Главная >  Инвестиции 

 

Питання енергозбереження в трансформаторах. ККД і втрати в трансформаторі

 

Основними характеристиками, що визначають технічний рівень силових трансформаторів, є втрати електроенергії (холостого ходу та короткого замикання), матеріалоємність (витрата електротехнічної та конструкційної сталі, обмотувального проводу, електроізоляційних матеріалів, трансформаторного масла та ін.), якість виготовлення, надійність та зручність обслуговування в експлуатації.

 

Коефіцієнт корисної дії, виражено через втрати і активну потужність кожної із сторін трансформатора,

 

Потужність, що отримується навантаженням трансформатора менше ніж потужність, що споживається на вході первинної обмотки внаслідок наявності втрат. Втрати в трансформаторі в процесі перетворення енергії поділяються на втрати в обмотках та втрати в сталі .

 

Втрати в сталі пропорційні квадрату наведеної ЕРС (втрати холостого ходу, що виникають внаслідок перемагнічування активної сталі сердечника і навантажувальних втрат). При навантаженнях не вище номінального наведена ЕРС майже рівна напрузі на виводах первинної обмотки (за виключенням падіння напруги на декілька відсотків в первинному колі трансформатора). З чого слідує, що у випадку незмінної первинної напруги втрати в сталі трансформатора можна прийняти незалежними від навантаження.

 

Втрати в обмотках трансформатора пропорційні квадрату струму (навантаженню) (або втрат короткого замикання, що представляють собою втрати в міді обмоток, а також додаткових втрат в стінках бака та інших металічних частинах, викликаних потоком розсіювання).

 

Тоді ККД, при постійному коефіцієнті потужності, залежить від повної потужності і має екстремальне значення. У випадку заданого коефіцієнта потужності найбільший ККД буде отриманий при такій повній потужності, при якій

 

Визначення ККД через повну потужність на вторинній стороні і коефіцієнт потужності:

 

Середній ККД стандартного трансформатора складають 98%, таким чином трансформатори за своїм ККД переважають решту виробничого обладнання.

 

Трансформатори виготовляються з різними відношеннями втрат для того, щоб можна було вибрати найбільш економічний трансформатор для даного режиму навантаження. Відношення втрат практично може бути рівним 3,6-6, Менше значення відноситься до трансформаторів великої потужності з кращим використанням за навантаженням; більші значення відносяться до трансформаторів меншої потужності і з більш поганим використанням за навантаженням.

 

Підвищення вартості електроенергії стимулює зниження як втрат холостого ходу, так и навантажувальних (особливо в генераторних та інших трансформаторах, що мають високий коефіцієнт завантаження). За останні 30 років втрати в трансформаторах знижені в середньому на 50 %. Зниження втрат холостого ходу відбувалось завдяки:

 

Загалом трансформатори експлуатуються із змінним навантаженням, і відповідно, із змінним ККД. Про економічність експлуатації із змінним навантаженням в таких випадках не можна судити з ККД, який визначено з потужностей. Для оцінки ефективності перетворення енергії в трансформаторах із змінним навантаженням доцільно використовувати визначення втрат енергії за визначений період часу. Якщо через позначити електроенергії, що віддається за рік, то ККД трансформатора за рік: , де - час експлуатації в даному режимі, годин; а – коефіцієнт використання втрат, який залежить від максимального навантаження : . Для цілей практичного використання залежність між і дає крива, приведена на рисунку.

 

- вдосконалення технології виготовлення магнітної системи і особливо технології різання сталі;

 

- використання вдосконалених марок сталі;

 

Загалом, біля 50 % втрат в сталі складають втрати на вихорові струми і 50 % - на гістерезис, тому виробники намагаються зменшити товщину листів. Можливо покращити це значення завдяки використанню новітніх технологій виготовлення трансформаторів. Останні розробки з аморфною сталлю дозволяє скоротити втрати трансформатори до 60%. Трансформатори, виготовлені з аморфної сталі, за своєю конструкцією мають набагато важчі сердечники, і тому більші за розміром, ніж традиційні трансформатори. Економія досягається за рахунок зменшення втрат, що виникають при намагнічуванні залізного сердечника трансформатора.

 

- вдосконалення конструкції сердечника і, перш за все, стиків листів сталі.

 

Використання аморфного металу для сердечника трансформатора дозволяє знизити втрати на третину (Таблиця :

 

Наприклад, для традиційного трансформатора в 250 кВА втрати через залізо складають приблизно 0,65 кВт, коли для трансформатора з аморфним сердечником вони складають тільки 0,215 кВт.

 

Трансформатор (кВА) 3 фазний

 

Таблиця 1

 

Втрати в обмотці (Вт)

 

Втрати в сердечнику (Вт)

 

Аморфний

 

Кремнієво-маталічний

 

Аморфний

 

Кремнієво-маталічний

 

516

 

300

 

1854

 

167

 

750

 

1538

 

269

 

864

 

5388

 

4886

 

1129

 

1000

 

5983

 

374

 

Істотним резервом зниження втрат холостого хода є вдосконалення різання сталі та збірки магнітної системи.

 

5626

 

Додаткові втрати, у зовнішніх по відношенню до обмоток металічним частинам, викликані потоком розсіювання, створеного обмотками, що залежить від конфігурації обмоток і не залежним від густини струму. По мері зниження втрат в проводі у навантажувальних втратах зростає доля додаткових втрат поза обмотками, особливо в трансформаторах с великим значенням опору КЗ.

 

На відміну від втрат холостого ходу зниження навантажувальних втрат не супроводжувалось істотним покращенням матеріалу. Головним способом зниження навантажувальних втрат було зменшення густини струму в проводі через збільшення площі його поперечного розрізу. Проте, це мало два негативних наслідки: по перше – збільшення розмірів сердечника, по друге – збільшення втрат від вихрових струмів.

 

В Україні, на сьогодні , знаходиться в експлуатації 197 360 трансформаторів. Проведеним аналізом технічного стану і характеристик трансформаторів потужністю 25-2500 кВА напругою до 35 кВ встановлено, що 75% із них було виготовлено в 1970-1980 роках. Дані надані ВАТ “Укрелектроапарат” м Хмельницький.

 

Екранування дозволяє знизити додаткові втрати в захищених деталях більш ніж на 50 %. В сучасних трансформаторах додаткові втрати можуть складати від 10 до 50 % навантажувальних.

 

Заміна застарілих трансформаторів на сучасні дозволяють значно скоротити втрати електроенергії в електромережах України.

 

На сьогодні, термін експлуатації яких 20 і більше років морально застарілі і мають завищенні втрати холостого ходу і короткого замикання. ВАТ “Укрелектроапарат” проводячи модернізацію розподільчих трансформаторів із застосуванням високоякісних матеріалів дозволяє знизити втрати холостого ходу та короткого замикання в порівнянні з трансформаторами виготовленими в 1970-х роках (Таблиця :

 

- застосування для магнітних систем високоякісних марок електротехнічних сталей з питомими втратами на рівні 1 Вт/кг і нижче.

 

Підвищення технічного рівня трансформаторів, пов’язане з розв’язанням таких проблем:

 

- впровадження для трансформаторів 110 кВ здійснюваного в спеціальних камерах вакуумного заливання активних частин трансформаторним маслом у власних баках.

 

- впровадження в конструкцію магнітних систем сучасних схем шихтовки, включаючи повну схему “степ-леп”.

 

- впровадження технології, що забезпечує стабілізацію висоти обмоток.

 

- використання в багатопаралельних обмотках емальпроводів прямокутного перерізу.

 

- застосування пресувальних кілець із склопластику або твердого електрокартону.

 

- застосування для обмоток, які стискуються у випадку КЗ, циліндрів із склопластику.

 

- зниження додаткових втрат в елементах конструкцій трансформаторів.

 

- впровадження сучасних конструкцій пристроїв РПН (РПН - перемикальний пристрій регулювання напруги під навантаженням).

 

- більш широке використання трьохобмоткових трансформаторів із зниженими потужностями обмоток СН та НН.

 

- підвищення ефективності систем охолодження.

 

Охолодження обмоток масляних силових трансформаторів.

 

Актуальність вирішення проблеми зниження витрат під час експлуатації силових трансформаторів зумовлена тим, що створення досконалих конструкцій трансформаторів, які не вимагають капітального ремонту (огляду активної частини, підпресування обмоток тощо) протягом всього терміну експлуатації, дозволить суттєво знизити витрати під час їх експлуатації, адже вартість капітального ремонту трансформатора становить більше 50% його ціни.

 

В Україні протягом останніх років розроблено та виготовлено установки з утилізації втрат силових трансформаторів тепловими насосами потужністю 20, 40 і 60 кВт. Розроблені установки на 1 кВт електроенергії, що витрачається дозволяють отримати 4 кВт тепла. Такі установки виконують подвійну функцію, як охолодження трансформаторів, так і з перетворення тепла до температури нагрітої води 50-65 С, за якої це тепло може бути використане для опалення.

 

Охолодження потужних силових трансформаторів є актуальною проблемою щодо утилізації втрат в трансформаторах. В ряді країн широкого поширення набули роботи зі створення установок для вторинного використання тепла, які дають істотну економію енергетичних ресурсів. Наприклад, у США понад 60 фірм займається виробництвом таких установок з використанням теплових насосів, одинична потужність яких становить від 1-2 кВт до 500 кВт. За самими приблизними оцінками втрати тепла в трансформаторах протягом року досягають сотень мільйонів кіловат-годин, і це тепло витрачається на нагрівання довкілля. В той же самий час опалення пристанційних будинків електричних станцій та підстанцій здійснюється за рахунок використання електроенергії.

 

Втрати потужності

 

Значний інтерес представляє створення установок більшої потужності, наприклад, 100-110 кВт. За зазначеної потужності функції установок з охолодження та утилізації практично зрівнюються. Роботи по створенню потужних (понад 110 кВт) установок з утилізації втрат силових трансформаторів слід було б продовжити, зважаючи на існуючі в Україні енергетичні проблеми.

 

Втрати потужності в паралельно працюючих двохобмоточних трансформаторах можна записати у вигляді:

 

Приведені втрати потужності в трансформаторах (з врахуванням втрат в системі електропостачання): , де - приведені втрати потужності при холостому ході трансформатора; - коефіцієнт навантаження трансформатора; - приведені втрати потужності при короткому замиканні; - коефіцієнт зміни втрат (залежить від передачі реактивної потужності (для промислових підприємств, коли коефіцієнт не заданий енергосистемою, слід приймати 0,0 , - втрати потужності холостого ходу (приймаються рівними приблизно втратам в сталі); - втрати потужності короткого замикання (приблизно втрати в міді обмоток трансформатора); - коефіцієнт завантаження ( , де - фактичне або розрахункове навантаження трансформатора; - номінальна потужність трансформатора); - реактивна потужність холостого ходу трансформатора; - реактивна потужність, що споживається трансформатором при номінальному паспортному навантаженні; , - струм холостого ходу та напруга к.з. трансформатора, %.

 

Економічний режим роботи силових трансформаторів.

 

Втрати енергії у всіх елементах електричної мережі при відомому графіку навантаження розраховується як . Для випадку трансформатора, втрати активної електричної енергії в трансформаторі, кВт.г, , де - повне число під єднання трансформатора до електромережі; - число годин роботи трансформатора під навантаженням. Втрати реактивної електричної енергії в трансформаторі, кВАр.г, .

 

При установці n трансформаторів на підстанції економічний режим роботи визначається числом одночасно включених трансформаторів, які забезпечують мінімум втрат електроенергії. При цьому необхідно враховувати і втрати активної потужності, що виникають в системі електропостачання від генераторів електростанцій до трансформаторів із-за реактивної потужності, що споживається.

 

На промисловому підприємстві силові трансформатори встановлюють на головних знижувальних, на цехових і спеціальних підстанціях (перетворювальних, електропічних, зварювальних і ін. Втрати електроенергії в трансформаторах є неминучими, однак розмір їхній повинний бути доведений до можливого мінімуму шляхом правильного вибору потужності і числа силових трансформаторів, а також раціонального режиму їхньої роботи. Крім того, варто прагнути до зменшення втрат електроенергії шляхом виключення неодруженого ходу трансформаторів при малих завантаженнях. Цей захід має особливе значення при експлуатації цехових трансформаторів підприємств, що працюють в одну чи двох змін, а також у вихідні дні.

 

Рис.1 Вираз приведених втрат можна переписати наступним чином: , де - номінальна потужність трансформатора. Або зробивши заміну:

 

Криві приведених втрат потужності в трансформаторах в залежності від потужності навантаження показані на рис. Крива 1 – залежність при роботі одного трансформатора, крива 2 – при роботі другого трансформатора. При одночасній роботі двох трансформаторів приведенні втрати потужності в залежності від навантаження визначається кривою 3.

 

 

Отримане рівняння параболи дозволяє визначити точки перетину I, II, III (рис. 1.), що відповідає навантаженням S1, S2, S Координати, що відповідають спільному рішенню рівнянь, що відображають втрати потужності в трансформаторах при почерговій і одночасній роботі, дадуть значення навантаження при якій слід переходити від роботи з першим до роботи з другим чи двома трансформаторами одночасно. В рівняннях індекси відповідають позначенням кривих на рис. 1.

 



 

ГУП. Проект Постанови Кабінету міністрів України. Хороший водопровод построит экономия. Тепловые насосы в жилых помещениях. Использование преобразователей частоты в жилищно.

 

Главная >  Инвестиции 

0.0375