Передача, распределение и накопление электроэнергии

Энергоэффективные трансформаторы. Особенности конструкции

8 августа 2019 г. в 14:43

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)

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 трансформаторы

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

Приведены следующие зависимости для расчета потерь хх:

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:

  • 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

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

Рис. 1
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
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
Рис. 3 Пространственный магнитопровод

На рисунке 4 приведена фотографии трансформатора с витым магнитопроводом.

Рис. 4
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
Рис. 5 Трансформатор на аморфной стали ООО «Трансформер»

Рис. 6
Рис. 6 Трансформатор на аморфной стали ХК «Электрозавод»
Рис. 7
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].

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 рис. 8

Рис. 8
Рис. 8 График зависимости массы обмоток G0 от индукции в стержне Bc (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)

Таблица 5

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 трансформаторе ТМГ11. 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.

Список литературы

  • Ивакин В. Н., Ковалев В. Д., Магницкий А. А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. — 2017. — № 5 (34). С. 20 — 31.
  • Савинцев Ю.М. Главная парадигма повышения трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России
  • Касаткин А. С. Электротехника: Учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М.В. Немцов. — 9-е изд., стер. — М.: Издательский цент «Академия», 2005. 544 стр.
  • Е.В. Калинин, А.И. Чивенков. Прогнозирование прироста потерь в стыках сердечников силовых трансформаторов // Интеллектуальная электроника. — 2018. — № 3 Стр. 95-99.
  • Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. — 5-е изд. перераб. и доп. / П.М. Тихомиров. — М.: Энергоатомиздат. — 1986 год. 528 стр.
  • Levin M.I., Пентегов И. В., Рымар С. В., Lavreniuk A.V. Анализ конструкций шихтованных магнитопроводов силовых трехфазных трансформаторов // Електротехнiка i Електромеханiка, 2014 год. № 1. Cтр. 40-43.

Источник: Независимый эксперт, кандидат технических наук Ю.М. Савинцев

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Трансформаторы серии ТМГС (столбового типа)

Трансформаторы серии ТМГС (столбового типа) мощностью 16-100 кВА класса напряжения 6-10/0,4 кВ предназначены для питания небольших удаленных объектов, таких как нефтяные вышки, АЗС, антенны сотовой связи, небольшие поселения и т. д. Уникальная конструкция бака и особая система крепления обеспечивают надежное и устойчивое размещение трансформатора на столбовой опоре. Тип трансформатора — ТМГС-16-У1(УХЛ1) — ТМГС-25-У1(УХЛ1) — ТМГС-40-У1(УХЛ1) — ТМГС-63-У1(УХЛ1) — ТМГС-100-У1(УХЛ1) Преимущества экономия на строительстве подстанции; снижение потерь электроэнергии за счет размещения рядом с потребителем; недосягаемость для посторонних лиц; простота монтажа; устойчивость к воздействию климатических факторов (пыль, дождь, влажность и др.) Конструктивные особенности Высота установки над уровнем моря не более 1000 м. Трансформаторы ТМГС герметичного исполнения, не имеют расширителей, гофрированные баки трансформаторов безопасны и имеют высокую надежность. Температурные изменения объема масла компенсируются изменением объема гофров бака за счет их упругой деформации. Трансформаторы комплектуются маслоуказателями поплавкового типа и предохранительными клапанами пружинного типа, настроенными на срабатывание при избыточном давлении 40 кПА. Условия эксплуатации Трансформаторы масляные герметичные столбового типа ТМГС могут работать при температуре окружающего воздуха от минус 45 °С до плюс 40 °С — для трансформаторов исполнения «У»; от минус 60 °С до плюс 40 °С — для трансформаторов исполнения «УХЛ».
Власов Руслан · ЭЛЕКТРОЩИТ · 24 марта · Россия · Московская обл
Трансформаторы серии ТМГС (столбового типа)

ПРОДАМ: Трансформаторы серии ТМГ силовые трехфазные, двухобмоточные, герметичные распределительные

Мощность от 16 до 2500 кВА, класс напряжения до 20 кВ общего назначения с естественным масляным охлаждением с переключением ответвлений без возбуждения (ПБВ), включаемые в сеть переменного тока частотой 50 Гц. Предназначены для преобразования переменного тока и служат для передачи и распределения электрической энергии в энергетических установках. Трансформаторы ТМГ предназначены для работы в следующих условиях: высота установки над уровнем моря не более 1000 м; температура окружающего воздуха от минус 45 °С до плюс 40 °С — для трансформаторов исполнения «У»; от минус 60 °С до плюс 40 °С — для трансформаторов исполнения «УХЛ». Категория размещения трансформаторов — 1. Трансформаторы масляные герметичные ТМГ допускают эксплуатацию в условиях категорий размещения 2, 3, 4. Трансформаторы серии ТМГ не предназначены для работы в условиях тряски, вибрации, ударов, во взрывоопасной и химически активной среде. Регулирование напряжения осуществляется на полностью отключенном трансформаторе переключателем без возбуждения (ПБВ), позволяющим регулировать напряжение ступенями по 2,5% в диапазоне до ±5%. Трансформаторы ТМГ герметичного исполнения, не имеют расширителей. Гофрированные баки трансформаторов безопасны и имеют высокую надежность. Температурные изменения объема масла компенсируются изменением объема гофров бака за счет их упругой деформации. Трансформаторы ТМГ комплектуются маслоуказателями поплавкового типа и предохранительными клапанами пружинного типа, настроенными на срабатывание при избыточном давлении 40 кПА. По заказу потребителя в трансформаторах мощностью 100 кВА и выше, размещаемых в помещении, возможна установка электроконтактного мановакуумметра. Для измерения температуры верхних слоев масла трансформаторы ТМГ комплектуются жидкостными термометрами типа ТТЖ-М 240/66 150С ТУ25-2022.0006.90. Трансформаторы мощностью от 1000 до 2500 кВА, предназначенные для эксплуатации в помещении или под навесом, по заказу потребителя комплектуются...
Власов Руслан · ЭЛЕКТРОЩИТ · 22 марта · Россия · Московская обл
Трансформаторы серии ТМГ силовые трехфазные, двухобмоточные, герметичные распределительные

ПРОДАМ: Cиловые трансформаторы Минского электротехнического завода им. В.И.Козлова

Производим и продаем силовые трансформаторы (до 2500 кВА): * трехфазные масляные ТМГ всех модификаций; * трехфазные масляные трансформаторы серии ТМПН(Г) (для нефтегазового комплекса); * трансформаторы сухие серии ТС(З) класса напряжения 0, 66кВ; * трансформаторы силовые сухие трехфазные с изоляцией "Номекс" серии ТС(З) напряжением до 10кВ; * трансформаторы однофазные типов ОМ, ОМП, ОМГ.
Отдел маркетинга и торговли · МЭТЗ имени В. И. Козлова · Сегодня · Беларусь · г Минск

ПРОДАМ: Cиловые трансформаторы Минского электротехнического завода им. В.И.Козлова

Производим и продаем силовые трансформаторы (до 2500 кВА): * трехфазные масляные ТМГ всех модификаций; * трехфазные масляные трансформаторы серии ТМПН(Г) (для нефтегазового комплекса); * трансформаторы сухие серии ТС(З) класса напряжения 0, 66кВ; * трансформаторы силовые сухие трехфазные с изоляцией "Номекс" серии ТС(З) напряжением до 10кВ; * трансформаторы однофазные типов ОМ, ОМП, ОМГ.
Отдел маркетинга и торговли · МЭТЗ имени В. И. Козлова · Сегодня · Беларусь · г Минск
Cиловые трансформаторы Минского электротехнического завода им. В.И.Козлова

ПРОДАМ: Cиловые трансформаторы Минского электротехнического завода им. В.И.Козлова

Производим и продаем силовые трансформаторы (до 2500 кВА): * трехфазные масляные ТМГ всех модификаций; * трехфазные масляные трансформаторы серии ТМПН(Г) (для нефтегазового комплекса); * трансформаторы сухие серии ТС(З) класса напряжения 0, 66кВ; * трансформаторы силовые сухие трехфазные с изоляцией "Номекс" серии ТС(З) напряжением до 10кВ; * трансформаторы однофазные типов ОМ, ОМП, ОМГ.
Отдел маркетинга и торговли · МЭТЗ имени В. И. Козлова · Сегодня · Беларусь · г Минск
Cиловые трансформаторы Минского электротехнического завода им. В.И.Козлова
Российский производитель и бренд низковольтной аппаратуры: электрооборудования для ввода, распределения и учета электричества, локальной автоматизации технологических процессов, а также комплексных энергоэффективных решений для любой отрасли индустрии.