Трансформатор для целлюлозно-бумажного комбината: как рассчитать распределение среднего напряжения для линии бумагоделательной машины, почему гармоники ЧРП и пуск рафинера определяют спецификацию и когда сухой трансформатор превосходит масляный

Сначала ответ: мощность трансформатора для целлюлозно-бумажного комбината определяется по списку нагрузок участков и по требованию к бесперебойности работы бумагоделательной машины, а не по удельному показателю кВт·ч на тонну. Фактически номинал определяют три вещи, не имеющие отношения к средней потребляемой мощности: гармонический ток, который секционные приводы бумагоделательной машины возвращают в шину 690 В, пусковой ток самого мощного двигателя рафинёра на целлюлозном производстве, и тот факт, что провал напряжения длительностью 150 мс приводит к обрыву полотна, а провал 300 мс — к перезапуску машины. Поэтому грамотное техническое задание начинается со списка нагрузок по участкам комбината, применяет коэффициенты спроса и неодновременности по каждому участку, снижает номинал трансформатора с учётом измеренного гармонического спектра, проверяет провал напряжения при пуске самого мощного двигателя и только затем фиксирует сопротивление короткого замыкания, при котором распределительные устройства 690 В и 11 кВ остаются в пределах допустимых токов КЗ.

Ключевые выводы

• Современная бумагоделательная машина — это прежде всего система приводов, а уже потом нагрузка: 80–150 секционных приводов на одной шине 690 В, большинство из них рекуперативные, большинство с диодным или активным выпрямителем, который определяет гармоническую нагрузку трансформатора.
• Выбирайте мощность трансформаторов бумагоделательной машины по списку нагрузок участков с коэффициентом спроса 0,5–0,75, затем снижайте номинал с учётом гармоник по IEEE C57.110 — шина 690 В с 6-пульсными выпрямителями теряет 13–20% мощности трансформатора ещё до добавления какого-либо запаса.
• Самый мощный одиночный двигатель на целлюлозном производстве — рафинёр TMP мощностью 10–30 МВт — задаёт минимальную мощность питающей сети. Рафинёр 12 МВт, запускаемый прямым включением от трансформатора 40 МВА с 8%, просаживает шину 11 кВ на 12,5%; от трансформатора 25 МВА — на 18,7% и вызывает отключение всех приводов на той же секции.
• Сухие трансформаторы с литой изоляцией устанавливаются внутри машинного зала, в зоне подготовки массы и на отбельном участке; масляные трансформаторы — снаружи на 33 кВ и в схеме повышения напряжения генератора. Решение определяется пожарной нагрузкой и коррозией, а не ценой.
• Для комбината, работающего 8 000 часов в год, 1 кВт потерь холостого хода стоит около 7 300 долларов США капитализированных затрат за 20 лет при 0,08 долл. США/кВт·ч — больше, чем разница в цене между классами энергоэффективности агрегата мощностью 4 МВА.

Почему бумажный комбинат — это сначала электрическая задача, а потом задача выбора трансформатора?

Интегрированный целлюлозно-бумажный комбинат — это не одна нагрузка с одним коэффициентом нагрузки. Это восемь или девять технологических участков с совершенно разным электрическим поведением, распределённых по территории в 1–2 км и подключённых к одному присоединению 132 кВ или 110 кВ. Древесный двор весь день пускает и останавливает конвейеры. Варочный цех работает с непрерывными насосами при ровной 90% нагрузке. На отбельном участке десятки малых приводов в атмосфере диоксида хлора. Рафинёры подготовки массы потребляют 20–40 МВт и запускаются, возможно, дважды в сутки. Бумагоделательная машина работает 24 часа с готовностью 95% при таком ровном профиле нагрузки, что её коэффициент спроса выглядит постоянным. Содорегенерационный котёл и турбогенератор делают комбинат производителем электроэнергии часть года.

У каждого из этих участков свой трансформатор, свой уровень токов КЗ и своя причина для отказа. Именно поэтому полезной единицей проектирования на комбинате является подстанция участка, а не суммарный показатель по всему предприятию. Цифра кВА по всему комбинату ничего не говорит о том, выдержит ли шина 690 В ступенчатое изменение нагрузки от шаберного ножа или устоит ли распределительное устройство 11 кВ при пуске рафинёра.

Из этой таблицы следуют два вывода. Во-первых, суммарная трансформаторная мощность комбината обычно в 1.4–1.8 раза превышает его максимальную потребляемую мощность, поскольку участки не достигают пика одновременно и каждому участку нужен путь для вывода в ремонт, не останавливающий машину. Во-вторых, парк трансформаторов неоднороден: на комбинате производительностью 700 т/сут будет 25–40 трансформаторов мощностью выше 1 MVA, и те из них, что вызывают простои, почти никогда не бывают самыми крупными.

Какую фактическую подключённую нагрузку несёт линия бумагоделательной машины производительностью 700 т/сут?

Возьмём машину для мелованной тонкой бумаги с обрезной шириной 8.4 м, проектной скоростью 1,500 м/мин и производительностью 700 т/сут, что составляет 29.2 т/ч. Сама машина — а не целлюлозный завод за ней — несёт около 17 MW подключённой нагрузки. Приведённый ниже перечень нагрузок — это тот тип перечня, который должен прилагаться к запросу на трансформатор; если поставщик предлагает трансформатор для бумагоделательной машины без него, цифра взята наугад.

При коэффициенте мощности смещения 0,96 потребляемая мощность составляет 10,9 МВА. Это то число, на котором большинство останавливается, и это неверное число. Трансформатор, питающий эту шину, видит искажённый ток, а не синусоидальный, поэтому его полезная мощность ниже паспортной — расчёт в разделе о гармониках ниже увеличивает 10,9 МВА до 12,8 МВА. Тогда четыре агрегата по 4 МВА работают каждый с загрузкой 80%, что является той загрузкой, на которую должен быть рассчитан трансформатор бумагоделательной машины: достаточно высокой, чтобы оправдать актив, и достаточно низкой, чтобы поглотить модернизацию секции или замену привода без нового трансформатора. Является ли 80% безопасной длительной нагрузкой для конкретной конструкции, зависит от превышения температуры в точке наибольшего нагрева и суточного цикла нагрузки, что является предметом руководства по коэффициенту нагрузки и перегрузке.

Примечание о единицах: шина бумагоделательной машины обычно проектируется на 690 В, а не на 400 В. При 690 В трансформатор мощностью 4 МВА выдаёт 3 347 А, что находится в диапазоне стандартного распределительного устройства 690 В. При 400 В те же 4 МВА потребовали бы 5 774 А, что вынуждает применять параллельные кабели, параллельные распределительные устройства и гораздо больший ток короткого замыкания на MCC. Этот единственный выбор — 690 В против 400 В — является наиболее значимым решением по напряжению на бумагоделательной машине, и обычно его принимает поставщик приводов ещё до обсуждения трансформатора.

Какую архитектуру напряжений должен использовать целлюлозно-бумажный комбинат?

Большинство комбинатов приходят к четырём уровням, причём точные значения определяются местной энергоснабжающей организацией, а не предпочтениями. В Европе и большей части Азии цепочка выглядит так: 132 или 110 кВ на входе, 33 или 35 кВ по территории комбината, 11 или 10 кВ к крупным двигателям и районным подстанциям, 690 В к системам приводов и 400 В к освещению и маломощным потребителям. В Северной Америке та же архитектура предстаёт как 138/115 кВ, 34,5/13,8 кВ, 4,16 кВ и 480 В.

Уровень напряжения не является свободным выбором: кольцо 33 кВ существует потому, что комбинат физически протяжённый, а кабели 11 кВ до дальнего конца площадки были бы экономически невыгодны при 20 МВт. Уровень 11 кВ существует потому, что двигатели мощностью 8–30 МВт не выпускаются на 690 В. Уровень 690 В существует потому, что номиналы приводов снижаются выше примерно 2 МВт, и потому, что бумагоделательной машине нужны сотни малых приводов на общей шине. Между каждым уровнем и следующим стоит трансформатор, и у каждого из этих трансформаторов своя задача: агрегаты 132/33 кВ питают комбинат, агрегаты 33/11 кВ несут пусковой ток, агрегаты 33/0,69 кВ несут гармоники. Те же рассуждения, применённые по отдельности к вариантам 6, 10, 11, 20 и 33 кВ, изложены в руководстве по выбору класса напряжения.

Почему шина приводов 690 В является настоящим центром современной бумагоделательной машины?

Бумагоделательная машина представляет собой непрерывное полотно, движущееся со скоростью 1 500–2 000 м/мин через последовательность зазоров: напорный ящик, сеточная часть, прессовая часть, сушильная часть, клеильный пресс, каландр, накат. Полотно не переносит рассогласования скоростей между секциями, поэтому каждая секция приводится в движение своим двигателем под управлением с обратной связью по натяжению или скорости. Современная машина имеет 80–150 таких секций, от 5 кВт для возвратного валика сетки до 400–600 кВт для барабана наката.

Такая архитектура создаёт нагрузку со свойствами, на которые обычный распределительный трансформатор не был рассчитан: коэффициент мощности смещения, близкий к единице, высокое содержание гармоник от входных выпрямителей и — на размоточных стойках, накатах и каландрах — продолжительный обратный поток мощности при замедлении привода или поддержании натяжения. Поэтому трансформатор на этой шине не является пассивным устройством на кВА. Он является частью системы привода, и его сопротивление, его способность работать с гармониками и его тепловая постоянная времени проявляются в поведении машины.

Общая шина DC изменила всю арифметику. Когда 40 секций делят одну шину DC, энергия, выделяемая при торможении сушильной секции, питает разгоняющуюся секцию, и только чистая разница возвращается на сторону AC. Это сокращает количество тормозных резисторов, снижает термоциклирование трансформатора и делает питающий блок AFE — обычно 2–4 МВт — единственным выпрямителем, который трансформатор фактически видит. Проблема гармоник не исчезает, она концентрируется: вместо 100 распределенных 6-пульсных выпрямителей вы имеете два или три крупных блока AFE, и трансформатор выбирается под них.

Как выбрать трансформатор для шины приводов бумагоделательной машины на 690 В?

Расчет состоит из четырех шагов, и каждый из них может изменить результат. Используя приведенный выше перечень нагрузок:

• Шаг 1 — потребляемая мощность, кВА: 10,475 кВт ÷ 0.96 = 10.9 МВА. Это предполагает, что приводы корректируют коэффициент мощности смещения до значения, близкого к единице, что и делают приводы AFE.
• Шаг 2 — снижение номинала из-за гармоник: если на шине установлены 6-пульсные входные каскады с THDi 35%, снижение номинала по IEEE C57.110 при K-факторе 4.7 допускает 85% от номинала, поэтому требуемый номинал составляет 10.9 ÷ 0.85 = 12.8 МВА. С приводами AFE при THDi 4% снижение номинала пренебрежимо мало, и требование остается на уровне 11.0 МВА.
• Шаг 3 — стандартный номинал и разделение: 12.8 МВА округляется до 4 × 4 МВА на двух секциях шины, мокрый и сухой конец, с секционным выключателем, который обычно разомкнут. Четыре блока вместо двух означают, что отказ одного трансформатора выводит из строя половину машины, а не всю машину.
• Шаг 4 — проверки: регулирование напряжения на клеммах привода должно оставаться в пределах ±10% от 690 В в установившемся режиме и выше порога отключения привода по пониженному напряжению во время разгона секции; ток короткого замыкания на клеммах 690 В должен оставаться в пределах номинала распределительного устройства.

Шаг 3 — это то, чем бумагоделательные машины отличаются от общего распределения. Трансформатор 4 МВА, 690 В с сопротивлением 8% имеет мощность короткого замыкания на клеммах 50 МВА, что составляет 41.8 кА — в пределах номинала распределительного устройства 50 кА, но не 40 кА. Снижение сопротивления до 6% повышает это значение до 55.8 кА и вынуждает применять распределительное устройство на 65 кА. В обратную сторону, до 10%, сокращает ток короткого замыкания до 33.4 кА, но добавляет 1.5–2% к падению напряжения на клеммах привода при полной нагрузке и заставляет AFE работать интенсивнее для поддержания шины DC. На шине 690 В практический диапазон составляет 6–8%, а 8% — безопасное значение по умолчанию. Если вам нужен ток короткого замыкания на MCC, а не на клеммах трансформатора, трехступенчатый метод в расчете тока короткого замыкания включает составляющие кабеля и вклада двигателей.

Значения падения напряжения представляют собой собственное регулирование трансформатора при номинальном токе, рассчитанное по сопротивлению и отношению X/R; они не учитывают падение напряжения в кабеле и сопротивление вышестоящей сети. На реальной шине 690 В падение напряжения в кабеле от трансформатора до MCC может добавить еще 1.5–2.5% на длинных трассах, поэтому трансформатор обычно размещают в пределах 50 м от линейки приводов.

Почему гармоники от VFD требуют больше мощности трансформатора, чем следует из перечня нагрузок?

Трансформатор мощностью 4 МВА на частоте 50 Гц с синусоидальной нагрузкой рассчитан на 4 МВА при 50 Гц с синусоидальной нагрузкой. Подключите к его вторичной обмотке 6-пульсный выпрямитель, и те же 4 МВА полной мощности теперь содержат 35% гармонического тока, и эти гармоники делают две вещи, которых не делает основная гармоника: они увеличивают среднеквадратичный ток при той же активной мощности и концентрируются в обмотках за счёт поверхностного эффекта и эффекта близости, поэтому потери на вихревые токи возрастают примерно пропорционально квадрату порядка гармоники. Стандарт IEEE C57.110 существует именно потому, что второй эффект не учитывается первым. Механизм и пять способов снижения гармонического тока в источнике, а не в трансформаторе, рассмотрены в руководстве по гармоникам трансформаторов.

Снижение номинальной мощности рассчитывается по гармоническому спектру, а не по эмпирическому правилу:

I_max (о.е.) = √[ (1 + P_EC-R) / (1 + K · P_EC-R) ]

где P_EC-R — доля потерь на вихревые токи в общих нагрузочных потерях при номинальном токе (обычно 0,10–0,15 для распределительного трансформатора), а K — коэффициент гармонических потерь, K = Σ(h² · I_h²) / Σ(I_h²). Коэффициент K определяется гармониками низкого порядка из-за весового множителя h²: 5-я гармоника даёт в 25 раз больший вклад на единицу, чем основная, поэтому спектр с 30% пятой гармоники даёт K ≈ 4,7, а не K ≈ 1,2, как можно было бы наивно предположить по THD.

Отсюда следуют два практических вывода. Во-первых, трансформатор с K-рейтингом не даёт большей мощности — он даёт трансформатор, который выдерживает фактический K-фактор, с нейтралью и конструкцией обмотки, которые не перегреются. Мощность по-прежнему берётся с паспортной таблички. Во-вторых, самый дешёвый способ вернуть потерянные 13–19% — изначально предусмотреть приводы AFE на бумагоделательной машине: снижение мощности исчезает, рекуперация достаётся бесплатно, а шина 33 кВ перестаёт нуждаться в расстроенном фильтровом блоке. Сравните это с ценой трансформатора на ступень больше на каждой секции машины, прежде чем решить, что 6-пульсные приводы — экономичный выбор. Методика выбора между трансформатором с K-рейтингом и трансформатором повышенной мощности изложена в руководстве по выбору трансформатора с K-фактором.

Каково наибольшее событие пуска двигателя на целлюлозном заводе — и какое падение напряжения оно вызывает?

Это не бумагоделательная машина, которая запускается на приводах и разгоняется плавно. Это рафинёр. Линия термомеханической массы имеет два или три рафинёра, каждый приводится в движение синхронным или асинхронным двигателем мощностью 10–30 МВт на 11 кВ, и каждый пуск — это системное событие: двигатель потребляет в 5–6 раз больше номинального тока в течение 10–40 секунд, пока размалывающие диски разгоняются против нагрузки от щепы.

Выполним расчёт для двигателя рафинёра мощностью 12 МВт, 11 кВ, КПД 0,96, коэффициент мощности 0,95, ток заторможенного ротора 5,5-кратный от номинального:

• Номинальная полная мощность двигателя = 12 000 ÷ (0,96 × 0,95) = 13,2 МВА
• Пусковая полная мощность = 5,5 × 13,2 = 72,4 МВА
• При 11 кВ это пусковое сопротивление 11² ÷ 72,4 = 1,67 Ω при пусковом коэффициенте мощности около 0,25

Провал напряжения на шине 11 кВ в этом случае зависит почти исключительно от мощности источника. При трансформаторе 40 МВА с сопротивлением 8% сопротивление источника составляет 0,242 Ω, и напряжение на шине падает до 87,5% от номинального — провал 12,5%. При трансформаторе 25 МВА тот же пуск даёт 18,7%, а при трансформаторе 63 МВА — 8,3%.

Правило проектирования, которое применяет большинство комбинатов, — ограничение провала 10% на распределительном устройстве 11 кВ и 15% на зажимах двигателя, поскольку контакторы отключаются при напряжении около 70–75%, а приводы срабатывают по своим уставкам минимального напряжения где-то между 80% и 85%. Поэтому провал 12,5% на шине 40 МВА — не пограничный случай — он выше предела и отключит все контакторы в той же секции, не подключённые к цепи управления с резервным питанием от ИБП. Именно в этот момент комбинат обнаруживает, что пуск мельницы и бумагоделательная машина питаются от одной секции шин.

Пусковой коэффициент мощности значит больше, чем предполагают большинство расчётов потокораспределения. При пусковом коэффициенте мощности 0,25 почти всё пусковое сопротивление двигателя является реактивным, поэтому провал — это проблема отношения X/R, а не R, и увеличение длины кабеля к мельнице делает его немного хуже, а не лучше. Именно поэтому мельница, питаемая от удалённой подстанции 11 кВ, может показывать больший провал, чем та же мельница, питаемая от соседнего распределительного устройства, хотя обе подключены к одному и тому же трансформатору.

Как пуск мельницы определяет сопротивление трансформатора?

Здесь требования тянут в противоположные стороны. Более высокое сопротивление ограничивает ток короткого замыкания на распределительном устройстве 11 кВ и позволяет использовать более дешёвое коммутационное оборудование; оно также увеличивает провал при пуске мельницы, повышает нагрузочные потери трансформатора и ухудшает регулирование напряжения для всей зоны. В таблице ниже трансформатор принят мощностью 20 МВА, а сопротивление варьируется для одного и того же прямого пуска 12 МВт.

Прочитайте таблицу в обратном порядке, и решение станет очевидным: сопротивление — это не тот инструмент, которым делают пуск мельницы приемлемым. Даже при 6% провал составляет 17,7%, потому что доминирует собственное пусковое сопротивление двигателя. Инструмент, который решает задачу пуска мельницы, — это способ пуска — ЧРП, LCI или вспомогательный двигатель, — и как только пусковой ток ограничен до 110%, сопротивление трансформатора можно выбирать исходя только из тока КЗ и регулирования напряжения. Комбинаты, которые пытаются решить пуск мельницы с помощью более мощного трансформатора, в итоге покупают 63 МВА для обслуживания нагрузки 20 МВт, что является дорогим способом избежать установки привода.

Почему провал напряжения длительностью 100 мс рвёт бумагу — и во что обходится обрыв?

У бумагоделательной машины нет инерции в полотне. Полотно удерживается натяжением между секциями, и если одна секция теряет момент на 100 мс, пока соседние продолжают работать, переходный процесс натяжения либо рвёт полотно, либо создаёт более толстое и слабое место, которое рвётся на следующем прижиме. Сами приводы обычно переживают провал; полотно — нет. Последовательность такова: провал, одна или две секции отключаются по минимальному напряжению или перегрузке по току, обрыв полотна, брак заполняет гидроразбиватель, и бригада тратит 15–45 минут на заправку от напорного ящика до наката.

Стоимость обрыва — это не электроэнергия. На машине производительностью 700 т/сут, выпускающей мелованную тонкую бумагу, обрыв стоит 3–5 часов простоя производства, включая заправку полотна и обращение с браком, что при 29 т/ч и маржинальной прибыли 300–600 долл. США за тонну составляет 26 000–87 000 долл. США на случай, плюс стоимость брака и нарушение графика нижестоящих процессов. Поэтому комбинаты с 10–30 обрывами в год тратят реальные деньги на выдерживание провалов, и спецификация трансформатора — часть этих затрат: трансформатор с меньшим полным сопротивлением и более жёсткой шиной даёт приводам больший запас, а комбинат с быстрой схемой переключения шин может перевести машину на здоровый ввод за 200–300 мс вместо потери полотна.

Масляный или сухой — где какой применяется на целлюлозно-бумажном комбинате?

На комбинате выбор определяется местом установки, а не предпочтениями. Сухие трансформаторы с литой изоляцией являются стандартом внутри зданий, поскольку в них нет масла, которое может гореть, нет маслоприёмника, противопожарной стены, а также азотной или расширительной системы, требующей обслуживания. Масляные трансформаторы являются стандартом на открытом воздухе при 33 кВ и выше, поскольку они дешевле в расчёте на МВА, более эффективны и лучше рассеивают тепло в жарком климате.

Часто упускаются два специфических для комбината момента. Во-первых, сухой трансформатор с литой изоляцией в цехе бумагоделательной машины работает при температуре окружающей среды 40–45 °C с оседающей на обмотках бумажной пылью, поэтому его мощность должна быть скорректирована с учётом температуры окружающей среды, а корпус должен быть спроектирован так, чтобы пыль не перекрывала изоляцию — IP54 с фильтрованным путём вентиляции, а не IP21. Во-вторых, противопожарная стратегия должна быть определена до заказа трансформатора: FM Global Data Sheet 5-4 и местный страховщик установят расстояния между оборудованием и пределы огнестойкости для маслонаполненных агрегатов, а дооборудование противопожарной стены вокруг уже установленного трансформатора обходится гораздо дороже, чем выбор сухого типа с самого начала.

Как цех отбелки, мокрая часть и машинный зал влияют на спецификацию?

Целлюлозно-бумажные комбинаты характеризуются влажностью, теплом и коррозионной агрессивностью в той мере, в какой это не свойственно общей промышленности. Спецификацию определяют четыре среды:

• Цех отбелки: атмосфера диоксида хлора и хлора при 40–50 °C с высокой влажностью. Корпуса из углеродистой стали корродируют в течение 3–5 лет. Указывайте покрытие ISO 12944 C5-M, крепёж из нержавеющей стали 316, герметичные обмотки из литой смолы, IP55 и припуск на коррозию корпуса, а не только лакокрасочную систему.
• Зал бумагоделательной машины: температура окружающей среды 40–45 °C, относительная влажность 80–90% в мокрой части, бумажная пыль повсюду. Снижайте номинальную мощность при температуре окружающей среды выше 40 °C, указывайте антиконденсационные нагреватели, которые включаются при отключённом трансформаторе, и размещайте агрегат так, чтобы вода при мойке не могла попасть на корпус.
• Подготовка массы: вибрация от рафинёров и сортировок, а также пар и брызги массы. Указывайте сейсмическое или вибрационное крепление, рассчитанное на фундамент рафинёра, гибкие шинные соединения и трансформатор, расположенный вне зоны разбрызгивания.
• Сточные воды и водоподготовка: открытая установка, сероводород в атмосфере канализационных сетей и насосы с частыми пусками. Масляные агрегаты с покрытием C4/C5, герметичные кабельные коробки и путь доступа для обслуживания, не требующий остановки производства.

Поправка на температуру окружающей среды — это не погрешность округления. Трансформатор из литой смолы мощностью 4 МВА, рассчитанный на температуру окружающей среды 40 °C, теряет примерно 5–8% своей мощности при 45 °C, а масляный агрегат на 33 кВ теряет около 1% на каждый кельвин выше номинальной температуры окружающей среды. На комбинате, где в зале бумагоделательной машины держится 45 °C шесть месяцев в году, эта поправка должна быть в запросе, а не обнаруживаться при пусконаладке. То же относится к высоте над уровнем моря, что важно для комбинатов в горной местности; метод поправки — тот же, что используется для любого распределительного трансформатора, и стоит проверить кривую снижения номинальной мощности перед фиксацией номинала. Связь между ступенью охлаждения, превышением температуры и допустимой нагрузкой рассмотрена в руководстве по методам охлаждения и превышению температуры.

Как следует конфигурировать комбинат для обеспечения надёжности?

Бумажный комбинат работает 350 дней в году и теряет 30 000–90 000 долларов США за незапланированную остановку, поэтому вопрос резервирования является экономическим, а не философским. Четыре конфигурации ниже охватывают почти любой комбинат; выбор обычно делается по зонам, а не для всего предприятия.

Конкретно для бумагоделательной машины рабочая схема — четыре трансформатора на двух секциях с нормально разомкнутой перемычкой и схемой быстрого переключения: каждая пара несёт половину машины при 80% загрузки, а при потере одного агрегата перемычка замыкается, и машина продолжает работу на пониженной скорости с отключением меловальной установки и одного наката. Это осознанный компромисс — полное резервирование 2 × 100% на шине машины 16 МВА трудно обосновать, тогда как одиночная радиальная схема недопустима.

Одна деталь надёжности легко упускается после останова. При повторном включении комбината каждый трансформатор на щите потребляет свой ток намагничивания одновременно, и агрегат мощностью 4 МВА может потреблять 8–12-кратный номинальный ток в течение 100–200 мс. Если приводы бумагоделательной машины уже включены к моменту замыкания вводного выключателя, просадка напряжения от броска тока намагничивания достаточна, чтобы они отключились. Решение — поэтапная последовательность включения: сначала трансформаторы, приводы включаются через 2–3 с, секции разгоняются по порядку; физика, лежащая в основе этого тока, объяснена в руководстве по броску тока намагничивания трансформатора.

Почему бумажному комбинату нужен не только понижающий, но и повышающий трансформатор?

Большинство интегрированных комбинатов производят значительную часть электроэнергии самостоятельно. Содорегенерационный котёл плюс биомассовый котёл плюс теплофикационная турбина с отбором пара обычно обеспечивают 30–60 МВт при 11 кВ, причём на одних рынках комбинат продаёт излишки в сеть, а на других ночью покупает электроэнергию из сети. Для этого требуется повышающий генераторный трансформатор 11/132 кВ или 11/110 кВ, рассчитанный на мощность турбины с запасом на перегрузку, что меняет всю философию релейной защиты и учёта электроэнергии на площадке.

Три следствия для спецификации трансформатора:

• Обратный переток мощности: трансформаторы комбината 33 кВ и 132 кВ должны быть рассчитаны на двунаправленный переток мощности, оснащены направленными максимальными токовыми защитами и защитами от обратной мощности, а диапазоны регулирования должны работать в обоих направлениях. У трансформатора, рассчитанного только на импорт, диапазон РПН исчерпается, когда комбинат будет экспортировать при напряжении 105%.
• Гармоники, уходящие в сеть: при экспорте гармоники от приводов бумагоделательной машины проходят через повышающий трансформатор до точки присоединения к сети. Нормы IEEE 519 применяются именно в этой точке, а не на шинах 690 В, и сетевая компания будет их измерять. Именно поэтому комбинат, соответствующий нормам на собственных шинах 11 кВ, может всё равно получить от сетевого оператора жалобу на качество электроэнергии.
• Работа в изолированном режиме: при потере внешнего электроснабжения комбинат может работать изолированно на собственной генерации. Повышающий трансформатор тогда несёт полную нагрузку комбината при совершенно ином уровне токов КЗ и без инерции сети, и схема отключения нагрузки должна быть рассчитана на этот режим, а не на режим параллельной работы с сетью.

Как выглядит капитализация потерь для комбината, работающего 8 000 часов в год?

Трансформатор бумажного комбината работает непрерывно, поэтому его потери — это капитальные затраты, а не эксплуатационная деталь. Капитализируйте их при 8 000 часов в год, 0,08 USD/кВт·ч, сроке 20 лет и ставке дисконтирования 6% — коэффициент аннуитета составит 11,47. Тогда один киловатт потерь холостого хода стоит 8 000 × 0,08 × 11,47 = 7 341 USD, а один киловатт нагрузочных потерь при коэффициенте загрузки 70% стоит 8 000 × 0,49 × 0,08 × 11,47 = 3 597 USD.

Примените это к агрегату мощностью 4 МВА с потерями холостого хода 3,2 кВт и нагрузочными потерями 32 кВт: 151 040 кВт·ч в год, 12 083 USD в год, 138 593 USD за 20-летний срок службы. Именно эту цифру следует сравнивать с разницей в цене между агрегатом класса S13 и S20 или между стандартной и малошумной конструкцией. В большинстве случаев малошумный агрегат выигрывает при режиме работы комбината и проигрывает при режиме работы 2 000 часов, поэтому один и тот же трансформатор может быть правильным выбором для бумажного комбината и неправильным — для строительной площадки. Полная методика, включая учёт роста нагрузки и порядок совместного рассмотрения капитализированных затрат и цены закупки, изложена в разделе расчёт совокупной стоимости владения.

Что должно входить в запрос предложения на комплект трансформаторов для бумажного комбината?

Запрос от бумажного комбината проваливается одним из двух способов: поставщик предлагает стандартный распределительный трансформатор, а гармоники, режим пуска или коррозионная среда выявляются позже; либо запрос настолько открыт, что каждое предложение относится к разному продукту. Приведённый ниже перечень данных закрывает оба пробела. Это также перечень, по которому следует сравнивать предложения, поскольку предложение, не отвечающее на пункты 5, 6 и 9, — это не предложение для данного применения.

Пункт 13 заслуживает отдельного обследования. Агрегат мощностью 40 MVA напряжением 132/33 кВ весит 60–80 т с маслом, и до размещения заказа необходимо обследовать маршрут на предмет ограничений по мостам, воздушным линиям и радиусам поворота; агрегат мощностью 4 MVA с литой изоляцией для машинного зала может потребоваться провести через дверной проём шириной 2,5 м и установить на место до закрытия кровли. Ограничения по транспортировке и монтажу, включая транспортировку маслонаполненного оборудования под азотной подушкой и предельные углы наклона при перемещении, изложены в руководстве по транспортировке и монтажу.

Часто задаваемые вопросы

Может ли один трансформатор 33/0,69 кВ питать всю бумагоделательную машину?

Технически да, практически нет. Один агрегат мощностью 16 MVA на 690 В потребовал бы шинопровода на 13 400 А, поставил бы всю машину в зависимость от одного отказа и сосредоточил бы ток гармоник всех приводов на одной обмотке. Четыре агрегата по 4 MVA на двух секциях стоят дороже по распределительному устройству, но дешевле по потерям производства, и позволяют вывести один агрегат на обслуживание, не останавливая машину.

Нужен ли мне трансформатор с K-рейтингом, если все мои приводы — AFE?

Нет, и оплата такого трансформатора — распространённая напрасная трата. Приводы AFE с LCL-фильтрами создают THDi 3–5%, что соответствует K-фактору, близкому к 1. Достаточно стандартного трансформатора с правильно рассчитанной нейтралью. K-рейтинг становится актуальным, когда на шинах остаются 6-пульсные приводы — как правило, при модернизации, когда часть машины была обновлена, а часть — нет.

Какое сопротивление короткого замыкания следует задать для трансформатора, питающего рафинёры?

Выбирайте его прежде всего исходя из тока короткого замыкания и регулирования напряжения, затем проверьте пуск. Для трансформатора 11 кВ, 20 MVA значение 8% удерживает ток короткого замыкания на уровне 13,1 кА и соответствует аппаратуре на 16 кА; переход на 10% экономит одну секцию распределительного устройства, но добавляет 4% к снижению напряжения при прямом пуске рафинёра, что является неверным компромиссом. Если рафинёр запускается прямым включением и снижение напряжения превышает 10%, решение — частотно-регулируемый привод или устройство плавного пуска, а не другой трансформатор.

Можно ли установить трансформатор бумагоделательного производства внутри помещения?

Да, и большинство трансформаторов на 690 В для бумагоделательных машин устанавливаются именно так. Агрегаты с литой изоляцией сухого типа предназначены для внутренней установки, не требуют маслоприёмника или противопожарной стены и доступны в оболочке IP54 для запылённых и влажных зон. Ограничения связаны с температурой окружающей среды, вентиляцией и борьбой с пылью, а не с самой технологией трансформатора. Маслонаполненные агрегаты мощностью выше 20 MVA внутри помещений требуют огнестойкой камеры, маслоприёмника и, как правило, системы водяного орошения, поэтому их обычно размещают на открытом воздухе или в отдельном здании подстанции.

Sources / 资料来源

Источник: IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы, общие требования.
Источник: IEC 60076-2 — Превышение температуры для трансформаторов с жидкостным охлаждением.
Источник: IEC 60076-11 — Сухие силовые трансформаторы.
Источник: IEC 60038 — Стандартные напряжения, включая уровень 690 В.
Источник: IEC 60034-12 — Пусковые характеристики односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Источник: IEEE C57.110-2018 — Определение нагрузочной способности трансформатора при питании несинусоидальными токами нагрузки.
Источник: IEEE 519-2014 — Контроль гармоник в системах электроснабжения.
Источник: IEEE C57.12.00 — Общие требования к распределительным, силовым и регулировочным трансформаторам с жидкостным охлаждением.
Источник: GB/T 6451-2015 — Технические параметры и требования к трехфазным масляным силовым трансформаторам.
Источник: GB 20052-2020 — Минимально допустимые значения энергоэффективности и классы энергоэффективности силовых трансформаторов.
Источник: GB/T 1094.1-2013 — Силовые трансформаторы, общие положения.
Источник: Регламент Комиссии (ЕС) № 548/2014 — Требования к экодизайну малых, средних и крупных силовых трансформаторов, этап 2 с 1 июля 2021 г.
Источник: Министерство энергетики США, 10 CFR Part 431 Subpart K — Стандарты энергосбережения для распределительных трансформаторов.
Источник: ISO 12944-2 — Категории коррозионной активности для стальных конструкций, категория C5-M для прибрежной и промышленной атмосферы.
Источник: NFPA 70 (Национальный электротехнический кодекс) Статья 450 — Трансформаторы и трансформаторные помещения.
Источник: NFPA 13 — Установка спринклерных систем, в контексте пожарной нагрузки целлюлозно-бумажного производства.
Источник: FM Global Data Sheet 5-4 — Трансформаторы, требования страховщика к разделению и противопожарной защите.
Источник: IEC 60079-10-1 — Классификация взрывоопасных зон, применимо к участкам нанесения покрытий на основе растворителей.
Источник: Инженерный опыт QDTB — перечни нагрузок по участкам целлюлозно-бумажного производства, выбор сечения шин секционного привода 690 В, исследования пуска рафинеров и практика снижения нагрузки при гармониках. Значения, отмеченные как отраслевой опыт, представляют собой типовые диапазоны из проектов целлюлозно-бумажных комбинатов, а не опубликованные стандарты.

Если вы готовите запрос для подстанции бумагоделательной машины или целлюлозного завода, самый быстрый путь к сопоставимому предложению — отправить вместе перечень нагрузок по участкам, однолинейную схему, график приводов с типами входных выпрямителей и данные по пуску самого мощного двигателя. Наша инженерная команда сможет за один проход превратить это в спецификацию трансформатора с подобранной мощностью, расчет снижения нагрузки при гармониках и ориентировочный бюджет. Вы также можете начать с калькуляторов энергосистем, чтобы проверить уровень токов короткого замыкания, провал напряжения и капитализацию потерь, прежде чем обращаться к любому поставщику — а если вопрос в том, какой тип трансформатора где применять, сравнение масляных и сухих трансформаторов подробно раскрывает это решение.