УДК 621.316.016.25
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОТЕРЬ
ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРОВ
КузГТУ
Научный руководитель – к. т.н., с. н.с.
Потери электроэнергии являются основным показателем энергоэффективности распределительных сетей. От величины потерь в значительной степени зависит и продуктивность работы сетевых организаций в целом. Согласно [1] за период 2005–2011 гг. потери электроэнергии в российских распределительных сетях снизились с 11,69 % до 9,09 %. Однако в отдельных сетях величина потерь по-прежнему остается высокой и достигает 30–50 % всего объема передаваемой электроэнергии [2]. Это вызвано повышенным износом сетевого оборудования, который составляет сегодня в среднем 70 %, а также отсутствием проведения мероприятий по реконструкции электрических сетей. В результате возрастает вероятность выхода из строя оборудования, снижается надежность передачи и распределения электроэнергии, увеличиваются потери в распределительных сетях.
Проводимая нами ежегодная экспертиза нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям показывает, что в общей структуре технологических потерь более 30 % приходится на потери, обусловленные холостым ходом силовых трансформаторов. В результате потери холостого хода трансформаторов оказывают значительное влияние на величину норматива технологических потерь электроэнергии для сетевых организаций и, как следствие, на тариф на услуги по передаче электрической энергии. Рассмотрим основные факторы увеличения потерь холостого хода трансформаторов.
Главным узлом трансформатора, определяющим его параметры холостого хода, является магнитопровод. От материала и конструкции магнитопровода в значительной степени зависит величина потерь холостого хода трансформатора. Для изготовления магнитопроводов используется листовая трансформаторная сталь, обладающая высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями в переменном магнитном поле.
По структурному состоянию трансформаторная сталь подразделяется на горячекатаную, холоднокатаную и аморфную. Для оценки влияния свойств трансформаторной стали, применяемой в магнитопроводах силовых трансформаторов, на потери холостого хода нами были проанализированы номинальные параметры масляных трансформаторов с магнитопроводами из различных сталей. В результате были получены графики зависимости потерь холостого хода от номинальной мощности трансформаторов ДPх = f(Sном. т), которые представлены на рис. 1.
Рис. 1. Потери холостого хода в масляных трансформаторах
с магнитопроводами из различных электротехнических сталей:
1 – горячекатаная сталь; 2 – холоднокатаная анизотропная сталь
(год выпуска 1990); 3 – холоднокатаная анизотропная сталь
(год выпуска 2011); 4 – аморфная сталь
Из рис. 1 видно, что наибольшие потери холостого хода имеют место в трансформаторах с магнитопроводами из горячекатаной стали (кривая 1). Это обусловлено высокими потерями на гистерезис, которые составляют 60–76 % от суммарных потерь в стали [3].
Холоднокатаная сталь имеет повышенную магнитную проницаемость и уменьшенные потери за счет уменьшенных потерь на гистерезис. При использовании магнитопроводов из холоднокатаной стали потери холостого хода в трансформаторах (кривая 2) уменьшаются в 3–4 раза по сравнению с трансформаторами с магнитопроводами из горячекатаной стали. При этом качество выпускаемой холоднокатаной стали постоянно повышается. В результате, как показывает анализ, потери холостого хода в трансформаторах за последние 20 лет снизились на 21 % (кривая 3) за счет применения улучшенной трансформаторной стали.
Вместе с тем, существенно снизить потери холостого хода трансформаторов можно за счет перехода на магнитопроводы из так называемой аморфной стали. Эта сталь имеет некристаллическую структуру и характеризуется высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями. Поэтому при использовании аморфной стали потери холостого хода трансформаторов (кривая 4) оказываются в 4–5 раз меньше, чем при холоднокатаной. В настоящее время в России налажено опытное производство таких трансформаторов, однако высокая стоимость аморфной стали и необходимость значительного изменения технологического процесса производства трансформаторов сдерживают их широкое применение.
Потери холостого хода трансформаторов возрастают также в процессе их эксплуатации. Увеличение потерь холостого хода в этом случае обусловлено старением трансформаторной стали вследствие перегрузок и повышенного нагрева магнитопровода, а также механическими воздействиями на магнитопровод, возникающими как в нормальных, так и в аварийных режимах. На рис. 2 показана диаграмма распределения трансформаторов по длительности их эксплуатации в электрических сетях.
Рис. 2. Распределение трансформаторов по длительности
эксплуатации в распределительных сетях
Из диаграммы следует, что основная часть трансформаторов, работающих сегодня в распределительных сетях, имеет длительность эксплуатации от 10 до 40 лет. При этом в [4] отмечается, что после 30 лет эксплуатации трансформаторов потери холостого хода в них могут увеличиваться до 23–27 % по сравнению с паспортными данными. Это в значительной степени сказывается на увеличении технологических потерь электроэнергии в распределительных сетях сетевых организаций.
Поэтому важной задачей является снижение потерь холостого хода в трансформаторах, которое может быть достигнуто за счет рационализации их работы. К числу мероприятий, направленных на рационализацию работы силовых трансформаторов, следует отнести замену трансформаторов, систематически загруженных менее 20 % номинальной мощности, и их перегруппировку, перевод нагрузки трансформаторов, временно загруженных менее 20 % номинальной мощности, на другие трансформаторы, а также отключение трансформаторов на время работы на холостом ходу.
Оценка эффективности данных мероприятий была проведена нами в одной из сетевых организаций г. Кемерово. В балансовой принадлежности сетевой организации находится 20 силовых трансформаторов ТМ 6/0,4 кВ различной номинальной мощности. Суммарная установленная мощность трансформаторов составляет 13620 кВА, а их средний коэффициент загрузки равен 0,15. После проведения мероприятий по рационализации работы трансформаторов их средний коэффициент загрузки увеличился до 0,5, при этом потери холостого хода в трансформаторах уменьшились на 78 %. В результате общие технологические потери электроэнергии в распределительной сети снизились на 35 %, а ежегодная экономия составила 126,5 тыс. руб/год. Кроме того, следует отметить, что по истечении срока окупаемости и с учетом постоянного роста тарифов на электроэнергию, данная экономия, очевидно, будет увеличиваться за счет снижения стоимости потерь в сетях сетевой организации.
Таким образом, проведение мероприятий по рационализации работы силовых трансформаторов приводит к значительному уменьшению в них потерь холостого хода. Оптимизация потерь обеспечивает сокращение непроизводительного расхода электроэнергии и способствует повышению энергоэффективности распределительных сетей.
Список литературы:
Российский статистический ежегодник. 2012: Стат. сб. [Текст]. – М. : Росстат, 2012. – 786 с. Воротницкий, потери электроэнергии в электрических сетях. Структура и мероприятия по снижению / , // Новости электротехники. – 2002. – № 4. – С. 21–25. Электрические машины: Машины постоянного тока : учеб. для вузов / Под ред. . – М. : Высш. шк., 1988. – 336 с. Цицорин, А. Н. О физических процессах изменения магнитных свойств электротехнической стали и росте потерь холостого хода силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации / // Электротехника. – 2011. – № 3. – С. 52–57.