Об уточнении нормативов и снижении потерь электроэнергии в силовых трансформаторах с учетом срока их службы
В последние годы появляется все больше публикаций и работ [1,2], подтверждающих, что с ростом срока службы силовых трансформаторов объективно увеличиваются потери холостого хода в результате старения магнитной системы, изменения структуры металла, ухудшения межлистовой изоляции, ослабления прессовки сердечника трансформатора и т.п. При вводе трансформаторов в эксплуатацию и после капитального ремонта этот показатель не должен отличаться от указанного в протоколе заводских испытаний (паспорте) более чем на 5%. Однако на практике потери холостого хода эксплуатируемых силовых трансформаторов значительно превышают паспортные. Это видно из табл. 1, где приведены данные по одному из предприятий электрических сетей Мосэнерго). Их отличие (иногда более чем на 50%) нужно было бы учитывать при расчете нормативного уровня потерь электроэнергии в сетях [2]. По существу, методы измерений потерь холостого хода должны соответствовать ГОСТ 3484.1 и применяться с использованием измерительных трансформаторов с классом точности не ниже 0,1, ваттметров и амперметров – с классом точности не ниже 0,2. По мнению заводов-изготовителей за срок 20-40 лет не могут увеличиться более чем на 5-10% от их паспортной величины. Результаты измерений потерь холостого хода в условиях эксплуатации типа приведенных в табл.1 могут оказаться существенно завышенными из-за низкой точности измерительных приборов, ошибок измерений, несовместимости исходных условий по определению паспортных данных и измеренных данных в эксплуатационных условиях. Поэтому для этого необходимо разработать, согласовать с заводами изготовителями и утвердить методики выполнения измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации, чтобы их с уверенностью можно было сравнивать с паспортными данными трансформаторов. Не менее важную проблему, которую активно пытаются решить в промышленно развитых странах, представляет замена старых силовых трансформаторов, еще не выработавших свой ресурс, на новые силовые трансформаторы с уменьшенными потерями холостого хода и короткого замыкания. Ниже приводится обзор, выполненный по энергокомпаниям ряда стран, по внедрению силовых трансформаторов с пониженным уровнем потерь холостого хода и нагрузочных потерь [3]. В США, где в настоящее время общие потери в силовых трансформаторах составляют около 2% производимой в стране электроэнергии (около 60 млрд. кВт.ч) проводится программа EnergyStarпо внедрению высокоэффективных трансформаторов с пониженным уровнем потерь холостого хода и нагрузочных потерь. Снижение потерь в трансформаторах на 10 % дает ежегодную экономию 300 — 500 млн дол. В Европе замена трансформаторов на современные, наиболее экономичные модели, может дать ежегодно экономию электроэнергии около 20 ТВт.ч, что составило бы около 2 млрд. евро. Действенным средством стимулирования экономии электроэнергии является премия за использование трансформаторов с малыми потерями [4]. Потери в сетях энергокомпании NationalGridна 20 % определяются потерями в трансформаторах. На нагрев сетевых и блочных трансформаторов уходит около 1,6 %производимой электроэнергии. Таблица 1
3. Виды основных потерь в трансформаторе и способы их уменьшения?
Потери в трансформаторах принято разделять на два вида: потери в меди (медные витки обмоток) и потери в стали (материал сердечника).
Потери в меди возникают из-за собственного сопротивления медного проводника. Ток, протекая по обмотке, обуславливает некоторое падение напряжения, которое и является потерей мощности. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую, которая разогревает обмотку.
Потери в стали в свою очередь состоят из потерь, вызванных вихревыми токами, и обусловленных циклическим перемагничиванием (гистерезис).
Потери, вызванные циклическим перемагничиванием, могут быть уменьшены, если использовать специальный структурированный особым образом магнитомягкий материал для изготовления сердечника (электротехническая сталь).
Для снижения потерь в меди применяется увеличение сечения проводников обоих обмоток, при этом электросопротивление их уменьшается. С другой стороны, это вызывает увеличение стоимости и веса трансформатора, поэтому достаточным считается такое сечение, при котором не возникает заметного нагрева обмоток.
Чтобы уменьшить вихревые токи, сердечник выполняется не в виде единого монолитного блока, а собирается из множества электроизолированных пластин. Толщина каждой из них может равняться всего нескольким десятым долям миллиметра. Также электрическую проводимость сильно снижает специально вводимый в сталь легирующий элемент — кремний.
4. Методика исполнения трех основных опытов приемо-сдаточных испытаний трансформатора. Основные результаты испытаний, вносимые в протокол и технический паспорт трансформатора?
Испытание потерь и тока холостого хода
Измерение гармонического состава тока холостого хода (ХХ) проверяется после подачи на обмотку НН напряжения 220 В. Опыт ХХ выполняется при напряжении номинальной величины синусоидальной формы.
Производится три последовательных опыта ХХ поочередным замыканием каждой из трех фаз и возбуждением двух других фаз. Линейный ток и его гармоники должны быть симметричными.
Измерение выполняется на всех ступенях и ответвлениях обмотки.
Проверка производится методом двух вольтметров замером напряжения одновременно между обмотками НН и ВН.
Важно. Для предотвращения ошибок контроль напряжения проводят одновременно на обоих приборах. Учитываются колебания сети напряжения 220 В. Значение Ктр одной фазы не должно отличаться более 2% от других фаз.
Измерение сопротивления току короткого замыкания
Для проверки используется специальный измерительный комплект. Проверка выполняется возбуждением обмотки с высокой стороны трехфазным напряжением 380 В. Измерение производится по приборной шкале с занесением в журнал проверок. Обязательно сравнение тока КЗ с заводскими показателями или паспортными данными. Это необходимо для проверки степени эксплуатационной стойкости изоляции обмотки короткому замыканию.
5. Основные параметры и характеристики трансформатора?
О характере нагрузки свидетельствует величина угла сдвига фаз между током через нагрузку и напряжением на нагрузке. В целом, можно ввести коэффициент нагрузки, который покажет то, во сколько раз ток нагрузки отличается от номинального для данного трансформатора:
Здесь введены величины реактивной и активной составляющей напряжения короткого замыкания. Данные составляющие напряжения (активная и реактивная) находятся через параметры схемы замещения, либо находятся экспериментальным путем в опыте короткого замыкания.
На рисунке приведены внешние характеристики, построенные в соответствии с приведенными выше формулами. Видим, что графики линейны, это потому, что вторичное напряжение не сильно зависит от коэффициента нагрузки в силу относительно малого сопротивления провода обмоток, а рабочий магнитный поток мало зависит от нагрузки.
11.2. Влияние потерь короткого замыкания,
Коэффициента заполнения kС и изоляционных расстояний на массу и стоимость активных материалов трансформатора
Расчет отдельного трансформатора обычно проводится на базе существующей серии трансформаторов с определенными конструкциями магнитных систем и обмоток, общей для всей серии конструкцией изоляции, установленными изоляционными расстояниями, известными марками активных и изоляционных материалов и общей технологией производства. В этом случае параметры короткого замыкания Р K и uK l , входящие в ряд параметров всей серии, коэффициент заполнения площади круга активным сечением стержня k C, определяемый выбранной маркой стали и принятой технологией изготовления магнитной системы, и изоляционные расстояния главной изоляции обмоток, зависящие от конструкции главной изоляции и применяемых изоляционных материалов, по существу являются заданными для расчетчика. При разработке новых серий обычно производится изменение, как конструкции, так и технологии производства трансформаторов, применяются новые, более эффективные или экономичные магнитные, проводниковые и изоляционные материалы, улучшаются параметры трансформаторов серии. При этом обычно стремятся уменьшить потери холостого хода Р X и короткого замыкания Р K, увеличить коэффициент заполнения k C и уменьшить не в ущерб электрической прочности трансформатора изоляционные расстояния главной изоляции обмоток. Для оценки эффективности подобных изменений необходимо исследовать, как эти изменения отражаются на параметрах трансформатора, массах и стоимости его активных материалов. Изменение потерь короткого замыкания трансформатора может быть произведено изменением плотности тока в обмотках и соответствующим изменением массы металла обмоток. Массу металла обмоток, как было показано ранее (см. § 11.1), можно определить по формуле 
Из величин, входящих в это выражение, от потерь короткого замыкания Р K зависит только ua = P K(10S). Косвенно от Р K> зависит параметр а, принимаемый постоянным для заданных потерь Р K> , но изменяющийся при изменении Р K> (см. § 3.5 и табл. 3.4). Таким образом, G0~C1~a 2 /PK(11.7) При относительно небольших изменениях Р K — в пределах ±20 % можно считать a = const и пользоваться упрощенной формулой G0~1/PK(11.8) Изменение плотности тока с изменением РК можно получить из (3.60) 
(11.9) или, если пренебречь изменением а, J~PК(11.10) Зависимости между G0, J и РК графически изображены на рис. 11.5 сплошными линиями для упрощенных формул (11.8) и (11.10) и штриховыми линиями для точных формул (11.7) и (11.9). При этом за 100% приняты значения G0, J и РК для любого исходного известного варианта. В связи с некоторым изменением сечения обмоток и необходимостью изменения площади окна магнитной системы при изменении РК несколько изменится масса стали GCT— 
Рис. 11.5. Зависимость между потерями короткого замыкания РК, массой металла обмоток G0и плотностью J1 и 2-по (П.8) и (11.10); 3 и 4- по style=’mso-bidi-font-size7.0pt’>(11.7) и (11.9)
Рис. 11.6. Изменение массы стали GCT, стоимости активной части Са,чи 
с изменением изоляционных расстояний а12,l0, а22 (Р K== const; uK= const; G0= const) увеличивается с уменьшением Р K и уменьшается с его увеличением. Графики на рис. 11.5 показывают, что при изменениях Р K в пределах ±20 % можно с успехом пользоваться упрощенными формулами. Из кривой 1 следует также, что уменьшение потерь короткого замыкания путем уменьшения плотности тока сопряжено с существенным увеличением массы металла обмоток. Коэффициент заполнения сталью k C, равный произведению двух коэффициентов kKP — коэффициента заполнения круга и k3 — коэффициента заполнения сечения стержня, входит в число исходных данных, выбираемых до начала расчета трансформатора. От значения коэффициента k C зависят коэффициенты А (3.30), А1 (3.35), В1 (3.43) и С1 (3.52), а именно A ~ 
; A1~ A 3 kC ~
~ 
B1 ~ A 3 kC ~
и С1 ~ 
~ 
~ 
Коэффициенты A2 и B2 от kС не зависят А 2 ~ A 2 kС~ 
~ 1; B2 ~ A 2 kС~ 1. Из приведенных зависимостей следует, что с ростом kС уменьшается масса стали GCT (А1 и B1) и масса металла обмоток (С1), а вместе с ними стоимость активных материалов, потери и ток холостого хода при сохранении неизменных значений РК и uK, положенных в основу рассматриваемых выражений. Коэффициент k3 зависит от толщины выбранной марки стали (0,35; 0,30 или 0,27 мм) и вида изоляции пластин. Современная холоднокатаная сталь с нагревостойким электроизоляционным покрытием ЭТ (ГОСТ 21427-83) имеет коэффициент заполнения для этих толщин соответственно k3=0,97-0,94 и без покрытия не более 0,97. Следовательно, коэффициент заполнения сечения стержня k3 не дает реальной возможности для увеличения k C. Коэффициент заполнения круга kKP зависит от числа и размеров.ступеней (пакетов) в сечении стержня. Увеличение числа ступеней с уменьшением толщины пакетов позволит увеличить kK P, однако усложнит технологию изготовления магнитной системы. Ограниченные возможности увеличения коэффициента kKP для диапазона диаметров стержня от 0,08 до 0,75 м рассмотрены в § 8.1. Основные изоляционные расстояния главной изоляции обмоток — ширина канала между обмотками ВН и НН а12, расстояние от обмотки ВН до ярма l0 и расстояние между обмотками ВН соседних фаз а22 — в явном виде входят в формулы (3.36) и (3.44), определяющие массу стали магнитной системы, а расстояние а12 в скрытом виде входит также в выражение (3.30), служащее основой системы обобщенного расчета магнитной системы и обмоток. Влияние размеров изоляционных расстояний на массу активной части сказывается в большей степени в трансформаторах с более высоким номинальным напряжением обмоток ВН, а в трансформаторах с одинаковыми номинальными напряжениями— при относительно меньших мощностях. При проектировании новых серий всегда стремятся уменьшить изоляционные расстояния применением новых материалов, обладающих повышенной электрической прочностью, и новых улучшенных изоляционных конструкций или снижением испытательных напряжений. Во всех этих случаях представляется интересным оценить, в какой степени является эффективным то или иное мероприятие по уменьшению изоляционных расстояний. Исследование этого вопроса проведено путем расчета по обобщенному методу нескольких вариантов трехфазного двухобмоточного трансформатора типа ТДН-25000/110 мощностью 25 000 кВ·А с напряжением обмотки ВН ПОкВ. Расчет производился по методике, описанной в § 3.5 и 3.6 для пяти вариантов изоляционных расстояний a12, l0 и а22, составляющих 70, 80, 90, 100 и 110 % соответствующих расстояний в серии трансформаторов с напряжением ВН 110 кВ. При расчете была принята сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм по ГОСТ 21427-83 при неизменных потерях короткого замыкания Р K и uK= 10,5 %. Изменение а12 отражается при расчете на коэффициентах А, А1, А2, В1, В2 и С1. Кроме того, коэффициенты А2 и В2 зависят также от l0 и от а12 и а22— Поэтому в результате расчетов были получены варианты трансформаторов с различными массами стали GCT и металла обмоток G0. При этом уменьшение изоляционных расстояний при сохранении одного значения 
при неизменных Р K и uK приводило к уменьшению диаметра d, снижению массы стали и некоторому увеличению массы металла обмоток. Масса металла обмоток при этом увеличивается потому, что уменьшение изоляционного расстояния а12 приводит к уменьшению приведенной ширины канала между обмотками ВН и НН аР, и для сохранения значения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания uP в (7,32) приходится уменьшать напряжение одного витка uB и увеличивать число витков обмоток. Поскольку увеличение массы металла обмоток является нежелательным, были подобраны такие значения
, при которых масса металла обмоток остается неизменной при всех вариантах изоляционных расстояний. Результаты расчетов представлены в виде кривых на рис. 11.6. Снижение изоляционных расстояний на 20—30 % по сравнению с расстояниями в реальном трансформаторе типа ТДН-25 000/110 может привести к снижению массы стали, а следовательно, и потерь холостого хода на 7—10 % и стоимости активной части на 3—4 %. С увеличением мощности трансформатора при сохранении напряжения обмотки ВН 110 кВ эффект от уменьшения изоляционных расстояний будет соответственно уменьшаться.
17.02.2016 142.21 Кб 52 Титульник.docx
17.02.2016 28.17 Кб 80 титульный лист (тетрадный) с линией отреза.docx
17.02.2016 26.11 Кб 322 Титульный лист на тетрадь.doc
17.02.2016 27.14 Кб 27 титульный лист.doc
17.02.2016 96.14 Кб 24 титульный.docx
17.02.2016 7.38 Mб 602 Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов.doc
05.11.2018 901.12 Кб 15 Тихонова.doc
20.04.2019 166.91 Кб 7 ТК практика по профилю ЖидковаИ.Ю..doc
17.02.2016 11.99 Mб 1442 ТКМ метод указан к лабор раб..doc
09.08.2019 40.97 Кб 7 толян 51-60.docx
17.02.2016 60.03 Кб 22 ТОТЭ-КР.docx
Ограничение
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Уменьшение потерь в трансформаторе
Уменьшение потерь холостого хода трансформатора можно достичь применением более современных сортов стали с улучшенными магнитными свойствами. Под улучшенными магнитными свойствами подразумевается сталь обладающая низкими удельными потерями и низкими затратами энергии на намагничивание. В основном к таким сортам стали относится холоднокатаная электротехническая сталь.
Однако холоднокатаная электротехническая сталь имеет некоторые недостатки, выражающиеся в ухудшении ее магнитных характеристик при механической обработке при продольной и поперечной резке, изгибам и сжатию при сборке магнитопровода, а также ударам при транспортировке.
Уменьшения потерь холостого хода добиваются также, применением более совершенных методов изготовления магнитопроводов трансформатора. При изготовлении магнитопроводов в его углах используют косые стыки пластин сопряженные друг с другом с большой точностью. Все чаще применяются стыковые магнитопроводы со стержнями изготовленными из плоских пластин и ярем навитых из лент электротехнической стали.
Рисунок 1. Пример пространственных магнитных систем
Вместо сквозных шпилек стягивающих магнитопровод используют бандажи.
Уменьшение потерь короткого замыкания
Для уменьшения потерь короткого замыкания в трансформаторе необходимо уменьшить плотность тока в обмотках. Как известно, плотность тока уменьшается с увеличением сечения проводника. Если для изготовления обмоток использовать медный провод увеличенного сечения, то последует значительное увеличение массы обмоток и их удорожание. Поэтому очень часто, для изготовления обмоток, используют алюминиевый провод. Кроме этого увеличение сечения провода увеличивает механическую прочность обмотки при возникновении токов короткого замыкания, что существенно при применении не металлических (не магнитных) конструктивных элементов трансформатора.
Уменьшение добавочных потерь
К добавочным потерям можно отнести потери от вихревых токов наводимых полями рассеяния.
Эффективными средствами борьбы с такими видами потерь являются: применение магнитных шунтов из электротехнической стали, которые позволяют локализовать поля рассеяния; применение конструктивных элементов трансформатора изготовленных не из магнитных материалов; рациональная укладка витков обмоток для уменьшения радиальной составляющей поля рассеяния.