Потери холостого хода для различных типов трансформаторов

Тип трансформатора	Напряжение кВ	Мощность МВА	Год изготовления	Потери холостого хода кВт
				каталожные	измеренные
АТДЦТН	220	200	1978	105	128,0
АТДЦТНГ	220	125	1958	80	252,2
АТДЦНГ	220	125	1967	80	206,1
АТДЦТГ	220	90	1964	150	249,4
ТДТНГ	110/6	31,5	1956	125	171,3
ТДТНГ	110/6	31,5	1959	125	322,0
ТДТН	110/6	31,5	1965	95	143,4
ТДНГ	110/6	20	1963	62	86,8
ТДНГ	110/6	20	1963	62	84,1
ТДГ	110/6	20	1952	60	98,7
ТДТГ	110/6	20	1948	76	102,5
ТДНГ	110/35/6	20	1962	62	91,4
ТДНГ	110/35/6	20	1963	62	86,5
ТДНГ	110/35/6	20	1960	62	86,5
ТДГ	110/6	20	1941	60	85,5
ТДНГУ	110/6	20	1964	62	76,5
ТДНГ	110/35/6	20	1964	62	110,3
ТДТН	110/35/6	16	1968	23	62,5
ТДТН	110/35/6	16	1969	23	57,2
ТДН	110/6	10	1954	15	38,6
ТДТНГ	110/6	10	1953	15	26,1
ТДТГ	110/6	10	1953	15	49,2
ТДН	110/10	10	1973	15	20,2
ТДН	110/6	10	1967	15	60,8
ТДН	110/6	10	1966	15	37,9
ТДН	110/6	10	1974	15	28,0
ТМ	35/10	6,3	1973	8	15,9
ТМ	35/10	6,3	1973	8	20,1
ТМ	35/10	6,3	1970	8	23,4
ТМ	35/10	3,2	1951	11,5	19,9
ТМ	35/10	3,2	1951	11,5	20,7
ТМ	35/6	2,5	1975	4,3	9,0
ТМН	35/6	1	1964	2,45	5,1
ТМН	35/6	1	1964	2,45	5,3
ТМН	35/6	1	1964	2,45	5,7
ТМН	35/6	1	1956	2,45	5,4

 

Приведем для примера общие потери в крупных блочных и сете­вых трансформаторах на разные напряжения (по данным компании Renzmann& GruenewaldGmbH, ФРГ) (табл.2).

В результате принятых в европейском трансформаторостроении мер на базе совершенствования конструкции и материалов потери холостого хода для условного трансформатора 220 кВ мощностью 200 МВА снизились за последние 50 лет более чем  втрое, а нагру­зочные потери – вдвое.

Таблица 2.

Общие потери в крупных трансформаторах

Блочные трансформаторы				Сетевые трансформаторы
Мощность, МВА	Напряжения, кВ	Потери, кВт	Мощность, МВА		Напряжения, кВ	Потери, кВт
850	415/27	1880	600		400/230	1775
850	420/21	2255	300		400/120	920
500	420/21	1600	500		245/21	1430
200	420/21	1080	200		245/21	845
150	400/33	640	300		230/120	1025
-	-	-	150		220/110	530

 

Потери холостого хода приносят ущерб, в несколько раз больший, чем нагрузочные потери, составляя основную часть капитализированных потерь. Ущерб потерь холостого хода особенно значителен для трансформаторов меньшей мощности. Так, если для современного трансформатора 500 кВ мощностью 1000 МВА потери составляют около 0,035 % полной мощности, то для трансформатора 11 кВ мощностью 1 МВА это уже 0,35 %. Основной ущерб энергетике по потерям приносят распределительные трансформаторы. На их совер­шенствование, снижение потерь холостого хода направлены значительные усилия зарубежных фирм. Для трансформаторов бо­льшой мощности выделение тепла потерь создает большие пробле­мы из-за высокой степени использования активных материалов и стремления к уменьшению габаритов. Выделение тепла усложняет систему охлаждения и  во многом определяет конст­рукцию трансформатора.

Главной причиной потерь холостого хода являются потери в ста­ли от перемагничивания, потери от вихревых токов в пластинах ста­ли, от потоков рассеяния в других деталях транс­форматора. Нагрузочные потери включают потери в меди обмоток, потери от вихревых токов, возникающих в массивных деталях трансформатора, лежащих рядом с токоведущими частями, потери от потоков рассеяния.

Снижение потерь холостого хода может быть достигнуто за счет:

• использования для сердечника материала с существенно сни­женными потерями на перемагничивание и вихревые токи;

• оптимизации конструкции сердечника и технологии его изго­товления;

• проектирования сердечника трансформатора для работы с низ­ким уровнем индукции.

Качество электротехнической стали совершенствуется непре­рывно. Для широко применяемых сортов холоднокатаной, ориенти­рованной, с высокой магнитной проницаемостью стали с высоким содержанием кремния за рубежом 10-15 лет назад достигнут уро­вень удельных потерь около 1,05-1,10 Вт/кг при 50 Гц и 1,7 Тл. Лучшие сорта стали имеют удельные потери около 0,85 Вт/кг. Снижает потери также использование листов меньшей толщины. Так, сталь толщиной 0,23 мм, которую все чаще применяют за рубежом, имеет удельные потери на 20% меньше, чем сталь толщиной 0,3 мм [6].

Эффективной технологией обработки стали является лазерное скрайбирование с уменьшением длины ориентированных кристаллов. Таким путем в сочетании с использованием пластин уменьшен­ной толщины получен уровень удельных потерь 0,5 Вт/кг. Со сни­жением толщины листов до 0,18мм прогнозируется снижение удельных потерь до 0,3 Вт/кг [5].

Активно разрабатываются аморфные стали. По сравнению с обычной сталью потери в них в 3-4 раза меньше. Главным производителем таких материалов является корпорация AlliedCorp. (США), выпускающая аморфную сталь Metglas.

Для трансформаторов фирмы Hitachiс сердечниками Metglasпотери холостого хода на 20 % мень­ше обычных. Наиболее широкое распространение такие трансфор­маторы получили в США и Великобритании.

Применение аморфных сталей пока не заменяет ориентирован­ную электротехническую сталь. Мешают крайняя хрупкость, толщина ленты не выше 20-30 мкм, высокая чувствительность к механическим воз­действиям при обработке.

Требования к уменьшению шума ограничивают применение ста­ли с высокой магнитострикцией. Сталь с содержанием кремния выше 6,5% по этой причине неприемлема, да и при 4% трудно про­катывать сталь из-за высокой хрупкости. Только быстроохлаждаемая сталь имеет меньшую хрупкость, но ее обработка при высокой температуре не позволяет получать структуры с такими высокими магнитными характеристиками, как нормальная сталь с ориентиро­ванной структурой. Оптимальная толщина пластин по последним исследованиям - 0,1 мм (при 1,8 Тл).

Последние разработки в области трансформаторостроения опи­раются на сталь с содержанием кремния 3%, имеющую низкую магнитострикцию и допустимые потери. Применение пониженной ин­дукции всердечнике позволяет не только уменьшить потери в нем. но и существенно снизить уровень шума от трансформатора. Реше­ние принимается на основе технико-экономических соображений.

Конструкторские и технологические меры по снижению потерь в сердечнике:

• применение ленточной стяжки сердечников и ярма с помощью стекловолоконных бандажей, ликвидирующих необходимость отверстий для стяжных болтов - мест концентрации потерь;

• шихтовка сердечников со сдвигом (косой стык), ставшая возможной с применением ЭВМ для управления раскроем стали при­меняется и комбинированная шихтовка с частично косым стыком;

• тщательное изготовление отдельных листов стали;

• сборка, шихтовка сердечника, исключающие грубые механические воздействия на стальные пластины.

 

Нагрузочные потери определяются протекающими по обмоткам токами и включают потери на активном сопротивлении проводни­ков обмоток, потери на вихревые токи в проводниках, потери на вихревые токи в массивных частях трансформатора, лежащих вбли­зи токоведуших частей.

В зарубежной практике медь почти совсем вытеснила алюминий благодаря малому сопротивлению и высокой прочности - это сни­жает потери и повышает надежность трансформатора.

Так как потери на вихревые токи в проводнике пропорциональны квадрату его сечения, снижение его сечения на 33%снижает по­тери более чем на 50%.Это успешно используется для снижения на­грузочных потерь в трансформаторе. Уменьшение сечения проводников достигается применением ленточных кабелей, которые свиваются из нескольких тонких проводников. Улучшение за­полнения окна магнитопровода при использовании ленточного ка­беля для разработанной в США серии трансформаторов 141 - 500 кВ мощностью 25 - 250 MBА позволило снизить массу на 6-15%, потери холостого хода на 8-15%, нагрузочные потери на 3-22%. Обмотка выполнена из ленточного кабеля, представля­ющего собой пучок изолированных друг от друга лент из фольги.          

Снижение потерь на вихревые токи дает использование провода с непрерывной транспозицией. Для  повышения  их механической прочности применяются эпоксидное покрытие элементарных про­водников в стержне и запечка стержня во время сушки обмотки.

В обмотках НН пытаются применить транспонированный провод без дополнительной изоляции для лучшего охлаждения [5].

Стремление к снижению потерь заставляет совершенствовать ме­тоды их расчета и оптимизации конструкции трансформатора. Рас­чет потерь является сложной задачей из-за необходимости опреде­ления полей в активных и пассивных узлах сложной конфигурации и вызываемых ими вихревых токов.

Примером таких работ являются исследования производителя трансформаторов в Египте (заводы ELMACO) и ряда университетов этой страны. Направление работ - повышение точности методов расчёта потерь из-за вихревых токов в обмотках трансформатора и в его баке от потоков рассеяния.

На основе трехмерного анализа поля с использованием метода конечных элементов разработан комплекс программ для расчета оп­тимальной конструкции трансформаторов.                        

При расчете потерь в обмотках учитываются размеры окна сер­дечника, индукция в сердечнике, толщины проводников в обмот­ках. Потери в баке определяют магнитная нагрузка сердечника, тол­щина и конфигурация стенок бака, расстояние от бака до активных частей, магнитные и электрические свойства материала бака.

Трансформаторы со сверхпроводящей обмоткой. Принципиально новым путем снижения потерь в трансформаторе является приме­нение сверхпроводниковых материалов для обмотки.

Низкотемпературные сверхпроводники, на которых были выпол­нены первые прототипы трансформаторов, неконкурентоспособны с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП). Прогресс, создания ВТСП-материалов позволяет считать несомненными эко­номические перспективы таких разработок. С 1992 по 2000 гг. цена ВТСП-материалов снизилась в 20 раз!

Преимущества ВТСП-трансформаторов: снижение нагрузочных потерь на 90%, уменьшение массы до 40%, ограничение токов КЗ, снижение реактивных сопротивлений, перегрузочная способность - 100% длительно, низкий уровень шума. При освоенном произ­водстве такой трансформатор на     20%  дешевле обычного той же мощности [7].

По расчетам, ВТСП-трансформатор мощностью 30 MB•А будет иметь массу 20 т и не будет иметь масла, тогда как обычный имеет массу 45 т, в том числе 23 т масла [8|.   

Очень важно отсутствие маcлохозяйства со всеми вытекающими положительными экологическими последствиями.

Созданы опытные образцы силовых трансформаторов: 18,7/0,4 кВ мощностью 630 кВ•А(ABBи AMSC); 6,6/3,3 кВ мощностью 500 кВ•A(Fuji);1000 кВ•A(Waykesha), существуют проекты сверхпроводниковых трансформаторов мощностью до 1000 MBA[22].

Снижение размеров и экологические преимущества (нет масла, пожаробезопасность) расширяет возможность выбора более опти­мальных мест для подстанций в зонах с ограничениями по окружаю­щей среде, например в крупных зданиях.

Применение в будущем сверхпроводниковых трансформаторов даст новые возможности для развития энергосистем, снижения сто­имости оборудования, повышения эффективности передачи элект­роэнергии.

Капитализированные потери. Основой для расчета рентабельно­сти трансформатора, а также  замены старого трансформатора на новый с уменьшенными потерями стала оценка стоимости электроэнергии, рас­ходуемой на потери в трансформаторе за весь срок службы (капитализированные потери). Это понятие, введенное за рубежом в последние 10-15 лет, позволяет оценить экономичность транс­форматора. Приближенно считают трансформатор неэкономич­ным, если капитализированные потери превышают его стоимость.        

Трудность расчета стоимости капитализированных потерь за весь срок службы трансформатора определяется изменением во вре­мени цен на электроэнергию и на сами трансформаторы.

Ориентировочно для сетевых трансформаторов в США потери холостого хода оцениваются в 3000 дол/кВт, а нагрузочные потери - в 1500 дол/кВт. Для блочных трансформаторов эти показатели со­ставляют соответственно 4000 и 1250 дол/кВт. В Великобритании для трансформаторов 400 кВ потери соответственно оцениваются в 4600 и 775 дол/кВт, для трансформаторов 33 кВ - 5600 и 1590 дол/кВт. Наименьший уровень капитализированных потерь из развитых стран у ЮАР: для трансформаторов 275 кВ и выше -1030 и 690 дол/кВт, а для трансформаторов 132 кВ -1950 и 160 дол/кВт [5].

                                                                 

Выводы

 

1. При расчете нормативов потерь электроэнергии в электрических сетях и в оборудовании открытых распредустройств электрических станций необходимо учитывать влияние срока службы силовых трансформаторов на потери электроэнергии холостого хода. Для этого необходимо разработать, согласовать с заводами-изготовителями и узаконить методику выполнения измерения потерь холостого хода силового трансформатора  в условиях его эксплуатации.

2. С ростом стоимости потерь электроэнергии в электрических сетях становится все более актуальной замена старых силовых трансформаторов с повышенными потерями (холостого хода и нагрузочными) новыми, технически более совершенными с уменьшенными потерями. Очевидно, что такая замена должна выполняться на основе тщательного технико-экономического анализа с учетом «капитализированных» потерь электроэнергии в трансформаторе за весь срок его службы.

Анализ статьи:

Текст статьи соответствует заявленной теме. В статье указываются наиболее важные элементы потерь в трансформаторах и способы их снижения. Главным образом предлагается заменять устаревшие трансформаторы на более усовершенствованные новые не только в связи с использованием новых технологий, а потому что с увеличением срока эксплуатации потери многократно увеличиваются. Статья является актуальной. В статье приведены таблицы потерь в трансформаторах в зависимости от срока службы.

Энергосберегающие трансформаторы с магнитопроводами  из аморфных сплавов По материалам VI Международной конференции ТРАВЭК «Энергосбережение в электроэнергетике и промышленности». Москва, 17-18 марта 2010 года.  1.Вступление      Распоряжением Правительства РФ от 1 декабря 2009 г. № 1830-р «План мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации» предусматривается разработка, и реализация комплекса мер по созданию благоприятных условий для развития производства энергосберегающих устройств и стимулированию роста предложения в соответствии с потенциальным спросом. В Плане дано указание на формирование предложений по ограничению (запрету) оборота энергетических устройств, характеризующихся неэффективным использованием энергоресурсов. Распределительные трансформаторы мощностью 25—630 кВА напряжением 6 - 10 кВ - наиболее массовая серия производимых и эксплуатируемых трансформаторов в нашей стране и за рубежом. Общее количество распределительных трансформаторов в России составляет более чем 4 млн. шт.      Ежегодное потребление электроэнергии в России находится на уровне 900 миллиардов кВт-ч, при этом общие потери электроэнергии в распределительных трансформаторах оцениваются в 7,5 миллиардов кВт-ч и примерно 50% - это потери в магнитопроводах.     Ежегодные затраты на обслуживание одного распределительного трансформатора с магнитопроводом из холоднокатаной электротехнической стали составляют примерно 8% от его первоначальной стоимости. Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию распределительных трансформаторов - это применение магнитопроводов из аморфных (нанокристаллических) сплавов, при этом обеспечивается более чем пятикратное снижение потерь холостого хода трансформаторов по сравнению с традиционными магнитопроводами из электротехнической стали. 2.Что такое аморфные сплавы и как их получают?      Аморфные сплавы - это сплавы, имеющие случайную (некристаллическую) структуру. Типичный пример аморфного состояния вещества – это стекло. Поэтому часто такие сплавы называют стеклообразными. В состав сплава входят две группы элементов: переходные металлы (Fe, Co…) и так называемые аморфообразующие элементы – аморфизаторы (B, C, Si…).  Аморфная структура сплава получается только при определенной скорости его охлаждения – до десятков и даже сотен тысяч градусов в секунду. На Рис.1 показана структура обычного и аморфного сплава:

Рис.1

     Первый магнитомягкий нанокристаллический сплав разработали и запатентовали в 1986 году инженеры японской компании Hitachi Metals Иошизава, Ямаучи и Огума. В России специалистами ЦНИИчермет им. И.П.Бардина разработан сплав системы FeSiB, обеспечивающий рабочую индукцию магнитопровода не менее 1,45Тл.      Аморфные сплавы в виде ленты получают, например, охлаждением струи жидкого металла на поверхности вращающегося барабана. Подобная технология используется компанией Metglas Ink.(США). Упрощенная схема технологического процесса и сама установка показаны на Рис1. и Рис.2:

Рис.2

Рис.3

3. Применение аморфных сплавов при производстве трансформаторов.  Для магнитопроводов трансформаторов используется, как правило, лента из аморфного сплава Fe⁷⁸-B¹³-Si⁹ шириной 142, 170 и 213мм в виде рулонов. Так как лента изготавливается очень малой толщины (0,024мм), поэтому в рулон она свертывается из пяти слоев; таким образом ее толщина увеличивается в 5 раз (0,12мм)  - Рис.4:

Рис.4

     Для раскроя ленты используется , как правило, специальное оборудование; весь процесс максимально автоматизирован – Рис.5:

Рис.5

     На Рис.6 показаны готовые к монтажу части магнитной системы трансформаторов:

Рис.6

     На Рис.7 и 8 – магнитная система в сборе и готовый трансформатор:

Рис.7

Рис.8

4. Заключение       Как уже отмечалось выше, применение аморфных(нанокристаллических) сплавов позволяет резко снизить потери в трансформаторах (По данным Metglas Inc., Табл.1):

Мощность трансформатора	Типичные основные потери – обычная трансформаторная сталь SiFe	Типичные основные потери - аморфное железо	Потери -сокращение в %
(3 фазы 11кВ)	(in D0-E0 Rang)	Металл
25 кВА	100	28	72%
40 кВА	140	39	72%
63 кВА	180	50	72%
100 кВА	260	66	75%
250 кВА	520	150	71%
630 кВА	1,000	280	77%
1.000 кВА	1.700	350	80%
1,600 кВА	2,100	490	77%
2,500 кВА	2,700	550	80%

     Сегодня в линейке производителей  Россия занимает одно из последних мест –400т/год. Для примера: в США производится 80 000 т/год, Китае – 35 000 т/год. Задача стоит в наращивании производства этих современных материалов и постепенному переходу на применение их в магнитопроводах современных трансформаторов.

Анализ статьи:

Текст статьи соответствует указанной теме. В статье рассматривается вопрос применения аморфных металлов в производстве магнитопроводов трансформаторов с целью снизить потери электроэнергии. Статья является актуальной. В статье приведены многочисленные рисунки и таблица потерь в трансформаторах с сердечниками из обычной стали и аморфных металлов.