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 |
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.
Возможна конструкция магнитопровода, в которой стыки вообще отсутствуют. Это так называемый витой магнитопровод (или пространственный). Фотография такого магнитопровода приведена на рисунке 3.
На рисунке 4 приведена фотографии трансформатора 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.
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
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 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.
