Трансформатор для прокатного стана: как рассчитать питание 33 кВ для стана по производству арматуры производительностью 500 000 т/год

Сначала ответ: прокатный стан 500 000 т/год для арматуры — это нагрузка 10,4 МВт при коэффициенте мощности 0,92, и три решения по трансформаторам определяют, запустится ли он, удержится ли TDD на уровне 5% и выдержит ли 45 °C

Прокатный стан, производящий 500 000 т/год арматуры диаметром 8–32 мм за 7 200 часов, — это завод производительностью 69,4 т/ч, потребляющий около 105 кВт·ч электроэнергии на тонну, поэтому его средняя потребляемая мощность составляет 7,3 МВт, а 15-минутный пик — 10,4 МВт при коэффициенте мощности 0,92 — 11,3 МВА. Именно эта нагрузка, а не 45-МВт печь с рекуперацией тепла, определяет комплект трансформаторов: два главных трансформатора 12,5 МВА 33/11,5 кВ ONAN/ONAF, каждый из которых несёт 95% нагрузки завода на одном агрегате при температуре окружающей среды 45 °C, сопротивление 8%, которое удерживает уровень тока КЗ на 11 кВ на отметке 6,2 кА и вынуждает каждую клеть запускаться от привода, а не прямым пуском от сети, и тринадцать преобразовательных трансформаторов — три агрегата по 3 200 кВА в парах Dy/Dd со сдвигом 30° и десять агрегатов K-13 по 800 кВА — которые удерживают суммарное искажение потребляемого тока в точке общего присоединения 33 кВ на уровне 4,2% против предела 5,0% по IEEE 519. Сделайте эти три вещи правильно, и комплект трансформаторов обойдётся в 540 000–680 000 долларов США на заводе, который стоит в двести раз дороже; сделайте их неправильно, и вы проведёте первый год производства в спорах с энергоснабжающей организацией о гармониках и со станом о провалах напряжения.

Ключевые выводы

• 105 кВт·ч/т × 69,4 т/ч даёт 7,3 МВт в среднем и 10,4 МВт в 15-минутном пике — метод кВт·ч на тонну заменяет любую таблицу кВА на тонну, и именно пик, а не среднее значение, определяет типоразмер главных трансформаторов.
• Два агрегата по 12,5 МВА, сниженные до 11,9 МВА при 45 °C, несут 95% нагрузки завода по схеме N-1; 2 × 1 200 кВАр расстроенных конденсаторов дают последние 4% мощности дешевле, чем переход на 16 МВА.
• Сопротивление 8% — это компромисс, а не значение по умолчанию: оно удерживает уровень тока КЗ на 11 кВ на отметке 6,2 кА, но также создаёт провал 13,5%, если обжимная клеть 2 300 кВт запускается прямым пуском от сети, поэтому каждая клеть работает от привода с активным выпрямителем.
• Одни только шестипульсные выпрямители доводят TDD тока до 26%; пары Dy/Dd со сдвигом 30° снижают его до 8,5% на приводе и до 4,2% в точке общего присоединения 33 кВ — эта разница и есть разница между соблюдением и нарушением пункта договора о гармониках энергоснабжающей организации.
• При 7 200 ч/год и 0,09 доллара США/кВт·ч потери холостого хода стоят 788 долларов США/кВт, а нагрузочные потери — 268 долларов США/кВт; надбавка за S13 на агрегате 12,5 МВА окупается примерно за 3,7 года, за аморфный сердечник — примерно за 6.

Какую электрическую нагрузку фактически представляет прокатный стан 500 000 т/год для арматуры?

Начните с тоннажа и удельного потребления, потому что все остальные числа выводятся из них. Стан производительностью 500 000 т/год, работающий 300 дней по 24 ч/сутки, имеет 7 200 продуктивных часов, поэтому пропускная способность составляет 69,4 т/ч. Прокатный стан с печью с рекуперацией тепла и приводами переменного тока потребляет 95–120 кВт·ч электроэнергии на тонну в зависимости от размера заготовки, сортамента продукции и того, какая часть отделочной группы работает на скорости; 105 кВт·ч/т — реалистичная средняя точка для сортамента 8–32 мм, подаваемого заготовками сечением 150 мм. Это даёт 7,29 МВт средней потребляемой мощности и, при умножении на типичное для стана с промежутками между заготовками, перевалками валков и восстановлением после аварий отношение пика к среднему 1,42, 15-минутную пиковую потребляемую мощность 10,4 МВт. Умножьте на 7 200 ч, и завод покупает 52,5 ГВт·ч в год — число, на котором позже строится оценка потерь.

10,4 МВт распределены неравномерно. Примерно 89% из них приходится на прокатную группу и печь с рекуперацией тепла, и именно совпадение между ними делает суммарную величину меньше суммы присоединённых нагрузок. Приведённый ниже график нагрузок — это то, что нужно передать производителю трансформаторов, потому что типоразмер главных трансформаторов определяет столбец потребляемой мощности, а не столбец присоединённой мощности.

Две особенности этой таблицы важнее итогового значения. Во-первых, 17,2 МВт из 20,8 МВт подключенной мощности приходится на регулируемые приводы, поэтому коэффициент мощности завода определяется выпрямительными входными каскадами, а не асинхронными двигателями: активный выпрямитель обеспечивает коэффициент смещения 0,98–0,99, диодный выпрямитель с дросселем в цепи постоянного тока — 0,95, а 6-пульсный тиристорный выпрямитель может снизиться до 0,85 при пониженной скорости. Во-вторых, потребляемая мощность стана колеблется на 3–4 МВт в течение минуты по мере входа и выхода заготовок из клетей, что в первую очередь является проблемой загрузки трансформатора. Если вы всё ещё на стадии концепции и у вас есть только перечень подключенных нагрузок, метод, описанный в как рассчитать распределительную систему, приведёт вас к этой же таблице без шага кВт·ч/т; чего он не может сказать, так это какая доля подключенной нагрузки приходится на приводы, а именно это число определяет требования к гармоникам.

Почему две линии 33 кВ рассчитываются на 45 °C, а не на 40 °C?

Потому что паспортная табличка трансформатора не описывает климат завода. IEC 60076-2 нормирует трансформатор на максимальную температуру окружающей среды 40 °C, среднемесячную 30 °C и среднегодовую 20 °C. Прокатный стан арматуры в Лагосе, Момбасе, Джакарте или Джидде видит 44–48 °C в жаркий сезон, а трансформатор стоит на площадке, где радиаторы подвергаются отражённому теплу от здания стана. Каждый градус выше опорных 40 °C стоит около 0,9% номинальной мощности ONAN для масляного трансформатора такого размера, поэтому трансформатор на 12,5 МВА, которому предстоит работать при 45 °C, в действительности является трансформатором на 11,9 МВА. Покупка «12,5 МВА» и обнаружение этого в июле — самая распространённая ошибка в выборе мощности на заводах в жарком климате, и та же арифметика применима к трансформаторам с литой изоляцией на высоте и в невентилируемых помещениях, что изложено в снижение номинальной мощности на высоте и при повышенной температуре.

При пиковой полной мощности 11,3 МВА и доступных 11,9 МВА от одного трансформатора с пониженной мощностью N-1 оставляет загрузку 95% — приемлемо на один день, но не на неделю. Поэтому комплект, удовлетворяющий как нормальной работе, так и единичному отказу, — это 2 × 12,5 МВА, 33/11,5 кВ, YNd11, ONAN 12,5 МВА / ONAF 16 МВА при 40 °C, с устройством регулирования напряжения под нагрузкой ±8 × 1,25% на стороне 33 кВ и сопротивлением 8%.

Последняя строка — причина, по которой заводу нужна реактивная компенсация, а не трансформатор большей мощности. Без двух расстроенных батарей 2 × 1 200 кВАр коэффициент мощности падает до 0,88, пиковая полная мощность возрастает с 11,3 до 11,8 МВА, и режим единичного отказа работает при 99% от мощности с учётом снижения, а точка перегрева находится на длительном пределе 98 °C, определённом в IEC 60076-7. Две конденсаторные батареи стоят примерно 45 000 долларов США с учётом монтажа; переход с 2 × 12,5 МВА на 2 × 16 МВА стоит около 90 000 долларов США в цене трансформатора и навсегда добавляет 15% к потерям холостого хода. Конденсаторы — это те самые более дешёвые 4%.

Ещё одно следствие наличия двух трансформаторов на нормально разомкнутом секционном выключателе: завод должен выдерживать перевод нагрузки. Схема автоматического перевода нагрузки на резерв, которая замыкает секционный выключатель через 300 мс после отключения вводного выключателя, повторно подаст напряжение на шину 11 кВ через трансформатор, сердечник которого может ещё сохранять остаточный магнитный поток, что вызовет бросок тока намагничивания в 6–8 раз выше номинального тока в дополнение к току повторного разгона двигателей. При 12,5 МВА это ток 3–4 кА в течение 100 мс — достаточно, чтобы сработал мгновенный элемент вводного выключателя, если он настроен по паспортным данным, а не по измеренному броску тока намагничивания. Измерения и уставки реле рассматриваются в разделе бросок тока намагничивания трансформатора; правило проектирования для этого завода — устанавливать мгновенный элемент выше наихудшего броска тока намагничивания, рассчитанного с учётом остаточного потока, и добавлять блокировку по броску тока намагничивания в защите 87T, если уровень токов короткого замыкания в сети энергоснабжающей организации достаточно высок, чтобы эти два явления перекрывались.

Почему 8% сопротивления — это значение, которое определяет и уровень токов короткого замыкания, и то, как запускается каждая клеть?

Сопротивление — единственный параметр трансформатора, который фигурирует сразу в двух расчётах, и на прокатном стане оба из них являются определяющими. Первый — уровень токов короткого замыкания. Подключение к сети 33 кВ с доступной мощностью короткого замыкания 500 МВА, рассматриваемое через трансформатор 12,5 МВА с сопротивлением 8%, даёт 119 МВА на шине 11 кВ — 6,2 кА тока трёхфазного короткого замыкания плюс вклад двигателей в течение первых циклов. Эти 6,2 кА — то, что должны выдерживать распределительное устройство 11 кВ, кабели и опоры шин, и это с запасом укладывается в номинальный ток отключения 25 кА распределительного устройства, поэтому есть запас для обмена сопротивления на пусковые характеристики, если стану это нужно. Методика, включая вклад двигателей и влияние сопротивления кабелей, приведена в разделе расчёт тока короткого замыкания.

Второй расчёт — пусковой. Двигатель обжимной клети мощностью 2 300 кВт, 11 кВ потребляет около 135 А при полной нагрузке (КПД 0,96, коэффициент мощности 0,93), а прямой пуск от сети берёт в 6,2 раза больше — около 840 А — в течение 3–8 секунд, пока маховик и валки не выйдут на рабочую скорость. При уровне тока короткого замыкания 6 200 А ток 840 А даёт просадку напряжения 13,5% на шине 11 кВ. Энергоснабжающие организации и поставщики стана обычно допускают 3% в точке общего присоединения и 10% на выводах двигателя, поэтому прямой пуск обжимной клети от сети на этом электроснабжении не допускается, и при сопротивлении 8% он никогда не станет допустимым. Увеличьте сопротивление до 10% — уровень тока короткого замыкания упадёт до 5,25 кА, а просадка возрастёт до 15,9%; снизьте до 6% — уровень тока короткого замыкания возрастёт до 7,7 кА, а просадка упадёт до 10,9%. Ни один из концов этого диапазона не делает прямой пуск от сети допустимым, поэтому две обжимные клети работают на приводах с активным выпрямителем на входе, ограничивающих пусковой ток до 110% — просадка 2,4% — а не на устройствах плавного пуска, и поэтому конфигурация приводов стана и сопротивление трансформатора должны задаваться вместе.

Таким образом, выбор стана в пользу 8% — это не заводское значение по умолчанию: это значение, при котором аппаратура 11 кВ остаётся недорогой (номинал 25 кА с запасом), реактивная нагрузка остаётся на уровне около 1 МВАр на трансформатор, а приводы — которые стану всё равно нужны для регулирования толщины и натяжения петли между клетями — полностью снимают проблему пуска. Стан, который попытался бы сэкономить на стоимости привода, задав устройства плавного пуска, потребовал бы сопротивления 12%, чтобы удержать провал напряжения ниже 10% при токе устройства плавного пуска 3,5×, и затем заплатил бы за это потреблением реактивной мощности 1,5 МВАр и провалом 19,8% на каждом вспомогательном двигателе с прямым пуском на той же шине.

Зачем вообще нужны тринадцать преобразовательных трансформаторов и почему K-13?

Каждому приводу клети нужен трансформатор между шиной 11 кВ и его выпрямителем по трём причинам, не имеющим отношения к преобразованию напряжения. Первая — нельзя допустить, чтобы выпрямитель вносил свои коммутационные провалы и синфазные помехи в шину 11 кВ предприятия, где та же шина питает системы управления печью и ПЛК предприятия; электростатический экран трансформатора и его индуктивность рассеяния служат фильтром. Вторая — приводу нужно 690 В на двигателе, а выпрямителю нужно напряжение, относительно которого он может регулировать, поэтому диапазон отпаек трансформатора определяется наихудшим напряжением шины 11 кВ, а не номинальным напряжением предприятия. Третья — гармонические потери: форма тока выпрямителя имеет КНИ 25–30% на клеммах привода, а потери на вихревые токи в обмотках трансформатора растут пропорционально квадрату порядка гармоники, поэтому обычный распределительный трансформатор, рассчитанный на синусоидальную нагрузку, перегревается при 60–70% от своего номинала, когда непрерывно питает 6-пульсный выпрямитель.

K-фактор — это краткое обозначение такой номинальной способности, и K-13 является правильным значением для 6-пульсного привода: K-фактор взвешивает каждый гармонический ток по квадрату его порядка, 6-пульсный спектр с КНИ 25–30% попадает в диапазон K-9 — K-13, а K-13 даёт около 20% запаса относительно расчётного значения — именно там, где хочет оказаться стан, потому что гармонический спектр при малой нагрузке хуже, чем при полной. Полная методика, включая то, как вычислить K-фактор по измеренному спектру, приведена в разделе Выбор трансформатора по K-фактору. Что важно на этапе составления спецификации — это то, что K-номинал, принятый гармонический спектр и профиль нагрузки все указаны в паспорте; трансформатор, продаваемый как «подходящий для нагрузки от ПЧ» без указания спектра, — это не спецификация.

Предприятие использует 13 преобразовательных трансформаторов в двух конфигурациях. Шесть приводов промежуточной группы по 1 100 кВт объединены попарно на трёх трёхобмоточных агрегатах мощностью 3 200 кВА с одной вторичной обмоткой Dy и одной Dd со сдвигом 30°: два 6-пульсных моста затем работают как 12-пульсный выпрямитель, а 5-я и 7-я гармоники циркулируют между вторичными обмотками, вместо того чтобы уходить в шину 11 кВ. Каждый из десяти приводов отделочной группы по 600 кВт получает двухобмоточный агрегат мощностью 800 кВА; при таком размере кабельные трассы коротки, приводы по отдельности малы, а попарное объединение потребовало бы кабелей с фазовым сдвигом 30° ради незначительной выгоды.

Где останавливать гармоники — на приводе, на шине 11 кВ или в точке общего присоединения 33 кВ?

Контрактной является только одна точка: точка общего присоединения к сети электроснабжения, которой здесь служат вводные зажимы 33 кВ, и применяемый предел — это Таблица 2 IEEE 519 для 1 кВ < V ≤ 69 кВ. Предел зависит от отношения тока короткого замыкания к току нагрузки, поэтому первое, что нужно вычислить, — это отношение: 2,08 кА тока КЗ при 33 кВ, делённые на 198 А пикового тока нагрузки, дают 10,5, что относит предприятие к полосе Isc/IL < 20, где суммарное искажение по требованию должно оставаться на уровне или ниже 5,0%, 5-я и 7-я гармоники — на уровне или ниже 4,0% каждая, 11-я и 13-я — 2,0%, а 17-я и 19-я — 1,5%. Отметьте, что это самая строгая полоса и что стан, который позволяет своему току нагрузки падать — работая на 40% мощности при плохом рынке стали, — уходит дальше внутрь неё, а не выходит из неё, потому что отношение растёт по мере падения нагрузки.

Проект закрывает вопрос без фильтра на 33 кВ, и только потому, что источники гармоник проработаны на уровне привода. Две обжимные клети по 2 300 кВт используют активные выпрямители, собственное искажение которых составляет 3–5%. 12-пульсные пары промежуточной группы вносят 8–9% в шину 11 кВ, но подавляют 5-ю и 7-ю гармоники в самом источнике. Десять 6-пульсных приводов чистовой группы — это остаточная проблема: 26–30% каждый, смягчаемая тем, что они малы, включаются по отдельности и частично компенсируются за счёт разнообразия нагрузок. Суммарный показатель на 33 кВ, вычисленный суммированием методом фазовых углов, а не арифметическим сложением, составляет 4,2% TDD при 5-й гармонике 3,1%, и именно на этом запасе работает стан.

Конденсаторные батареи 2 × 1 200 кВар, которые корректируют коэффициент мощности, должны быть защищены реакторами, и причина — резонанс, который стан иначе создал бы. Питающая сеть 11 кВ имеет уровень короткого замыкания 119 МВА; обычная батарея 1 200 кВар дала бы параллельный резонанс на 10-й гармонике (квадратный корень из 119 000/1 200), который приходится прямо на токи 11-й и 13-й гармоник, создаваемые приводами чистовой группы. Реактор 7% смещает последовательный резонанс вниз до 189 Гц — 3,8-й гармоники при 50 Гц — безопасно ниже 5-й, так что батарея остаётся ёмкостной на каждой гармонике, которую производит стан, и не может их усиливать. Это надбавка в 6 000 долларов США к стоимости батареи, и она не является опциональной; механизм изложен в разделе гармоники трансформаторов, и по той же причине контактор конденсаторной батареи должен быть типа для работы с реактором, а не стандартным контактором AC-3.

Должны ли преобразовательные трансформаторы быть сухими или масляными?

Для тринадцати преобразовательных агрегатов сухое исполнение выигрывает по пожарному риску и проигрывает по стойкости к пыли, и решение на самом деле касается помещения, а не трансформатора. Сухой агрегат не имеет масла, требующего поддона, противопожарной стены, зазора 5 м до панелей привода, а его потери рассеиваются непосредственно с поверхности обмотки в воздух помещения, поэтому он может стоять внутри помещения привода рядом с питаемыми панелями — что сокращает длину кабеля 690 В, а на приводе 600 кВт кабель является вторым по величине источником потерь после трансформатора. Расплата заключается в том, что та же открытая поверхность обмотки является ловушкой для пыли: на стане, где повсюду окалина и масляный туман с графитом, обмотка сухого трансформатора, не заключённая в оболочку IP54 с фильтрованной вентиляцией, накопит проводящий слой и перекроется в течение нескольких лет, а ни оболочка, ни фильтр не бесплатны.

Главные трансформаторы — это другой вопрос. При 12,5 МВА масляный агрегат на 30–40% дешевле эквивалентного сухого, его способность к кратковременным перегрузкам гораздо выше, и его место — на открытом воздухе в ограждённой площадке с противопожарной стеной, маслоприёмной ямой и порталом 33 кВ. Только шум и противопожарный зазор говорят в пользу сухого типа при такой мощности, а на стане для арматуры предел шума холостого хода составляет 62–65 дБ(А) на расстоянии 1 м, что находится в пределах собственного фонового уровня стана.

Принятая конструкция: сухие трансформаторы с литой изоляцией, IP54, K-13 для десяти отделочных агрегатов мощностью 800 кВА внутри помещения привода; сухие с литой изоляцией K-9 для трёх промежуточных пар мощностью 3 200 кВА в том же помещении, поскольку их вынос наружу потребовал бы прокладки кабелей 690 В через стену и добавил бы 15 м трассы; и масляные трансформаторы ONAN/ONAF для двух главных трансформаторов мощностью 12,5 МВА и четырёх вспомогательных и печных трансформаторов 11/0,4 кВ. Это смешанный комплект, и единый поставщик, выпускающий обе технологии, здесь ценнее, чем 3% ценового преимущества от разделения заказа — сравнение двух технологий на распределительном уровне приведено в разделе масляные и сухие трансформаторы.

Как обеспечить работу трансформатора мощностью 12,5 МВА при 45 °C, в окалинной пыли и при муссонной влажности?

Четыре фактора определяют, проработает ли этот трансформатор 25 лет или выйдет из строя на 12-м году: запас по охлаждению, антикоррозионная защита, длина пути утечки вводов и мониторинг состояния масла. Запас по охлаждению — самый дешёвый и чаще всего урезаемый. При температуре окружающего воздуха 45 °C батарея радиаторов должна рассеивать те же потери в воздух, который на 5 K горячее, чем в расчётной базе, что означает на 8–10% большую площадь поверхности радиаторов, чем в стандартной конструкции на 40 °C, а также возможность включения ступени ONAF без останова: четыре вентилятора в двух группах, каждая группа способна обеспечить 90% мощности принудительного охлаждения при отказе одного вентилятора, а управление вентиляторами — по температуре обмотки, а не по току нагрузки, поскольку обмотка испытывает гармоническую и циклическую нагрузку, которую трансформатор тока не видит. Тепловое поведение агрегатов ONAN и ONAF при циклической нагрузке изложено в разделе методы охлаждения и превышение температуры; правило эксплуатации для данного предприятия — ступень ONAF не должна требоваться в обычный день и должна быть подтверждена испытанием в день ввода в эксплуатацию.

Коррозия — это пункт спецификации, а не цвет краски. Промплощадка в 5 км от побережья подвержена хлоридным отложениям, и трансформатор поставляется по ISO 12944 C5-M: цинконаполненный грунт, эпоксидный промежуточный слой, полиуретановое покрытие общей толщиной 240 µm, оцинкованные радиаторы с покрытием рёбер после сварки, болты из нержавеющей стали и дыхательная трубка из нержавеющей стали. Шкаф управления — IP55 с обогревателем, поскольку отказ в условиях влажного климата происходит не из-за попадания воды во время дождя, а из-за конденсации внутри герметичного шкафа, остывающего ночью. Вводы — композитные, а не фарфоровые: при уровне загрязнения IV по IEC 60815 (очень сильное, что соответствует пыльному производству с муссонной влажностью) требуемая длина пути утечки составляет 31 мм/кВ, поэтому вводу на 36 кВ требуется около 1 100 мм пути утечки — фарфор при такой длине пути утечки длинный и хрупкий, силиконовый композит короче, легче и не раскалывается, когда кран роняет связку арматуры на портал.

Именно состояние масла определяет, будет ли обеспечен 25-летний срок службы. Трансформатор поставляется с реле Бухгольца с двойным поплавковым переключателем, двумя индикаторами температуры обмотки с контактами на сигнал и отключение, устройством сброса давления с контактом и магнитным маслоуказателем; ввод в эксплуатацию включает отбор пробы для анализа растворённых газов (DGA) через 24 ч под нагрузкой, ещё одну через год, а затем ежегодно. Причина в том, что этот трансформатор работает с циклической нагрузкой с суточными колебаниями 3–4 МВт на фоне температуры окружающего воздуха 45 °C — именно такой режим порождает тепловые дефекты в болтовом соединении или контакте переключателя ответвлений прежде, чем появятся какие-либо внешние признаки. На что обращать внимание в картине газов, изложено в разделе интерпретация DGA; практическое правило: рост этилена при стабильном ацетилене означает локальный перегрев, а рост ацетилена означает необходимость остановить стан и найти его.

Какие потери следует капитализировать на предприятии, работающем 7 200 часов?

Оценка потерь, а не цена, определяет класс потерь, и арифметика становится простой, как только известны часы работы. Потери холостого хода начисляются за 8 760 ч/год, поскольку трансформатор остаётся под напряжением для резервного пути; потери короткого замыкания начисляются исходя из эквивалента примерно 3 300 часов полной нагрузки, поскольку средняя потребляемая мощность завода 7,3 МВт при располагаемой мощности 11,9 МВА даёт (7,3/11,9)² × 8 760 = 3 300 ч. При стоимости промышленной электроэнергии 0,09 долл. США/кВт·ч — реалистичный показатель для рынков, где построен этот стан — эти часы делают потери холостого хода стоимостью 788 долл. США/кВт, а потери короткого замыкания — 268 долл. США/кВт. Это гораздо более слабая оценка, чем использует энергокомпания (где коэффициенты капитализации 4 000–9 000 долл. США/кВт для потерь холостого хода являются нормой), и именно поэтому промышленный покупатель не должен просто копировать спецификацию потерь энергокомпании.

Два замечания по этой таблице стоят больше, чем сами цифры. Во-первых, резервирование удваивает счёт за потери холостого хода: оба главных трансформатора находятся под напряжением всё время, поэтому завод платит за потери холостого хода на 25 МВА установленной мощности, чтобы обслуживать нагрузку 11,3 МВА. Отключение резерва сократило бы их вдвое, но перевод шин с мёртвого трансформатора занимает 2–3 с, при этом приводы стана и вентиляторы печи отключаются, поэтому завод держит оба под напряжением и платит. Именно это делает надбавку за S13 столь легко обоснованной здесь — она применяется к обоим агрегатам каждый час в году. Во-вторых, столбец потерь короткого замыкания — это то, где на самом деле находятся деньги: снижение потерь короткого замыкания с 60 до 48 кВт за счёт добавления меди стоит 6 400 долл. США в год на два агрегата, тогда как экономия холостого хода S13 стоит 3 940 долл. США, и медный вариант даёт более чем вдвое большую экономию при окупаемости в пределах месяца от окупаемости S13. Обычное предпочтение потерям холостого хода происходит из практики энергокомпаний, где трансформаторы работают почти при полной нагрузке 8 760 ч; этот стан — нет. Сравнение классов на распределительном уровне приведено в сравнении классов потерь, и логика та же: при промышленных часах работы потери короткого замыкания заслуживают как минимум не меньшего внимания, чем потери холостого хода.

Сколько стоит комплект трансформаторов и сколько времени это занимает?

Комплект для этого завода — тринадцать преобразовательных трансформаторов, два главных и четыре вспомогательных агрегата — 19 единиц, 51 МВА установленной мощности — и он обходится в 540 000–680 000 долл. США FOB Китай в зависимости от того, являются ли преобразовательные агрегаты сухими с литой изоляцией и используют ли главные трансформаторы сердечник S13. Это 0,3–0,6% от капитальных затрат стана производительностью 500 000 т/год в размере 120–180 млн долл. США, что и является аргументом в пользу того, чтобы не оптимизировать это слишком усердно: экономия 5% на трансформаторах составляет 30 000 долл. США, а проблема с гармониками или провалом напряжения при вводе в эксплуатацию стоит месяца производства.

Два логистических фактора влияют на график сильнее, чем время изготовления. Главные трансформаторы мощностью 12,5 МВА весят 22–26 т каждый и перевозятся на 40-футовой платформе-флэтрэке или генеральным грузом, а значит, они не могут быть последним грузом перед закрытием портовой дороги в сезон дождей; а преобразовательные трансформаторы должны прибыть после шкафов приводов, поскольку их шинные интерфейсы 690 В согласованы с компоновкой шкафов, поэтому завод, закупающий оба изделия у одного поставщика, экономит месяц на согласовании интерфейсных чертежей. Типовые испытания по IEC 60076-1 плюс типовое испытание на нагрев добавляют 2–3 недели, а приёмо-сдаточные испытания на заводе с участием представителя заказчика — которые должны быть в этом пакете, учитывая, что главные трансформаторы являются единственной точкой отказа предприятия — добавляют неделю рабочего времени инженера покупателя, а не завода. Пусконаладочные испытания всего комплекта, включая коэффициент трансформации, группу соединений, сопротивление изоляции, SFRA и впрыск в реле защиты, описаны в разделе пусконаладочные испытания, а параллельная работа двух главных трансформаторов, если завод когда-либо будет эксплуатировать их совместно, ограничена допуском по полному сопротивлению 8% согласно разделу параллельная работа.

Что должно быть указано в спецификации на закупку?

Спецификация на этот пакет умещается в четырнадцати строках, и семь из них касаются климата предприятия, гармоник и циклических нагрузок, а не мощности трансформатора. Всё, что поставщик может прочитать в стандартном каталоге, писать не нужно; писать нужно рабочий диапазон условий эксплуатации.

• Мощность при температуре окружающей среды 45 °C с явным указанием снижения мощности: 12,5 МВА ONAN и 16 МВА ONAF при 40 °C, а гарантированная мощность при 45 °C указывается в предложении.
• Превышение температуры 55 K для верхних слоёв масла и 60 K среднее для обмотки при мощности ONAF вместо стандартных 60/65 K, чтобы температура горячей точки оставалась в пределах 98 °C при температуре окружающей среды 45 °C.
• Полное сопротивление 8% с допуском ±7,5% от гарантированного значения, что соответствует допуску IEC 60076-1 и является причиной, по которой два изделия от разных поставщиков нельзя включать параллельно без расчёта уравнительного тока.
• РПН ±8 × 1,25% на обмотке 33 кВ, вакуумного типа, с указанием числа переключений в год (для этого предприятия 1 500–2 500), чтобы переключатель отводов выбирался по механическому ресурсу, а не по цене.
• Гармоническая нагрузка для преобразовательных трансформаторов: K-13 для изделий 800 кВА и K-9 для пар 3 200 кВА, с указанием принятого гармонического спектра и профиля нагрузки в паспорте.
• Уровень изоляции LI 170 кВ / AC 70 кВ для обмотки 33 кВ (Um 36 кВ) и длина пути утечки 31 мм/кВ на композитных вводах согласно уровню загрязнения IV по IEC 60815.
• Класс коррозионной стойкости C5-M по ISO 12944, общая толщина сухого покрытия 240 µм, оцинкованные радиаторы, крепёж из нержавеющей стали, шкаф управления IP55 с антиконденсационным подогревом.
• Гарантированные потери с условием о штрафах из расчёта 788 долл. США/кВт для потерь холостого хода и 268 долл. США/кВт для потерь короткого замыкания — те же цифры, что покупатель использует во внутренних расчётах, чтобы поставщик не мог выиграть тендер, обменивая потери на цену.
• Уровень звукового давления 65 дБ(А) на расстоянии 1 м для главных трансформаторов, измеренный по IEC 60076-10, с указанием точки измерения.
• Испытания: типовые по IEC 60076-1, на нагрев по IEC 60076-2, грозовыми импульсами и приёмо-сдаточные испытания на заводе с участием инженера покупателя для главных трансформаторов.
• Мониторинг: два датчика температуры обмотки (WTI) с сигнализацией и отключением, газовое реле Бухгольца с двойным поплавком, предохранительный клапан с контактом, магнитный маслоуказатель и точка отбора проб для анализа растворённых газов (DGA), до которой техник может добраться без лестницы.
• Документация: чертежи на утверждение в течение 3 недель после заказа, протоколы испытаний, руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию на английском языке и языке площадки, перечень запасных частей с рекомендациями на 2 года и 10 лет.
• Гарантия 24 месяца с момента ввода в эксплуатацию или 30 месяцев с момента поставки, с заранее оценёнными убытками за задержку поставки и за превышение гарантированных потерь более чем на 5%.
• Упаковка и транспортировка: пригодная для морской перевозки, с указанием решения о заполнении азотом или маслом, установленными индикаторами удара и наклона, а также транспортным чертежом с указанием центра тяжести и точек строповки, поскольку уронённый в порту трансформатор массой 30 т означает задержку на 16 недель.

Что на самом деле выходит из строя в трансформаторах прокатных станов?

В таком режиме работы отказами, которые приводят к остановке производства, являются не пробои изоляции обмоток в классическом понимании; это пять вещей, которые проявляются в определённом порядке. Первое — это устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), потому что потребление стана колеблется на 3–4 МВт в течение минуты, а напряжение в сети следует за ним, поэтому РПН в автоматическом режиме будет выполнять 1 500–2 500 переключений в год, гоняясь за напряжением, которое приводам не нужно — решение состоит в том, чтобы регулировать на приводах, а РПН перевести в ручной режим, используя его сезонно. Второе — это нагрев точки перегрева обмотки низкого напряжения на преобразовательных трансформаторах, которые были куплены с K-рейтингом ниже фактического спектра, где старение изоляции удваивается на каждые 6 K выше расчётной точки перегрева, и агрегат выходит из строя через 10–12 лет вместо 25. Третье — это утечки через прокладки и сварные швы после 8–10 лет ежедневных термических циклов в жарком климате, что является статьёй обслуживания при мониторинге масла и отказом, если его нет. Четвёртое — это отказ двигателя вентилятора охлаждения, который незаметен до тех пор, пока не потребуется ступень ONAF в тот самый день, когда она нужна — сигнал тревоги должен быть выведен в диспетчерскую, а не на местную лампу. Пятое — это перекрытие загрязнённых вводов в начале сезона муссонов, когда пыль, накопившаяся за шесть месяцев, становится проводящей за одну ночь; вводы из композитных материалов с покрытием RTV и плановой промывкой перед дождями — это вся необходимая мера.

Ничто из этого не является ошибкой проектирования, и всё это — решения по спецификации и эксплуатации, принятые до заказа трансформатора. Именно поэтому данная статья посвящена графикам нагрузок, поправке на температуру окружающей среды, полным сопротивлениям и спектрам гармоник, а не конструкции сердечника и обмоток: при 500 000 т/год трансформатор не является сложной частью электрического проекта, но это та часть, которую невозможно исправить после постройки стана. Верхняя половина этого завода — электросталеплавильный цех, поставляющий ему заготовки — имеет свою собственную логику выбора мощности, изложенную в разделе выбор мощности трансформатора дуговой электропечи, и стан, на котором работают оба, обнаружит, что печь для повторного нагрева и прокатный стан вместе являются гораздо более щадящей нагрузкой, чем дуговая печь, за которой они стоят.

Sources / 资料来源

Источник: IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы: Общие положения (номинальные параметры, допуски, приёмо-сдаточные испытания).
Источник: IEC 60076-2 — Силовые трансформаторы: Превышение температуры для трансформаторов с жидкостным охлаждением (опорная температура окружающей среды: максимум 40 °C, среднемесячная 30 °C, среднегодовая 20 °C).
Источник: IEC 60076-7 — Силовые трансформаторы: Руководство по нагрузке для силовых трансформаторов с минеральным маслом (пределы точки перегрева, циклическая нагрузка).
Источник: IEC 60076-10 — Силовые трансформаторы: Определение уровней звука.
Источник: IEC 60076-11 — Силовые трансформаторы: Сухие трансформаторы.
Источник: IEC 60909 — Токи короткого замыкания в трёхфазных системах переменного тока.
Источник: IEC 61378-1 — Преобразовательные трансформаторы для промышленного применения.
Источник: IEC 60815 — Выбор и определение размеров высоковольтных изоляторов, предназначенных для работы в условиях загрязнения.
Источник: ISO 12944 — Защита стальных конструкций от коррозии лакокрасочными системами (категория C5-M).
Источник: IEEE 519 — Рекомендуемая практика и требования к контролю гармоник в электрических энергосистемах (Таблица 2, 1 кВ < V ≤ 69 кВ).
Источник: IEEE C57.110 — Рекомендуемая практика установления нагрузочной способности трансформатора при питании несинусоидальными токами нагрузки (на основе K-фактора).
Источник: GB/T 6451 — Технические параметры и требования к трёхфазным масляным силовым трансформаторам.
Источник: World Steel Association, World Steel in Figures — мировое производство нерафинированной стали около 1,9 млрд тонн, из которого сортовой прокат для строительства составляет наибольшую единичную долю.
Источник: Инженерная команда QDTB — поставки масляных и литых смоляных трансформаторов для станов арматуры, катанки и сортового проката в Нигерии, Кении, Индонезии, Вьетнаме, Египте и Саудовской Аравии, 2014–2025 (удельное потребление, соотношения пик/среднее, практика выбора полного сопротивления, спектры гармоник, выбор K-фактора, ценовые диапазоны и сроки поставки, приведённые здесь, являются значениями из отраслевого опыта, а не опубликованными стандартами).