Одна из коммунальных служб в северной части Вьетнама находится в процессе замены своего старого трансформатора подстанции, которому 25 лет и который имеет мощность 25 МВА. Это уже пятый случай за год, когда срабатывает сигнал тревоги из-за растворенных газов, и оператор сети готовит жалобы по поводу низкого уровня напряжения. Кроме того, бюджет на замену уже дважды пересматривался. Каждый инженер в команде знает одно и то же: выбор правильного трансформатора подстанции не является формальностью, это решение, которое определяет, потеряет ли их район электроэнергию в следующем сезоне тайфунов.
Эта публикация подчеркивает важность выбора правильного трансформатора для подстанции и как принять правильное решение. Она анализирует проблемы, связанные с неправильным выбором трансформатора с технической и экономической точек зрения, признаки подходящего трансформатора, различия между типами подстанций и ценами на трансформаторы, а также процесс закупки, с которым сталкиваются энергетические компании и застройщики, чтобы найти правильный трансформатор. Информация о теории трансформаторов, которая поможет принять правильное решение. 
Почему трансформатор подстанции является критически важным активом
Хотя типичная распределительная подстанция состоит из выключателей, разъединителей, реле защиты, измерительных приборов и шин, основная функция подстанции выполняется трансформатором. Он обеспечивает необходимое преобразование напряжения для соединения двух сетей и обычно является самым дорогим компонентом в спецификации, который составляет около 20–40 процентов от общей стоимости оборудования. Это оборудование разрабатывается и изготавливается под заказ, поэтому его производство занимает около 3–9 месяцев, что делает его определяющим фактором общего графика строительства.
Эксплуатация трансформатора также имеет большое значение. Он должен поддерживать всю нагрузку подстанции с потерями, которые позволяют минимизировать эксплуатационные расходы, обеспечивать стабильное напряжение в пределах, установленных сетевым кодексом, и выдерживать все токи короткого замыкания системы. Когда инженеры говорят, что качество подстанции зависит от трансформатора, они имеют это в виду очень серьезно, так как каждая возможность повышения надежности сети за счет использования различных устройств, начиная с повторных выключателей и заканчивая умными счетчиками, зависит только от трансформатора.
Реальная стоимость выбора неправильного трансформатора
Когда выбирается трансформатор подстанции неправильно, это влечет за собой расходы на трех этапах. Для начала, в момент ввода в эксплуатацию, трансформатор, который слишком мал, может перегреваться летом и вызывать срабатывание защитного устройства, что приводит к немедленной закупке аварийного трансформатора. На протяжении своего срока службы он влечет за собой расходы на эксплуатацию трансформатора, который испытывает большие потери и требует дополнительной электроэнергии, что обходится коммунальным компаниям от $10,000 до $60,000 в виде потерь электроэнергии. Более того, в случае неисправности, согласно исследованиям, предоставленным IEEE и CIGRÉ, годовые показатели отказов составляют 0.5%–2% для распределительных трансформаторов и даже ниже для более мощных, в то время как стоимость перерывов варьируется от $50,000 до $2 миллионов в зависимости от времени, когда трансформатор выходит из строя, и от того, на сколько мощности он рассчитан.
Дополнительная стоимость, связанная с неправильным выбором, — это скрытая стоимость мощности. В большинстве случаев энергетические компании проектируют подстанции на горизонте 20–30 лет и предполагают ежегодный рост нагрузки на 2%–5% в вновь разработанных электрических сетях. Трансформатор, спроектированный с учетом текущей нагрузки, становится узким местом, требующим дополнительных инвестиций для полного использования трансформатора, в этом случае как минимум в два раза больше расходов на первую поставку, так как также требуется замена схемы шин и фундамента подстанции.
Основные параметры выбора трансформаторов подстанции
Выбор трансформатора начинается с одного и того же набора параметров. Вам следует пройти через следующие пункты, прежде чем запрашивать котировки:
Номинальная мощность (кВА/МВА). Она может быть рассчитана на основе пикового спроса для района, включая запас 10–25%. Подстанция 33/11 кВ для 8,000 клиентов обычно требует трансформатор мощностью около 10–20 МВА; подстанция передачи может потребовать 100–300 МВА.
Напряжение и векторная группа. Первичные и вторичные уровни напряжения и направление сдвига, то есть, является ли это Dyn11 или YNd1, должны соответствовать сетям, которые будут подключены.
Импеданс. В общем, импедансы трансформаторов составляют 8–12.5%. Импеданс позволяет контролировать ток короткого замыкания и падение напряжения; если он слишком мал, это может привести к повреждению выключателей; если он слишком велик, это может привести к плохой регулировке напряжения.
Переключатель отводов. Обычно распределительные подстанции требуют использования отводов вне цепи около ±2×2.5%, а подстанции передачи обычно используют переключатель отводов под нагрузкой (-8×1.25% или ±9×1.78% согласно IEC 60214)
Класс охлаждения. ONAN для нижнего рейтинга, ONAF для увеличения мощности на 20–33% с вентиляторами, ODAF/OFAF для самых больших единиц.
Уровень изоляции (BIL). Уровень изоляции должен соответствовать ожидаемому воздействию молний, а также напряжению системы. Например, трансформатор 33 кВ может требовать уровня изоляции (BIL) около 170–200 кВ согласно IEC 60076-3.
Потери. Обычно рассчитываются в терминах потерь без нагрузки и потерь под нагрузкой.
Типы и конфигурации трансформаторов подстанций
Трансформаторы подстанций имеют конфигурации, соответствующие функции сети. В таблице ниже сравниваются основные типы, с которыми столкнутся покупатели:
| Тип | Типичное номинование | Применение | Отличительная особенность |
|---|---|---|---|
| Двухобмоточный распределительный трансформатор | 25–20 МВА | Первичные распределительные подстанции | Простой, наименьшая стоимость за МВА |
| Трехобмоточный трансформатор | 20–100 МВА | Питание двух низковольтных сетей или третичной | Третья обмотка для вспомогательных/компенсационных нужд |
| Автотрансформатор | 50–600 МВА | Взаимосоединение сетей ВН (например, 220/110 кВ) | Одна обмотка, меньшие потери и стоимость |
| Трансформатор с фазовым сдвигом | Индивидуальный | Управление потоком в сетях с ячеистой структурой | OLTC управляет активным потоком мощности |
| Генераторный трансформатор повышения | 100–1,200 МВА | Взаимное соединение электростанций | Высокая надежность, часто соединен по дельта |
| Заземляющий (нейтральный) трансформатор | До 2 МВА | Обеспечение нейтрали для низковольтных сетей | Зигзагообразная обмотка, кратковременная нагрузка |
Обычно покупатели выбирают либо двухобмоточный трансформатор с OLTC, либо простой распределительный трансформатор с отводами вне цепи. Если колебания напряжения в вашей системе равны или превышают ±5 процентов, или если вы столкнетесь с большими колебаниями нагрузки между пиками и впадинами, вам следует рассмотреть возможность выбора OLTC, который стоит на 20–40 процентов больше, чем обычный трансформатор с фиксированными отводами того же номинала.
Соответствуйте конфигурацию вашей фактической задаче:
| Применение | Рекомендуемая конфигурация | Типичное номинование | Ключевой фактор выбора |
|---|---|---|---|
| Сельская распределительная сеть | Двухобмоточный, ONAN, DETC | 5–5 МВА | Наименьшая первоначальная стоимость |
| Городское распределение | Двухобмоточный, ONAN/ONAF, OLTC | 10–40 МВА | Регулирование напряжения |
| Передача межсоединения | Автотрансформатор | 50–300 МВА | Низкие потери при ВН |
| Повышение мощности возобновляемой электростанции | Двухобмоточный, OLTC | 10–60 МВА | Переменный профиль генерации |
| Взаимное соединение электростанций | Генераторный повышающий | 100–1,200 МВА | Надежность превыше всего |
Системы охлаждения и нагрузочная способность
Нагрузка трансформаторов подстанции определяется установленной системой охлаждения, а способ проектирования системы охлаждения определяет степень, в которой можно использовать номинальную мощность. Согласно классам охлаждения, изложенным в IEC 60076-2, O обозначает минеральное масло, N - естественную конвекцию, A - воздух, F - принудительное охлаждение, а W - воду.
| Класс охлаждения | Механизм | Типичный множитель мощности по сравнению с ONAN | Когда используется |
|---|---|---|---|
| ОНАН | Натуральное масло, естественный воздух | 0 (базовый) | Большинство трансформаторов подстанций распределения |
| ОНАФ | Натуральное масло, принудительный воздух (вентиляторы) | 1.2–1.33 | Пиковые нагрузки подстанций с летним спросом |
| ОФАФ | Принудительное масло, принудительный воздух | 1.4–1.6 | Большие силовые трансформаторы с OLTC |
| ODAF / ODWF | Направленный поток масла, воздух/вода | 1.6–2.0 | Очень большие установки, электростанции |
Практический эффект заключается в том, что трансформатор с мощностью 20 МВА и номиналом ONAN/ONAF 20/27 МВА способен нести нагрузки 27 МВА, когда вентиляторы работают, но обслуживание вентиляторов требует дополнительных затрат на обслуживание и создает шум. Сопоставление рекомендаций по нагрузке из IEC 60076-7 с этой номинальной мощностью позволит лучше планировать циклические и аварийные нагрузки, чтобы не зависеть от вентиляторов при базовых нагрузках. Кроме того, допустимые пределы повышения температуры (65 K для масла и 78 K для обмоток класса OA) должны проверяться относительно температур окружающей среды на площадке, чтобы обеспечить наличие подходящих запасов.
Переключатели отводов и регулирование напряжения
Основная функция трансформатора в подстанции - регулирование напряжения. Существуют два типа технологий, и необходимо сделать правильный выбор, поскольку переключатели отводов были определены как основная причина неисправностей трансформаторов за пять лет эксплуатации.
Переключатель отводов вне цепи (DETC): ручные отводы, обычно ±2×2.5 процента или ±5×1.6 процента, которые могут работать только при выключенном трансформаторе. Низкая цена, надежность и уместность, когда напряжение линии остается стабильным.
Переключатель отводов под нагрузкой (OLTC): автоматические отводы, обычно ±8×1.25 процента или ±9×1.78 процента согласно IEC 60214, которые могут работать, пока трансформатор под напряжением. Хотя это увеличивает цену трансформатора примерно на 8-15 процентов и требует обслуживания масла, он способен поддерживать выходное напряжение трансформатора в пределах ±2 до 3 процентов при изменяющейся нагрузке.
Хорошее правило - использовать OLTC, если напряжение линии изменяется более чем на 5 процентов в течение дня или в случае переменной промышленной нагрузки, обслуживаемой подстанцией. Обслуживание OLTC включает фильтрацию масла каждые 3–6 лет, проверку контактов и тестирование привода, поэтому обязательно включите это в свой план O&M.
Потери, эффективность и экономика жизненного цикла
Потери от трансформаторов подстанций являются нормальными расходами, которые необходимо учитывать на протяжении всей эксплуатации таких устройств. Для трансформатора мощностью 20 МВА с обычными потерями, равными 15-30 кВт потерь в холостом режиме и 90-150 кВт потерь при нагрузке, годовая стоимость потерь при $0.10-0.14/кВтч при среднем загрузке 70-80% составит примерно $60,000 – $180,000. Эта сумма достаточна для покрытия стоимости трансформатора в первые годы после его покупки в течение 30-летнего срока службы.
Поэтому коммунальные предприятия принимают решения о покупке на основе общей оценочной стоимости (TEC), применяя капитализированные коэффициенты потерь. Европейские и азиатские коммунальные предприятия обычно рассчитывают свои потери в холостом режиме на уровне $2,500-$7,000/кВт и потери при нагрузке на уровне $500-$1,500/кВт. Разница в 10 кВт в потерях в холостом режиме означает, что связанные с этим расходы для покупателя составят до $25,000 – $70,000. Поэтому покупатель, который определяет цену за МВА, не учитывая потери, отдает свои деньги коммунальному предприятию на тридцать лет.
Таблица спецификаций для типичного трансформатора подстанции
Таблица ниже представляет собой образец спецификаций для трансформатора распределительной подстанции мощностью 10 МВА 33/11 кВ. Используйте ее в качестве отправной точки и корректируйте в соответствии с вашим кодом сети и нагрузкой.
| Параметр | Типичная спецификация |
|---|---|
| Номинальная мощность | 10 МВА (ONAN), 12.5 МВА (ONAF по желанию) |
| Напряжение | 33 ± 2×2.5% / 11 кВ |
| Векторная группа | YNd11 или Dyn11, 50 Гц |
| Напряжение импеданса | 9–10.5% при номинальном токе |
| Класс охлаждения | ОНАН / ОНАФ |
| Потребление без нагрузки | ≤ 12–20 кВт |
| Потери при нагрузке (75°C) | ≤ 75–110 кВт |
| Уровень изоляции | HV 170 кВ BIL, LV 75 кВ BIL |
| Повышение температуры | 65 K масло / 78 K обмотка (OA) |
| Уровень шума | ≤ 70–75 дБ(A) на расстоянии 1 м |
| Аксессуары | Консерватор, реле Бухгольца, осушитель с силикагелем, OLTC или DETC |
| Стандарт | IEC 60076-1/-2/-3/-5 |
Сравнение брендов и ценовые ориентиры
Цена трансформаторов подстанций определяется по мощности, потерям, переключателю отводов и испытаниям. Указанные диапазоны типичны для единиц мощностью 10 МВА и 100 МВА, FOB, и различаются в зависимости от рынков меди и масла, спецификаций и переговоров.
| Бренд / Производитель | Происхождение | 10 МВА 33/11 кВ | 100 МВА 220/110 кВ | Срок поставки | Прочность |
|---|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Швейцария/Япония | 1ТП4Т190,000–1ТП4Т340,000 | $1.2M–$2.0M | 28–44 недель | Экспертиза ВН и ВД |
| ABB | Швейцария | $180,000–$320,000 | $1.1M–$1.9M | 26–40 недель | Глобальное присутствие в сервисе |
| Siemens Energy | Германия | 1ТП4Т200,000–1ТП4Т350,000 | $1.2M–$2.1M | 28–42 недели | Цифровые решения для мониторинга |
| Schneider Electric | Франция | 1ТП4Т170,000–1ТП4Т310,000 | — | 24–38 недель | Компетенция в пакетах СС/НН |
| Корейские крупные компании (Hyundai, ILJIN) | Южная Корея | 1ТП4Т150,000–1ТП4Т280,000 | $900K–$1.6M | 24–36 недель | Сильные испытательные лаборатории и экспортный опыт |
| Китайские ОЕМ (TBEA, Baoding Tianwei) | Китай | 1ТП4Т90,000–1ТП4Т180,000 | $600K–$1.1M | 16–28 недель | Мощность, стоимость, сертификация IEC |
| Экспортеры среднего уровня из Китая (например, Jiangsu Subian Electric Power) | Китай | 1ТП4Т80,000–1ТП4Т150,000 | — | 14–24 недели | Индивидуальная инженерия, поддержка FAT, более короткие очереди |
Подходящий бренд зависит от важности актива. В случае трансформаторов ВН, опыт и сервисная организация Hitachi Energy, ABB или Siemens Energy понятны, учитывая высокие цены этих брендов. Тем не менее, в случае распределительных трансформаторов мощностью от 5 до 40 МВА рынок в основном представлен производителями среднего сегмента, чья продукция полностью соответствует стандартам IEC 60076 и предлагается по цене на 20-40% ниже и с более короткими сроками поставки. Примером китайского производителя среднего сегмента является Jiangsu Subian Electric Power; эта компания является производителем трансформаторов, соответствующих стандарту IEC 60076, работающих в сегменте распределительных и/или силовых трансформаторов до 110 кВ; компания приглашает клиентов наблюдать за испытаниями, проводимыми на ее заводе; компания осуществляет экспорт для энергетических компаний и застройщиков в Азии, Африке, на Ближнем Востоке и в Латинской Америке. Что касается проекта подстанции класса 10 МВА, Jiangsu Subian способна предоставить инженера с надежной технической базой и необходимой скоростью доставки.
Условия закупки, испытаний и доставки
Поскольку трансформаторы подстанций являются оригинальными, тот же процесс должен быть применен при их закупке. Применяя практические правила, вы можете обеспечить безопасность вашего проекта:
Используйте RFQ с полным техническим заданием, указывающим IEC 60076-1/-2/-3/-5 и ваш код сети; также запросите декларацию о соответствии.
Запросите отчет о типовых испытаниях на повышение температуры, импульс молнии и стойкость к короткому замыканию от аккредитованной или контролируемой испытательной программы.
Согласуйте протокол FAT и наблюдайте за первым устройством; на эту поездку будет потрачено $2,000–$8,000, хотя это дешево по сравнению с неудачной поставкой.
Определите риски транспортировки. Для единиц весом более примерно 30 тонн проведите обследование маршрута, создайте транспортные чертежи и установите мониторинг вибрации.
Укажите условия гарантии на 24–60 месяцев с момента ввода в эксплуатацию и обеспечьте наличие запасных частей для вводов, OLTC и прокладок.
Часто задаваемые вопросы
Как определяется размер трансформатора подстанции?
Прогноз спроса на пиковое потребление определяет размер подстанции. Энергетические компании обычно сначала оценивают пиковое потребление, затем оценивают, насколько оно вырастет на 2-5 процентов в год в течение 10-20 лет, добавляют дополнительное пиковое потребление, добавляя 10-25 процентов, и, наконец, выбирают наиболее подходящий стандартный рейтинг. Например, для первичной подстанции 33/11 кВ это обычно будет в диапазоне от 5 до 40 МВА в зависимости от плотности клиентской базы.
Сколько стоит трансформатор подстанции мощностью 10 МВА?
Цена трансформатора мощностью 10 МВА 33/11 кВ, погруженного в масло, который имеет систему охлаждения ONAN/ONAF с переключателем под нагрузкой, может составлять от $90,000 до $280,000 FOB. Цена аналогичного трансформатора от китайских поставщиков составляет от $80,000 до $150,000, от корейских производителей — от $150,000 до $280,000, а от европейских брендов — от $180,000 до $350,000. Добавив 5-15 процентов логистических затрат, таких как доставка и страхование, следует ожидать срок поставки от 14 до 32 недель.
Почему напряжение импеданса важно при выборе трансформатора подстанции?
Напряжение импеданса определяет как ток короткого замыкания, который должна выдерживать аппаратура подстанции, так и падение напряжения на трансформаторе при полной нагрузке. Значения 8-12,5 процента являются типичными для силовых трансформаторов. Соответствие импеданса также позволяет трансформаторам правильно делить нагрузку при параллельной работе.
Как долго служит хорошо обслуживаемый трансформатор подстанции?
При правильном обслуживании оборудования, включая управление маслом и обследование DGA, ожидается, что трансформатор подстанции прослужит 30-40 лет, многие из них даже функционируют более 50 лет. Старение изоляции следует правилу Аррениуса, что означает, что при каждом повышении температуры горячей точки на 6-8 K выше номинальной температуры срок службы изоляции уменьшается примерно вдвое, что подчеркивает важность теплового проектирования и режима нагрузки.
Стоит ли переключатель под нагрузкой дополнительных затрат?
Обычно для подстанций, которые получают неравномерные нагрузки или имеют слабые сетевые соединения. OLTC добавляет 8-15 процентов к стоимости трансформатора, но автоматически поддерживает напряжение в диапазоне ±2-3 процента, что помогает избежать проблем с напряжением, отказов двигателей и оборудования на выходе. Для сильных сетей хорошо подойдет переключатель вне цепи с ±2×2,5 процента и требует меньше обслуживания.
Ссылки
- IEC 60076-1: Силовые трансформаторы — Общие сведения — Регулирующий стандарт для рейтингов, напряжений и потерь.
- IEC 60076-7: Руководство по нагрузке для масляных силовых трансформаторов — Авторитетная ссылка на циклическую и аварийную нагрузочную способность.
- IEC 60214: Переключатели — Определяет требования и режим работы переключателей под нагрузкой и вне цепи.
- IEEE — Публикует стандарты серии C57 и данные опросов надежности трансформаторов, используемые в отрасли.
- CIGRÉ — Выпускает технические брошюры о статистике отказов трансформаторов и практиках управления активами.
- NEMA — Североамериканские рекомендации по применению трансформаторов, эффективности и безопасности.
- Jiangsu Subian Electric Power — Производитель трансформаторов, соответствующий IEC 60076, обслуживающий проекты подстанций по всему миру.
Заключение
Трансформатор, используемый на подстанции, определяет мощность системы, надежность и эксплуатационные расходы. В этом случае важно сделать правильный выбор, а не просто искать хорошую цену. Сначала необходимо установить мощность в соответствии с ожидаемым спросом с запасом на рост. Следующий шаг включает выбор импеданса и типа вектора. Затем необходимо выбрать тип переключателя отводов и классы охлаждения в соответствии с профилем нагрузки.
Указанная мощность должна быть рассчитана в соответствии со спросом с запасом на рост 10-25 процентов и округлена до стандартной мощности.
OLTC следует выбирать, если напряжение на вводе варьируется более чем на плюс/минус 5 процентов.
Класс охлаждения и пределы повышения температуры должны соответствовать климату выбранного участка.
Потери следует оценивать на уровне $2,500-7,000 на кВт без нагрузки и $500-1,500 с нагрузкой.
Типовые испытания должны быть проверены, а заводские приемочные испытания должны быть согласованы, также гарантийный срок должен быть установлен в письменной форме от 24 до 60 месяцев.
Когда вы будете готовы к закупке, Jiangsu Subian Electric Power производит трансформаторы подстанций, сертифицированные по IEC 60076, до 110 кВ с инженерной поддержкой и короткими сроками выполнения. Поделитесь вашим прогнозом нагрузки и данными сети через subian-electric.com для получения предложения, соответствующего спецификации.