Снижение потерь в трансформаторах-уменьшение стоимости эксплуатации

Введение

 До 60-х годов при проектировании трансформаторов стремились удовлетворить требованиям спецификации при минимальной стоимости трансформатора. Для больших трансформаторов главным было ограничение массы и габаритных размеров до значений, определяемых транспортными ограничениями. При этом стремились увеличить плотность магнитного потока в сердечнике, требуя от изготовителей электротехнической стали изготовления стали, позволяющей работу трансформатора при высокой индукции с минимальным увеличением потерь и уровня шума.

В конце 60-х годов потребители электрической энергии осознали важность полной стоимости трансформатора и начали включать капитализированную стоимость потерь в тендерную оценку предложений изготовителей трансформаторов. Однако стоимость потерь была относительно низкой, и поэтому не было и категорического требования изготавливать оборудование, имеющее очень низкие потери.

В течение 70-х годов стоимость нефти увеличилась примерно на порядок, что привело к увеличению стоимости других видов топлива и энергии. Соответственно увеличилась и капитализированная стоимость потерь.
С тех пор стоимость энергии, а также капитализированная стоимость потерь продолжали возрастать. Нет оснований полагать, что может существенно уменьшиться их стоимость в будущем.
Поэтому объективно требуется при проектировании достичь наименьших потерь.

    Заказать трансформатор сейчас!

Снижение потерь

Потери в трансформаторах

При работе трансформатора имеют место потери, которые состоят из потерь холостого хода, возникающих вследствие перемагничивания аморфной стали сердечника, и нагрузочных потерь, представляющих собой сумму потерь в меди обмоток и дополнительных потерь в стенках бака и других металлических частях, вызываемых потоком рассеяния.

 Повышение стоимости энергии стимулировало снижение как потерь холостого хода, так и нагрузочных потерь, последних особенно в генераторных и других трансформаторах, имеющих высокий коэффициент нагрузки. За последние 30 лет потери в трансформаторах снижены в среднем на 50%.

Потери холостого хода

 В 50-х годах применявшаяся ранее горячекатаная сталь была заменена холоднокатаной сталью, имеющей ориентированную структуру зерен (доменов). Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость и низкие потери при магнитном потоке в продольном направлении, т. е. в направлении проката. В течение последних 30 лет произошло значительное улучшение xapaктеристик и  холоднокатаной стали, которое было стимулировано ростом капитализированной стоимости потерь.

 При возрастании капитализированной стоимости нагрузочных потерь целесообразно повышать индукцию, чтобы уменьшить число витков обмотки и тем самым нагрузочные потери. Поэтому потребовалось создание стали, способной работать в трансформаторах при относительно высоких значениях индукции при низких удельных потерях.

Снижение потерь холостого хода произошло благодаря трем факторам:

— применению улучшенных марок стали;

— усовершенствованию технологии изготовления магнитной системы и, особенно, раскроя стали;

— усовершенствованию конструкции сердечника, и, прежде всего, стыков листов спит.

 С момента появления на рынке трансформаторной стали с ориентированной структурой зерен ее качество постоянно улучшается и достигло впечатляющих результатов.

Улучшение характеристик стали происходило за счет:

— улучшения ориентации доменов;

— уменьшения толщины листов;

— очищения доменов с помощью обработки лазером поверхности листов.
                                                                                                                                                       потери в трансформаторной стали
В настоящее время имеется сталь толщиной 0,27 и 0,23 мм для промышленною применения.
Небольшое количество стали толщиной 0,18 и 0,15 мм было изготовлено для опытного применения.
Улучшение ориентации и очищение доменов не влияют на технологию изготовления трансформаторов, тогда как уменьшение толщины листов стали приводит к увеличению количества листов магнитопровода и к повышению механической чувствительности материала. Очевидно, что уменьшение потерь в стали связано с увеличением трудоемкости сборки и повышению стоимости материала.
Что касается уровня шума, то её уменьшение, вызванное применением улучшенных материалов, незначительно по сравнению с уменьшением потерь. Применение марки Hi-B с толщиной листа 0,27 мм, обработанной лазером, уменьшило потери по некоторым данным на 30%, тогда как результаты измерения уровня шума менялись от уменьшения на ЗдБ до увеличения на 5дБ.
Сегодня на рынке имеется сталь с удельными потерями 1,05 Вт/кг при толщине 0,3 мм, 1,00 Вт/кг при толщине 0,27 мм и индукции 1,7 Тл.
Около 50% потерь в стали составляют потери на вихревые токи, и 50% — на гистерезис. Поэтому изготовители стали стремятся уменьшить толщину листов. Можно ожидать, что сталь с толщиной 0,15 мм может иметь удельные потери порядка 0,7 Вт/кг при той же индукции.
Изготовители стали предлагают широкий выбор стали с различными характеристиками, и изготовитель трансформаторов может выбрать сталь в зависимости от конструкции трансформатора и требуемых его характеристик.

На рис. 4.1 приведены сравнительные характеристики некоторых марок стали.

      

Аморфная сталь

Имеется определенное соперничество между двумя путями развития:

 а)Применение обычной углеродистой стали с улучшенной ориентацией и контролируемым размером зерен и с уменьшенной толщиной листов;

 б) Использованием ленты из аморфной стали.

 Применение аморфной стали требует новых идей при проектировании и в технологии, чтобы полностью использовать ее преимущества.
Аморфный материал получают методом быстрою охлаждения в форме очень тонкой ленты толщиной не более 0,02—0,03 мм. Несмотря на значительно сниженные потери, непохоже, что аморфная сталь заменит повсеместно обычную углеродистую сталь в трансформаторах. Главными недостатками аморфной стали является низкое значение насыщающей индукции, малое значение коэффициента использования и сравнительно большая магнитострикция. Кроме того хрупкость, необходимость отжига в магнитном поле, механическая чувствительность и высокая стоимость также будут препятствовать ее широкому применению, по крайней мере в шихтованных магнитопроводах. Тем не менее, существует возможность применения аморфной стали и в однофазных  распределительных трансформаторах с намотанными магнитопроводами. Это может оказаться целесообразным при больших значениях капитализации потерь.

Успешные работы по склеиванию компаундом нескольких слоев стальной ленты до толщины 0,15 мм могут открыть возможность для использования аморфной стали и в шихтованных магнитоироводах. Поскольку потери в этой стали почти не зависят от направления намагничивания, соединения (стыки) можно выполнять очень простыми без увеличения потерь. По общему мнению, в ближайшем будущем применение аморфной стали будет ограничено распределительными трансформаторами при условии, что ее цена будет ниже 2,5 долларов за кг, а стоимость потерь выше 2,5 тыс. долларов за кВт.

Нагрузочные потери

В отличие от потерь холостого хода, снижение нагрузочных потерь не сопровождалось существенным улучшением материалов. Нагрузочные потери состоят из основных потерь PR в проводе обмотки, добавочных потерь в проводе из-за вихревых токов и поверхностного эффекта и добавочных потерь в стенках бака и металлических частях конструкции.

Снижение потерь в проводе

 Главным методом снижения нагрузочных потерь было уменьшение плотности тока в проводе путем увеличения его сечения. Однако это имело два отрицательных следствия. Первое — увеличение пространства, занимаемого обмотками, что увеличивало размеры сердечника, а, следовательно его массу и потери холостого хода. Во-вторых, увеличение сечения провода приводило к увеличению добавочных потерь в проводе, т. е. потерь, вызванных вихревыми токами и поверхностным эффектом. Применение компактного провода, состоящего из большого количества изолированных и транспонированных проводников с общей изоляцией, частично сняло первый недостаток и в большой степени второй.
В настоящее время в больших трансформаторах применяется транспонированный провод, в котором число элементарных проводников может достигать 80. Провод может иметь изоляцию с эпоксидной смолой, которая после полимеризации в процессе сушки придает большую жесткость проводу, что повышает прочность обмоток при воздействии токов короткого замыкания.

Снижение добавочных потерь

 Добавочные потери во внешних по отношению к обмоткам металлических частях вызваны потоком рассеяния, создаваемым обмотками, который зависит от ампер-витков и конфигурации обмоток и не зависит от  плотности тока. По мере снижения потерь в обмотках, в нагрузочных потерях возрастает доля добавочных потерь вне обмоток, особенно в трансформаторах с большим значением сопротивления короткого замыкания.
Ранее контроль поля рассеяния осуществлялся прежде всего для того, чтобы избежать недопустимого нагрева в отдельных точках стенок бака и других металлических частях, особенно в трансформаторах большой мощности или имеющих большое значение сопротивления короткого замыкания. Сегодня такой контроль поля рассеяния проводится также для снижения добавочных потерь. Меры для снижения добавочных потерь заключаются в применении проводящих экранов для отклонения магнитного потока от защищаемой поверхности, или электромагнитных шунтов, собирающих и направляющих часть магнитного потока в желаемом направлении. Немагнитные электрически проводящие экраны препятствуют проникновению потока рассеяния в магнитный материал, в котором могут индуцироваться высокие потери.
Преимуществом таких экранов является их простота и возможность придания им необходимой формы для защиты поверхностей сложной конфигурации. Их недостаток заключается в том, что в самом экране возникают потери, которые должны быть оценены, а сами экраны должны иметь охлаждение. При этом должен быть контроль отклоненного экраном потока рассеяния, который может индуцировать потери в других деталях, изготовленных из магнитного материала.
Электромагнитные шунты направляют поток по путям, где могут быть только небольшие потери, желательно по путям вне стенок бака и других металлических частей. Преимуществом магнитных шунтов, набираемых из электротехнической стали, является лучший контроль потока рассеяния и потерь, создаваемых этим потоком. Недостатком является трудность придания шунтам необходимой формы для защиты деталей сложной конфигурации.
Кроме электромагнитных экранов с высокой электрической проводимостью и электромагнитных шунтов иногда практикуют замену отдельных металлических частей конструкции деталями, изготовленными из изоляционных материалов, обладающих высокой механической прочностью.
Кроме того, некоторые детали конструкции, расположенные в области сильного поля, например, адаптеры вводов, могут изготавливаться из немагнитных материалов, имеющих значение относительной магнитной проницаемости ð от 1,1 до 1,8 и высокую проводимость порядка 0,8—1,0 Ом • мм2/м.
Экранирование может несколько изменить значение сопротивления короткого замыкания (на десятые доли процента).
В трехстержневых трансформаторах, не имеющих обмоток, соединенных в треугольник, сопротивление нулевой последовательности в результате экранирования стенок бака может измениться почти вдвое.
Опытные данные подтверждают эффективность применения экранов и шунтов для снижения добавочных потерь и температуры местных нагревов металлических частей. По некоторым данным, лучший результат дает экранирование стенок бака электромагнитными шунтами, а металлических частей вблизи отводов больших токов — электромагнитными проводящими экранами.
Для защиты ярмовых балок иногда применяются электромагнитные шунты. Такое экранирование может снизить добавочные потери в защищаемых металлических частях более чем на 50%.
Однако всякое экранирование должно сопровождаться контролем ноля рассеяния, т.к. при неправильной установке экранов добавочные потери могут не только не уменьшится, но и возрасти.
В настоящее время добавочные потери могут составлять от 10 до 40% нагрузочных. Можно полагать, что достигнутое в течение последних десятилетий снижение нагрузочных потерь, как и потерь холостого хода, было в большой степени стимулировано высокой удельной капитализированной стоимостью потерь.

Расчетное определение потока рассеянияпотери в трансформаторе

 В настоящее время применяются сложные расчетные методы для определения магнитного потока рассеяния. Такие расчеты, например, с помощью метода конечных элементов, могут выполняться для двухмерного ноля, а в более сложных случаях — для трехмерного ноля. Основанные на этих методах компьютерные программы позволяют определить наиболее выгодное положение защитных устройств (экранов или шунтов), значение потерь, создаваемых потоком рассеяния и температуру в месте наибольших потерь. На рис. 4.2. приведено распределение потерь в стенке бака, вызванных полем рассеяния в случае отсутствия и наличия защитных элементов. Кривые получены расчетом на компьютере с помощью метода конечных элементов.

Измерение потерь

Измерению потерь должно уделяться большое внимание. Точность измерения потерь важна для изготовителя трансформаторов, т. к. позволяет правильно оценить изменения, вносимые материалами и конструкцией. Для потребителя точность измерений важна для правильной оценки полной капитализированной стоимости и сопоставления потерь.

Измерение потерь холостого хода

Потери холостого хода зависят от значения напряжения, его частоты и формы. Потери холостого хода имеют две составляющих — потери на гистерезис и потери, создаваемые вихревыми токами.
Потери на гистерезис являются функцией максимального значения индукции и зависят от среднего значения приложенного напряжения. Потери ог вихревых токов являются функцией частоты и поэтому чувствительны к гармоническому составу напряжения.
     Более высокое значение коэффициента мощности при измерении потерь холостого хода позволяет получить более высокую точность, чем при измерении нагрузочных потерь.
 Однако имеются другие проблемы, которые необходимо учитывать:
— Измерительные трансформаторы и ваттметры должны иметь соответствующие частотные характеристики;
— Сопротивление источника испытательного напряжения должно быть достаточно мало для всех гармоник, чтобы иметь минимальные искажения формы напряжения, вызываемые несинусоидальным током возбуждения трансформатора;
— Формула для приведения измеренных потерь к синусоидальной форме предполагает 50% потерь на гистерезис и 50% потерь на вихревые токи. Это допущение не является достаточно верным для всех современных марок стали;
— Температура сердечника влияет на значение потерь холостого хода, вызванных вихревыми токами. Отклонения потерь холостого хода вследствие изменения температуры могут быть значительными. Так, при измерении потерь при 21 °С и при 50°С на трансформаторе 50 MB • А, 110/10,5 кВ было отмечено снижение потерь с ростом температуры. При номинальной индукции 1,77 Тл снижение составило 1,2%, а при индукции 1,6 Тл — 3,3% .
Не было отмечено какого-либо заметного изменения потерь холостою хода в течение эксплуатации.
 Следует также иметь в виду, что потери холостого хода могут возрасти после импульсных испытаний. Разница может составлять в среднем менее 4%. Причиной этого могут быть пробои изоляции на торцах листов вследствие наличия заусенцев. Известны случаи, когда проконтролированное отсутствие заусенцев позволило избежать увеличения потерь после

Измерение нагрузочных потерь

При низком значении коэффициента мощности погрешности измерительной схемы, особенно измерительных трансформаторов и ваттметров, приводят к значительной ошибке измеренных потерь. Чем меньше коэффициент мощности, тем больше может быть и ошибка. Если при измерении потерь коэффициент мощности составляет 0,01, ошибка в фазовом угле в одну минуту (290 микрорадиан) вызывает ошибку в измеряемой мощности 2,9%.
Точность измерения нагрузочных потерь при коэффициенте мощности не менее 0,01, равная 3 % считается приемлемой. Дальнейшее повышение точности требует очень больших вложений средств.
Тем не менее, некоторые фирмы сообщают о точности 1 % при коэффициенте мощности 0,01 и точности 0,5% при измерении потерь холостого хода на трансформаторах мощностью до 300 MB-А.

Капитализация потерь

Полная стоимость трансформатора и его оптимизация

Стоимость трансформатора с учетом стоимости эксплуатации за весь срок службы состоит из следующих составляющих:

— цена трансформатора;
— стоимость монтажа на месте эксплуатации;
— стоимость профилактических работ и обслуживания;
— стоимость потерь.

Снижение цены трансформатора может быть достигнуто уменьшением вложения активных материалов (электротехнической стали и меди). Но при этом возрастут потери. Наоборот, для снижения потерь требуется дополнительное вложение активных материалов, применение более дорогих материалов, например, стали, имеющей сниженные удельные потери.
Покупатель трансформатора совместно с изготовителем могут выбрать оптимальный вариант технических и экономических характеристик трансформатора в пределах показателей, регламентируемых стандартами,таких как предельные температуры нагрева и пр. Обычно при сравнении вариантов одного и того же трансформаюра основным показателем являются потери.
Хотя коэффициент полезного действия современных трансформаторов превышает 99 процентов, стоимость потерь за весь срок эксплуатации приведенная к моменту установки трансформатора может превысить его цену. Исходя из графика нагрузки трансформатора и стоимости электрической энергии, можно определить годовую стоимость потерь холостого хода и нагрузочных потерь. Стоимость потерь в каждом году всего срока службы трансформатора может быть покрыта годовым доходом, полученным от суммы в банке, положенной под сложный процент при установке трансформатора. Эта сумма, достаточная для оплаты стоимости потерь в каждом году срока службы трансформатора и является капитализированной стоимостью потерь.

Полная капитализированная стоимость — это сумма стоимости установки трансформатора (включая его цену) и капитализированной стоимости потерь. Существует обратная зависимость этих величин. Поэтому существует оптимум полной стоимости при изменении технических и экономических характеристик трансформатора.
Возможно выполнить расчеты для каждого года, учитывая изменения различных параметров со временем: стоимости энергии, потерь и размера банковского процента. Трудно предсказать изменения этих параметров за весь 25-летний срок службы. Поэтому принимаются постоянные значения параметров и расчеты сводятся к определению двух составляющих: потерь холостого хода и нагрузочных потерь.
Но  это тема другой статьи.

К списку статей

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Иконка левого меню
Иконка в правом меню