Журнал Новости Электротехники №1(31) 2005

Симметрирующее устройство для трансформаторов Средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ

Анатолий Сердешнов, к.т.н., Иван Протосовицкий, к.т.н., Юрий Леус,Петр Шумра, БАТУ, г. Минск, Беларусь

В четырехпроводных электрических сетях 0,4 кВ России и других стран СНГ в основном используются трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда–звезда–ноль» (Y/Y_н). Однако эти самые дешевые в изготовлении, трансформаторы в эксплуатации экономичны лишь при симметричной нагрузке фаз. Реально же в сетях с большим удельным весом однофазных нагрузок равномерность их подключения во времени пофазно нарушается и потери электрической энергии в таких трансформаторах и линиях резко возрастают. Лучше ситуация при применении трансформаторов со схемой «звезда–зигзаг–ноль» (Y/Z_н), но они значительно дороже.  Потери короткого замыкания P_к трансформатора Y/Y_н зависят от величины тока в нулевом проводе и с его увеличением резко растут. Этот рост обусловлен появлением потоков нулевой последовательности (F₀) в магнитных системах трехфазных трансформаторов Y/Y_н, создаваемых токами небаланса I_нб(равными 3I0), протекающими в нулевом проводе сети. F₀ носят характер потоков рассеяния, аналогичных потокам короткого замыкания Fкз, но по величине они значительно больше, о чем, в частности, позволяют судить соотношения полных сопротивлений Z₀ и Z_кз. Экспериментальные данные показывают, что Z₀ больше Z_кз в 5 – 8 раз, а для некоторых конструкций трансформаторов – в 12 и более раз. Отсюда неизбежным последствием неравномерности нагрузки фаз в сетях с трансформаторами Y/Y_н является резкое искажение системы фазных напряжений (на практике это называют смещением нулевой точки). Как результат – увеличение потерь и в линиях 0,4 кВ. Искажение фазных напряжений в реальных условиях эксплуатации нередко вызывает их отклонение, уже на низковольтных вводах трансформатора значительно превышающее нормы ГОСТ. В конце линий, по данным исследований, это отклонение напряжений приблизительно в два раза больше. При указанном качестве питания потребителей повышение в них уровня потерь электроэнергии и отказов в работе вполне естественно. К сожалению, до настоящего времени целенаправленных работ по данным вопросам проводилось недостаточно, хотя, как показывает практика, экономический урон от искажения напряжений у потребителей огромен. Завышение установленной мощности трансформаторов Y/Y_н сверх требуемой по расчету (для понижения несимметрии напряжения) дает незначительный эффект, но вместе с тем при этом резко повышается уровень потерь электроэнергии в сети. Кроме того, токи нулевой последовательности при несимметрии нагрузки в магнитной системе трансформатора Y/Y_н создают потоки нулевой последовательности, которые, замыкаясь через его бак, дно, крышку, разогревают их, ухудшая охлаждение активной части. Это повышает температуру изоляции обмоток сверх нормы, и трансформатор, при суммарной нагрузке ниже номинальной, оказывается перегруженным. Такое положение объективно вызывает необходимость увеличения номинальной мощности трансформатора на одну, а иной раз на две ступени больше расчетной со всеми вытекающими последствиями.

Трансформатор плюс СУ Для устранения указанных недостатков разработано и всё более активно начинает применяться специальное симметрирующее устройство (СУ), которое встраивается в трансформатор со схемой Y/Y_н. Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высокого напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток Y/Y_н (рис. 1). Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную однофазную нагрузку.

Рис. 1 Схемы включения основных и дополнительной обмоток трансформатора
Трехстержневой магнитопровод трехфазного трансформатора. Обмотки высокого напряжения. Обмотки низкого напряжения. Обмотка из компенсационных витков. Дистанционные клинья. Конец компенсационной обмотки, подключаемой к нейтрали обмоток низкого напряжения. Конец компенсационной обмотки, который выводится наружу.

Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора Y/Y_н из расчета на то, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе создаваемые в магнитопроводе потоки нулевой последовательности в рабочих обмотках Fор трансформатора Y/Y_нполностью компенсируются противоположно направленными потоками нулевой последовательности Fок от симметрирующего устройства. Тем самым в конечном счете предотвращается перекос фазных напряжений. На рис.2 показаны зависимости потерь короткого замыкания P_к трансформатора ТМ 100/10 от величины тока в нулевом проводе при lb =lc= I_н и I_а= от ноля до I_н при различных схемах соединения обмоток. Энергетические характеристики трансформаторов Y/Y_н (потери короткого замыкания, холостого хода и др.) от наложения симметрирующего устройства практически не меняются, но при этом значительно сокращаются потери электроэнергии в сети. Система фазных напряжений при неравномерной нагрузке фаз симметрируется так же, как и при схеме соединения обмоток Y/Z_н.

Рис. 2 Зависимость потерь короткого замыкания трансформатора ТМ 100/10 от схем соединения обмоток и величины тока в нулевом проводе (3I0 ): 1 – трансформатор Y/Y_н; 2 – трансформатор Y/Z_н; З – трансформатор Y/Y_н с СУ.

У некоторых специалистов возникало опасение, что при протекании значительного тока нулевой последовательности через дополнительную обмотку, включенную в нейтраль стороны НН, возникнет значительное напряжение на нейтрали НН и, как следствие, повышение напряжения на фазах. Расчеты и эксперименты показали, что напряжение на обмотке компенсационных витков трансформатора с симметрирующим устройством при токе в нулевом проводе, равном номинальному, достигает величины номинального фазного напряжения и уравновешивает на нейтрали обмоток низкого напряжения электродвижущую силу нулевой последовательности от рабочих обмоток до нулевого значения. Конечно, при условии правильного согласования витков рабочих обмоток и компенсационных. Разработанная конструкция значительно снижает сопротивление нулевой последовательности силового трансформатора. Это означает существенное увеличение токов однофазного короткого замыкания и является одним из достоинств трансформаторов Y/Y_н с СУ, так как обеспечивает легкую и надежную наладку релейной защиты и ее четкую работу при КЗ. Кроме того, разрушающее воздействие увеличенного тока однофазного КЗ на обмотки трансформатора Y/Y_н с СУ значительно ниже, чем от тока КЗ при отсутствии компенсационной обмотки, так как мощный несимметричный разрушающий поток нулевой последовательности полностью компенсируется.

Об экономической эффективности. Проведенный анализ сетей Республики Беларусь позволил определить среднестатистическую сеть 0,4 кВ. Она имеет следующие параметры: мощность трансформатора – 100 кВА (с учетом коммунально-бытовых потребителей в городах и городских поселках); длина линии – 0,8 км; количество линий на одной ТП – 2,5; сечение провода линии – 35 мм2. Нагрузка линий 0,4 кВ принята пропорциональной мощности трансформатора, от которого она запитана, и считалась равномерно распределенной по всей длине линии. Время использования максимума нагрузки в году – 2000 часов. Величина тока в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного. Расчеты дополнительных потерь электрической энергии за счет несимметрии нагрузки были выполнены «Белэнергосетьпроектом» (г. Минск) по известным формулам с применением метода симметричных составляющих. Они производились в зависимости от величины тока в нулевом проводе, значение которого изменялось от 0 до 0,5 номинального фазного для трансформаторов мощностью от 25 до 250 кВА. Сечение нулевого провода принималось равным сечению фазных проводов. Результаты расчетов приведены в табл. 1 (S_н – номинальная мощность трансформатора, кВА; I_нб – ток в нулевом проводе (в относительных единицах); P_к – потери короткого замыкания, Вт; DР_л – дополнительные потери электроэнергии в линиях сети с трансформаторами Y/Y_н, Y/Z_н по сравнению с сетью с трансформаторами Y/Y_н с СУ; Q – годовая экономия электроэнергии в сетях с трансформаторами Y/Y_н с СУ по сравнению с сетями с трансформаторами Y/Y_н, Y/Z_н). Табл. 1 Расчеты потерь электроэнергии в трансформаторах за счет несимметрии нагрузки.

Сопоставление потерь в среднестатистической электрической сети при неравномерной нагрузке с трансформаторами с различными схемами соединения обмоток показывает, что наиболее экономичной из них является схемаY/Y_н с СУ. Можно добавить и другие положительные стороны этой схемы по сравнению с Y/Y_н:

• отсутствие дополнительного нагрева бака потоками F₀;

• повышение устойчивости к однофазным токам КЗ;

• надежность работы защиты и пр.

Поэтому протоколом по вопросам проектирования и строительства электрических сетей напряжением 0,4–10 кВ концерна «Белэнерго» предписывается: «В целях снижения потерь электроэнергии и стабилизации напряжения в распределительных сетях 0,4 кВ при выборе трансформаторов для потребителей с коммунально-бытовой нагрузкой применять трансформаторы со схемой соединения Y/Y_н с симметрирующим устройством (СУ) мощностью 25–250 кВА». В данный момент в сетях белорусской энергосистемы работает более 300 таких трансформаторов, и нареканий на их работу не было. Естественно, что установка в трансформаторах даже такого простого симметрирующего устройства, которое предложено, требует дополнительных затрат на материалы и изготовление. Выполненные «Белэнергосетьпроектом» и конструкторским бюро МЭТЗ им. В.И. Козлова расчеты сроков его окупаемости в зависимости от величины тока в нулевом проводе дали результаты, приведенные в табл. 2 (ток небаланса указан в относительных единицах).

Табл. 2 Срок окупаемости трансформатора Y/Y_н с СУ, лет

Из таблицы следует, что при среднестатистическом токе в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного симметрирующая обмотка только у трансформаторов Sн = 25 кВА окупается в срок 2 года и у Sн = 40 кВА в срок 1 год, для всех остальных мощностей окупаемость менее года. Трансформаторы в среднем работают около 40 лет, поэтому несложно определить итоговую прибыль предприятия, установившего в сетях 0,4 кВ с несимметричной нагрузкой фаз трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Yн с СУ. Причем значительный экономический эффект получается только за счет сокращения ничем не оправданных потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах. экспертное мнение Сергей Сергеевич Кустов, заведующий лабораторией надежности электроснабжения ОАО «РОСЭП»: В статье белорусских специалистов затрагивается проблема потерь электроэнергии – довольно болезненная для российской энергетики. Основные потери у нас приходятся на сети 0,4 кВ. Несмотря на довольно короткие фидеры, огромные потери здесь образуются за счет несимметрии, вызванной большим количеством однофазных потребителей.  Повсеместно работающие трансформаторы со схемой «звезда–звезда–ноль» имеют собственные достаточно ощутимые потери. Мало того, в случае несимметрии сети 0,4 кВ они создают еще большую дополнительную несимметрию. Установка трансформаторов со схемами «звезда–зигзаг–ноль» или «треугольник» решает эту проблему, однако такое оборудование существенно дороже, поэтому широко не применяется.  Значительно улучшить ситуацию при относительно небольших финансовых вложениях поможет использование симметрирующих устройств. Пример тому – Беларусь, в которой накоплен большой положительный опыт эксплуатации трансформаторов с этими устройствами.  В свое время в руководящих указаниях по проектированию (РУМ) наш институт рекомендовал российским энергетикам применять симметрирующие устройства, о которых пишут белорусские коллеги. К сожалению, ни эти устройства, ни подобные им до сих пор не находят массового спроса и не производятся в нашей стране. При этом их установку вполне можно наладить на любом предприятии, занимающемся ремонтом трансформаторного оборудования. Более того, не обязательно покупать в Беларуси готовые симметрирующие устройства, достаточно приобрести технологию и наладить в России их не слишком сложное производство. Причина равнодушного отношения к столь важной задаче заключается, на мой взгляд, в том, что до последнего времени в России никому не было дела до потерь электроэнергии, реально за них никто не отвечал, поэтому и решением этого вопроса никто не занимался. Экономическая же выгода от применения симметрирующих устройств очевидна. Их внедрение в российских сетях 0,4 кВ может стать одним из первоочередных шагов на пути реального снижения потерь электроэнергии.

Анализ статьи:

Текст статьи соответствует указанной теме. В статье рассказывается о симметрирующих устройствах используемых совместно с трансформаторами и приводятся положительные стороны их использования. В статье приводятся таблицы и графики потерь при работе трансформаторов с СУ и бер них. На сегодняшний день тема актуальна. При использовании СУ потери в трансформаторах существенно снижаются.

Б.А. Алексеев, В.Э. Воротницкий – Филиал ОАО «НТЦ электроэнергетики» - ВНИИЭ

Об уточнении нормативов и снижении потерь электроэнергии в силовых трансформаторах с учетом срока их службы

В последние годы появляется все больше публикаций и работ [1,2], подтверждающих, что с ростом срока службы силовых трансформаторов объективно увеличиваются потери холостого хода в результате старения магнитной системы, изменения структуры металла, ухудшения межлистовой изоляции, ослабления прессовки сердечника трансформатора и т.п.

При вводе трансформаторов в эксплуатацию и после капитального ремонта этот показатель не должен отличаться от указанного в протоколе заводских испытаний (паспорте) более чем на 5%. Однако на практике потери холостого хода эксплуатируемых силовых трансформаторов значительно превышают паспортные. Это видно из табл. 1, где приведены данные по одному из предприятий электрических сетей Мосэнерго). Их отличие (иногда более чем на 50%) нужно было бы учитывать при расчете нормативного уровня потерь электроэнергии в сетях [2].

По существу, методы измерений потерь холостого хода должны соответствовать  ГОСТ 3484.1 и применяться с использованием измерительных трансформаторов с классом точности не ниже 0,1, ваттметров и амперметров – с классом точности не ниже 0,2.

По мнению заводов-изготовителей за срок 20-40 лет не могут увеличиться более чем на 5-10% от их паспортной величины. Результаты измерений потерь холостого хода в условиях эксплуатации типа приведенных в табл.1 могут оказаться существенно завышенными из-за низкой точности измерительных приборов, ошибок измерений, несовместимости исходных  условий по определению паспортных данных и измеренных данных в эксплуатационных условиях. Поэтому для этого необходимо разработать, согласовать с заводами изготовителями и утвердить методики выполнения измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации, чтобы их с уверенностью можно было сравнивать с паспортными данными трансформаторов.

Не менее важную проблему, которую активно пытаются решить в промышленно развитых странах, представляет замена старых силовых трансформаторов, еще не выработавших свой ресурс,  на новые силовые трансформаторы с уменьшенными потерями холостого хода  и короткого замыкания.

Ниже приводится обзор, выполненный по энергокомпаниям ряда   стран, по внедрению силовых трансформаторов с пониженным уровнем потерь холостого хода и нагрузочных потерь [3].

В США, где в настоящее время общие потери в силовых трансформаторах составляют около 2% производимой в стране электроэнергии (около 60 млрд. кВт.ч)  проводится программа EnergyStarпо внедрению высоко­эффективных трансформаторов с пониженным уровнем потерь хо­лостого хода и нагрузочных потерь. Снижение потерь в трансформаторах на 10 % дает ежегодную экономию 300 - 500 млн дол. В Европе замена трансформаторов на современные, наиболее эконо­мичные модели, может дать ежегодно экономию электроэнергии около 20 ТВт.ч, что составило бы около 2 млрд. евро.

Действенным средством стимулирования экономии электро­энергии является премия за использование трансформаторов с ма­лыми потерями [4].

Потери в сетях энергокомпании NationalGridна 20 % определяют­ся потерями в трансформаторах. На нагрев сетевых и блочных транс­форматоров уходит около 1,6 %производимой электроэнергии.

 Таблица 1