зависимости
от
мощности
трансформа
-
торов
и
расщепления
обмоток
.
Как
видно
из
рисунка
1,
при
питании
секции
10
кВ
от
трансформатора
80
МВ
•
А
ТКЗ
на
секции
соста
-
вил
бы
38
кА
,
и
для
его
снижения
требуется
либо
расщепление
обмоток
(
с
соответствующим
увели
-
чением
количества
секций
10
кВ
),
либо
применение
токоограничивающих
реакторов
на
вводах
.
В
случае
трансформаторов
40
МВ
•
А
ТКЗ
составит
20
кА
,
а
при
25
МВ
•
А
— 13
кА
,
что
позволяет
обходиться
без
рас
-
щепления
обмоток
и
без
реакторов
.
Необходимость
снижения
ТКЗ
становится
еще
более
очевидной
для
ПС
с
вторичным
напряжением
6
кВ
,
когда
расще
-
пление
или
применение
реакторов
(
а
иногда
и
то
,
и
другое
)
становятся
обязательным
.
Такая
проблема
нередко
возникает
при
реконструкции
действующих
старых
ПС
.
ПОТЕРИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В
ТРАНСФОРМАТОРАХ
Потери
электроэнергии
складываются
из
потерь
холостого
хода
(
потери
в
стали
)
и
нагрузочных
потерь
(
потери
в
меди
).
С
увеличением
количества
включен
-
ных
трансформаторов
потери
холостого
хода
растут
,
а
нагрузочные
потери
падают
.
Это
обстоятельство
позволяет
минимизировать
потери
,
варьируя
количе
-
ство
включенных
трансформаторов
в
зависимости
от
их
загрузки
.
На
рисунке
2
приведены
зависимости
потерь
элек
-
троэнергии
в
трансформаторах
от
расчетной
нагрузки
в
предположении
,
что
количество
включенных
транс
-
форматоров
выбирается
так
,
чтобы
сумма
нагрузоч
-
ных
потерь
и
потерь
холостого
хода
была
бы
мини
-
мальна
.
Каталожные
потери
мощности
холостого
хода
и
нагрузочные
потери
при
номинальной
нагрузке
приняты
из
[4].
Годовые
потери
электроэнергии
холо
-
стого
хода
определены
при
числе
часов
8760,
нагру
-
зочные
потери
—
при
числе
часов
потерь
3500.
0
10
20
30
40
50
60
70
25
40
63
80
ТКЗ, кА
Мощность трансформатора, МВА
6 кВ, нерасщ.
6 кВ, расщ.
10 кв, нерасщ.
10 кВ, расщ.
нерасщепл.
расщепл.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Потери
электроэнергии,
тыс. кВт•ч
Нагрузка, МВА
мин. потерь 2 × 80
мин. потерь 3 × 40
мин. потерь 4 × 25
Рис
. 1.
Токи
короткого
замыкания
на
шинах
вторичного
напряжения
Рис
. 2.
Годовые
потери
электроэнергии
в
трансформаторах
110/
н
кВ
№
3 (36) 2016
78
СЕТИ РОССИИ
Хотя
относительная
загрузка
трех
трансформато
-
ров
выше
,
чем
двух
(
из
-
за
меньшей
суммарной
мощ
-
ности
)
и
нагрузочные
потери
выше
,
потери
холосто
-
го
хода
в
трех
трансформаторах
по
той
же
причине
меньше
.
В
результате
потери
электроэнергии
в
трех
трансформаторах
не
выше
,
а
при
нагрузке
ПС
до
40
МВ
•
А
даже
ниже
,
чем
в
двух
.
При
четырех
транс
-
форматорах
влияние
меньшей
суммарной
мощности
оказывается
сильнее
,
в
результате
чего
потери
элек
-
троэнергии
несколько
больше
при
суммарной
нагруз
-
ке
ПС
свыше
30
МВ
•
А
.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ
СХЕМНЫЕ
РЕШЕНИЯ
Рассмотрим
схемные
решения
для
подстанций
с
вторичным
напряжением
10
кВ
.
На
рисунке
3
приведена
принципиальная
традици
-
онная
схема
подстанции
с
двумя
трансформаторами
с
расщепленными
обмотками
,
каждая
из
которых
при
-
соединена
к
своей
секции
10
кВ
.
На
рисунке
4
а
приведена
схема
с
тремя
транс
-
форматорами
,
каждый
из
которых
питает
свою
секцию
10
кВ
в
нормальном
режиме
,
а
на
рисунке
5
а
—
аналогичная
схема
ПС
с
четырьмя
трансфор
-
маторами
.
Цифры
у
трансформаторов
показывают
их
наибольшую
допустимую
относительную
загрузку
в
нормальном
режиме
,
а
цифры
у
потребителей
—
распределение
их
нагрузки
между
секциями
.
Схемы
распредустройств
110
кВ
показаны
условно
,
они
могут
быть
любыми
в
зависимости
от
количества
присоеди
-
нений
на
стороне
110
кВ
.
В
общем
случае
увеличение
числа
трансформаторов
может
потребовать
увели
-
чения
количества
выключателей
на
1–2
единицы
.
На
рисунках
4
б
и
5
б
показаны
распределения
нагрузок
(
по
отношению
к
нормальному
режиму
)
между
остав
-
шимися
в
работе
трансформаторами
после
вывода
одного
из
них
в
плановый
или
аварийный
ремонт
.
При
наличии
на
подстанции
трех
или
четырех
трансформаторов
отключение
одного
из
них
приво
-
дит
к
отключению
присоединений
к
соответствующей
секции
,
и
потребители
переводятся
на
оставшиеся
в
работе
трансформаторы
.
В
этом
режиме
должна
быть
обеспечена
равномерная
загрузка
оставшихся
в
работе
трансформаторов
,
чтобы
не
превысить
их
допустимую
перегрузку
.
По
условию
надежного
питания
потребителей
(
сейчас
городские
потребители
практически
все
пер
-
вой
категории
)
они
должны
питаться
по
двум
кабелям
от
разных
независимых
секций
.
Чтобы
обеспечить
подключение
каждого
потребителя
к
разным
секциям
,
эти
секции
надо
располагать
не
рядом
,
а
параллель
-
но
,
чтобы
избежать
пересечения
кабелей
на
подходе
к
РУ
.
При
этом
потребители
должны
распределяться
по
секциям
как
можно
равномернее
,
чтобы
миними
-
зировать
потери
в
трансформаторах
по
ПС
в
целом
.
Если
указанные
условия
для
нормального
режима
выполнены
,
то
для
трехтрансформаторной
ПС
про
-
блемы
равномерности
загрузки
трансформаторов
Рис
. 3.
Схема
ПС
110/10
кВ
с
трансформаторами
2×80
МВ
•
А
Рис
. 4
а
.
Схема
ПС
110/10
кВ
с
тремя
трансформаторами
(
нормальный
режим
)
Рис
. 4
б
.
Схема
ПС
110/10
кВ
с
тремя
трансформатора
-
ми
(
вывод
в
ремонт
одного
трансформатора
)
110 кВ
2х80 МВА
10 кВ
110 кВ
3х40(25) МВА
10 кВ
I
II
III
0,866
0,866
0,866
0,433 0,433
0,433 0,433
0,433 0,433
110 кВ
3х40(25) МВА
10 кВ
I
II
III
1,3
0
0,866
0,433 0,433
0,866
1,3
79
Рис
. 5
а
.
Схема
ПС
110/10
кВ
с
четырьмя
трансформаторами
(
нормальный
режим
)
Рис
. 5
б
.
Схема
ПС
110/10
кВ
с
четырьмя
трансформа
-
торами
(
вывод
в
ремонт
одного
трансформатора
)
после
отключения
одного
из
них
не
возникает
.
На
-
грузка
кабелей
,
подключенных
к
секции
,
потерявшей
питание
от
трансформатора
,
переходит
на
кабели
,
подключенные
к
двум
оставшимся
в
работе
секциям
.
Перегрузка
трансформаторов
при
этом
не
превы
-
сит
предусмотренного
при
проектировании
значения
1,3
от
их
номинальной
мощности
.
При
четырех
трансформаторах
после
отключения
одного
из
них
нагрузка
потерявшей
питание
секции
распределяется
только
между
двумя
рабочими
,
в
ре
-
зультате
чего
один
трансформатор
остается
с
нагруз
-
кой
нормального
режима
,
а
два
других
могут
оказаться
перегруженными
.
Чтобы
этого
избежать
,
можно
пред
-
ложить
отключение
части
парных
кабелей
от
перегру
-
женных
секций
(
например
,
одно
из
присоединений
,
выделенных
серым
цветом
),
что
позволит
перевести
отключаемую
нагрузку
на
недогруженный
трансфор
-
матор
и
тем
самым
выровнять
загрузку
трансформа
-
торов
.
Этот
процесс
несложно
автоматизировать
.
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ
АСПЕКТ
Преимуществом
трех
-
и
четырехтрансформатор
-
ных
ПС
является
возможность
поэтапного
развития
от
двухтрансформаторной
с
постепенной
установкой
дополнительных
единиц
по
мере
роста
нагрузки
.
Это
особенно
актуально
в
современных
условиях
,
когда
неопределенность
в
росте
перспективных
нагрузок
существенно
возросла
и
имеется
тенденция
к
их
за
-
вышению
.
В
ряде
случаев
вообще
может
оказаться
,
что
установка
третьего
и
четвертого
трансформатора
не
потребуется
из
-
за
отсутствия
или
сниженного
ро
-
ста
заявленных
перспективных
нагрузок
.
Стоимость
ячеек
трех
трансформаторов
мощно
-
стью
40
МВ
•
А
превышает
стоимость
двух
ячеек
мощ
-
ностью
80
МВ
•
А
всего
на
7–8%,
такое
же
соотношение
имеет
место
для
четырех
ячеек
мощностью
25
МВ
•
А
.
В
то
же
время
на
начальном
этапе
развития
капиталь
-
ные
вложения
могут
быть
существенно
снижены
,
так
как
стоимость
двух
трансформаторов
40
МВ
•
А
со
-
ставляет
72%
от
стоимости
двух
трансформаторов
80
МВ
•
А
,
а
двух
трансформаторов
25
МВ
•
А
только
54% (
цены
взяты
из
[5]
для
2000
г
.).
Преимуществом
трехтрансформаторных
подстан
-
ций
при
строительстве
и
эксплуатации
является
при
-
менение
менее
мощных
трансформаторов
с
меньшим
весом
и
габаритом
(
что
в
ряде
случаев
,
например
,
при
проблемах
с
транспортировкой
,
является
реша
-
ющим
),
и
с
более
простой
системой
охлаждения
.
Что
касается
надежности
электроснабжения
,
то
подстан
-
ции
с
увеличенным
количеством
трансформаторов
также
имеют
преимущество
,
так
как
даже
при
выходе
из
работы
двух
трансформаторов
электроснабжение
потребителей
частично
сохраняется
.
ВЫВОД
При
сооружении
мощных
подстанций
110
кВ
с
на
-
грузкой
свыше
50
МВ
•
А
и
свыше
80
МВ
•
А
в
качестве
альтернативного
варианта
типовому
исполнению
с
трансформаторами
2×63
и
2×80
МВ
•
А
могут
рас
-
сматриваться
как
более
надежные
и
не
менее
эконо
-
мичные
варианты
подстанций
с
тремя
или
четырьмя
трансформаторами
мощностью
до
40
МВ
•
А
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Васильев
А
.
П
.,
Малкин
П
.
А
.
Применение
трех
-
трансформаторных
подстанций
110
кВ
для
обеспе
-
чения
надежного
электроснабжения
потребителей
//
Новое
в
Российской
электроэнергетике
, 2013,
№
2.
М
.:
Энергопресс
.
2.
Нормы
технологического
проектирования
под
-
станций
переменного
тока
с
высшим
напряжением
35–750
кВ
(
НТП
ПС
).
Стандарт
организации
.
ОАО
«
ФСК
ЕЭС
», 2009.
3.
Правила
технической
эксплуатации
электрических
станций
и
сетей
.
М
., 2003. 264
с
.
4.
Инструкция
по
эксплуатации
трансформаторов
.
Стандарт
организации
ОАО
«
ФСК
ЕЭС
»
СТО
56947007-29.180.01.116-2012
5.
Справочник
по
проектированию
электрических
се
-
тей
.
Под
ред
.
Д
.
Л
.
Файбисовича
. 3-
е
изд
,
перераб
.
и
доп
.
М
.:
ЭНАС
, 2009. 392
с
.:
ил
.
110 кВ
4х40(25) МВА
10 кВ
I
II
III
IV
0,975
0,975
0,975
0,975
0,4875 0,4875 0,4875
0,4875
0,4875
0,4875
0,4875
0,4875
110 кВ
4х40(25) МВА
10 кВ
I
II
III
IV
0
1,46
0,975
1,46
0,975 0,4875
0,4875
0,975
0,4875
0,4875
№
3 (36) 2016
Оригинал статьи: Обоснование количества трансформаторов на проектируемых подстанциях
Согласно нормативным требованиям к надежности электроснабжения понижающие подстанции выполняются таким образом, чтобы обеспечивать 100%-ное резервирование при отключении одного трансформатора с учетом перегрузочной способности оставшихся в работе. В связи с ограничением допускаемых перегрузок трансформаторов в аварийных режимах применение двухтрансформаторных схем подстанций приводит к недоиспользованию трансформаторной мощности и росту токов короткого замыкания на шинах 6–10 кВ. В данной статье эти положения распространены на подстанции с количеством трансформаторов до четырёх и дополнены анализом схемных решений и условий симметрирования загрузки оставшихся в работе трансформаторов после вывода в плановый или аварийный ремонт одного из них.
