Меню

Активная мощность силового трансформатора



Мощность трансформатора

При проектировании трансформаторов основным параметром является его мощность. Именно она определяет габариты трансформатора. При этом основным определяющим фактором будет полная мощность, отдаваемая в нагрузку:

Для трансформатора с большим количеством вторичных обмоток полную мощность можно определить, просуммировав мощности, потребляемые нагрузками, подключенными ко всем его обмоткам:

При полностью резистивной нагрузке (отсутствие индуктивной и емкостной составляющей в токе) потребляемая мощность активна и равна отдаваемой мощности S2. При расчете трансформатора важным параметром является типовая или габаритная мощность трансформатора. В этом параметре кроме полной мощности учитывается мощность, потребляемая трансформатором от сети по первичной обмотке. Типовая мощность трансформатора вычисляется следующим образом:

Определим типовую мощность для трансформатора с двумя обмотками. Полная мощность первичной обмотки , где U1, I1 — действующие значения напряжения и тока Именно этой мощностью определяются габариты первичной обмотки. При этом число витков первичной обмотки трансформатора зависит от входного напряжения, сечение провода от протекающего по ней максимального тока (действующее значение). Габаритная мощность трансформатора определяет необходимое сечение сердечника sс. Ее можно рассчитать следующим образом:

Напряжение на первичной обмотке трансформатора можно определить из выражения , где s – площадь сечения сердечника магнитопровода, определяемая как произведение ширины сердечника на его толщину. Эквивалентная площадь сечения сердечника трансформатора обычно меньше и зависит от толщины пластин или ленты и расстояния между ними, поэтому при расчете трансформатора вводится коэффициент заполнения сердечника, который определяется как отношение эквивалентной площади сечения сердечника магнитопровода к его геометрической площади . Его значение обычно равно kc = 1 . 0,5 и зависит от толщины ленты. Для прессованных сердечников (изготовленных из феррита, альсифера или карбонильного железа) kc = 1. Таким образом, и выражение для напряжения первичной обмотки трансформатора принимает следующий вид:

Аналогичное выражение можно записать и для вторичной обмотки. В трансформаторе с двумя обмотками мощность первичной обмотки и типовая мощность трансформатора равны. Мощность первичной обмотки можно определить по следующему выражению:

При этом типовая мощность трансформатора будет рассчитываться по следующей формуле:

Отношение тока в проводе обмотки к его сечению называется плотностью тока. В правильно рассчитанном трансформаторе плотность тока во всех обмотках одинакова:

Заменим токи и , тогда сумма в скобках выражения (7) может быть записана следующим образом: , jsм, где sм — сечение всех проводников (меди) в окне сердечника трансформатора. На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция трансформатора, где отчетливо видны площадь сердечника sс, площадь окна магнитопровода sок и площадь, занимаемая проводниками первичной и вторичной обмоток sм.

Рисунок 1 Упрощенная конструкция трансформатора

Введём коэффициент заполнения окна медью . Его величина находится в пределах kм = 0,15 . 0,5 и зависит от толщины изоляции проводов, конструкции каркаса обмоток, межслойной изоляции, способа намотки провода. Тогда jsм = jkмsок и выражение для типовой мощности трансформатора можно записать следующим образом:

Из выражения (9) следует, что типовая мощность определяется произведением sсsок. При увеличении линейного размера трансформатора в m раз, его объём (масса) увеличится в m³ раз, а мощность возрастёт в m 4 раз. Поэтому, удельные массо-габаритные показатели трансформаторов улучшаются с увеличением номинальной мощности. С этой точки зрения предпочтительны многообмоточные трансформаторы по сравнению с несколькими двухобмоточными.

При разработке конструкции трансформаторов стараются увеличить коэффициент заполнения окна сердечника обмотками, так как при этом возрастает значение номинальной мощности Sтип. Для достижения этой цели применяются обмоточные проводники с прямоугольным сечением. Следует отметить, что при практических расчетах формулу (9) преобразуют к более удобному виду.

При расчете трансформатора по заданной мощности на нагрузке исходя из выражения (10) определяется произведение sсsок. Затем по справочнику выбирается конкретный тип и размер магнитопровода трансформатора, у которого этот параметр будет больше или равен рассчитанному значению. Затем приступают к расчету количества витков в первичной и вторичной обмотках. Рассчитывают диаметр провода и проверяют, помещаются ли обмотки в окне магнитопровода.

  1. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  2. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С.
  3. Режимы работы трансформатора
Читайте также:  Мощность утюга 1200 что это

Вместе со статьей «Мощность трансформатора» читают:

Источник

Новая методология выбора мощности силового трансформатора

В распределительных электросетях нашей страны эксплуатируется примерно 3 миллиона силовых трансформаторов I-III габарита мощностью 25-6300 кВА класса напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ [1]. При этом, по разным оценкам, [2] доля трансформаторного оборудования со сроком эксплуатации 30 лет составляет 55 %. Это потребует ежегодных замен нескольких десятков тысяч штук трансформаторов. Одновременно количество вновь подключаемых трансформаторов указанных выше габаритов в 2021-2022 годах может также составить несколько десятков тысяч штук [3]. И в каждом случае замены трансформатора на существующем объекте или при установке трансформатора для электроснабжения нового объекта требуется, прежде всего, решить вопрос о мощности трансформатора и об оптимальных режимах его эксплуатации.

Поэтому при проектировании сетей электроснабжения и при их эксплуатации всегда актуальна задача выбора оптимальной мощности силовых трансформаторов и оптимальных режимов нагрузки. Важность этой задачи многократно возросла в условиях цифровизации электроэнергетики и в связи с требованиями повышения энергоэффективности электросетевого комплекса. По мнению авторов работы [4] «. цифровизация с использованием методов непрерывного проектирования предоставляет средства оптимизации и повышения эффективности электросетевого комплекса». В этот тренд вписывается повсеместное внедрение энергоэффективного трансформаторного оборудования. Инновационное переформатирование электроэнергетики требует новых математических моделей, новых методологий для достижения новых целей.

Существующая методология выбора мощности и оптимальных режимов эксплуатации силовых (распределительных) трансформаторов

Основными нормативными документами по выбору мощности силовых (распределительных) трансформаторов для электроснабжения объектов/потребителей являются:

  • НТП ЭПП-94. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования (разделы 6.3 — 6.4).
  • ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.
  • СТО 56947007-29.180.074-2011. Типовые технические требования к силовым трансформаторам 6-35 кВ для распределительных электрических сетей (пункты 5.1- 5.5).

Указанные документы определяют алгоритм выбора мощности как последовательность следующих шагов: 1) расчет суммарных нагрузок (мощностей электроприемников); 2) определение нескольких значений мощности трансформатора (не более трех) по допускаемой перегрузке; 3) экономический расчет выбранных вариантов и выбор наилучшего.

В основу классической методологии выбора мощности силового трансформатора в описанном алгоритме, как указано в работах [5, 6] положено определение допустимых нагрузок трансформатора, полученных при расчете тепловых переходных процессов. Усовершенствование, предложенное в работе [6], состоит в том, что номинальная мощность трансформатора выбирается по критерию минимума стоимости трансформации электроэнергии с учетом требований ГОСТ 14209-85 по нагрузочной способности и с учетом срока службы трансформатора, которое обусловлено тепловой деградацией изоляции. Методики экономической оценки выбранных вариантов силового/ распределительного трансформатора были узаконены только в отраслевом стандарте СТО 34.01-3.2-011-2017. Указаны два варианта: 1) минимизация приведенных затрат при эксплуатации трансформатора; 2) оценка совокупной капитализированной стоимости в соответствии с [7]. Стоит отметить, что методика, изложенная в главе 4 работы [7] сложна для практического применения, по признанию самих авторов.

Непригодность существующих нормативных документов по выбору мощности силовых/ распределительных трансформаторов для новых условий функционирования электросетевого комплекса нашей страны заключается в том, все они, во-первых: создавались для трансформаторов с характеристиками, нормированными ГОСТами времен СССР (например, ГОСТ 12022-76); во-вторых: предписываемый выбор, по существу, является не оптимизацией, а грубой подгонкой приблизительно подходящего трансформатора под условия эксплуатации. Инновационные энергоэффективные трансформаторы, как будет показано ниже, не вписываются в рекомендации действующих нормативно-технических документов. Более того, новая парадигма функционирования электросетей — это парадигма адаптивного управления, в том числе и энергоэффективностью передачи электроэнергии.

Читайте также:  Стиральные машины с минимальной мощностью

Многолетние исследования автора настоящей статьи проблемы энергоэффективности силовых трансформаторов позволили сформулировать следующий тезис: энергоэффективность является управляемым состоянием трансформаторного комплекса [8]. Данный тезис заставляет по-новому поставить проблему выбора силового трансформатора для электроснабжения нового объекта (или трансформатора для замены на существующем объекте). Новая постановка проблемы заключается в том, что условия эксплуатации должны диктовать характеристики потерь трансформатора. И в отраслевой литературе в последние годы появилось много публикаций по выбору параметров инновационных энергоэффективных трансформаторов [9-16].

В работе [9] дается оценка эффективности замены обычного трансформатора на энергоэффективный трансформатор большей мощности, но с меньшей загрузкой. Меньшая загрузка энергоэффективного трансформатора при этом проверяется на оптимальность по соотношению потерь холостого хода и короткого замыкания, как это сделано в работе [10]. Также сравнивается экономическая эффективность трансформатора с малой загрузкой и обычного трансформатора с большой загрузкой по критерию совокупной стоимости владения. Автор статьи Тульчинская утверждает, что подобная замена экономически выгодна и также повышает надежность электроснабжения за счет большей перегрузочной способности и большего срока службы изоляции.

Алгоритмы принятия решений и технико-экономическое обоснование замены старых трансформаторов рассмотрены в работах специалистов ОАО «МРСК Северо-Запада» к. т. н. С. П. Высогорец и Д. И. Никонова [11], а также сотрудников Казанского государственного энергетического университета И. А. Хатановой и А. А. Елизаровой [12].

В работе белорусских специалистов [13] впервые получено, по существу, решение задачи управления энергоэффективностью трансформаторных комплексов; авторы выявили и исследовали взаимосвязь приведенных эксплуатационных затрат с параметрами эксплуатации трансформаторов до 1600 кВА и характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания. На основе этих взаимосвязей выведены аналитические зависимости для расчета потерь от режимов загрузки при условии минимума приведенных эксплуатационных затрат.

Начальник управления энергосбережения и повышения энергоэффективности филиала «МСК Центра» — «Белгородэнерго» Н. В. Якшина в работе [14] всесторонне анализирует целесообразность применения энергоэффективных инновационных трансформаторов.

Автор настоящей статьи в статьях [15-16] впервые рассмотрел проблему обоснования и нормирования характеристик потерь энергоэффективных трансформаторов.

При этом все указанные работы в той или иной степени восходят к работе Р. Я. Федосенко [17]. В этой без преувеличения классической работе всесторонне рассмотрены различные аспекты рациональной эксплуатации трансформаторов в распределительной сети.

Основные положения новой методологии выбора силового трансформатора для распределительной сети

Краткий обзор работ, приведенный выше, содержит в себе основные контуры новой методологии выбора силового трансформатора для распределительной сети. Главный момент при этом — максимальный учет особенностей нагрузки объекта электроснабжения и обеспечение максимальной экономической эффективности электроснабжения. Существующая методология — выбор из ограниченного множества стандартизованных неоптимальных трансформаторов и их проверка на экономическую квазиоптимальность. В наступающей цифровой эре нет места таким решениям. В новых цифровых сетях электроснабжения силовой трансформатор должен иметь оптимальные для данного объекта электроснабжения параметры: мощность, характеристики потерь. Он должен оптимально встраиваться в сеть с существующей нагрузкой, обеспечивая минимальную стоимость трансформации электроэнергии.

Для выбора трансформатора в новых условиях необходимо изучить взаимосвязь финансовых показателей трансформации электроэнергии, параметров трансформатора (мощность, характеристики потерь) и условий эксплуатации (загрузка трансформатора). Как указано в работе [7], эта взаимосвязь очень сложна. Поэтому пока отсутствуют аналитические зависимости для решения задачи выбора оптимального трансформатора за один шаг алгоритма.

Читайте также:  Линейка мощностей асинхронных двигателей

Однако получив в результате математического моделирования диапазоны оптимальных режимов работы трансформатора для минимальных стоимостей трансформации электроэнергии в определенных диапазонах потерь, можно получить новые рекомендации для формирования нового содержания нормативных документов, указанных выше. Но это будет вариант для отдельных потребителей, не имеющих возможности осуществить компьютерный выбор оптимального трансформатора для своего электроснабжения. Крупные потребители, электросетевые организации будут формировать требования к потерям своих трансформаторам, исходя из реальной потребности в электроэнергии технологического оборудования.

Анализ данных математического моделирования различных условий эксплуатации обычных и энергоэффективных трансформаторов

Ниже представлен анализ данных математического моделирования различных условий эксплуатации масляных и сухих трансформаторов мощностью 25-2500 кВА.

Рассматривались по два варианта каждого типа трансформаторов: обычный (со стандартными характеристиками потерь) и инновационный (с магнитопроводом из аморфной стали).

Для диапазона изменения коэффициента загрузки от 0,1 до 1,4 рассчитывались следующие показатели:

Удельная стоимость трансформации определяется по формуле:

  • kнорм — нормативный показатель;
  • Стр — стоимость трансформатора, [руб.];
  • Сквтч — стоимость электроэнергии, [руб./кВт·час];
  • Тр=8000 — время использования максимума нагрузки в год, [час];
  • P — потери холостого хода, [кВт];
  • Pн — нагрузочные потери, [кВт];
  • kз — коэффициент загрузки;
  • Sн — номинальная мощность трансформатора, [кВА].

Совокупная дисконтированная стоимость владения трансформатором за 30 лет эксплуатации определяется по формуле:

для срока службы трансформатора n=30 лет и процентной ставки ЦБ РФ 0,0425=16,78.

Срок окупаемости находится по следующей формуле:

Символ Δ обозначает разницу в потерях холостого хода, нагрузочных потерях, в ценах трансформаторов.

В расчетах годовое время использование максимума нагрузки было принято равным 8000 часов (как для предприятий химической промышленности в соответствии с данными работы [18]). Стоимость электрической энергии принята 2 руб./кВт·час (как в работе [14] Н. В. Якшиной).

Результаты представлены в таблицах 1-10 и на графиках рис. 1-4. Графики на рисунках продлены за пределы реальных нагрузок для того, чтобы проиллюстрировать графическое представление зависимостей.

Таблицы

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные обычные трансформаторы), тыс. руб.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.

Срок окупаемости (масляные энергоэффективные по сравнению с масляными обычными), лет.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие обычные трансформаторы), тыс. руб.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.

Срок окупаемости (сухие энергоэффективные по сравнению с сухими обычными), лет.

Графики

График 1

График 1

График 2

График 2

График 3

График 3

График 4

График 4

Заключение

Анализ результатов моделирования различных режимов эксплуатации обычных и энергоэффективных трансформаторов показывает, как было отмечено в начале данной статьи, несоответствие экономически выгодных режимов эксплуатации рекомендациям нормативных документов по выбору силовых трансформаторов для распределительных электросетей даже для обычных трансформаторов (0,8. 0,9 для масляных; 1,2. 1,3 для сухих). Для энергоэффективных трансформаторов оптимальные режимы нагрузки выходят за пределы допустимых значений. Сроки окупаемости для загрузок, близких к номинальным, составляют 5. 10 лет в зависимости от мощности трансформатора.

Автор: кандидат технических наук, независимый эксперт Юрий Михайлович Савинцев.

Ю. М. Савинцев также выражает искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные материалы (технические и другие данные).

Источник