Трансформатор собственных нужд: типы, мощность, расчетная нагрузка, выбор

Трансформаторы собственных нужд - важнейшее звено в обеспечении надежной работы электрических подстанций. От их бесперебойной работы зависит функционирование систем управления, защиты и жизнеобеспечения. В этой статье мы подробно разберем типы, мощность и особенности выбора трансформаторов собственных нужд для различных подстанций. Узнайте, как правильно рассчитать нагрузку и подобрать оптимальный вариант ТСН для вашего объекта.

1. Назначение трансформаторов собственных нужд на подстанциях

Трансформаторы собственных нужд (ТСН) играют важнейшую роль в обеспечении надежной работы любой подстанции. Они предназначены для электроснабжения вспомогательного оборудования подстанции, включая системы управления, автоматики, телемеханики, сигнализации, защиты и жизнеобеспечения.

Основными потребителями электроэнергии от ТСН являются:

• Системы охлаждения силовых трансформаторов
• Обогревательные устройства шкафов и ячеек
• Приводы коммутационной аппаратуры
• Системы аварийного и рабочего освещения
• Аппаратура телемеханики и связи
• Устройства пожаротушения
• Системы вентиляции и кондиционирования

Наиболее ответственными потребителями, работа которых напрямую влияет на функционирование подстанции в целом, являются устройства релейной защиты и автоматики, телемеханики, охранной сигнализации и систем управления.

В некоторых случаях нагрузка собственных нужд разделяется на ответственных и неответственных потребителей. К неответственным относятся такие устройства, как вентиляция, освещение, обогрев, отключение которых ненадолго не скажется на работоспособности подстанции. Их можно запитывать по отдельным линиям, не от ТСН.

2. Типы трансформаторов собственных нужд

Выбор типа ТСН зависит от класса напряжения подстанции:

• На подстанциях 6-10 кВ применяются ТСН мощностью 400-1000 кВА и напряжением 10/0,4 кВ.
• Для тяговых подстанций 27,5 кВ используются трансформаторы 27,5/0,4 кВ мощностью 1000-1600 кВА.
• На подстанциях постоянного тока с шинами 35 кВ устанавливают ТСН 35/0,4 кВ мощностью 1000-1600 кВА.

По конструктивному исполнению ТСН делятся на масляные и сухие. В комплектных распределительных устройствах закрытого типа (КРУ) чаще применяются сухие трансформаторы.

3. Принципы выбора количества и мощности ТСН

Количество устанавливаемых трансформаторов собственных нужд зависит от числа основных силовых трансформаторов на подстанции:

• При наличии одного силового трансформатора устанавливается один ТСН.
• Если на подстанции два силовых трансформатора, то устанавливают два ТСН.
• На важных объектах при наличии двух силовых трансформаторов иногда ставят три ТСН для резервирования.

Расчет мощности ТСН производится исходя из суммарной нагрузки собственных нужд подстанции с учетом режимов работы и возможных перегрузок. Для подстанций без постоянного дежурного персонала мощность одного ТСН рассчитывают по формуле:

где P_cx и Q_cy - активная и реактивная мощность нагрузки, K₃ = 0,7 - коэффициент загрузки.

Для подстанций с круглосуточным дежурством при наличии двух ТСН мощность каждого рассчитывают по формуле:

где K_a = 1,4 - коэффициент допустимой перегрузки.

Максимальная мощность одного ТСН, как правило, не должна превышать 1000 кВА.

4. Особенности схем подключения ТСН

Схема подключения трансформаторов собственных нужд зависит от типа оперативного тока на подстанции:

• При постоянном оперативном токе ТСН подключается непосредственно к шинам распределительного устройства.
• При переменном оперативном токе ТСН подключается до высоковольтных выключателей к вводам низшего напряжения силовых трансформаторов.

Для повышения надежности в ТСН часто используется заземленная нейтраль с установкой катушки индуктивности в нулевом проводе. Это позволяет компенсировать емкостный ток замыкания на землю.

Важным требованием является раздельное питание каждого ТСН от разных секций шин подстанции. К ТСН запрещено подключение посторонних сторонних потребителей.

5. Эксплуатационные требования к ТСН

При эксплуатации трансформаторов собственных нужд должны соблюдаться следующие требования:

• Контроль уровня масла и температуры нагрева контактных соединений.
• Проверка отсутствия коронирования на шинах.
• Соблюдение допустимых режимов нагрузки ТСН.
• Запрет на подключение к ТСН посторонних потребителей.
• Раздельное питание каждого ТСН от шин разных секций.

Должны регулярно проводиться профилактические испытания и измерения параметров ТСН. Это позволяет своевременно выявлять возникающие неисправности.

6. Конструктивные особенности трансформаторов собственных нужд

При выборе трансформаторов собственных нужд учитываются следующие конструктивные особенности:

• Для КРУ предпочтительны сухие ТСН ввиду более простого обслуживания.
• Мощность ТСН внутри ячейки КРУ ограничена, обычно до 250 кВА.
• Важный параметр - схема соединения обмоток, влияющая на защиту от перенапряжений.
• Исполнение может быть однофазным или трехфазным.
• Класс нагревостойкости изоляции должен соответствовать условиям эксплуатации.

Каркас трансформатора изготавливается из профильной стали. Баки масляных ТСН должны выдерживать избыточное давление масла при нагреве. У сухих ТСН обмотки заливаются компаундом для лучшей изоляции и отвода тепла.

7. Требования к сертификации ТСН

Перед вводом в эксплуатацию трансформатор собственных нужд должен пройти испытания и сертификацию на соответствие требованиям ГОСТ и техническим условиям:

• Проверка электрической прочности изоляции.
• Испытания электромагнитных помех.
• Проверка предельной кратности вторичных токов короткого замыкания.
• Измерение сопротивления обмоток и потерь.
• Тепловизионный контроль контактных соединений.

ТСН должен иметь сертификаты соответствия, паспорт и протоколы приемо-сдаточных испытаний. Это подтверждает качество изготовления трансформатора.

8. Диагностика и мониторинг технического состояния ТСН

Для оценки текущего технического состояния трансформаторов собственных нужд периодически проводят диагностические испытания:

• Измерение сопротивления изоляции.
• Определение tgδ и емкости изоляции.
• Хроматографический анализ растворенных газов.
• Тепловизионный контроль.

Средства мониторинга позволяют контролировать температуру, вибрацию, частичные разряды. По результатам диагностики оценивается степень износа ТСН.

9. Ремонт и техническое обслуживание ТСН

Ремонт трансформаторов собственных нужд может быть текущим или капитальным. Планово-предупредительное техобслуживание рекомендуется проводить не реже 1 раза в год.

Ремонтные работы включают замену вышедших из строя элементов, усиление изоляции, восстановление обмоток. Допустимый износ обмоток - до 30%, изоляции - до 10% от номинальных значений.

Для экономии средств ограничиваются заменой узлов, а не полной заменой ТСН. Это позволяет продлить срок службы при правильном техобслуживании.

10. Перспективы развития трансформаторов собственных нужд

Совершенствование трансформаторов собственных нужд идет по пути повышения надежности, автоматизации мониторинга и снижения затрат на обслуживание:

• Применение инновационных материалов и конструкций.
• Внедрение «интеллектуальных» систем диагностики и защиты.
• Повышение энергоэффективности и срока службы.
• Удаленный мониторинг параметров в режиме реального времени.
• Адаптивное управление нагрузкой и режимами работы.

Эти инновации позволят минимизировать затраты на обслуживание и ремонт, снизить аварийность ТСН на подстанциях.