Трансформатор для алюминиевого завода: как подобрать шесть выпрямительных трансформаторов и питание 220 кВ для электролизной линии на 420 кА и почему конструкцию определяет шина постоянного тока

Сначала ответ: серия электролизёров на 420 кА — это нагрузка 514 МВт постоянного тока при 1 224 В, поэтому подстанцию определяют выпрямительные трансформаторы и шина постоянного тока, а не потребление переменного тока

Серия из 288 электролизёров, работающая при 420 кА и 4,25 В на ванну, представляет собой нагрузку 514 МВт постоянного тока при 1 224 В. Добавьте 45 МВт вспомогательных нагрузок, и предприятие потребляет 567 МВт, или 590 МВА при коэффициенте мощности 0,96, — это два ввода 400 МВА 220/33 кВ с загрузкой 74% каждый. Но никакая арифметика по переменному току не подскажет, как закупать трансформаторы, которые действительно имеют значение. Проект определяют шесть выпрямительных трансформаторов по 87 МВА, каждый из которых выдаёт 70 кА при 1 224 В, а судьбу серии решают три числа на их паспортных табличках: сопротивление 8,5% (которое задаёт распределение тока с точностью ±2% и ток короткого замыкания шины постоянного тока около 500 кА на группу), вакуумный переключатель ответвлений под нагрузкой с не менее чем 16 ступенями (который определяет коэффициент мощности и генерацию гармоник) и обмотка, испытанная на вихревые потери и изготовленная по IEC 61378-1, а не только по IEC 60076. Сделайте это правильно — и комплект трансформаторов обойдётся в 30–40 млн долларов США, примерно 4–5% от стоимости завода за 840 млн; шаги расчёта по постоянному току и МВА можно воспроизвести с помощью калькуляторов энергосистем. Сделайте это неправильно — и отказ проявится не в вышедшем из строя трансформаторе, а в остановленной серии электролизёров, четырёх-шести неделях потерянного производства и 20–40 млн долларов США на бракованный электролит и перефутерованные ванны.

Ключевые выводы

• Размер выпрямительной батареи выбирайте по постоянному току, а не по переменному: 288 ванн × 4,25 В = 1 224 В; 420 кА = 514 МВт постоянного тока; 45 МВт вспомогательных нагрузок доводят предприятие до 567 МВт / 590 МВА.
• Шесть выпрямительных трансформаторов по 87 МВА, а не один крупный агрегат: по 70 кА каждый, 12-пульсная схема на группу со сдвигом до 72-пульсной в целом, и режим N-1 при токе 5/6 вместо отключения серии.
• Сопротивление 8,5% — это компромисс по трём направлениям: распределение тока между параллельными группами, ток короткого замыкания шины постоянного тока и потребление реактивной мощности. Задавайте допуск сопротивления ±2,5%, а не ±7,5%.
• Регулируйте напряжение сначала переключателем ответвлений под нагрузкой, а тиристором — во вторую очередь: каждый 1% фазового регулирования ниже номинального напряжения стоит около 0,6% коэффициента мощности и добавляет гармоники.
• Завод — это нагрузка 590 МВА, которая должна выдержать потерю одного ввода 400 МВА, поэтому соответствие N-1 обеспечивается договорным протоколом снижения тока (до 285 кА в течение 15 минут), а не завышением мощности вводов.

Какую электрическую нагрузку фактически представляет собой серия на 420 кА?

Серия электролизёров — это единая последовательная цепь. Каждая ванна несёт одинаковые 420 кА, а напряжения складываются: 288 ванн при среднем напряжении 4,25 В дают 1 224 В постоянного тока от конца до конца. Именно это число должен обеспечить выпрямитель, и с точки зрения изоляции это низкое напряжение — 1,2 кВ постоянного тока, — а с точки зрения шин, выпрямителей и распределения тока это огромный ток.

Отсюда сразу следуют два вывода. Во-первых, 590 МВА — это крупнейшая единичная нагрузка, которую большинство энергосистем вообще подключают на 220 кВ, и она на удивление стабильна: серия электролизёров — это нагрузка постоянного тока, а не двигательная нагрузка. Во-вторых, 14,8 кВт·ч/кг означают, что электроэнергия составляет примерно 40% себестоимости металла, поэтому каждый киловатт потерь трансформатора — это отдельная статья в денежной себестоимости завода, и именно поэтому эти тендеры решает совокупная стоимость владения, а не цена закупки. Вот почему оценка потерь в этом применении выполняется при 0,05–0,07 доллара США за кВт·ч и 8 000–8 500 часов — та же арифметика, что и в формуле выбора мощности и бюджета трансформатора, и поэтому трансформатор с эффективностью на 0,1% ниже может проиграть тендер стоимостью 1,2 млн долларов США за единицу.

Почему 4,25 В на ячейку, а не 4,0 В? Энергетический компромисс за напряжением постоянного тока

Напряжение на ячейке — это баланс между энергией и выходом по току. Примерно 1,2 В — это обратимое потенциал разложения, который нельзя устранить; остальное — омическое падение в ванне, анодах, катодах и шинопроводах. Уменьшение расстояния анод–катод снижает падение в ванне и экономит энергию, но также повышает вероятность анодных эффектов и снижает выход по току. На практике завод останавливается на 4,15–4,35 В, и каждые 100 мВ стоят около 2,4% энергии постоянного тока. Для этой серии электролизёров переход с 4,25 В на 4,15 В экономит 4,5 МВт — около 39 ГВт·ч в год, или 2,3 млн долларов США при 0,06 доллара США/кВт·ч — без замены хотя бы одного трансформатора. Именно поэтому разговор об электрическом проектировании с заводом всегда начинается с напряжения на ячейке и выхода по току, а не с кВА.

Почему серия электролизёров на 420 кА использует шесть выпрямительных групп вместо одного большого выпрямителя?

Четыре причины, и только первая связана с производством. Одного выпрямителя на 514 МВт не существует; даже если бы он был, его ток короткого замыкания на шинах постоянного тока и его единая точка отказа были бы неприемлемы.

Производство и транспортировка. Преобразовательный трансформатор на 90 МВА, 33 кВ весит 110–130 т с маслом. Шесть таких трансформаторов вписываются в те же транспортные габариты, что и один агрегат на 540 МВА, который невозможно было бы изготовить, отгрузить или заменить. Стратегия резервных агрегатов также становится практичной: завод держит один резервный трансформатор на 90 МВА вместо одного на 540 МВА.

Гармоники. Каждая группа представляет собой 12-пульсный выпрямитель (две вторичные обмотки, одна треугольник и одна звезда). Шесть групп, смещённых по фазе на 5°, дают эффективную 72-пульсную характеристику, сдвигая первую характерную гармонику с 11-й на 71-ю — механизм, лежащий в основе того, почему гармонические токи перегревают трансформаторы — и сокращая фильтровую батарею с 200 МВАр до 120 МВАр. Смещение выполняется в обмотках трансформатора — вторичные обмотки с расширенным треугольником или зигзагом — поэтому это пункт спецификации, а не настройка выпрямителя.

Ток короткого замыкания на шинах постоянного тока. Шинопровод серии электролизёров — это алюминиевый проводник на 420 кА, проходящий по всей длине корпуса электролиза протяжённостью 1 км. Короткое замыкание в любом месте на нём питается всеми выпрямительными группами одновременно. Ожидаемый ток от одной группы на 90 МВА при сопротивлении 8,5% составляет около 500 кА; шесть групп дают короткое замыкание шин в районе 2–3 МА, ограниченное сопротивлением шинопровода и отключаемое отключением всех шести выключателей переменного тока. Шесть отдельных разъединителей постоянного тока и шесть выключателей переменного тока — единственная схема, позволяющая изолировать одну группу для обслуживания, пока серия электролизёров продолжает работать.

N-1 при пониженном токе. Потеря одной группы снижает ток серии с 420 кА до 350 кА, а не до нуля. Алюминиевые ячейки переносят пониженный ток в течение нескольких дней; они не переносят разрыв цепи. Это единственное свойство — работа 5/6 — стоит больше, чем дополнительные затраты на коммутационное оборудование, потому что остановка серии электролизёров измеряется неделями.

Какой дисбаланс тока могут выдержать параллельные выпрямительные группы?

Распределение тока между группами почти полностью определяется несоответствием сопротивлений, и это та же физика, которая управляет любой параллельной работой трансформаторов. При общем токе 420 кА группа, несущая на 5% больше своей доли, работает на 5% горячее по обмотке и на 10% горячее по вихревым потерям, а её изоляция стареет примерно вдвое быстрее. Зависимость близка к линейной, и она жестока:

Это самое важное предложение в заказе на покупку преобразовательного трансформатора: допуск сопротивления ±2,5% от среднего по группе, измеренный на отпайке, которая будет использоваться для базовой нагрузки. IEC 60076-1 допускает ±7,5% от заявленного значения для отдельного агрегата, и поставщик, который предлагает такой допуск, соответствует стандарту и бесполезен для группы из шести агрегатов. Та же логика применима к допуску коэффициента трансформации (±0,25%) и к вторичным обмоткам в пределах одного агрегата, где несоответствие 1% между обмотками треугольник и звезда превращается в дисбаланс 12-пульсного моста и составляющую 6-й гармоники, для которой не рассчитан ни один фильтр.

Что происходит при отключении одной группы — и почему это не останавливает серию электролизёров?

При токе 420 кА напряжение серии составляет 1 224 В. При потере одной из шести групп постоянное напряжение падает примерно до 1 020 В, при этом электролизёры, всё ещё заполненные расплавленным электролитом при 960 °C, продолжают проводить ток. Оставшиеся пять групп принимают ток в течение 20–50 мс; затем система регулирования тока удерживает 350 кА, и серия продолжает работу — с более горячим катодом и меньшей эффективностью — до восстановления группы. Срок службы катодной футеровки сокращается быстрее при пониженном токе, поскольку смещается профиль застывания на боковых стенках; именно поэтому завод восстанавливает группу в течение нескольких часов и почему наличие резервного преобразовательного трансформатора на площадке важнее, чем резервного главного трансформатора.

Сценарий, который не должен произойти никогда, — это потеря всех групп или разрыв цепи постоянного тока. Ниже примерно 200 кА электролит начинает застывать у боковых стенок; через 4–6 часов электролизёры затвердевают, и перезапуск превращается в механический проект: выемка застывшего электролита, перекладка футеровки, повторный запуск электролизёр за электролизёром в течение 30–45 дней. Эта асимметрия — 5/6 выживаемо, 0/6 нет — является причиной того, что схема выпрямителей, подключение на 220 кВ и схема защиты проектируются совместно, а не по отдельности.

Как задать параметры преобразовательного трансформатора для серии на 420 кА?

Преобразовательный трансформатор — это не распределительный трансформатор с увеличенным баком. Он определяется стандартом IEC 61378-1, несёт преобразовательную нагрузку, которую IEC 60076-1 не описывает, а его нагрузочные потери должны измеряться и гарантироваться для несинусоидального тока. Приведённый ниже опросный лист позволяет получить сопоставимые предложения.

Почему РПН должен регулировать напряжение, а тиристор — лишь подстраивать его?

У ведомого сетью выпрямителя есть два способа снизить напряжение постоянного тока: уменьшить напряжение переменного тока с помощью РПН или задержать угол открывания. Первый почти не вносит потерь и сохраняет ток синфазным с напряжением. Второй — нет. При открывании с углом α ток потребляется с углом сдвига примерно α/2 плюс перекрытие коммутации, и каждый 1% фазового регулирования ниже номинального напряжения стоит около 0,6% коэффициента мощности и вносит дополнительные низкочастотные гармоники, на которые фильтрокомпенсирующая установка не была рассчитана.

Поэтому в спецификации должно быть указано: грубое регулирование ступенями РПН ±1,25%, точная подстройка тиристором только в пределах ±2%, а РПН должен быть рассчитан на 300 000 переключений с вакуумным прерывателем в масле. Заводы постоянно переключают ответвления — замена анодов смещает напряжение электролизёра на 20–40 мВ, электролизёры отключаются и перефутеровываются, ток серии наращивается со скоростью 5 кА/ч при пуске — и переключатель ответвлений без возбуждения просто не может использоваться на такой нагрузке; общий компромисс изложен в разделе переключатели ответвлений под нагрузкой и без возбуждения.

Почему 8,5% сопротивления короткого замыкания — правильное значение?

Сопротивление короткого замыкания в преобразовательном трансформаторе выполняет три функции одновременно, и они тянут в противоположные стороны. Оно ограничивает вклад в ток КЗ шины постоянного тока, задаёт коммутационное реактивное сопротивление, определяющее угол перекрытия и потребление реактивной мощности, а также определяет, какой объём регулирования напряжения можно обеспечить с помощью отпаек. В таблице показан компромисс при 90 МВА:

При 8,5% одна группа вносит около 500 кА в ток КЗ шины постоянного тока — это значение должно быть внесено в спецификацию предохранителей и выключателей выпрямителя, в расчёт креплений шин и в исследование дугового разряда; методика та же, что используется в расчёте тока короткого замыкания трансформатора. Это также означает, что батарея потребляет около 62 МВАр на группу, 165 МВАр в сумме для 567 МВт, что и определяет размер фильтровой батареи. Снижая сопротивление КЗ ради эффективности, вы тратите выигрыш трижды — на распределительное устройство, предохранители и фильтры.

Чем ещё отличается от распределительного трансформатора? Позиции для преобразовательного режима

Три позиции регулярно упускаются поставщиками, чей опыт связан с распределительными трансформаторами. Во-первых, измерение потерь: IEC 61378-1 требует, чтобы нагрузочные потери гарантировались и измерялись при форме тока, характерной для преобразовательного режима, включая коэффициент гармонических потерь — трансформатор, который при синусоидальном испытании показывает 320 кВт, в эксплуатации может рассеивать 380 кВт. Во-вторых, изоляция при повторяющихся импульсах: обмотка НН испытывает коммутационные провалы несколько сотен раз за период, и межвитковая изоляция, выдерживающая импульс 1,2/50 мкс, может выйти из строя за пять лет, если не оговорены требования к срезанному импульсу и повторяющимся импульсам. В-третьих, электризация масла и статический заряд: принудительное масляное охлаждение с высокой скоростью потока в крупных агрегатах генерирует статический заряд; спецификация должна требовать заземления бака и трубопроводов и ограничения скорости потока масла — это единственное требование, которое отличает преобразовательный трансформатор от силового трансформатора той же мощности.

Какие искажения гармоник вносит электролизная серия на 420 кА?

12-пульсовая группа создаёт характерные гармоники порядка 12k ± 1: 11-ю, 13-ю, 23-ю, 25-ю и так далее, с амплитудами примерно 1/h от основной. Шесть групп со сдвигом 5° компенсируют большинство из них, оставляя остаток, в котором преобладают 5-я и 7-я от насыщения трансформатора и 11-я/13-я от неидеального сдвига. В точке общего присоединения 220 кВ IEEE 519 допускает 1,5% общего искажения по требованию для предприятия такого размера; электролизная серия без фильтрации выходит на 8–14%.

Обратите внимание на структуру проблемы: основной объём работы выполняет сдвиг групп, а фильтры очищают остаток и поставляют реактивную мощность. Именно поэтому фильтровая батарея задаётся в МВАр, а не в амперах — её основная задача на металлургическом заводе — коэффициент мощности, а подавление гармоник — вторая выгода. Две фильтровые батареи C-типа по 60 МВАр на шине 33 кВ поставляют 120 МВАр из 165 МВАр, необходимых выпрямителям; сеть 220 кВ видит около 45 МВАр, что вполне укладывается в требование 0,95 pf, которое налагает большинство сетевых операторов.

Почему фильтры устанавливаются на шине 33 кВ, а не на 220 кВ?

Стоимость и коммутация. Фильтрокомпенсирующая установка мощностью 60 МВАр на 33 кВ — это обычная, ремонтопригодная, собираемая на месте конденсаторная установка; те же МВАр на 220 кВ требуют полностью изолированной платформы, распределительного устройства 220 кВ и значительно большей площади. Размещение фильтров на 33 кВ также электрически приближает их к выпрямителям, поэтому гармонические токи циркулируют локально и никогда не достигают главных трансформаторов, вихревые потери которых иначе возросли бы. Главные трансформаторы тогда видят нагрузку с коэффициентом мощности 0,99 и несут на 5–8% меньший ток при той же мощности в МВт — что стоит около 4 МВт потерь на двух вводах, или 2 млн долларов США в год при ценах на электроэнергию для алюминиевого завода.

Как рассчитать вводы 220/33 кВ на режим N-1 для алюминиевого завода?

Общая потребность составляет 590 МВА. Два ввода 220/33 кВ мощностью 400 МВА каждый несут по 295 МВА, загрузка 74%. При потере одного оставшийся сталкивается с 148% — трансформатор, который не выдержит 148% более нескольких минут, и серия электролизёров, которую нельзя просто отключить. Отраслевое решение — не третий блок на 400 МВА, а договорной и эксплуатационный протокол снижения тока, подкреплённый перегрузочной способностью трансформатора.

Арифметика: 400 МВА при коэффициенте мощности 0,96 — это 384 МВт. Собственные нужды составляют 45 МВт и не могут быть отключены. Следовательно, выпрямители получают 339 МВт, что при 1 224 В и КПД выпрямителя 98,5% составляет 275 кА — 65% тока серии. Серия при 275 кА работает некомфортно, но стабильно в течение нескольких дней: температура электролита падает на несколько градусов, выход по току снижается на два пункта, а электролизёры остаются в расплавленном состоянии. Снижение с 420 кА до 275 кА при максимальной скорости изменения 5 кА/ч занимает 29 часов, поэтому протокол составлен как поэтапный план (420 → 380 кА в течение 1 часа за счёт подавления анодных эффектов, → 320 кА в течение 8 часов, → 275 кА в течение 30 часов), и поэтому вводы рассчитаны на 130% длительной перегрузки с принудительным охлаждением и 150% в течение 30 минут.

Почему завышение мощности вводов — неправильное решение?

Три ввода по 400 МВА обеспечили бы истинный режим N-1 при полном токе, но они стоили бы примерно на 6 млн долларов США больше, занимали бы третью ячейку и добавляли бы около 180 кВт потерь холостого хода каждый — 1,6 ГВт·ч в год для третьего блока, 95 000 долларов США в год навсегда, ради сценария, который случается раз в пять–десять лет. Хуже того, третий ввод не решает случай, который действительно происходит: потерю линии 220 кВ, питающей два из трёх. Поэтому алюминиевые заводы инвестируют в то, что снижает вероятность и длительность простоев: две линии 220 кВ на отдельных опорах, распределительное устройство 220 кВ с элегазовой изоляцией, онлайн-анализ растворённых газов (DGA) на каждом главном трансформаторе и выпрямительном трансформаторе, а также резервный выпрямительный трансформатор на 90 МВА на площадке. Этот комплекс стоит меньше третьего ввода и охватывает как отключение линии, так и отключение трансформатора.

Сколько стоит простой серии электролизёров и как это меняет спецификацию трансформатора?

Серия электролизёров, потерявшая ток более чем на 4–6 часов, застывает. Электролит затвердевает у боковых стенок, металлическая подушка сжимается, а перезапуск означает извлечение 288 электролизёров, замену катодных блоков и боковой футеровки и повторный запуск при 50–100 кА с медленным подъёмом — 30–45 дней и 20–40 млн долларов США, плюс потеря производства 336 000 т/год, делённых на двенадцать. На фоне этой цифры мониторинг состояния трансформатора стоимостью 1,3 млн долларов США бесплатен.

Последствия для спецификации конкретны: онлайн-анализ растворённых газов на каждом выпрямительном трансформаторе (тренды водорода и ацетилена выявляют локальный перегрев за недели до отказа), волоконно-оптическое измерение температуры обмотки вместо расчётной температуры локального перегрева, подсчёт операций РПН и мониторинг тока двигателя, а также схема дифференциальной защиты шин, отключающая шесть выключателей переменного тока менее чем за 80 мс; философия защиты обобщена в разделе устройства защиты трансформаторов. На вводах требуется подключение 220 кВ, которое можно переключать между секциями шин без отключения серии, что означает, что сторона 33 кВ спроектирована для переключения с опережающим замыканием, а система управления выпрямителем способна выдержать провал напряжения на 300 мс без потери регулирования тока.

Как часто на самом деле срабатывает переключатель ответвлений?

Чаще, чем предполагает большинство спецификаций. Серия на 420 кА дрейфует на 30–60 В в сутки по мере замены анодов и отключения электролизёров; контур регулирования тока удерживает 420 кА, перемещая ответвление на одну ступень 1,25% за раз, что при 1 224 В составляет 15 В на ступень. Добавьте пусковые рампы, подавление анодных эффектов и ночное следование за нагрузкой, когда завод имеет договор на прерываемое электроснабжение, и 30–60 операций в сутки — это норма — 20 000 в год, 300 000 за 15-летний срок службы трансформатора. Поэтому вакуумный РПН, рассчитанный на 300 000 операций, является компонентом на весь срок службы актива, а не принадлежностью, и его отказ (заклинивание ответвления) управляем только если выпрямитель всё ещё может регулировать ±2% на тиристоре. Именно поэтому существует требование точного регулирования.

Как рассчитать мощность вспомогательной подстанции?

Сорок пять мегаватт собственных нужд кажутся небольшой величиной на фоне серии электролизёров мощностью 514 МВт, но именно эта часть завода останавливает производство при отказе. Потеря вентилятора в системе газоочистки означает, что электролизёры придётся накрыть и снизить ток; потеря печи выдержки в литейном отделении означает, что металл накопится в электролизёрах.

Комплект собственных нужд — это два трансформатора 25 MVA 33/11 kV с загрузкой 90% каждый, с раздельными секциями шин, чтобы один можно было вывести в обслуживание, плюс распределительные трансформаторы 11/0.4 kV мощностью 1,000–2,500 kVA по всем электролизным корпусам и литейному отделению. Поскольку большая часть нагрузки собственных нужд — это вентиляторы и компрессоры с VFD, агрегаты 0.4 kV должны иметь класс K-factor или питаться через активные выпрямители — проблема гармоник на алюминиевом заводе существует не только на выпрямителях, и именно здесь применяется выбор трансформатора с учётом K-factor.

Где на алюминиевом заводе уместна литая смола, а где нет?

Литая смола уместна внутри помещений в распределительных пунктах серии электролизёров и в литейном отделении, где пожар минерального масла рядом с металлом при 960 °C недопустим и где агрегаты 11/0.4 kV маломощны. Она неуместна при 33 kV и 25 MVA: трансформатор 25 MVA с литой смолой находится на верхней границе диапазона сухих трансформаторов — эта граница обсуждается в масляные и сухие трансформаторы — и стоит на 40–60% дороже масляного агрегата, а также требует системы изоляции класса F с превышением температуры 100 K, чтобы оставаться в разумных габаритах. Стандартное решение — масляные агрегаты 33/11 kV наружной установки с противопожарными стенами и токоограничивающим реактором 6% на шиносоединительном выключателе, а литая смола — от 11 kV и ниже.

Что сама шина постоянного тока требует от комплекта трансформатор-выпрямитель?

Шина 420 kA — это та часть завода, которая чаще всего преподносит сюрпризы поставщику трансформаторов. Она алюминиевая, с водяным охлаждением со стороны выпрямителя, и несёт ток, который при коротком замыкании создаёт ожидаемый ток КЗ 2–3 MA. Отсюда следуют три требования.

Отключение повреждения за десятки миллисекунд. Собственная защита выпрямителя должна обнаружить перегрузку по постоянному току и отключить выключатель переменного тока менее чем за 80 мс; трансформатор должен выдерживать возникающие электромагнитные усилия, поэтому обмотка проектируется с непрерывно транспонированным проводом и испытывается на короткое замыкание при фактическом сопротивлении батареи, а не по типовому испытанию 25 kA.

Обнаружение замыкания на землю в изолированной системе постоянного тока. Серия электролизёров не заземлена — одиночное замыкание на землю не должно останавливать 514 МВт. Требуются как мониторинг изоляции шины постоянного тока, так и обмотка НН трансформатора, изолированная на полное напряжение постоянного тока относительно земли (1.2 kV DC плюс переходные процессы). Поставщики, которые рассматривают НН как распределительную обмотку на 690 V, не проходят это испытание в первый же год.

Синфазные помехи. Коммутация выпрямителя создаёт синфазные напряжения, которые через ёмкость трансформатора проникают в систему 33 kV и в электронику управления. Именно указанный выше электростатический экран это останавливает; без экрана собственная электроника регулирования тока выпрямителя становится крупнейшим источником ложных отключений на заводе.

Какие потери следует капитализировать при 8,000 часов в год?

Алюминиевый завод работает 8,500 часов в год с готовностью 96–98%, поэтому капитализация потерь — не формальность тендера. Для данной батареи:

За 20 лет при ставке дисконтирования 6% экономия в 1,05 млн долларов США в год имеет приведённую стоимость около 12 млн долларов США — примерно равную цене покупки шести трансформаторов. Именно поэтому при оценке тендерных предложений на алюминиевом заводе потери учитываются с весом 30–40% от общей оценки, и именно поэтому предложение с нагрузочными потерями 340 кВт вместо 320 кВт может проиграть тендер даже при более низкой цене. Это также объясняет, почему потери должны быть гарантированы в режиме выпрямительной нагрузки: поставщик, который гарантирует 320 кВт при синусоидальном испытании и поставляет 380 кВт при выпрямительной нагрузке, преподносит заводу «сюрприз» в размере 320 000 долларов США в год, который не покроет ни одна гарантийная оговорка.

Стоит ли покупать более эффективный главный трансформатор вместо третьего?

Да. Два главных трансформатора мощностью 400 МВА с потерями холостого хода 180 кВт и нагрузочными потерями 900 кВт каждый обходятся примерно в 1,1 млн долларов США в год в виде потерь. Переход от обычного сердечника из электротехнической стали с ориентированной структурой к высококачественному или аморфному сердечнику на агрегатах такого размера нецелесообразен, но выбор экономически оптимальной конструкции с минимальными потерями и оценка при стоимости 0,06 долларов США/кВт·ч обычно позволяют вернуть 15–20% потерь за 3–4% цены. На агрегате мощностью 400 МВА экономия 150 кВт нагрузочных потерь составляет 72 000 долларов США в год, а срок окупаемости — менее двух лет.

Что должен содержать опросный лист на трансформатор?

Четырнадцать пунктов в порядке, определяющем результат тендера:

Какие пять ошибок в спецификации обходятся дороже всего?

1. Допуск сопротивления короткого замыкания по IEC 60076-1 (±7,5%). Шесть агрегатов с трёх заводов или даже с одного завода при нормальном технологическом разбросе не будут равномерно распределять ток. Симптом проявляется на второй год: один агрегат работает на 12 K горячее соседних; решение — перемотка или постоянное ограничение тока для всей группы.

2. Потери, измеренные при синусоидальном токе. Режим преобразователя добавляет 15–20% к нагрузочным потерям в обмотке и ещё больше в конструктивных элементах. Гарантия, в которой указано 320 кВт без указания спектра, — это не гарантия.

3. Отсутствие электростатического экрана. Экономит около 1,5% цены и приводит к годам необъяснимых срабатываний системы управления выпрямителей и синфазных помех на 33 кВ, которые никто не может отследить.

4. Регулирование напряжения только тиристорами. Дешевле на стоимость РПН, но приводит к потере 1–2% коэффициента мощности и к необходимости фильтрокомпенсирующей установки, рассчитанной на гармоники, которых можно было бы избежать при наличии РПН. При мощности 567 МВт 1% коэффициента мощности — это 300 000 долларов США в год в виде платы за реактивную энергию по многим тарифам.

5. Стандартный класс стойкости к короткому замыканию распределительного трансформатора. Ток короткого замыкания шины постоянного тока составляет 500 кА на группу и 2–3 МА в сумме; обмотка, рассчитанная и испытанная на обобщённом уровне по IEC, деформируется при первом же реальном КЗ, и эта деформация останется незамеченной, пока через два года анализ DGA не покажет наличие ацетилена.

Как ввести в эксплуатацию выпрямительный трансформатор, не создавая нагрузку на электролизную серию?

Пусконаладка проводится до запуска электролизной серии, поэтому группа испытывается на водяной реостат или на короткозамкнутую шину со ступенчатым повышением тока: 10%, 25%, 50%, 75% и 100% номинального выпрямленного тока, причём каждая ступень выдерживается в течение времени, необходимого для стабилизации температуры обмотки. Наиболее важны те испытания, которые выявляют проблему всей группы, а не отдельного агрегата.

Испытание на распределение тока — то, на котором следует настаивать как на заводе, так и на площадке, поскольку это единственное испытание, которое подтверждает группу, а не отдельный агрегат. Поставщик может выполнить все индивидуальные гарантии и всё же поставить шесть трансформаторов, которые не работают параллельно, а переделка выполняется в электролизном цехе, на высоте, в атмосфере фторидов, при ожидающей электролизной линии.

Sources / 资料来源

Источник: IEC 61378-1 — Преобразовательные трансформаторы, Часть 1: Трансформаторы для промышленного применения.
Источник: IEC 60146-1-1 — Полупроводниковые преобразователи: общие требования и преобразователи с сетевой коммутацией.
Источник: IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы: общие положения.
Источник: IEC 60076-2 — Силовые трансформаторы: превышение температуры для трансформаторов с жидкостным охлаждением.
Источник: IEC 60076-3 — Силовые трансформаторы: уровни изоляции, диэлектрические испытания и внешние изоляционные расстояния в воздухе.
Источник: IEC 60076-5 — Силовые трансформаторы: стойкость к короткому замыканию.
Источник: IEC 60076-7 — Силовые трансформаторы: руководство по нагрузке для силовых трансформаторов с минеральным маслом.
Источник: IEC 60076-11 — Силовые трансформаторы: сухие трансформаторы.
Источник: IEEE 519 — Рекомендуемая практика и требования к контролю гармоник в электрических энергосистемах.
Источник: IEC 61936-1 — Электроустановки переменного тока напряжением свыше 1 kV и постоянного тока свыше 1,5 kV: общие правила.
Источник: GB/T 6451 — Технические параметры и требования к трёхфазным масляным силовым трансформаторам.
Источник: QDTB Engineering Team — поставка масляных и литых смоляных трансформаторов для металлургических, промышленных и инфраструктурных проектов, 2015–2025 (напряжения ячеек, коэффициенты спроса, разбросы сопротивления короткого замыкания, ставки капитализации потерь, ценовые диапазоны и сроки поставки, приведённые здесь, являются отраслевыми эмпирическими значениями, а не опубликованными стандартами).