Электротехнический-портал.рф

...для студентов ВУЗов электротехнических специальностей и инженеров

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Статьи, обзоры Особенности конструкции масляных энергоэффективных трансформаторов
Среда, 07 Августа 2019 11:36

Особенности конструкции масляных энергоэффективных трансформаторов

Оцените материал
(1 Голосовать)

Статья посвящена конструктивным и эксплуатационным 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: 1) загрузкой трансформатора; 2) мощностью его потерь  холостого хода (далее – потери хх); 3) 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)

Стандартные трансформаторы

Энергоэффективные трансформаторы

Потери

холостого хода

(Вт)

Потери короткого

замыкания

(Вт)

Потери холостого

хода (Вт)

Потери короткого

замыкания

(Вт)

63

160—175

1270—1280

160

1270

100

217—260

1591—1970

217

1591

160

300—375

2350—2900

300

2136

250

425—520

3250—3700

425

2955

400

565—750

4600—5400

565

4182

630

696—1000

6136—7600

696

6136

1000

957—1400

9545—10600

957

9545

1250

1350—1500

13250—13500

1350

13250

1600

1478—1980

15455—16500

1478

15455

2500

2130—2600

23182—26500

2130

23182

 

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

Номинальная мощность

(кВА)

Энергоэффективные трансформаторы

Высокоэнергоэффективные траансформаторы

Потери холостого хода

(Вт)

Потери короткого замыкания

(Вт)

Потери холостого хода (Вт)

Потери короткого замыкания

(Вт)

63

160

1270

128

1031

100

217

1591

180

1475

160

зоо

2136

260

2000

250

425

2955

360

2750

400

565

4182

520

3850

630

696

6136

730

5600

 

957

9545

940

9000

1250

1350

13250

1150

11000

1600

1478

15455

1450

14000

2500

2130

23182

2100

22000

 

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

 

В монографиях [3, 4] приведены следующие зависимости для расчета потерь хх

(1)

 


(2) (3)

 

(4)

 

где

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:

1)     улучшение характеристик потерь материала магнитопровода;

2)     снижение индукции в стержне (увеличение числа витков обмотки и/или увеличение площади поперечного сечения стержня);

3)     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

Наименование характеристики

2018-2019 годы

2020-2022 годы

2023-2025 годы

Номинальная толщина

0,30 мм

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

Р 1,7/50 < 1.00   Вт/кг

Магнитная индукция

 

В 800 = 1,88 – 1,91 Тл

В 800 >1,91 Тл Тл

В 800 > 1,91 Тл

 

 

 

Рисунок 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.

 

 

 

Рисунок 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.

 

 

Рисунок 3. Пространственный магнитопровод.

На рисунке 4 приведена фотографии трансформатора с витым магнитопроводом.

Рисунок 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.

Рисунок 5. Трансформатор на аморфной стали ООО «Трансформер».

 

 

Рисунок 6. Трансформатор на аморфной стали ХК «Электрозавод».

 

Рисунок 7. Трансформатор на аморфной стали ООО «Золотой Треугольник».

 

Практически все электромагнитные, механические и потребительские свойства аморфной стали превосходят аналогичные для традиционной анизотропной электротехнической стали, 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.

Ниже перечислены лишь 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 его 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].

Материал магнитопровода

Анизотропная сталь

Аморфная сталь

Потери х.х., Вт

1212

315

Потери к.з., Вт

8326

10600

Суммарные потери при 50% загрузке, Вт

3294

2965

Суммарные потери при 100% загрузке, Вт

9538

10945

 

 

КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОТЕРЬ КЗ

 

Способы уменьшения потерь кз также могут быть намечены теоретически. В соответствии с формулой (5) , приведенной в  [4]

 

Pкз = KJ2Gобм , (5)

Потери кз определяются (при постоянстве плотности тока J массой обмоток (коэффициент K зависит от материала обмоток – алюминий, медь).

Масса обмоток, как показано в [4] уменьшается с увеличением индукции Bc в стержне. График этой зависимости приведен на рисунке 8

Рисунок 8. График зависимости массы обмоток G 0 от индукции в стержне B c (кривая 1 – при постоянстве напряжения кз и числа витков обмоток; кривая 2 – при постоянстве плотности тока).

Хотя кривая 1 показывает изменение массы обмоток, но уменьшения потерь кз при этом не происходит, т.к. кривая построена при условии сохранения напряжения кз (происходит уменьшение диаметра обмотки при увеличении плотности тока). А вот кривая 2 говорит о том, что увеличение индукции на 10% может привести примерно к такому снижению же потерь кз за счет уменьшения массы обмоток при постоянной плотности тока.

Примеры реальных конструкций современных энергоэффективных трансформаторов

 

Указанные выше конструктивные способы уменьшения потерь хх и кз в наиболее полной мере реализованы в нескольких линейках энергосберегающих масляных силовых трансформаторов серий ТМГ12, ТМГ15, ТМГ32, ТМГ33, ТМГ35. Динамика  изменений электротехнических и массогабаритных характеристик на примере трансформатора мощностью 1000 кВА представлена в таблице 5.

 

Таблица 5. Характеристики энергоэффективных трансформаторов МЭТЗ им. В.И. Козлова (г. Минск, РБ)

 

Потери хх в трансформаторе ТМГ35 снижены на 52% по сравнению со стандартным трансформатором ТМГ11. Потери кз уменьшены на 11,5%. Масса трансформатора ТМГ35 по сравнению с массой стандартного трансформатора ТМГ11 увеличилась почти на 35%. Стоимость трансформатора увеличилась (по данным завода-изготовителя) практически на 50%. Однако принципиально важным является факт, что стоимость потерь энергоэффективного трансформатора ТМГ35 за 30 лет нормативного срока службы в 11 раз меньше стоимости потерь в обычном трансформатореТМГ11. Т.е. разность в стоимости энергоэффективного и обычного трансформаторов окупается примерно за 4 года.

 

Выводы

Существующие конструктивные способы уменьшения суммарных потерь в трансформаторах позволяют существенно повысить энергоэффективность трансформации электроэнергии. Применение же новых инновационных материалов, в частности в магнитопроводах силовых трансформаторов, обеспечит качественный скачок в снижении затрат на функционирование всей сети электроснабжения. Однако высокая стоимость трансформаторов с магнитопроводом из аморфной стали на сегодняшний день не позволяет обеспечить массовый выпуск и поставки наиболее энергоэффективного трансформаторного оборудования.

Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам ООО «Трансформер» к.т.н. Печенкину В.И.  и к.т.н. Стулову А.В. (г. Подольск), а также главному конструктору ОАО «Электрощит» (г. Чехов) Колычеву В.А. за конструктивное обсуждение материалов данной статьи.

 

Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., Независимый эксперт

по любым вопросам можно связатся с автором по адресу:  Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

 

Список литературы

  1. Ивакин В. Н., Ковалев В. Д., Магницкий А. А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. - № 5 (34). – С. 20 – 31.
  2. Савинцев Ю.М.  Главная парадигма повышения трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России. [Электронный ресурс]. URL http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/659-главная-парадигма-повышения-энергоэффективности-трансформаторных-подстанций-в-сетях-электроснабжения-россии.html (Дата обращения 28.07.2019).
  3. Касаткин А. С. Электротехника: Учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М.В. Немцов. – 9-е изд., стер. – М.: Издательский цент «Академия», 2005. – 544 с.
  4. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. – 5-е изд. перераб. и доп. / П.М. Тихомиров. – М.: Энергоатомиздат. – 1986. - 528с.
  5. Levin M.I., Пентегов И. В., Рымар С. В., Lavreniuk A.V. Анализ конструкций шихтованных магнитопроводов силовых трехфазных трансформаторов // Електротехнiка i Електромеханiка, -2014. - № 1. - C. 40-43.
  6. Е.В. Калинин, А.И. Чивенков. Прогнозирование прироста потерь в стыках сердечников силовых трансформаторов // Интеллектуальная электроника. - 2018. - №3 – С. 95-99.
Прочитано 914 раз Последнее изменение Среда, 07 Августа 2019 13:46

Основное меню

Авторизация


© 2021 Электротехнический портал. Все права защищены.

Яндекс.Метрика