Статья посвящена дальнейшему развитию теоретических аспектов обеспечения функционирования электроэнергетического комплекса, а именно: разработке методологических основ важнейшей процедуры – оптимизации продуктов трансформаторного производства – силовых/ распределительных трансформаторов. Анализируются возможности и направления снижения материалоемкости силового/распределительного трансформатора. Сделана попытка создания упрощенной математической модели для определения предела оптимизации силового трансформатора.
Введение
Причиной актуальности темы сокращения материалоемкости силового/распределительного трансформатора является текущая ситуация на рынке: пандемия «встряхнула» экономики всех стран. Откликом этой встряски стали и структурные изменения в промышленности, и сокращение темпов роста производства, и ужесточение конкуренции во всех отраслях. Не обошли изменения и трансформаторную отрасль.
Как сообщало в начале 2021 года Минэнерго, в нашей стране электропотребление по итогам 2020 года снизилось на 2,3 % по сравнению с 2019 годом [1]. Наряду с другими факторами это привело снижению потребности в силовых трансформаторах. Таким образом ужесточилась и без того сильная конкуренция среди производителей силовых распределительных трансформаторов.
В условиях конкурентной борьбы все производители трансформаторов стали искать пути снижения затрат на свою продукцию ради одной цели – снижения цен на трансформаторы.
Анализ направлений и возможностей сокращения материалоемкости силовых/распределительных трансформаторов
Самой существенной статьей затрат в производстве трансформаторов являются расходы на активные материалы. При этом, как указывал автор в одной из статей [2], за последние 5 лет из-за роста цен на активные материалы цены на трансформаторы в среднем должны были увеличиться в среднем более чем на 50%.
Поэтому в конструкторских подразделениях трансформаторных заводов активизировалась работа по минимизации массы трансформаторов за счет сокращения массы магнитопроводов и обмоток. В настольной книге П.М. Тихомирова [3] всех конструкторов силовых распределительных трансформаторов анализируется взаимосвязь и взаимовлияние различных параметров трансформаторов между собой. Там же определены рабочие диапазоны изменения электрических и относительных габаритных характеристик, в пределах которых они могут изменяться у реальных конструкций.
Автор уже касался тем взаимосвязи изменения электрических характеристик трансформатора (потерь хх и кз) с массовыми характеристиками и ценой трансформатора [4]. В этой работе представлена методика, с помощью которой можно оценить адекватность изменения цены на трансформатор при изменении его потерь холостого хода и короткого замыкания. В статьях [2, 5] автор изложил разработанные им упрощенные методик оценки приемлемости декларированных параметров мощности масляных и сухих силовых распределительных трансформаторов.
Однако ужесточившаяся конкурентная борьба и инициированная ей оптимизация и минимизация массовых и габаритных характеристик требует разработки новых методик оценки качества усовершенствованных конструкций в аспекте не только оценки адекватности декларированных номинальных характеристик мощности трансформатора, но и диапазона изменений массовых характеристик, в пределах которых сохраняется работоспособность трансформатора.
Как показано в [3] изменение массы активных материалов для заданной номинальной мощности трансформатора может быть достигнуто двумя способами: изменением индукции и изменением основного габаритного параметра трансформатора – отношения средней длины окружности канала между обмотками ВН и НН к высоте обмотки (устоявшееся обозначение этого параметра – β).
На рис.1 приведен график из монографии П.М. Тихомирова([3] стр. 147) зависимости массы активных материалов при изменении параметра β.
Рис. 1. Изменение массовых параметров при изменении параметра β
На рис. 2 показан график из упомянутой монографии ([3, стр. 489], который отражает зависимость массы магнитопровода от изменения индукции в стержне.
Как видно из зависимостей на рис. 1 2, уменьшение массы активных материалов обеспечивается: 1) уменьшением параметра β, - трансформатор становится более «худым» и коротким, но более высоким); 2) увеличением индукции, - трансформатор сокращается в размерах при сохранении постоянства параметра β для сохранения постоянным напряжения короткого замыкания.
Рис. 2. Зависимость массы магнитопровода от индукции
Математическая модель расчета изменения массовых параметров
Силовых/распределительных масляных трансформаторов
Ниже дана формула из работы П.М. Тихомирова [3, стр.489] приведена формула, описывающая зависимость изменения относительной массы стали магнитопровода от изменения индукции, график которой изображен на рис. 2 (в формуле сохранены обозначения П.М. Тихомирова):
На основании этой формулы автором получена зависимость для относительного изменения массы активных материалов. Для этого необходимо в приведенную формулу добавить изменение массы обмоток, которое вызвано изменением размера магнитопровода при изменении индукции. Относительное изменение массы обмоток, как это следует из формулы Г.Н. Петрова ([3, стр. 106], приведенной ниже, пропорционально относительному изменению диаметра стержня магнитопровода в степени 1,5 (в формуле сохранены обозначения П.М. Тихомирова):
Таким образом, изменение массы активных материалов для сухих трансформаторов равно
Коэффициенты 0,76 и 0,24 – статистические весовые коэффициенты доли массы магнитопровода и массы обмоток в общей массе активных материалов.
Графическое представление последней зависимости приведено на графике.
Рис. 3. Относительное изменение массы активных материалов от индукции
Как и в монографии П.М. Тихомирова относительное изменение индукции принято от индукции 1,45 Тл.
На нижеследующем графике приведено относительное изменение массы активных материалов при изменении β, полученное автором.для трансформатора ТМ-1600/35
Рис. 4. Изменение массы активных материалов от параметра β
Выводы
На основе изложенных выше зависимости можно сделать два фундаментальных вывода:
- Изменение индукции при заданной номинальной мощности трансформатора позволит сократить массу активных материалов до 30%.
- Изменение параметра β для тех же условий позволит сократить массу активных материалов ориентировочно на 10%.
Дальнейшая «экономия» активных материалов приведет к фактическому обману покупателя: масса активных материалов не позволит обеспечить соблюдение требований стандартов по перегрузочной способности трансформатора.
Выражаю искреннюю благодарность ООО «Трансформер» за помощь в подборе материалов для данной статьи.
Список литературы
- РИА Новости/Прайм. Финансовые новости. [Электронный ресурс]. URL: https://mfd.ru/news/view/?id=2403990 (Дата обращения 26.07.2021).
- Савинцев Ю.М. «Кот в мешке»: как проверить реальную мощность трансформатора? [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/kot-v-meshke-kak-proverit-realnuyu-moshnost-transf/http://gnatukvi.ru/ind.html (Дата обращения 26.07.2021).
- Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. – 5-е изд. перераб. и доп.// Энергоатомиздат. – 1986. - 528с.
- Савинцев Ю.М. Энергоэффективность в трансформаторостроении — время пришло [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/publications/analitika-rynka/5172/ http://gnatukvi.ru/ind.html (Дата обращения 26.07.2021).
- Савинцев Ю.М. Сухие силовые распределительные трансформаторы: на рынок пришли изменения [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/publications/analitika-rynka/5172/ http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/734-сухие-силовые-распределительные-трансформаторы-на-рынок-пришли-изменения.html http://gnatukvi.ru/ind.html (Дата обращения 26.07.2021).
Автор статьи: Ю.М. Соколов-Савинцев, к.т.н., независимый эксперт
По любым вопросам можно связаться с автором по адресу:
sokolov-savintsev@yandex.ru