Способы повышения энергоэффективности силовых трансформаторов

Способы повышения энергоэффективности трансформаторов

Масляный трансформатор ТМГ 630 кВа является одним из самых востребованных и популярных на территории России и Европы. Однако, при его эксплуатации, как и при использовании любой другой трансформирующей установки возникает проблема повышения энергоэффективности. Любые системы подобного рода имеют определенный процент потерь, снижающих их эффективность. И современные технологии не стоят на месте, предлагая все новые и новые решения для повышения производительности трансформаторов любых конструкций.

При всех своих достоинствах трансформатор ТМГ 630 кВа является устройством, производимым по традиционным технологиям. В частности, в нем применяется холоднокатаная сталь, отличная высокими индукционными показателями и сниженными удельными значениями потерь. Однако, этот материал уступает по эксплуатационным показателям современной разработке – аморфным сплавам, позволяющим добиться небывалого повышения энергоэффективности.

На производительность оказывают влияние и другие факторы, например, система охлаждения и применяемая изоляция. Причем, оба этих элемента находятся в тесной связи друг с другом, поскольку от первого зависит нормализация температурного режима работы, а второй – подвергается непосредственному влиянию первого, со временем теряя свои свойства. Трансформатор ТМГ 630 кВа охлаждается при помощи масляной среды, а изоляции выполняются из различных стойких к воздействию масла материалов. Конкретный тип материала зависит от мощности устройства. Данный тандем является одним из самых производительных на рынке современных трансформаторов, но даже в этом случае изоляция теряет со временем свои свойства. А это приводит к увеличению потерь и снижению производительности оборудования.

Общие меры по увеличению эффективности

Одна из самых мощных мер по увеличению эффективности применена в трансформаторе ТМГ 630 кВа – это гофрированный бак, пришедший на смену бакам с маслорасширителями. Колебания объема жидкости компенсируются увеличением объема самого бака, за счет чего масло длительное время сохраняет свои свойства, не загрязняется и не требует частых замен. В обмотках таких моделей широко применяется алюминий, являющийся более легким и долговечным, а при шихтовке магнитных проводников применяется косой стык, снижающий вероятность КЗ и потери на ХХ. Также производительность трансформаторов увеличивается при использовании дополнительного контрольного оборудования, позволяющего регулировать работу системы, в зависимости от ее состояния.

Все это и позволяет повысить энергоэффективность. Конкретные меры для достижения этого, в том числе и на трансформаторах ТМГ 630 кВа, следующие:

• поддержание наилучшего нагрузочного коэффициента;
• подъем мощностного коэффициента;
• снижение потеря на ХХ;
• снижение потерь короткого замыкания.

Добиться увеличения производительности можно и при помощи компенсации колебаний напряжения в устройстве. Для этого трансформатор ТМГ 630 кВа оснащен специальными регуляторами, позволяющими изменять показатель напряжения. Но для этого требуется полное обесточивание системы. В то время, как уже давно существуют так называемые РПН – регуляторы напряжения под нагрузкой. Они выполняют роль коммутаторов, позволяя изменять напряжения без отключения питания. Использование подобных компонентов также помогает увеличить эффективность трансформирующего оборудования, наряду с установкой твердотельных элементов переключения.

Самые современные технологии для повышения энергоэффективности

А самые современные технологии для повышения эффективности, которые обязательно в скором времени будут применяться в установках, подобным трансформатору ТМГ 630 кВа, следующие:

• применение нанокристаллических аморфных сплавов при создании магнитопроводов;
• изменение режима загрузки трансформаторов путем применения инновационных вводов;
• снижение потер в обмотках при использовании сверхпроводниковых материалов для их создания;
• изготовление обмоток из многопроволочной токопроводящей жилы.

Отдельно хочется отметить модели с магнитопроводами из аморфных сплавов, которые имеют в 5 раз меньше потерь на холостом ходу, чем тот же трансформатор ТМГ 630 кВа. Если же брать сам сердечник, без привязки к типу охлаждения трансформирующего устройства, то потери на сердечниках из аморфного сплава достигают показателя в -80%, по сравнению с элементами из самой современной холоднокатаной стали.

Таким образом, существует сразу несколько направлений, которые уже сейчас применяются в самых инновационных трансформирующих установках. Однако, почти все существующие решения отличаются очень высокой стоимостью, что делает применение подобных устройств экономически не оправданным. Но технологии не стоят на месте, ведь, как пример эффективного и быстроокупаемого оборудования можно привести линейку масляных трансформаторов ТМГ, которые по сочетанию цены, производительности и качества являются одними из самых лучших на рынках России, стран СНГ и Европы.

Источник

Энергоэффективные трансформаторы. Особенности конструкции

Статья посвящена конструктивным особенностям энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов I-го габарита (6,3 кВА — 6300 кВА). Рассмотрены возможности и практическая реализация конструктивных изменений, которые приводят к уменьшению потерь холостого хода, короткого замыкания и, в конечном счете, повышают коэффициент энергоэффективности масляного трансформатора.

Введение

Энергоэффективность силового трансформатора, как указано в [1], определяется тремя факторами:

• загрузкой трансформатора;
• мощностью его потерь холостого хода (далее — потери хх);
• мощностью его потерь короткого замыкания (далее — потери кз).

В работе [2] автор выводит главную парадигму повышения энергоэффективности трансформации электроэнергии — «Для обеспечения максимальной энергоэффективности трансформаторной подстанции при заданном коэффициенте нагрузки должно быть обеспечено совершенно определенное соотношение потерь хх и кз в устанавливаемом трансформаторе».

Потери хх и кз в силовых трансформаторах I — III габарита, которые имеют большинство установленных сегодня трансформаторах, приведены, в частности, в работе [2]. На ближайшие перспективы к энергоэффективным трансформаторам предъявляются требования по потерям хх и кз, указанные в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Планируемые характеристики силовых трансформаторов 6-10 кВ номинальной мощностью 63-2500 КВА до 1 июля 2021 года

Номинальная мощность (кВА)

Потери холостого хода (Вт)

Потери короткого замыкания (Вт)

Потери холостого хода (Вт)

Потери короткого замыкания (Вт)

Таблица 2. Планируемые характеристики силовых трансформаторов 6-10 кВ номинальной мощностью 63-2500 КВА с 1 июля 2021 года

Номинальная мощность (кВА)

Потери холостого хода (Вт)

Потери короткого замыкания (Вт)

Потери холостого хода (Вт)

Потери короткого замыкания (Вт)

Указанные требования соответствуют стандарту СТО 34.01 — 3.2 — 011 — 2017.

Конструктивные мероприятия, с помощью которых могут быть достигнуты указанные в таблицах значения потерь хх и кз, вытекают из теории проектирования трансформаторов. Рассмотрим отдельно конструктивные способы уменьшения потерь холостого хода и короткого замыкания.

Конструктивные способы уменьшения потерь ХХ

Приведены следующие зависимости для расчета потерь хх:

• p— удельные потери в стали магнитопровода;
• B— магнитная индукция в стержне и в ярме (в соответствии с индексом);
• u— напряжение витка обмотки;
• П _с—площадь поперечного сечения стержня (ярма);
• Pх— потери хх;
• G— масса стержня и ярма (в соответствии с индексом);
• k_Д— коэффициент потерь.

Из формул (1) — (4) вытекают следующие конструктивные возможности снижения потерь хх:

• улучшение характеристик потерь материала магнитопровода;
• снижение индукции в стержне (увеличение числа витков обмотки и/или увеличение площади поперечного сечения стержня);
• уменьшение массы стержня и ярма.

Перспективы улучшения характеристик анизотропной электротехнической стали приведены в таблице 3.

Таблица 3. Планируемые требования к техническим характеристикам электротехнической стали, используемой для производства энергоэффективных трансформаторов

0,30 мм, 0,27 мм и 0,23 мм

0,30 мм, 0,27 мм и 0,23 мм

Уровень удельных магнитных потерь

Р _1,7/50 = 1,00 — 1,05 Вт/кг

Р _1,7/50 = 0,95 — 1,05 Вт/кг

Рис. 1 Зоны увеличения потерь в плоском магнитопроводе

Помимо улучшения электротехнических характеристик анизотропной стали к значительному снижению потерь хх привели новые способы шихтовки магнитопровода. На рисунках 1 и 2 приведены наглядные изображения зон, в которых происходит увеличение потерь хх за счет увеличения индукции [4]. Очевидно, что в шихтованном магнитопроводе большая часть линий магнитной индукции в стыке проходит через область с большей магнитной проницаемостью.

В работах [5, 6] дискутируются теоретические вопросы расчета потерь в стыках и делается вывод о безусловном преимуществе шихтованных магнитопроводов с косым стыком (step-lep). Также в [5] предлагается для уменьшения потерь в стыках сочетание изотропной и анизотропной стали. Однако, по мнению главных конструкторов ведущих заводов по производству силовых трансформаторов с точки зрения технологии сборки такой метод снижения потерь хх крайне проблематичен.

Рис. 2 Направления линий магнитной индукции в стыковой магнитной системе и шихтованной магнитной системе

Возможна конструкция магнитопровода, в которой стыки вообще отсутствуют. Это так называемый витой магнитопровод (или пространственный). Фотография такого магнитопровода приведена на рисунке 3.

Рис. 3 Пространственный магнитопровод

На рисунке 4 приведена фотографии трансформатора с витым магнитопроводом.

Рис. 4 Трансформатор с витым магнитопроводом

Многократное уменьшение потерь холостого хода достигается применением аморфной стали. Фотографии трансформаторов разных заводов с магнитопроводами из аморфной стали приведены на рисунках 5, 6, 7.

Рис. 5 Трансформатор на аморфной стали ООО «Трансформер»

Рис. 6 Трансформатор на аморфной стали ХК «Электрозавод» Рис. 7 Трансформатор на аморфной стали ООО «Золотой Треугольник»

Практически все электромагнитные, механические и потребительские свойства аморфной стали превосходят аналогичные для традиционной анизотропной электротехнической, применяемой в современных трансформаторах, за исключением индукции (1,3-1,5 Тесла) и коэффициента заполнения. Удельные магнитные потери на перемагничивание магнитопровода из аморфной стали составляют 0,2 — 0,25 Вт/кг по сравнению с 1,15 Вт/кг для анизотропной электротехнической стали.

Некоторые свойства аморфных сплавов:

• более высокая прочность, чем у лучших сортов легированных сталей (до 2-х раз);
• высокая износостойкость;
• низкая пластичность (в среднем ниже на 30%);
• исключительно высокая коррозионная стойкость;
• более низкая электропроводность, вследствие чего частично или полностью отпадает необходимость в изоляции пластин в пакетах сердечников, что означает уменьшение габаритов,;
• ниже потери на токи Фуко;
• более низкая (на 2 порядка) магнитная анизотропия, что приводит к резкому снижению потерь при перемагничивании;
• более высокое значение начальной магнитной проницаемости в широком диапазоне частот.

На сегодняшний день технология производства пока не позволяет получать металлический прокат аморфной стали больших размеров, поэтому применение её в трансформаторах большой мощности пока затруднительно. В основном аморфные сплавы применяются при конструировании и производстве измерительных и распределительных трансформаторов напряжением до 10 кВ и мощностью до 1000 кВА. В связи с малой толщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магнитопровода.

Из-за меньшей индукции насыщения аморфной стали по сравнению с электротехнической сталью, а также меньшего коэффициента заполнения сечения магнитопровода (0,8-0,85) по сравнению с этим коэффициентом у трансформаторов с ЭТС, сечения аморфного магнитопровода больше, что приводит к более высоким весогабаритным показателям по сравнению с трансформаторами с анизотропной сталью. Однако стоимость распределительных трансформаторов с магнитопроводами из аморфной стали по некоторым в два раза превышает стоимость обычных трансформаторов.

При проектировании и производстве трансформаторов замена анизотропной стали аморфным сплавом даёт значительную экономию потерь от вихревых токов в магнитопроводе: магнитные потери у трансформатора с магнитопроводом из аморфного сплава примерно в 4-5 раз меньше, чем у трансформатора из анизотропной электротехнической стали.

Таблица 4. Сравнительные данные по потерям масляных трансформаторов 1000 кВА (50 Гц) фирмы Hitachi с магнитопроводами из обычной электротехнической анизотропной стали и аморфной стали [1].

Источник

Базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России

Введение

При рассмотрении стратегии повышения энергетической эффективности любого процесса следует помнить, что энергетическая эффективность, как одна из ключевых категорий любой экономической системы, обладает мультипликативным эффектом, а именно: чем выше энергоэффективность в начальных секторах технологической цепочки, тем эффективнее вся цепь в совокупности. Наибольшее значение имеют характеристики энергоэффективности в топливно-энергетическом комплексе, в частности, в электросетевом комплексе. Ведь в конечном счете, потерянная электроэнергия — это потерянная продукция, неоказанные услуги и т. д. Поэтому одно из звеньев электросетевого комплекса, — трансформаторная подстанция вместе с установленными силовыми трансформаторами, — должно стать предметом пристального анализа при выработке и внедрении стратегии повышения энергоэффективности при транспортировке и распределении электрической энергии.

Целью настоящей статьи является обоснование базового принципа повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций за счет внедрения в эксплуатацию в электросетевом комплексе России энергосберегающих (энергоэффективных) силовых трансформаторов, а также определение нормативной базы, всех основных этапов, мероприятий и инструментов.

1. Обоснование базового принципа повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций.

Рассмотрение любого аспекта энергоэффективности необходимо начать с определения терминов. Федеральный закон от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ определяет энергоэффективность следующим образом: «энергетическая эффективность — характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю». Приведенное выше определение — это, по сути, определение коэффициента полезного действия (кпд). Но применительно к трансформаторам значение кпд напрямую не используется. В практике проектирования трансформаторов эквивалентом кпд принята совокупность потерь холостого хода (хх) и короткого замыкания (кз). В Постановлении Правительства РФ от 17.06.2015 N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» в разделе «II.27. Трансформаторы электрические силовые» нормированы именно указанные выше показатели. Таким образом энергоэффективность трансформаторной подстанции будем определять потерями хх и кз.

Среди последних работ российских специалистов, касающихся энергоэффективных трансформаторов, следует отметить статью [1], посвященную нормированию их энергоэффективности. Хотя данная статья заканчивается анализом преимуществ силовых трансформаторов с магнитопроводом из аморфной стали, авторы, по сути, в основной части обосновывают базовый принцип повышения энергоэффективности при трансформации электроэнергии. В соответствии с выводами работы [1], максимум коэффициента энергоэффективности достигается при вполне определённой нагрузке трансформатора заданной мощности. А так как оптимальные потери хх и кз однозначно связаны через максимум коэффициента энергоэффективности, то повышение энергоэффективности трансформаторных подстанций — это не просто уменьшение потерь хх и кз трансформаторов, а обеспечение определенных сочетаний минимальных потерь хх и кз пи заданной нагрузке.

В этом и заключается базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций, осуществляющих трансформацию электроэнергии: для обеспечения максимальной энергоэффективности трансформаторной подстанции при заданном коэффициенте нагрузки должно быть обеспечено совершенно определенное соотношение потерь ХХ и КЗ в устанавливаемом трансформаторе.

При решении задач повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций можно выделить прямую и обратную задачи.

Прямая задача заключается в расчете оптимальной загрузки трансформатора при известных потерях хх и кз. Такая задача всегда решается оперативным персоналом электросетей при распределении нагрузки между трансформаторными подстанциями электросети. Можно получить значение коэффициента загрузки поиском экстремума выражения зависимости для стоимости трансформации электроэнергии (как правило, за год), как это сделано в работе [2.] Полученный в этом случае коэффициент загрузки является оптимальным с точки зрения стоимости трансформации электроэнергии, -экономически оптимальный коэффициент загрузки, обусловленный как стоимостью трансформатора и его обслуживания, так и его конструкцией. Если вычислять оптимальный коэффициент загрузки поиском экстремума выражения для коэффициента энергоэффективности (см. работу [1]), то мы получим технически (конструкционно) оптимальный коэффициент загрузки, характеризующий условие передачи через трансформатор максимума электроэнергии, обусловленный только конструкцией трансформатора.

Обратной же задачей рациональной эксплуатации трансформаторной подстанции является задача расчета потерь холостого хода и короткого замыкания, обеспечивающих энергоэффективность трансформации электроэнергии при заданной нагрузке. Обратная задача повышения энергоэффективности трансформатора должна решаться, когда при проектировании электроснабжения объекта загрузка трансформаторов либо заранее известна, либо будет изменяться со временем. Такая ситуация, в частности, характерна для проведения замены выработавших ресурс трансформаторов. Или, наоборот, при организации электроснабжения строящегося жилого микрорайона. Необходимость решения именно обратной задачи обоснована в работах [3, 4]. Рассмотрим более подробно выводы работ [1, 2, 3, 4] В монографии [[2] определены пределы экономически эффективной загрузки трансформатора заданной мощности, имеющего заданные потери хх и кз. Удельные затраты на трансформацию электроэнергии для трансформаторов разных мощностей приведены на рисунке 1 при изменении загрузки трансформатора (графики заимствованы из [2]. Числовые данные соответствуют ценовым данным 1963 года, но качественный характер кривых соответствует объективной реальности. Точки пересечения кривых соответствуют необходимости замены трансформатора на большую мощность. По оси абсцисс отложена загрузка трансформатора в кВА, по оси ординат — удельная стоимость трансформации в руб./кВА*год.

Рис. 1. Удельные затраты на трансформацию электроэнергии

Это пример решения прямой задачи повышения энергоэффективности трансформаторной подстанции: определение рациональной загрузки трансформатора при заданных характеристиках потерь хх и кз.

Решение обратной задачи повышения энергоэффективности трансформаторной подстанции рассматривается в работах белорусских специалистов Пекелиса В.Г., Мышковца Е.В., Леуса Ю.В. [3], российских специалистов: топ-менеджера МРСК «Центра» Якшиной Н. В. [4] и специалистов ХК «Электрозавод» Ивакина В.Н., Ковалева В.Д., Магницкого А.А. [1].

В статье [3], опубликованной в 2003 году, выделено три группы потребителей в зависимости от времени максимальных потерь (1-ая — 920 часов в год; 2-ая — 2405 часов в год; 3-ья — 5248 часов в год) или в зависимости от времени максимальной нагрузки (1-ая — от 1000 до 3000 часов в год; 2-ая — от 3000 до 5000 часов в год; 3-ья — от 5000 до 8000 часов в год). Для трансформатора мощностью 400 кВА для каждой из этих групп получены одинаковые значения потерь хх 439,5 Вт, но разные значения потерь кз — 3430 Вт; 3061 Вт; 2605 Вт. И сделан общий вывод о целесообразности выпуска трансформатора одной и той же номинальной мощности в нескольких (не более трёх) модификациях.

Автор статьи [4] прямо указывает: «Потенциал энергосбережения в различных условиях различен. Например, в строящемся микрорайоне индивидуального жилищного строительства, где энергопотребление выйдет на проектируемый уровень через 5–7 лет, особенно актуальны трансформаторы с минимальными потерями холостого хода, а в сетях энергоснабжения действующего промышленного предприятия нужно минимизировать именно нагрузочные потери. Поэтому в ближайшем будущем сетевым компаниям потребуется широкая номенклатура энергосберегающих трансформаторов с различными вариациями».

Авторы статьи [1] на основе анализа коэффициента энергоэффективности трансформатора мощностью 100 кВА (рисунок 2) рассчитали потери хх и кз трансформатора при загрузках 20% и 50% (это оптимальные загрузки, обеспечивающие максимум коэффициента энергоэффективности). Сочетания потерь хх и кз, обеспечивающие максимум коэффициента энергоэффективности составляют: при загрузке 20% Рхх = 100 Вт, Ркз = 2500 Вт; при загрузке 50% Рхх = 250 Вт, Ркз = 1000 Вт. Для сравнения: стандартные значение потерь хх и кз одного из российских заводов для трансформаторов ТМГ мощностью 100 кВА составляют 270 Вт и 1970 Вт. Требования отраслевого стандарта ПАО «Россети» для уровня энергетической эффективности Х1К1 (стандартный) требуют потери хх и кз 260 Вт и 1970 Вт.

Рис. 2. Зависимость коэффициента энергоэффективности трансформатора мощностью 100 кВА от загрузки

Автор настоящей статьи в работе [5] обобщил материал, изложенный в [1, 2, 3, 4] и на этой базе предложил методику расчёта потерь хх и кз энергоэффективного трансформатора на основе определения оптимальной загрузки по заданному коэффициенту энергоэффективности. Коэффициент энергоэффективности при этом рассчитывается на основе показателей потерь хх и кз, заданных для силовых трансформаторов в Постановлении Правительства РФ от 17.06.2015 N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности». Значения коэффициентов энергоэффективности силовых трансформаторов, полученные из указанного документы, приведены в Таблице 2. Графически эта зависимость представлена на рис. 3

Источник