Вопрос о выборе напряжения 10 кВ для распределительных сетей городов решается однозначно. В районах нового жилищного строительства городов следует применять напряжение 10 кВ вне зависимости от напряжения существующих сетей. Что касается промышленных предприятий, то применение напряжения 6 кВ возможно и допустимо, однако выбор его в каждом конкретном случае должен подкрепляться соответствующим технико-экономическим обоснованием.
Для промышленных предприятий напряжение 6 кВ может оказаться целесообразным в двух случаях: при питании предприятия от ТЭЦ на генераторном напряжении 6 кВ и при значительной доле электродвигателей 6 кВ в суммарной нагрузке предприятия. Поскольку в первом случае выбирают не только напряжение распределительной сети, но и генераторное напряжение, технико-экономическое сравнение вариантов выбора напряжения производят с учетом затрат на электрическую часть собственных нужд ТЭЦ и на питающую и распределительную сеть всех промышленных предприятий, подключенных к ТЭЦ на генераторном напряжении. Во втором случае, когда внешнее электроснабжение промышленного предприятия выполняется на напряжении 35—330 кВ, ТЭР производят по приведенным затратам только на распределительную сеть данного предприятия независимо от преобладающего в энергосистеме или данном сетевом районе напряжения распределительных сетей.
Выбор напряжения 6 или 10 кВ зависит от соотношения нагрузок 10; 6 и 0,4 кВ, причем критерием выбора являются технико-экономические показатели, в первую очередь, приведенные затраты, в которых учитываются как показатели сети, так и понизительных подстанций.
Основными элементами привода производственных механизмов являются электродвигатели, имеющие различия в исполнении по роду тока, напряжению питающей сети, способу пуска, характеристикам, назначению, способу защиты от воздействия окружающей среды, установке и креплению, охлаждению. С точки зрения системы электроснабжения представляют интерес двигатели переменного тока как асинхронные, так и синхронные. Двигатели же постоянного тока питаются от преобразователей, подключаемых к сети 0,38; 6 или 10 кВ.
Синхронные электродвигатели применяют только для нерегулируемых приводов. Их основное преимущество по сравнению с асинхронными — возможность естественной компенсации реактивной мощности. Высокий коэффициент мощности, задаваемый энергоснабжающими системами для промышленных предприятий, побуждает к широкому применению электродвигателей этого типа для механизмов продолжительного режима работы в тех случаях, когда это возможно по их механическим свойствам и по номенклатуре заводов-изготовителей. Следует иметь в виду, что применение синхронных электродвигателей весьма желательно также с точки зрения улучшения устойчивости энергосистемы. Однако для приводов с повторно-кратковременным режимом работы синхронные электродвигатели применять нельзя.
Электродвигатели переменного трехфазного тока выпускают на напряжение: 36; 127; 220; 380; 500; 660; 3000, 6000; 10 000 В. У электродвигателей напряжением до 1000 В коэффициент полезного действия выше, а стоимость меньше, чем у аналогичных электродвигателей более высокого напряжения. Выбор электродвигателей переменного тока на напряжение 3; 6; 10 кВ может быть обусловлен либо отсутствием в номенклатуре заводов - изготовителей электродвигателей достаточной мощности на низшее напряжение, принятое в сети данного предприятия, либо экономической целесообразностью. Асинхронные электродвигатели серийного изготовления обычно выпускают на 3000; 1500; 1000; 750 и реже на 600; 500; 375; 300 мин-1. Многоскоростные электродвигатели с переключением полюсов изготовляют на две (от 500 до 3000 мин-1), на три (от 750 до 3000 мин-1), либо на четыре скорости (от 500 до 1500 мин-1). Синхронные электродвигатели изготовляют на скорости 1000; 750; 600; 500; 375 и реже на 3000; 1500; 300; 250; 187; 167; 150; 125; 75 мин-1.
При одинаковой мощности электродвигатели с большим числом оборотов имеют меньшие массу, габаритные размеры и стоимость, а также более высокие значения КПД и коэффициента мощности.
В различных производственных помещениях на электродвигатели воздействует окружающая среда. Учитывая это, электродвигатели изготовляют в различных исполнениях по способу защиты от воздействия окружающей среды.
В настоящее время для привода общепромышленных механизмов выпускают электродвигатели единой серии 4А, защищенные и закрытые обдуваемые. При разработке серии 4А применены конструктивные и технологические новшества, улучшающие отдельные характеристики электродвигателей: уменьшен остаточный небаланс ротора; улучшены вибрационные и шумовые характеристики; усовершенствована система вентиляции; увеличен диаметр свободного конца вала. Применение изоляции класса нагревостойкости F и обмоточного провода с эмалевым покрытием высокой механической прочности, вакуумной пропитки обмоток статоров обеспечивает высокую надежность и долговечность электродвигателей. Средний срок их службы (расчетный) не менее 15 лет при наработке до 40 000 ч. Электродвигатели единой серии 4А по сравнению с электродвигателями серий А2 и А02, выпускаемыми ранее, имеют более высокие КПД и cos φ, меньшую металлоемкость и более эстетичный внешний вид. Габаритные, установочные и присоединительные размеры, а также шкала мощностей увязаны согласно рекомендациям СЭВ и МЭК. Эти электродвигатели имеют шкалу мощности 0,06—400 кВт, скорость вращения — 500; 600; 750; 1000; 1500; 3000 мин-1, в их число входят модификации с повышенным пусковым моментом (4АР), повышенным скольжением (4АС), многоскоростные и с фазным ротором (4АК), рассчитанные на напряжение 220, 380 и 660 В, как и выпускаемые ранее двигатели серии АЗ (AK3)-315 и А03-315 со шкалой мощностей 55—75—90—100—132—160—200 кВт скоростью вращения 600—3000 мин-1. Взрывозащищенные асинхронные электродвигатели серий ВАО, ВА02, В, ВР, КО и АЗ на напряжение до 660 В выпускают с диапазоном мощностей от 0,8 до 315 кВт и со скоростью вращения 600—3000 мин-1.
На напряжение 10 кВ выпускают асинхронные электродвигатели следующих серий: АОК мощностью 400 кВт, 600 мин-1; АД, АДЗ, АКД, АКДЗ мощностью 630—800—1000—1250 кВт, 600, 750, 1000 мин-1; АТД2 мощностью 3200—4000—5000 кВт, 3000 мин-1 (в том числе взрывозащищенного исполнения); ДАП, двухскоростные взрывозащищенные 2500/500 кВт, 1500/750 мин-1. Таким образом, номенклатура асинхронных электродвигателей 10 кВ пока еще ограничена.
Остальные электродвигатели как нормального исполнения, так и взрывозащищенные, выпускают на напряжение 6 кВ, с широким диапазоном скорости вращения. Часть этих электродвигателей изготовляют также и на напряжение 3 кВ, например двигатели серии А, АЗ, АК, АКЗ мощностью 200—250—320—400—500—630—800— 1000 кВт, со скоростью вращения 500—1500 мин-1 (могут быть поставлены на напряжение и 3, и 6 кВ), или двигатели ДАЗО мощностью от 400 до 2500 кВт, рассчитанные на те же обороты; двигатели АТД2 от 500 до 5000 кВт, 3000 мин-1.
Синхронные электродвигатели на 0,38 кВ выпускают серий ДСК мощностью 132 кВт, 500 мин 1 и СД2 мощностью 132—160—200— 250—315 кВт, 500 и 1000 мин-1; на напряжение 6 и 10 кВ — следующих серий;: СДН, СДНЗ мощностью от 315 до 3200 кВт, 300— 1000 мин-1; СДН2, СДНЗ-2 мощностью от 500 до 3200 кВт, 250— 1000 мин-1; СДСЗ мощностью от 4000 до 19 500 кВт, 375 и 500 мин-1; СДСЗ мощностью от 1400 до 4000 кВт, 375, 500 и 1000 мин-1; СДМЗ,
СДМЗ-2 мощностью от 1600 до 4000 кВт, 75, 100, 150 и 500 мин -1; СДК2 мощностью от 315 до 2000 кВт, 375, 500 и 600 мин-1; СИД мощностью от 630 до 12 500 кВт и ТДС-20 000 и 31 500 кВт, 3000 мин-1; ВДС, ВДС2 мощностью от 3200 до 12 500 кВт, 187, 5—375 мин-1; ВСДН мощностью от 1000 до 3200 кВт, 375—750 мин-1, а также взрывозащищенные — серий СДКП2 мощностью 4000 кВт, 375 мин-1; СТДП мощностью - от 1250 до 12 500 кВт, 3000 мин-1. Остальные двигатели выпускают только на напряжение 6 кВ (250—2500 кВт, 125— 1500 мин-1).
Рис. 1. Схемы распределительных сетей 6—10 кВ промышленных предприятий при различных видах нагрузки
Таким образом, для привода механизмов могут быть подобраны электродвигатели как на напряжения 0,38 и 0,66 кВ, так и на 6 и 10 кВ. Выбор напряжения двигателей по требованиям к электроприводу механизмов (обороты, среда, регулирование) определяет схему распределительной сети промышленного предприятия.
На рис. 1 (схемы I — V) показаны возможные варианты распределительных сетей: I — трансформаторы 10/0,4 кВ для силовых и осветительных ЭП и трансформаторы 10 кВ преобразовательных и электротермических установок; // — трансформаторы 10/6 кВ для питания электродвигателей 6 кВ по схеме блока трансформатор—электродвигатель (индивидуальные трансформаторы); III— трансформаторы 10/6 кВ для питания распределительных устройств, к которым подключены электродвигатели 6 кВ (групповые трансформаторы); IV — трансформаторы 6/0,4 кВ для силовых и осветительных ЭП и трансформаторы 6 кВ преобразовательных и электротермических установок; V — распределительные устройства 6 кВ для питания электродвигателей 6 кВ.
Поскольку понижающие трансформаторы со вторичным напряжением 0,4 кВ предпочтительнее устанавливать на напряжении 10 кВ, в целом ряде случаев оказывается целесообразным иметь на площадке как напряжение 10 кВ, так и 6 кВ. Трансформация напряжения распределительной сети 10 кВ в рабочее напряжение электродвигателей 6 кВ непосредственно на местах потребления, как правило, нерациональна, так как уступает по экономическим показателям схеме электроснабжения о независимым распределением по площадке напряжений 6 и 10 кВ, несмотря на увеличение в последнем случае расхода проводникового материала. При установке на ГПП промышленных предприятий или на подстанциях глубоких вводов (ПГВ) трансформаторов с двумя вторичными напряжениями (6 и 10 кВ) в сети возможна установка силовых трансформаторов 10/0,4 кВ и трансформаторов 10 и 6 кВ для питания преобразовательных и электротермических установок. Эти установки могут быть выбраны на напряжение 10 и 6 кВ, однако, поскольку мощности расщепленных вторичных обмоток трансформаторов ГПП (ПГВ) составляют лишь 50 % номинальной, а стоимость трансформаторов преобразовательных и электротермических установок при первичном напряжении 10 и 6 кВ одинакова, выбор этого напряжения определяется расчетной нагрузкой вторичных обмоток трансформаторов ГПП (ПГВ). Выравнивание загрузки можно выполнить и за счет одновременной установки на предприятии понижающих трансформаторов 10/0,4 и 6/0,4 кВ, что, однако, создает определенные затруднения для эксплуатационного персонала. В связи с этим при конкретном проектировании загрузка расщепленных обмоток 10 и 6 кВ должна решаться в зависимости от состава всех имеющихся потребителей и с учетом эксплуатационных удобств.
Отечественной промышленностью в настоящее время выпускаются трансформаторы со вторичной расщепленной обмоткой на напряжения 10 и 6 кВ следующих мощностей (см. табл. 1)
Напряжение, кВ Мощность, кВ*А
110 ... 25000; 40000; 63000
150 . . . . . 32 000; 63 000
330 63 000
В ряде случаев при использовании в распределительной сети двух напряжений 10 и 6 кВ целесообразна установка трехобмоточных трансформаторов с обмоткой среднего напряжения 10 кВ и низшего напряжения 6 кВ при мощности каждой из этих обмоток, равной 100 % мощности трансформатора. В этом случае допустимо любое соотношение нагрузок 6 и 10 кВ. Такие трансформаторы выпускают мощностью 25 000, 40 000, 63 000 и 80 000 кВ • А при напряжении 110 кВ. В основном же средняя обмотка в трансформаторах 110 и 150 кВ имеет напряжение 35 кВ; в трансформаторах 220 кВ имеется средняя обмотка также и на 110 кВ; 330 кВ — на 110, 150 и 220 кВ.
Схема распределительной сети для трехобмоточных трансформаторов с обмотками 10 и 6 кВ упрощается, так как все электродвигатели подключаются к обмоткам 6 кВ, а силовые трансформаторы, независимо от их назначения — к обмоткам 10 кВ.
Г Экономические показатели вариантов I—V распределительной сети промышленного предприятия на напряжении 10 и 6 кВ зависят от доли электродвигательной нагрузки 6 кВ в общей нагрузке подстанции. На рис. 2 приведены графики расчетных затрат двухтрансформаторных подстанций 110/6—10 кВ с трансформаторами мощностью соответственно 80, 40, 25 и 6,3 МВ - А.
Из этих графиков видно, что при наличии на промышленных предприятиях электродвигателей напряжением 6 кВ и потребителей
4 кВ наиболее экономичной является схема электроснабжения с использованием трансформаторов с расщепленными обмотками 10 и 6 кВ и распределительной сетью двух напряжений. Лишь при нагрузке электродвигателей 6 кВ, превышающей 60—70 % всей расчетной нагрузки подстанции, целесообразно ограничиться одним напряжением 6 кВ. Трехобмоточные трансформаторы 110 кВ с соотношением мощностей обмотки 100/100/100 %, применение которых представляет интерес по эксплуатационным соображениям, почти не уступают по экономическим показателям трансформаторам с расщепленными обмотками (соотношение мощностей обмоток 100/50/50 %), несмотря на необходимость в ряде случаев реактирования их вводов в зависимости от мощности трансформаторов, напряжения обмоток низшей стороны, наличия подпитки и др.
Рис. 2. Графики изменения промышленных затрат для подстанций 110/6—10 кВ мощностью, тыс. кВ * А:
а — 2 х 6,3; б — 2 X 25; в —2 X 40; г — 2 X 80 в зависимости от доли электродвигательной нагрузки 6 кВ 5ДВ от общей нагрузки подстанции для распределительной сети напряжением: 1,2—10 кВ с трансформаторами 10/6 кВ индивидуальными (1) и групповыми (2); 3 — 6 кВ; 4 и 5 — 6 и 10 кВ с трансформаторами индивидуальными (4) и групповыми (5); 6 — 6 и 10 кВ при установке трехобмоточных трансформаторов 110/10/6 кВ
Таким образом, учитывая значительное совпадение экономических показателей этих двух вариантов, выбор решения следует производить с учетом других технических показателей — эксплуатационных условий, перспективы развития и др. Для трансформаторов с нерасщепленными обмотками мощностью до 16 тыс. кВ * А при наличии электродвигателей 6 кВ практически во всех случаях целесообразно выбирать напряжение 6 кВ, а не 10 кВ, так как в общей стоимости расчетных затрат весьма значителен удельный вес трансформаторов 10/6 кВ, необходимых для питания электродвигателей 6 кВ при вторичном напряжении ГПП (ПГВ), равном 10 кВ. Использование токопроводов при передаче больших мощностей от ГПП к распределительным устройствам (например, при мощности подстанции 2 X 80 тыс. кВ • А) может сделать экономически выгодным напряжение 6 кВ практически при любом удельном весе электродвигательной нагрузки 6 кВ в нагрузке всей ГПП. Применение токопровода вместо кабелей может снизить капиталовложения в 1,5—2 раза, а приведенные затраты — на 25—50 %. Напряжение 10 кВ при установке электродвигателей 10 кВ является наиболее экономичным, так как в общей сумме расчетных затрат стоимость только групповых трансформаторов 10/6 кВ составляет в зависимости от удельного веса электродвигательной нагрузки 6 кВ от 30 до 60 %. В связи с этим весьма перспективным представляется применение напряжения 660 В, поскольку при этом можно исключить установку электродвигателей 6 кВ, а число ЭП 4 кВ значительно уменьшить. Однако при этом надо иметь в виду, что номенклатура электродвигателей на напряжение 10 и 0,66 кВ в настоящее время еще недостаточна, а при технико-экономических расчетах вариантов напряжений 6—0,4 кВ и 10—0,66 кВ следует учитывать более высокую стоимость и меньший коэффициент полезного действия двигателей 10 кВ по сравнению с двигателями 6 кВ. При нагрузке электродвигателей 6 кВ до 20 % от расчетной и отсутствии перспектив на ее увеличение может быть отдано предпочтение напряжению 10 кВ с установкой групповых или индивидуальных трансформаторов 10/6 кВ. Перечисленные выводы, сделанные на основе анализа расчетных затрат на распределительную сеть 6—10 кВ с питанием ее от трансформаторов 110/6—10 кВ, распространяются также и на случаи применения трансформаторов другого первичного напряжения.
При самозапусках двигателей с напряжением распределительной сети 6 кВ возможно понижение напряжения на шинах ГПП (ПГВ). Во избежание этого понижения необходимо применять реактирование крупных электродвигателей или линий к РП, питающим группы электродвигателей с самозапуском. При напряжении распределительной сети 10 кВ вследствие наличия трансформаторов 10/6 кВ понижения напряжения на шинах ГПП (ПГВ) при самозапусках электродвигателей менее значительны. Эти обстоятельства могут оказать некоторое влияние на технико-экономические показатели вариантов в пользу напряжения 10 кВ. Поэтому при конкретном проектировании в таких случаях необходимо выполнить дополнительные расчеты. В технико-экономическом анализе рассмотренных схем распределительной сети учитывались ячейки КРУ с разрывной мощностью выключателей 200 МВ • А и 350 МВ • А для напряжений 6 и 10 кВ соответственно. Применение ячеек КРУ с разрывной мощностью выключателей 500 МВ • А может иметь технико-экономические преимущества, однако их применение нуждается в дополнительном обосновании.