Д. т. н. Пуйло Г. В., к. т. н. Чайковский В. П., Матухно В. А.

Одесский национальный политехнический университет, Украина

СЕРИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ГРАФИКАМИ НАГРУЗКИ

Эффективность использования трансформаторов зависит от степени их загрузки. Одним из основных факторов для определения оптимальной, с точки зрения экономичности, загрузки трансформаторов являются графики нагрузки электропотребителей.

Основными характеристиками, определяющими технический уровень силовых трансформаторов, являются потери электроэнергии (холостого хода и короткого замыкания). Уровни указанных потерь и их соотношение характеризуют определенный режим работы электропотребителей. В паспортных и каталожных данных трансформатора, а также в нормативных документах [1; 2], указывается величина уровней потерь короткого замыкания и холостого хода для номинального режима.

В период эксплуатации силовые трансформаторы подвержены различным по величине нагрузкам. При этом потери в трансформаторе при нагрузке отличаются от потерь короткого замыкания, приведенных в паспортных и каталожных данных трансформатора. В связи с этим, потери в силовых трансформаторах, зависящие от передаваемой нагрузки, принято называть нагрузочными (переменными) потерями . Анализируя данные нормативных документов [1; 2], можно отметить, что все понижающие трансформаторы спроектированы на соотношение потерь в них , то есть практически на одни эксплуатационные условия.

Анализ статистических данных и реальных графиков нагрузки трансформаторов от 100 до 630 кВА, установленных на подстанциях 10 кВ, позволяет сделать вывод, что реальное соотношение нагрузочных потерь к потерям холостого хода . Таким образом, современные серии понижающих трансформаторов во многих случаях являются неоптимальными, поскольку не учитывались условия их эксплуатации на стадии проектирования.

В работе [3] авторами было сделано утверждение, что различные нагрузки трансформаторов, которым соответствуют различные соотношения ( времени номинальных потерь t _н и включения T _в ) приводят к значительному изменению оптимальных значений плотностей токов в обмотках, и следовательно, тепловых условий, что должно учитываться при проектировании трансформаторов. Для определения оптимальных характеристик понижающих трансформаторов, работающих в диапазоне в рамках данной работы проведены расчетные исследования по определению массостоимостных и энергетических показателей трансформаторов.

Объектом исследований выбраны распределительные трансформаторы мощностью от 100 до 400 кВּА классом напряжения 10кВ.

Учитывая статус Украины, как страны с рыночной экономикой, в качестве технико-экономического показателя при проведении проектных исследований принимался показатель получения максимального эффекта заказчиком от начального капиталовложения. Таким показателем на сегодняшний день является показатель «дисконтированные затраты» на трансформатор. Показатель определяет первоочередные капиталовложения на приобретение трансформатора, процентные отчисления от которых соответствовали бы ежегодным расходам при его эксплуатации.

Целью расчетных исследований являлось определение тенденции изменения материальных затрат на трансформаторы, работающих с разными графиками нагрузки и, следовательно, с различными нагрузочными потерями.

Для удобства организации вычислительного процесса введем при обработке реальных графиков нагрузки трансформаторов понятие нагрузочного коэффициента.

Нагрузочный коэффициент для любого графика нагрузки

, (1)

где – отношение реальной мощности трансформатора к номинальной на отдельном интервале графика нагрузки; – продолжительность интервала во времени, час; n- количество интервалов.

Для суточного графика нагрузки (при фиксировании величины электропотребления каждый час) выражение (1) можно записать в виде:

. (2)

Тогда в отличие от принятого в научно-технической литературе термина «нагрузочные потери», соответствующие номинальным потерям короткого замыкания при номинальных токах ( ) в обмотках, необходимо понимать потери за определенное время работы трансформатора. С учетом (1) нагрузочные потери:

(3)

Для понижающих трансформаторных подстанций, находящихся в эксплуатации, величина нагрузочного коэффициента находится в пределах , при этом соотношение изменяется от 2 до 7.

Учитывая, что цена электрической энергии, которая идет на покрытие потерь холостого хода и потерь короткого замыкания в трансформаторе, одинакова, критерий «приведенные затраты» можно представить в виде:

= ,… (4)

где – стоимость активной части трансформатора (магнитная система и обмотки), грн.; – затраты на амортизационные годовые отчисления, грн/год; нормативный срок окупаемости, принимаемый в настоящее время для силовых трансформаторов общего назначения = 6,7 года; - цена электрической энергии, связанная с покрытием потерь в трансформаторе, ;

Расчетные исследования показали, что трансформаторы с номинальной мощностью, соответствующей базовому варианту при (рисунок, линия А), при том же значении мощности, но при имеют меньший диаметр стержня и большую плотность тока в обмотках (рисунок, линия В). При этом по материалоемкости они идентичны трансформаторам меньшей мощности на одну ступень по нормализованной шкале при .

Соответственно, при трансформаторы той же мощности имеют больший диаметр стержня и меньшую плотность тока в обмотках (рисунок, линия С). При этом по материалоемкости они идентичны трансформаторам большей мощности на одну ступень по нормализованной шкале при .

Результаты расчетов приведены в таблице.

Анализ результатов расчетов позволяет утверждать, что существует возможность создания базовой серии оптимальных трансформаторов, предназначенных для работы с различными графиками нагрузки.

Нормализованный ряд мощностей трансформаторов, соответствующий действующему сегодня стандарту, необходимо расширить (возможно восстановить шкалу мощностей, существовавшую до 1961 года, с коэффициентом 1,25 и , которая наиболее близка к европейским стандартам и нормам (EN, HD), в частности – HD428 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2500 кВ•А с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ»).

Таблица 1. Параметры трансформаторов при различных условиях эксплуатации

Номинальная мощность трансформатора , кВ·А (величина нагрузочного коэффициента , о.е).	Затраты, грн/год	Геометрические размеры магнитной системы трансформатора
		Диаметр стержня D, мм	Высота магнитопровода Н, мм	Межосевое расстояние МО, мм
100 (1,0)	8052	140	460	372
160 (0,41)	7955	140	587	341
250(0,16)	8000	150	643	323
160 (1,0)	11383	155	513	396
250 (0,43)	11349	155	712	367
400 (0,16)	11251	160	850	339
250 (1,0)	15800	170	673	431
400 (0,66)	15910	175	806	399

Рис. 1. Зависимость оптимальных значений D и j трансформаторов от загрузки

Выводы:

1. Для получения экономичной конструкции трансформатора необходимо знать эксплуатационные характеристики потребителя, где будет установлен проектируемый трансформатор.

2. Внедрение в практику проектирования методик, учитывающих реальные условия эксплуатации, на основе обобщения суточных (годовых) графиков нагрузки подстанций 10 кВ в городских, сельских и промышленных сетях с малым годовым числом часов потерь, существенно повысит эффективность использования силовых трансформаторов.

3. В условиях современной экономики использование стандартов и расчетных технических материалов, идеология и основные положения которых были заложены около 40 лет назад, становится неэффективным.

4. Одним из основных и перспективных аспектов программы энергосбережения является разработка и внедрение новой серии энергоэффективных распределительных трансформаторов, либо модернизация существующей серии с учетом условий эксплуатации. При этом необходимо провести технико-экономическое обоснование нормативных характеристик потерь электроэнергии в трансформаторах.

Список использованных источников:

1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

2. ГОСТ 11920-85 Трансформаторы силовые масляные общего назначения напряжением до 35 кВ включительно. Технические условия.

3. Чайковский В. П. Параметры энергоэффективных электромагнитных устройств при различных эксплуатационных нагрузках / В. П. Чайковский, В. А. Матухно, С. А. Игнатенко // Електромашинобудування та електрообладнання. – 2006. – Вип. 66. – С. 333–334.

4. Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.archive.nbuv.gov.ua/articles/2006/06cvpren.pdf