Методология расчета трехфазного трехобмоточного трансформатора и выбора электрооборудования для курсового проекта

В современном мире, где электрическая энергия является движущей силой экономики и повседневной жизни, надежность и эффективность систем электроснабжения приобретают первостепенное значение. Курсовой проект по электроснабжению или электроэнергетике, посвященный расчету трехфазного трехобмоточного трансформатора и выбору сопутствующего электрооборудования, является краеугольным камнем в подготовке будущих инженеров-электриков. Такие проекты не только формируют глубокое понимание принципов работы сложных энергетических объектов, но и развивают критическое мышление, необходимое для решения реальных инженерных задач.

Трехобмоточные трансформаторы играют ключевую роль в распределительных сетях высокого и среднего напряжения, обеспечивая связь между различными классами напряжения и позволяя оптимально управлять потоками мощности. Их уникальная конструкция, включающая три независимые обмотки, создает гибкость в эксплуатации, но при этом усложняет расчеты и выбор защитного оборудования. Целевая аудитория данного руководства — студенты технических вузов, обучающиеся по специальностям, связанным с электроэнергетикой, электроснабжением и электромеханикой.

Цель данного материала — предоставить исчерпывающее руководство, которое поможет студентам выполнить курсовой проект, охватывающий весь спектр вопросов: от теоретических основ и математического аппарата до практических аспектов выбора оборудования и требований нормативно-технической документации. Мы рассмотрим каждый этап проектирования подстанции с трехобмоточным трансформатором, стремясь к максимальной детализации и ясности изложения, чтобы обеспечить не только успешную сдачу проекта, но и глубокое усвоение материала.

Теоретические основы и математический аппарат расчета трехобмоточных трансформаторов

В основе любого инженерного расчета лежит глубокое понимание физических принципов и математических моделей, описывающих поведение электрических машин. Трехобмоточный трансформатор, будучи одним из самых универсальных элементов электрической сети, не является исключением. Его расчет требует особого подхода, учитывающего взаимодействие трех обмоток, работающих на разных уровнях напряжения.

Схема замещения трехобмоточного трансформатора

Для упрощения анализа и расчетов трехобмоточный трансформатор в электрических схемах традиционно представляется так называемой трехлучевой звездообразной схемой замещения. Эта схема, по своей сути, является идеализированной моделью, которая позволяет разложить сложный электромагнитный процесс на отдельные, более понятные компоненты. Каждый «луч» этой звезды соответствует одной из трех обмоток трансформатора – высшего напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низшего напряжения (НН). Каждая ветвь включает в себя активное и индуктивное сопротивления, которые характеризуют потери энергии и реактивное сопротивление соответствующей обмотки.

Одним из важнейших принципов при работе с такими схемами является приведение всех сопротивлений к одной базовой ступени напряжения, что позволяет унифицировать расчеты и избежать ошибок, связанных с различными коэффициентами трансформации между обмотками. Чаще всего в качестве такой базисной обмотки выбирается обмотка высшего напряжения, и в результате все параметры схемы замещения (сопротивления, проводимости) будут выражены в единой системе отсчета, что значительно упрощает анализ режимов работы и токов короткого замыкания.

Определение параметров схемы замещения на основе опытов

Параметры схемы замещения не берутся «из воздуха». Они определяются на основе реальных испытаний трансформатора, которые позволяют измерить его электрические характеристики в различных режимах работы. Для трехобмоточного трансформатора, в отличие от двухобмоточного, требуется более обширный комплекс испытаний.

Опыт холостого хода

Первым шагом в определении параметров схемы замещения является проведение опыта холостого хода. Суть этого опыта заключается в том, что на одну из обмоток трансформатора (обычно на обмотку низшего напряжения для повышающих трансформаторов или на обмотку высшего напряжения для понижающих) подается номинальное напряжение, а остальные обмотки остаются разомкнутыми. В этом режиме измеряются ток холостого хода, напряжение и активная мощность холостого хода.

По результатам этого опыта определяются так называемые активная (G_Т) и реактивная (B_Т) проводимости ветви намагничивания схемы замещения. Эти проводимости характеризуют потери в стали магнитопровода (гистерезис и вихревые токи) и реактивную мощность, необходимую для создания магнитного потока. Расчет этих проводимостей аналогичен методике, применяемой для двухобмоточных трансформаторов. В схеме замещения эти проводимости обычно подключаются со стороны первичной обмотки, что обеспечивает корректное отражение потерь и намагничивающего тока.

Опыты короткого замыкания

После опыта холостого хода следует серия опытов короткого замыкания – наиболее информативных для определения сопротивлений обмоток. Для трехобмоточного трансформатора таких опытов требуется три, поскольку необходимо определить характеристики каждой из трех пар обмоток: высшего-среднего напряжения (ВН-СН), высшего-низшего напряжения (ВН-НН) и среднего-низшего напряжения (СН-НН).

Проведение этих опытов требует строгого соблюдения методики. При испытании конкретной пары обмоток одна из них закорачивается (например, с помощью проводников минимальной длины, рассчитанных на ток КЗ), а другая обмотка этой пары питается от источника напряжения. Важно, что третья, не участвующая в опыте обмотка, должна оставаться разомкнутой. Это позволяет изолировать влияние измеряемой пары обмоток от других частей трансформатора. Например, для трансформаторов большой мощности, где обмотки могут располагаться последовательно (ВН-СН-НН), последовательность опытов может быть следующей:

1. ВН-СН: обмотка СН закорачивается, питание подается на обмотку ВН, обмотка НН разомкнута.
2. ВН-НН: обмотка НН закорачивается, питание подается на обмотку ВН, обмотка СН разомкнута.
3. СН-НН: обмотка НН закорачивается, питание подается на обмотку СН, обмотка ВН разомкнута.

По результатам этих опытов определяются паспортные данные трансформатора: напряжения короткого замыкания (U_к) и потери короткого замыкания (ΔP_к) для каждой испытанной пары обмоток. Например, U_к.ВН-СН, U_к.ВН-НН, U_к.СН-НН и соответствующие активные потери ΔP_к.ВН-СН, ΔP_к.ВН-НН, ΔP_к.СН-НН. Эти величины нормируются и приводятся в технических характеристиках трансформатора.

Важно помнить, что паспортные данные соответствуют номинальному режиму. При расчетах фактических падений напряжения и потерь короткого замыкания при заданных вторичных мощностях требуется пересчет. Падение напряжения практически изменяется пропорционально мощности, а потери короткого замыкания – пропорционально квадрату мощности. Это означает, что при изменении нагрузки, эти параметры будут меняться нелинейно. Также стоит отметить, что напряжение рассеяния (которое тесно связано с напряжением короткого замыкания) между обмотками, находящимися на разных концах магнитопровода (например, ВН и НН при расположении ВН-СН-НН), будет значительно большим, так как оно включает в себя два канала рассеяния между обмотками 1-2 и 2-3, а также радиальный размер промежуточной обмотки.

Расчет активных сопротивлений лучей схемы замещения

Определив потери короткого замыкания для каждой пары обмоток (ΔP_к.ВН-СН, ΔP_к.ВН-НН, ΔP_к.СН-НН), мы можем перейти к расчету активных сопротивлений каждого «луча» звездообразной схемы замещения. Эти сопротивления отражают активные потери в меди обмоток.

Сначала необходимо определить составляющие потерь короткого замыкания для каждой отдельной обмотки, приведенные к номинальной мощности. Это делается по следующим формулам:


ΔPкВ = 0.5 ⋅ (ΔPк.ВН-СН + ΔPк.ВН-НН - ΔPк.СН-НН)
ΔPкС = 0.5 ⋅ (ΔPк.ВН-СН + ΔPк.СН-НН - ΔPк.ВН-НН)
ΔPкН = 0.5 ⋅ (ΔPк.ВН-НН + ΔPк.СН-НН - ΔPк.ВН-СН)


Где:

• ΔP_кВ, ΔP_кС, ΔP_кН — потери короткого замыкания обмоток высшего, среднего и низшего напряжений соответственно, приведенные к номинальной мощности трансформатора.

После того как известны потери для каждой обмотки, можно рассчитать их активные сопротивления. Если сопротивления приводятся к номинальной мощности базисной ступени, то формулы принимают следующий вид:


RВ = (ΔPкВ ⋅ UномВ2) / SномВ2
RС = (ΔPкС ⋅ UномС2) / SномС2
RН = (ΔPкН ⋅ UномН2) / SномН2


Где:

• R_В, R_С, R_Н — активные сопротивления обмоток высшего, среднего и низшего напряжений соответственно.
• U_номВ, U_номС, U_номН — номинальные напряжения обмоток ВН, СН, НН.
• S_номВ, S_номС, S_номН — номинальные мощности обмоток ВН, СН, НН.

Расчет индуктивных сопротивлений лучей схемы замещения

Параллельно с расчетом активных сопротивлений определяется и индуктивная составляющая. Индуктивные сопротивления лучей звезды схемы замещения характеризуют потоки рассеяния трансформатора и играют ключевую роль в расчете токов короткого замыкания и падений напряжения. Методика их определения аналогична той, что используется для двухобмоточных трансформаторов, но адаптирована для трех обмоток с использованием данных по напряжениям короткого замыкания между парами обмоток.

Сначала определяются составляющие напряжения короткого замыкания для каждой отдельной обмотки, приведенные к номинальной мощности:


UкВ = 0.5 ⋅ (Uк.ВН-СН + Uк.ВН-НН - Uк.СН-НН)
UкС = 0.5 ⋅ (Uк.ВН-СН + Uк.СН-НН - Uк.ВН-НН)
UкН = 0.5 ⋅ (Uк.ВН-НН + Uк.СН-НН - Uк.ВН-СН)


Где:

• U_кВ, U_кС, U_кН — напряжения короткого замыкания обмоток высшего, среднего и низшего напряжений соответственно (в %).

Затем, индуктивные сопротивления лучей звезды схемы замещения (приведенные к номинальной мощности базисной ступени) могут быть определены по формулам:


XВ = (UкВ / 100) ⋅ UномВ2 / SномВ
XС = (UкС / 100) ⋅ UномС2 / SномС
XН = (UкН / 100) ⋅ UномН2 / SномН


Где:

• X_В, X_С, X_Н — индуктивные сопротивления обмоток высшего, среднего и низшего напряжений соответственно.
• U_номВ, U_номС, U_номН — номинальные напряжения обмоток ВН, СН, НН.
• S_номВ, S_номС, S_номН — номинальные мощности обмоток ВН, СН, НН.

Номинальная мощность и исполнения обмоток трехобмоточного трансформатора

Важный аспект, который часто упускается из виду, заключается в определении номинальной мощности трехобмоточного трансформатора. В отличие от двухобмоточных, где номинальная мощность одна, у трехобмоточных она принимается равной наибольшей из номинальных мощностей его обмоток. Именно на эту максимальную мощность трансформатор проектируется и рассчитывается по условиям нагрева. Это критически важно, поскольку перегрузка любой из обмоток может привести к недопустимому перегреву и выходу трансформатора из строя.

Трехобмоточные трансформаторы имеют различные исполнения обмоток, что отражается в их мощностных характеристиках. Эти исполнения обычно выражаются в процентном соотношении номинальных мощностей каждой обмотки по отношению к полной номинальной мощности трансформатора, определяющей его габариты и нагрев. Рассмотрим основные варианты:

• 100% / 100% / 100%: Это означает, что каждая из трех обмоток (ВН, СН, НН) рассчитана на полную номинальную мощность трансформатора. Такое исполнение обеспечивает максимальную гибкость в распределении мощности между потребителями, подключенными к разным обмоткам.
• 100% / 100% / 66.7%: В этом случае обмотки ВН и СН рассчитаны на полную номинальную мощность, а обмотка НН – на 66.7% от номинальной. Это может быть обусловлено меньшими ожидаемыми нагрузками на низковольтную сторону или экономическими соображениями при проектировании.
• 100% / 66.7% / 66.7%: Здесь обмотка ВН рассчитана на полную мощность, а обмотки СН и НН – на 66.7%. Этот вариант может быть актуален, например, для трансформаторов, где среднее и низшее напряжения используются для питания менее ответственных или менее мощных потребителей.

Понимание этих исполнений крайне важно для правильного выбора трансформатора под конкретные нагрузки и для корректного расчета режимов его работы.

Потери мощности в трехобмоточном трансформаторе

Как и любая электрическая машина, трансформатор не является идеальным и имеет потери энергии. Эти потери традиционно делятся на два основных типа: потери в стали и потери в меди.

• Потери в стали (потери холостого хода): Эти потери обусловлены перемагничиванием сердечника (потери на гистерезис) и вихревыми токами в нем. Они зависят преимущественно от приложенного напряжения и частоты, а также от качества магнитной стали. Определяются эти потери в ходе опыта холостого хода, когда обмотки не нагружены.
• Потери в меди (нагрузочные потери): Эти потери возникают из-за протекания тока по обмоткам трансформатора и связаны с активным сопротивлением проводников. Они зависят от квадрата тока нагрузки и, соответственно, от мощности, передаваемой трансформатором. Нагрузочные потери определяются по параметрам схемы замещения (активным сопротивлениям обмоток) или по паспортным данным трансформатора, полученным в опытах короткого замыкания.

Для трехобмоточного трансформатора общие потери в меди определяются как сумма потерь мощности в каждой из трех обмоток. Это подчеркивает комплексный характер расчета и необходимость учета всех трех каналов передачи энергии. Детальный расчет потерь позволяет оценить эффективность трансформатора и его вклад в общие потери энергии в электрической сети.

Расчет электрических нагрузок подстанций с трехобмоточными трансформаторами

Расчет электрических нагрузок — это не просто арифметическая задача, а стратегический этап проектирования любой системы электроснабжения. Определение будущих нагрузок на подстанцию с трехобмоточным трансформатором является фундаментом, на котором строится вся дальнейшая работа по выбору оборудования и обеспечению надежности электроснабжения.

Значение и последствия неточного расчета нагрузок

Как утверждают специалисты, расчет электрических нагрузок является наиболее ответственным этапом при проектировании системы электроснабжения предприятий и определяет размер капитальных вложений. И это утверждение далеко не преувеличение. Неточность в расчетах может иметь далеко идущие экономические и эксплуатационные последствия, затрагивающие как бюджет проекта, так и надежность будущей системы:

• Завышение расчетных нагрузок: ведет к неоправданному увеличению капитальных вложений. Это выражается в перерасходе материалов (более толстые кабели, шины), выборе излишне мощного и дорогостоящего оборудования (трансформаторы, коммутационные аппараты), что, в свою очередь, увеличивает потери холостого хода и снижает эффективность работы системы при недогрузке.
• Занижение расчетных нагрузок: чревато гораздо более серьезными проблемами. Оно может привести к ускоренному износу оборудования из-за постоянных перегрузок, значительному увеличению потерь мощности и энергии в недоразмеренных проводниках и трансформаторах, а в критических случаях — к повреждениям электрооборудования, аварийным отключениям и длительным перерывам в электроснабжении. В худшем сценарии это может потребовать кардинальной перестройки всей системы электроснабжения, что повлечет за собой огромные финансовые и временные затраты.

Таким образом, точность расчета нагрузок напрямую влияет на экономическую целесообразность, техническую надежность и безопасность всей электроэнергетической системы. Определение расчетных электрических нагрузок производится для выбора мощности и числа трансформаторов подстанций, сечения проводов и жил кабелей, а также коммутационной аппаратуры.

Методы определения расчетных нагрузок

Для определения расчетных электрических нагрузок разработано несколько основных методов, каждый из которых имеет свою область применения и степень точности. К ним относятся:

• Метод удельного расхода электроэнергии: Основан на статистических данных о потреблении электроэнергии аналогичными объектами или технологическими процессами на единицу продукции или площади. Применяется для предварительных расчетов на ранних стадиях проектирования.
• Метод технологического графика работы электроприемников: Требует детального анализа режимов работы каждого электроприемника, их синхронизации и коэффициентов загрузки. Обеспечивает высокую точность, но трудоемок.
• Статистический метод: Использует данные о фактических нагрузках на существующих аналогичных объектах за длительный период. Позволяет выявить закономерности и экстраполировать их на проектируемую систему.
• Метод упорядоченных диаграмм: Является одним из наиболее распространенных методов, особенно для напряжений до 1 кВ, и применяется преимущественно при проектировании цехового электроснабжения. Суть метода заключается в установлении связи между расчетной мощностью нагрузки и показателями режимов работы электроприемников группы. Он базируется на определении установленной мощности группы электроприемников (P_уст), группового коэффициента использования мощности (K_исп) и эффективного числа электроприемников (N_э). После чего с использованием специальных номограмм или таблиц определяется коэффициент расчетной активной нагрузки (K_р).

Метод коэффициента спроса (K_С) и расчетного коэффициента (K_р)

Метод коэффициента спроса (K_С) часто используется для определения расчетной нагрузки по простой формуле:


Pрасч = ΣPуст ⋅ KС


Где:

• P_расч — расчетная активная мощность.
• ΣP_уст — сумма установленных мощностей всех электроприемников.
• K_С — коэффициент спроса, который учитывает одновременность работы электроприемников и их загрузку. Значения K_С обычно берутся из справочных таблиц или нормативных документов для различных типов производств и электроприемников.

При расчете электрических нагрузок групп электроприемников также широко применяется расчетный коэффициент K_р. Его определение производится по номограммам или табличным значениям, когда известны эффективное число электроприемников (N_э) и коэффициент использования (K_исп). Эффективное число электроприемников учитывает не только их количество, но и неравномерность потребления мощности.

Нормативная база расчета нагрузок

Фундаментальным документом, регламентирующим методики расчета электрических нагрузок, являются «Указания по расчету электрических нагрузок», разработанные Всероссийским научно-исследовательским проектно-конструкторским институтом Тяжпромэлектропроект. Полное наименование этого ключевого документа — «РД 34.20.185-94 Инструкция по проектированию городских электрических сетей», которая была утверждена и введена в действие с 01.01.1995 г. взамен ранее действовавшей «Инструкции по проектированию городских и поселковых электрических сетей», ВСН 97-83. Этот документ является настольной книгой для каждого проектировщика и содержит подробные методики, коэффициенты и рекомендации для различных типов объектов.

Особенности расчета для потребителей повторно-кратковременного режима

Отдельного внимания заслуживает расчет нагрузок для потребителей, работающих в повторно-кратковременном режиме (например, подъемно-транспортные механизмы, сварочные аппараты, прессы). Для таких электроприемников номинальная мощность, указанная в паспорте, соответствует определенной продолжительности включения (ПВ, выраженной в процентах). Однако при выборе сечения проводников и коммутационной аппаратуры необходимо привести эту мощность к продолжительности включения 100%. Это делается путем умножения номинальной мощности на квадратный корень из отношения ПВ к 100%:


Pрасч = Pном ⋅ √(ПВ / 100)


Где:

• P_расч — расчетная мощность, приведенная к 100% ПВ.
• P_ном — номинальная мощность электроприемника.
• ПВ — продолжительность включения в процентах.

Такой подход позволяет корректно оценить тепловое воздействие тока на проводники и обеспечить их надежную работу без перегрева.

Расчет токов короткого замыкания в сетях с трехобмоточными трансформаторами

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) – это одна из самых ответственных и сложных задач в электроэнергетическом проектировании. Его результаты напрямую влияют на безопасность эксплуатации, надежность электрооборудования и корректность работы устройств релейной защиты. В сетях с трехобмоточными трансформаторами этот расчет приобретает дополнительные нюансы из-за более сложной схемы замещения.

Назначение и виды расчетов токов КЗ

Основное назначение расчета токов КЗ – это проверка коммутационной аппаратуры (выключателей, предохранителей) и проводников (кабелей, шин) на термическую и динамическую стойкость к токам короткого замыкания. То есть, оборудование должно выдерживать кратковременные, но очень большие токи без разрушения. Помимо этого, расчеты КЗ жизненно важны для проверки чувствительности и селективности действия релейных защит, которые должны четко и быстро отключать поврежденные участки сети, минимизируя последствия аварии.

В электроустановках переменного тока напряжением выше 1000 В при расчете токов КЗ определяются несколько ключевых значений:

• Начальное значение периодической составляющей тока КЗ (I»_к): Максимальное действующее значение периодической составляющей тока в первый полупериод после возникновения КЗ.
• Апериодическая составляющая тока КЗ (i_а.к): Появляется из-за индуктивности цепи и представляет собой экспоненциально затухающую составляющую.
• Ударный ток КЗ (i_уд): Максимальное мгновенное значение тока КЗ, включающее периодическую и апериодическую составляющие. Он определяет динамическое воздействие тока на оборудование.
• Действующее значение периодической составляющей тока КЗ в произвольный момент времени (I_к(t)): Используется для оценки термического воздействия тока КЗ в течение всего его протекания.

Построение схемы замещения для расчетов КЗ

Для выполнения расчетов токов КЗ составляется эквивалентная схема замещения электрической сети. В эту схему включаются все активные (R) и индуктивные (X) сопротивления элементов цепи от источника питания до точки короткого замыкания. Источники питания (генераторы, внешняя сеть) на схеме замещения замещаются источниками ЭДС за комплексными сопротивлениями, а пассивные элементы (линии электропередачи, трансформаторы) – соответствующими комплексными сопротивлениями. Для трехобмоточного трансформатора используется трехлучевая звездообразная схема замещения, параметры которой были определены ранее.

Расчет токов несимметричных КЗ

В реальных электрических сетях короткие замыкания редко бывают симметричными (трехфазными). Гораздо чаще встречаются несимметричные виды КЗ, такие как однофазные замыкания на землю, двухфазные замыкания или двухфазные замыкания на землю. Для расчета токов таких несимметричных КЗ применяется метод симметричных составляющих. Этот метод требует составления трех независимых схем замещения:

• Схема замещения прямой последовательности: Описывает поведение системы при симметричной нагрузке.
• Схема замещения обратной последовательности: Используется для анализа несимметричных составляющих тока.
• Схема замещения нулевой последовательности: Критически важна для расчетов замыканий на землю.

Для трансформаторов с соединением обмоток типа «треугольник»/«звезда с глухозаземленной нейтралью» (Δ/Y₀) существует важная особенность. При коротком замыкании в сети низшего напряжения активные и индуктивные сопротивления нулевой последовательности принимаются равными соответствующим сопротивлениям прямой последовательности. Это объясняется тем, что обмотка, соединенная по схеме «треугольник», является замкнутым контуром для токов нулевой последовательности, что обеспечивает их свободное протекание.

Учет регулирования напряжения под нагрузкой (РПН)

Современные мощные трансформаторы часто оснащаются устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), которые позволяют изменять коэффициент трансформации без отключения потребителей. Это оказывает влияние на токи КЗ. При расчете токов КЗ в сетях с трансформаторами, оборудованными РПН, приведение сопротивлений должно выполняться для двух крайних положений переключателя РПН: максимального и минимального напряжения. Это позволяет определить диапазон возможных токов КЗ и выбрать оборудование с учетом наихудшего сценария, обеспечивая достаточную коммутационную способность и стойкость.

Влияние сопротивления электрической дуги на токи КЗ

Исторически при расчетах токов КЗ часто пренебрегали активным сопротивлением электрической дуги, возникающей в месте замыкания, предполагая металлическое КЗ. Однако современные исследования и практический опыт показывают, что влияние сопротивления электрической дуги может быть весьма существенным, особенно для мощных систем с большими токами КЗ. Например, в экспериментах ток дугового КЗ составлял от 32% до 68% от тока металлического КЗ в той же цепи.

Учет сопротивления дуги особенно важен для мощных электроустановок с трансформаторами мощностью свыше 2500 кВА, так как позволяет повысить точность расчетов и обеспечить адекватную настройку релейной защиты. Игнорирование этого фактора может привести к завышению расчетных токов, неоправданному выбору более дорогого оборудования и некорректной уставке защит. Не стоит ли тогда всегда включать этот параметр в расчеты, чтобы получить максимально достоверные результаты?

Для близких КЗ на шинах распределительного устройства может быть введено дополнительное активное сопротивление R_доп ≈ 15 мОм, а для КЗ у электроприемников – R_доп ≈ 30 мОм. В сетях 110 кВ междуфазное сопротивление дуги может составлять около 1 Ом, однофазное – 5 Ом; в сетях 220 кВ – 4 Ом и 12 Ом соответственно. Эти значения являются ориентировочными и могут уточняться в зависимости от конкретных условий и методик.

Нормативные требования к расчетам КЗ

Для обеспечения единообразия и достоверности расчетов токов КЗ необходимо строго следовать действующим нормативным документам. В Российской Федерации рекомендуется выполнять расчеты токов КЗ в соответствии с ГОСТ Р 52735-2007 «Электроустановки. Расчеты токов короткого замыкания в электроустановках переменного тока напряжением выше 1 кВ» и РД 153-34.0-20.527-98 «Методические указания по расчету токов короткого замыкания в электроустановках переменного тока напряжением выше 1 кВ». Эти документы содержат подробные алгоритмы, формулы и рекомендации по учету различных факторов, обеспечивая методологическую корректность расчетов.

Выбор основного электрооборудования и принципы релейной защиты для подстанций с трехобмоточными трансформаторами

После проведения тщательных расчетов электрических нагрузок и токов короткого замыкания, ключевым этапом в проектировании подстанции является выбор основного электрооборудования. Этот процесс требует не только технической грамотности, но и учета эксплуатационных требований, а также принципов надежной релейной защиты.

Общие критерии выбора электрооборудования

Выбор основного электрооборудования подстанции — трансформаторов, коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей), шин, измерительных трансформаторов тока и напряжения, а также устройств релейной защиты — всегда основывается на комплексном анализе результатов расчетов электрических нагрузок и токов короткого замыкания. Эти расчеты определяют необходимые номинальные параметры оборудования:

• Номинальное напряжение: Должно соответствовать классу напряжения сети.
• Номинальный ток: Определяется исходя из максимальных рабочих токов, включая токи перегрузки.
• Номинальная отключающая способность: Для коммутационных аппаратов должна быть достаточной для отключения максимальных токов короткого замыкания.
• Термическая и динамическая стойкость: Для всех элементов, через которые могут протекать токи КЗ, чтобы они выдерживали их без повреждений.

Особенности выбора мощности трансформаторов

При выборе мощности трехобмоточных трансформаторов для подстанций, особенно двухтрансформаторных (характерных для второй и частично первой категорий электроснабжения, где допустим кратковременный перерыв в электроснабжении), существует важное правило. Каждый трансформатор в нормальном режиме должен быть загружен примерно на 70% от своей номинальной мощности. Это требование обусловлено необходимостью обеспечения возможности перегрузки оставшегося в работе трансформатора в аварийном режиме, например, при выходе из строя второго трансформатора. Такой запас мощности позволяет сохранить электроснабжение потребителей, хотя и на пониженном уровне, до устранения аварии. В случае однотрансформаторных подстанций или подстанций, где кратковременный перерыв недопустим, критерии выбора мощности могут быть более жесткими, часто требуя 100% резервирования.

Системы релейной защиты трехобмоточных трансформаторов

Релейная защита (РЗ) трансформаторов и автотрансформаторов — это сложный комплекс устройств, предназначенный для автоматического выявления и отключения повреждений, а также для предотвращения развития аварийных ситуаций. Для трехобмоточных трансформаторов предусматривается защита от широкого спектра повреждений и ненормальных режимов:

• Многофазные и однофазные замыкания: в обмотках и на выводах трансформатора.
• Витковые замыкания: внутри обмоток, которые не проявляются как внешние КЗ.
• Токи от внешних КЗ: когда короткое замыкание происходит вне зоны трансформатора, но вызывает протекание больших токов через него.
• Перегрузки: длительное превышение номинального тока.
• Понижение уровня масла: критически опасно для масляных трансформаторов.
• Частичный пробой изоляции вводов: указывает на начинающееся повреждение.
• Однофазные замыкания на землю: в сетях с изолированной нейтралью (3-35 кВ).
• Непредусмотренные длительные неполнофазные режимы: например, обрыв одной фазы.
• Возгорание масла, «пожар» стали магнитопровода: внутренние повреждения, сопровождающиеся выделением тепла и газа.
• Повышение напряжения на неповрежденных фазах: при несимметричных повреждениях.

Основные виды защит для трансформаторов напряжением 110-220 кВ, к которым часто относятся и трехобмоточные, включают:

Дифференциальная токовая защита (ДЗТ)

ДЗТ является краеугольным камнем релейной защиты трансформаторов и считается основной защитой, действующей от коротких замыканий в обмотках трансформатора и токопроводах в ее зоне. Принцип ее действия основан на первом законе Кирхгофа: в нормальном режиме сумма токов, входящих и выходящих из защищаемой зоны, равна нулю. Дифференциальная защита измеряет токи каждой из обмоток и сравнивает их. При возникновении внутреннего короткого замыкания это равновесие нарушается, появляется так называемый дифференциальный ток небаланса, на который и реагирует защита, выдавая сигнал на отключение.

Газовая защита

Газовая защита — еще одна из основных защит трансформатора, отличающаяся высокой чувствительностью к внутренним повреждениям. Она реагирует на образование газа внутри бака трансформатора (например, при разложении масла под действием локального перегрева или искрения) или на интенсивный поток масла, вызванный резким повышением давления. Эти явления указывают на серьезные внутренние повреждения, такие как витковые замыкания, частичные разряды или пробой изоляции. Газовая защита часто срабатывает на сигнал (предупреждение) при небольших повреждениях и на отключение при более серьезных.

Максимальная токовая защита (МТЗ) и токовая защита нулевой последовательности

Для защиты от сверхтоков, вызванных как внешними, так и внутренними повреждениями, применяется направленная максимальная токовая защита (МТЗ). Направленность означает, что защита реагирует только на токи, текущие в определенном направлении, что повышает ее селективность. В случае трехобмоточных трансформаторов с двусторонним питанием (когда энергия может поступать с двух сторон) на стороне высшего напряжения также используется токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю. Эта защита реагирует на появление тока нулевой последовательности, который возникает только при замыканиях на землю и отсутствует в нормальном симметричном режиме.

Современные микропроцессорные защиты

Современные устройства релейной защиты представляют собой высокотехнологичные микропроцессорные комплексы, которые значительно превосходят своих электромеханических и полупроводниковых предшественников по функциональности, точности и надежности. Примеры таких устройств — «Устройство защиты трехобмоточного трансформатора СЕЗАМ-Т3» или шкафы защиты серии «Ш2600 08.5хх».

Эти комплексы включают в себя полный набор основных и резервных защит, обеспечивая:

• Селективное отключение всех видов повреждений: то есть отключение только поврежденного участка, минимизируя прерывание электроснабжения для здоровых частей сети.
• Защиту от длительного протекания токов внешнего КЗ: предотвращение перегрева и повреждения трансформатора при затяжных внешних авариях.
• Частичное резервирование защит: если основная защита по какой-либо причине не сработала, ее функцию выполняет р��зервная, обеспечивая повышенную надежность.
• Расширенные функции самодиагностики, осциллографирования аварийных процессов, регистрации событий и дистанционного управления.

Таким образом, выбор и настройка релейной защиты для трехобмоточного трансформатора является сложной, но крайне важной задачей, требующей глубоких знаний и внимательности.

Нормативно-техническая база проектирования и эксплуатации трехобмоточных трансформаторов

Проектирование и эксплуатация электроэнергетических объектов, особенно таких сложных, как подстанции с трехобмоточными трансформаторами, жестко регламентируются обширным комплексом нормативно-технической документации. Эти документы являются не просто рекомендациями, а обязательными к исполнению правилами, обеспечивающими безопасность, надежность и эффективность работы энергосистем.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ)

Одним из основополагающих документов для любого инженера-электрика являются Правила устройства электроустановок (ПУЭ). При проектировании и выборе трехобмоточных трансформаторов и сопутствующего оборудования необходимо неукоснительно руководствоваться этим сводом правил.

Наиболее релевантной для данной тематики является Глава 4.2 ПУЭ «Распределительные устройства и подстанции напряжением выше 1 кВ». Эта глава устанавливает общие требования к стационарным распределительным устройствам и трансформаторным подстанциям, охватывая широкий круг вопросов:

• Классификация подстанций и оборудования: помогает правильно определить тип подстанции и ее элементы.
• Размещение оборудования: требования к минимальным расстояниям между элементами, отступы от стен, проходы, что критически важно для безопасности персонала и удобства обслуживания. Например, пункты 4.2.29 (в 6-м издании стал 4.2.26) регламентируют требования к ограждениям.
• Безопасные расстояния: от токоведущих частей до земли, до других объектов, до обслуживающего персонала.
• Требования к ограждениям: обеспечение защиты от случайного прикосновения к токоведущим частям.
• Особенности контроля состояния оборудования: например, пункт 4.2.28 устанавливает требования к указателям уровня и температуры масла для трансформаторов, что позволяет оперативно выявлять возможные неисправности.

Соблюдение ПУЭ гарантирует, что проектируемая подстанция будет соответствовать базовым стандартам безопасности и функциональности.

Государственные стандарты (ГОСТы) на трансформаторы

Помимо ПУЭ, ключевую роль играют государственные стандарты, непосредственно касающиеся силовых трансформаторов:

• ГОСТ 11677-85 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия»: Этот стандарт устанавливает общие технические требования к силовым трансформаторам общего назначения, включая трехфазные трансформаторы мощностью более 5 кВ·А. Он охватывает такие аспекты, как конструкция, основные параметры, методы испытаний, условия транспортировки и хранения.
• ГОСТ Р 52719-2007 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия»: Является актуальным российским стандартом и распространяется на силовые трансформаторы с числом обмоток не более трех, исключая специальные трансформаторы (например, измерительные, сварочные). Этот ГОСТ более современен и гармонизирован с международными стандартами, уточняя многие положения предыдущих версий. В нем, кстати, термин «трехобмоточный трансформатор» определяется по числу его основных обмоток, без учета регулировочных и компенсационных обмоток.

Эти ГОСТы являются справочниками для выбора конкретного типа трансформатора, проверки его характеристик и понимания его конструктивных особенностей.

Требования к электрической прочности изоляции

Изоляция электрооборудования – это критически важный элемент, обеспечивающий безопасность и надежность работы. Требования к ее электрической прочности регламентируются отдельным стандартом:

• ГОСТ 1516.3-96 «Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции»: Этот ГОСТ устанавливает обязательные требования к электрической прочности изоляции всего электрооборудования, работающего на напряжениях от 1 до 750 кВ, включая силовые трансформаторы. Он определяет уровни испытательных напряжений, методики испытаний и критерии оценки прочности изоляции, что является залогом долговечности и безопасности трансформатора.

Нормы технологического проектирования подстанций (НТП ПС)

Для более масштабных проектов, связанных с проектированием подстанций высокого напряжения, существуют Нормы технологического проектирования подстанций (НТП ПС). Эти нормы устанавливают основные требования по проектированию подстанций и переключательных пунктов переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ.

НТП ПС предписывают, как правило, применение комплектных крупноблочных электротехнических устройств (например, КРУЭ, КТП), что позволяет сократить сроки монтажа и повысить надежность. Кроме того, современные НТП ПС ориентированы на проектирование подстанций с учетом эксплуатации без постоянного дежурного персонала. Это достигается за счет широкого применения простейших устройств автоматики и сигнализации, что значительно снижает эксплуатационные затраты.

Эксплуатационные требования

Не менее важными, чем правила проектирования, являются требования к эксплуатации трансформаторов. ГОСТ 11677-85 и ГОСТ Р 52719-2007 содержат отдельные разделы с указаниями по эксплуатации трансформаторов. Эти указания охватывают вопросы транспортировки, монтажа, ввода в эксплуатацию, периодических осмотров, технического обслуживания и ремонта. Соблюдение этих требований позволяет максимально продлить срок службы трансформатора, предотвратить аварии и обеспечить безопасную работу персонала.

Инженерные методики и программные комплексы для автоматизации расчетов

В эпоху цифровизации инженерные расчеты, особенно в такой сложной и ответственной области, как электроэнергетика, все чаще автоматизируются с помощью специализированных программных комплексов. Это не только повышает скорость и точность расчетов, но и позволяет выполнять многовариантный анализ, оптимизируя проектные решения.

Методические указания Тяжпромэлектропроект

Несмотря на широкое распространение программного обеспечения, фундаментальные инженерные методики остаются основой для понимания процессов и проверки результатов автоматизированных расчетов. Для расчета электрических нагрузок по-прежнему актуальны «Указания по расчету электрических нагрузок», разработанные институтом Тяжпромэлектропроект. Как уже упоминалось, полное наименование документа — «РД 34.20.185-94 Инструкция по проектированию городских электрических сетей», утвержденная и введенная в действие с 01.01.1995 г. Этот документ является своего рода «библией» для проектировщиков, содержащей детальные алгоритмы, коэффициенты и типовые решения для определения расчетных нагрузок различных потребителей. Изучение и применение этих методик является обязательным для формирования глубоких инженерных компетенций.

Программные комплексы для расчета токов КЗ

Расчет токов короткого замыкания, особенно в сложных разветвленных сетях с трехобмоточными трансформаторами, вручную является чрезвычайно трудоемкой и подверженной ошибкам задачей. Для автоматизации этих расчетов широко применяются специализированные программные комплексы. Одним из наиболее известных и функциональных является ETAP (Electrical Transient Analyzer Program).

ETAP представляет собой мощную платформу, которая позволяет:

• Моделировать электрические системы: создавать детализированные модели сети с учетом всех элементов (генераторы, трансформаторы, линии, нагрузки, коммутационные аппараты).
• Рассчитывать токи КЗ: выполнять расчеты для различных типов коротких замыканий (трехфазные, двухфазные, однофазные на землю), в том числе с учетом сопротивления дуги, РПН и несимметричных режимов.
• Оценивать влияние различных факторов: анализировать, как изменение параметров оборудования или режимов работы влияет на токи КЗ.
• Проверять оборудование: автоматически сравнивать расчетные токи КЗ с номинальными параметрами оборудования (отключающая способность, термическая стойкость) и выявлять несоответствия.
• Оптимизировать настройки релейной защиты: проводить координацию защит, проверять их чувствительность и селективность.

Использование ETAP значительно сокращает время проектирования, повышает точность и надежность расчетов, а также позволяет инженерам сосредоточиться на анализе и принятии оптимальных решений.

Моделирование трансформаторов

Для более глубокого анализа поведения трансформаторов, включая нелинейные эффекты, такие как насыщение магнитопровода, могут использоваться универсальные пакеты моделирования. Например, MatLab-Simulink предоставляет инструменты для создания детальных моделей трехфазных трансформаторов.

В Simulink можно построить модель, которая учитывает:

• Параметры обмоток: активные и индуктивные сопротивления, рассчитанные на основе опытов.
• Параметры магнитной системы: включая кривую намагничивания, что позволяет моделировать насыщение магнитопровода при перенапряжениях или больших токах КЗ.
• Различные схемы соединения обмоток.
• Регулирование напряжения под нагрузкой (РПН).

Такое моделирование позволяет исследовать динамические процессы в трансформаторе, оценивать его поведение в ненормальных режимах, анализировать переходные процессы и оптимизировать конструктивные решения. Это особенно ценно для научных исследований и разработки новых типов трансформаторов.

Владение как классическими инженерными методиками, так и современными программными комплексами, является залогом успешной подготовки высококвалифицированных специалистов в области электроэнергетики.

Заключение

Путь от теоретического понимания принципов работы трехобмоточного трансформатора до практического выбора каждого элемента подстанции — это сложный, но увлекательный процесс, который формирует истинного инженера. Данное руководство, ориентированное на студентов технических вузов, стремилось осветить все ключевые аспекты этого пути.

Мы детально рассмотрели теоретические основы, позволяющие «заглянуть» внутрь трансформатора с помощью схемы замещения, и математический аппарат для определения активных и индуктивных сопротивлений его обмоток на основе опытных данных. Были представлены пошаговые формулы, необходимые для точных расчетов, а также уделено внимание особенностям номинальной мощности и различным исполнениям обмоток, которые напрямую влияют на конструкцию и режимы работы трансформатора.

Особое внимание было уделено расчету электрических нагрузок, подчеркивая критическую важность его точности для капитальных вложений и надежности всей системы. Мы проанализировали основные методы определения нагрузок, включая метод упорядоченных диаграмм и коэффициента спроса, а также рассмотрели специфику расчетов для потребителей повторно-кратковременного режима и ключевые нормативные документы, такие как «РД 34.20.185-94».

Расчет токов короткого замыкания был представлен как многокомпонентная задача, требующая определения различных составляющих тока и учета специфики трехобмоточных трансформаторов, включая применение метода симметричных составляющих для несимметричных КЗ и важность учета сопротивления электрической дуги. Здесь также были даны ссылки на актуальные ГОСТы, регламентирующие эти расчеты.

Раздел, посвященный выбору электрооборудования и релейной защите, позволил понять, как результаты расчетов трансформируются в конкретные технические решения. Были изложены общие критерии выбора, особенности загрузки трансформаторов для двухтрансформаторных подстанций и детально описаны основные виды защит – дифференциальная, газовая, максимальная токовая, а также преимущества современных микропроцессорных комплексов.

Наконец, мы акцентировали внимание на нормативно-технической базе, представляющей собой законодательный каркас для проектирования и эксплуатации. Были рассмотрены ключевые положения ПУЭ, ГОСТы на трансформаторы и изоляцию, а также Нормы технологического проектирования подстанций. В заключительном блоке были представлены современные программные комплексы, такие как ETAP и MatLab-Simulink, которые являются мощными инструментами для автоматизации и оптимизации инженерных расчетов.

В результате, этот материал предоставил студентам исчерпывающее и углубленное руководство, полностью соответствующее целям курсового проекта. Полученные знания не только помогут успешно выполнить учебную работу, но и станут прочной основой для дальнейшего профессионального роста в области электроэнергетики, позволяя принимать обоснованные и надежные инженерные решения. Глубокое понимание каждого этапа — от фундаментальных теорий до практических аспектов выбора оборудования и нормативного регулирования — является ключом к созданию эффективных и безопасных систем электроснабжения будущего.

Список использованной литературы

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). М.: Энергоатомиздат, 1985.
2. Рекомендации по технологическому проектированию подстанций переменного тока с высшим напряжением 35–750 кВ. М.: ЭСП, 1993.
3. Типовые схемы принципиальные электрические распределительных устройств напряжением 6–750 кВ подстанций и указаний по их применению. М.: ЭСП, 1993.
4. Васильев А.А. и др. Электрическая часть станций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Рожкова Л.Н., Козулин Д.Е. Электрооборудование станций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1987.
6. ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки. М., 1987.
7. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. М.: Энергоатомиздат, 1989.
8. Лисовский Г.С., Хейфиц М.Э. Главные схемы и электротехническое оборудование подстанций 35–750 кВ. М.: Энергия, 1977.
9. Ключенович В.И. Выключатели переменного тока высокого напряжения. Рекомендации по выбору и справочные данные. Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию. Новосибирск: НГТУ, 2004.
10. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.
11. ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
12. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. StudMed.ru.
13. Нормы проектирования трансформаторных подстанций.
14. Проектирование подстанций различных видов. Бюро технических экспертиз.
15. Режим нагрузки трехобмоточных трансформаторов. Расчет потерь и напряжения короткого замыкания.
16. Методы расчета электрических нагрузок. Юго-Западный государственный университет.
17. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ (НТП ПС). Охрана труда.
18. Электрическая часть электростанций и подстанций: учебник.
19. Основные методы определения расчетных электрических нагрузок при проектировании систем электроснабжения.
20. Электрическая часть электростанций и подстанций. Б. Неклепаев. Купить книгу, читать рецензии. Лабиринт.
21. Нормы технологического проектирования. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий.
22. Неклепаев Борис Николаевич. Публичная Библиотека.
23. Расчет защит трансформатора 10/0,4 кВ. Расчет токов КЗ. YouTube.
24. Основное электрооборудование станций и подстанций: трансформаторы, ЛЭП, шинопроводы, SMART GRID. YouTube.
25. К вопросу об определении электрических нагрузок трансформаторных подстанций. КиберЛенинка.
26. Расчет электрических нагрузок. ektu.kz.
27. Ш2600 08.5хх — Шкаф основных и резервных защит трехобмоточного трансформатора 110-220 кВ. Продукция ООО «Релематика».
28. М788-1066 Пособие к Указаниям по расчету электрических нагрузок. М788 1066.
29. Релейная защита трансформаторов и автотрансформаторов. Справочник по проектированию подстанций.
30. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. Неклепаев Борис Николаевич, Крючков Иван Петрович.
31. 2 Защиты трансформаторов.docx. ektu.kz.
32. Релейная защита и автоматика силовых масляных трансформаторов 110 кВ.
33. Расчет токов Короткого Замыкания в низковольтных цепях. Электрификация и автоматизация отделения домола сырьевого цеха ОАО «Русал-Ачинск». studwood.
34. Расчет токов короткого замыкания по ГОСТ. YouTube.
35. Расчет токов короткого замыкания в электроустановках напряжением выше 1000 В. YouTube.
36. Расчёт токов короткого замыкания для курсового проекта Электроснабжение предприятий разделы 4.1-4.2. YouTube.
37. Расчет параметров схемы замещения трехбмоточного трансформатора. studwood.
38. Пример расчета токов короткого замыкания в сети 6 кВ. Raschet.info.
39. Электрические машины.
40. Пример расчёта параметров схемы замещения трансформатора. Wiki Power System.
41. Расчет потерь в трехобмоточном трансформаторе. Влияние конструктивных особенностей тяговой сети на потери энергии. Studbooks.net.
42. Расчет потерь мощности в трансформаторах.
43. Схемы замещения трансформаторов при расчетах электрических сетей.
44. Лекция 5 Параметры схемы замещения трансформаторов.docx. ektu.kz.
45. Расчет ТКЗ в электрических сетях.
46. Онлайн-расчет потерь мощности и энергии в силовом трехобмоточном трансформаторе. Online Electric.
47. Расчёт режимов трёхобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов и определение в них потерь мощности. ВУнивере.ру.
48. Электрическая часть станций и подстанций.
49. Расчет технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрически.
50. Расчет токов при коротких замыканиях и устойчивости систем электроснабжения. Учебное пособие.
51. Электрические машины. Том 1.
52. Энергосберегающая методика для выбора состава оборудования энергетических объектов. КиберЛенинка.
53. Расчет токов короткого замыкания в электрических системах. Учебное пособие.
54. HOM Хном.
55. Методические указания расчет токов коротких замыканий и. Механотроника.
56. Трехобмоточный трансформатор.
57. Васильев А. А. Электрическая часть станций и подстанций. Часть 1. 1963.
58. Трансформаторы.
59. Васильев А.А., Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф., Околович М.Н. Электрическая часть станций и подстанций. StudMed.ru.
60. Расчет параметров модели трехфазного трансформатора из библиотеки MATLAB-SIMULINK с учетом насыщения магнитопровода.
61. Об утверждении правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок. LEX.UZ.
62. Сопротивления, проводимости и схемы замещения трансформаторов и автотрансформаторов. Школа для электрика.
63. Силовые трансформаторы. Справочная книга. Под редакцией С. Д. Лизунова и А. К. Лоханина. Elec.ru.
64. Модели пассивных элементов.
65. 42 Книги серии Трансформаторы, djvu. Библиотека энергетика.
66. Захаров К.Д. Параметры силовых трансформаторов. StudMed.ru.
67. Автомик В.К. Захаров Электронные элементы автоматики.
68. Пожар в торговом центре «Зимняя вишня». Википедия.
69. Итоги масштабных учений гражданской обороны: готовность подтверждена.
70. ЭУ КГЭУ: В начало.
71. ОДК представила первую отечественную турбину большой мощности ГТД-110М на Российской энергетической неделе. Новости. Элек.ру.
72. Семейные традиции Усть-Илимской ГЭС: как династии развивают энергетику региона. Твой Иркутск.