До 60-х років при проектування трансформаторів прагнули задовольнити вимоги специфікації при мінімальній вартості трансформатора. Для великих трансформаторів головним було обмеження маси та габаритних розмірів до значень, що визначаються транспортними обмеженнями. При цьому прагнули збільшити щільність магнітного потоку в сердечнику, вимагаючи від виробників електротехнічної сталі виготовлення сталі, що дозволяє роботу трансформатора за високої індукції з мінімальним збільшенням втрат і рівня шуму.
Наприкінці 60-х років споживачі електричної енергії усвідомили важливість повної вартості трансформатора та почали включати капіталізовану вартість втрат у тендерну оцінку пропозицій виробників трансформаторів. Проте вартість втрат була відносно низька, і тому не було й категоричного вимоги виготовляти обладнання, що має дуже низькі втрати.
Протягом 70-х років вартість нафти збільшилася приблизно на порядок, що призвело до збільшення вартості інших видів палива та енергії. Відповідно, збільшилася і капіталізована вартість втрат.
З того часу вартість енергії, а також капіталізована вартість втрат продовжували зростати. Немає підстав вважати, що може суттєво зменшитися їхня вартість у майбутньому.
Тому об'єктивно потрібно під час проектування досягти найменших втрат.
При роботі трансформатора мають місце втрати, які складаються з втрат холостого ходу, що виникають внаслідок перемагнічування аморфної сталі сердечника, і навантажувальних втрат, що становлять суму втрат у міді обмоток та додаткових втрат у стінках бака та інших металевих частинах, що викликаються потоком розсіювання.
Підвищення вартості енергії стимулювало зниження як втрат холостого ходу, так і втрат навантаження, останніх особливо в генераторних та інших трансформаторах, що мають високий коефіцієнт навантаження. За останні 30 років втрати у трансформаторах знижено в середньому на 50%.
У 50-х роках гарячекатана сталь, що застосовувалася раніше, була замінена холоднокатаною сталлю, що має орієнтовану структуру зерен (доменів). Холоднокатана сталь має високу магнітну проникність і низькі втрати при магнітному потоці в поздовжньому напрямку, тобто в напрямку прокату. Протягом останніх 30 років відбулося значне поліпшення характеристик і холоднокатаної сталі, яке було стимульоване зростанням капіталізованої вартості втрат.
При зростанні капіталізованої вартості навантажувальних втрат доцільно підвищувати індукцію, щоб зменшити кількість витків обмотки і цим навантажувальні втрати. Тому знадобилося створення сталі, здатної працювати у трансформаторах при відносно високих значеннях індукції за низьких питомих втрат.
Зниження втрат холостого ходу відбулося завдяки трьом факторам:
- Застосування поліпшених марок сталі;
- удосконалення технології виготовлення магнітної системи та, особливо, розкрою сталі;
- удосконалення конструкції сердечника, і, перш за все, стиків листів спить.
З моменту появи на ринку трансформаторної сталі з орієнтованою структурою зерен її якість постійно покращується і досягла вражаючих результатів.
Поліпшення показників сталі відбувалося за рахунок:
- Поліпшення орієнтації доменів;
- Зменшення товщини листів;
- Очищення доменів за допомогою обробки лазером поверхні листів.
В даний час є сталь товщиною 0,27 і 0,23 мм для промислового застосування.
Невелика кількість сталі товщиною 0,18 та 0,15 мм була виготовлена для дослідного застосування.
Поліпшення орієнтації та очищення доменів не впливають на технологію виготовлення трансформаторів, тоді як зменшення товщини листів сталі призводить до збільшення кількості листів магнітопроводу та підвищення механічної чутливості матеріалу. Очевидно, що зменшення втрат у сталі пов'язане зі збільшенням трудомісткості складання та підвищення вартості матеріалу.
Що ж до рівня шуму, її зменшення, викликане застосуванням поліпшених матеріалів, незначно проти зменшенням втрат. Застосування марки Hi-B із товщиною листа 0,27 мм, обробленої лазером, зменшило втрати за деякими даними на 30%, тоді як результати вимірювання рівня шуму змінювалися від зменшення на ЗдБ до збільшення на 5дБ.
Сьогодні на ринку є сталь з питомими втратами 1,05 Вт/кг завтовшки 0,3 мм, 1,00 Вт/кг за товщини 0,27 мм та індукції 1,7 Тл.
Близько 50% втрат у сталі становлять втрати на вихрові струми, і 50% – на гістерезис. Тому виробники сталі прагнуть зменшити товщину листів. Очікується, що сталь з товщиною 0,15 мм може мати питомі втрати близько 0,7 Вт/кг за тієї ж індукції.
Виробники сталі пропонують широкий вибір сталі з різними характеристиками, та виробник трансформаторів може вибрати сталь залежно від конструкції трансформатора та необхідних його характеристик.
На рис. 4.1 наведено порівняльні характеристики деяких марок сталі.
Є певне суперництво між двома шляхами розвитку:
а) Застосування звичайної вуглецевої сталі з покращеною орієнтацією та контрольованим розміром зерен та зі зменшеною товщиною листів;
б) Використання стрічки з аморфної сталі.
Застосування аморфної сталі вимагає нових ідей при проектуванні та технології, щоб повністю використовувати її переваги.
Аморфний матеріал отримують методом швидкого охолодження у формі дуже тонкої стрічки завтовшки не більше 0,02-0,03 мм. Незважаючи на значно знижені втрати, несхоже, що аморфна сталь замінить повсюдно звичайну вуглецеву сталь. трансформатори. Головними недоліками аморфної сталі є низьке значення індукції, що насичує, мале значення коефіцієнта використання і порівняно велика магнітострикція. Крім того, крихкість, необхідність відпалу в магнітному полі, механічна чутливість і висока вартість також будуть перешкоджати її широкому застосуванню, принаймні в шихтованих магнітопроводах. Тим не менш, існує можливість застосування аморфної сталі та в однофазних розподільних трансформаторів з намотаними магнітопроводами. Це може бути доцільним за більших значень капіталізації втрат.
Успішні роботи зі склеювання компаундом декількох шарів сталевої стрічки до товщини 0,15 мм можуть відкрити можливість для використання аморфної сталі та в шихтованих магнітоіводах. Оскільки втрати в цій сталі майже не залежать від напряму намагнічування, з'єднання можна виконувати дуже простими без збільшення втрат. На загальну думку, у найближчому майбутньому застосування аморфної сталі буде обмежено розподільними трансформаторами за умови, що її ціна буде нижчою за 2,5 доларів за кг, а вартість втрат вище 2,5 тис. доларів за кВт.
На відміну від втрат холостого ходу зниження навантажувальних втрат не супроводжувалося істотним поліпшенням матеріалів. Навантажувальні втрати складаються з основних втрат PR у проводі обмотки, додаткових втрат у проводі через вихрові струми та поверхневий ефект і додаткові втрати в стінках бака та металеві частини конструкції.
Головним методом зниження навантажувальних втрат було зменшення густини струму у дроті шляхом збільшення його перерізу. Однак це мало два негативні наслідки. Перше — збільшення простору, що займається обмотками, що збільшувало розміри сердечника, а отже, його масу і втрати холостого ходу. По-друге, збільшення перерізу дроту призводило до збільшення додаткових втрат у дроті, тобто втрат, спричинених вихровими струмами та поверхневим ефектом. Застосування компактного дроту, що складається з великої кількості ізольованих та транспонованих провідників із загальною ізоляцією, частково зняло перший недолік і значною мірою другий.
В даний час у великих трансформаторах застосовується транспонований провід, в якому кількість елементарних провідників може досягати 80. Провід може мати ізоляцію з епоксидною смолою, яка після полімеризації в процесі сушіння надає велику жорсткість дроту, що підвищує міцність обмоток при впливі струмів короткого замикання.
Додаткові втрати у зовнішніх стосовно обмотках металевих частинах викликані потоком розсіювання, створюваним обмотками, який залежить від ампер-витків і зміни обмоток і не залежить від щільності струму. У міру зниження втрат в обмотках, в навантажувальних втрат зростає частка додаткових втрат поза обмоток, особливо в трансформаторах з великим значенням опору короткого замикання.
Раніше контроль поля розсіювання здійснювався насамперед для того, щоб уникнути неприпустимого нагріву в окремих точках стінок бака та інших металевих частинах, особливо у трансформаторах великої потужності або мають велике значення опору короткого замикання. Сьогодні такий контроль поля розсіювання проводиться також зниження додаткових втрат. Заходи для зниження додаткових втрат полягають у застосуванні провідних екранів для відхилення магнітного потоку від поверхні, що захищається, або електромагнітних шунтів, що збирають і направляють частина магнітного потоку в бажаному напрямку. Немагнітні електричні проводи екрани перешкоджають проникненню потоку розсіювання в магнітний матеріал, в якому можуть індукуватися високі втрати.
Перевагою таких екранів є їхня простота та можливість надання їм необхідної форми для захисту поверхонь складної конфігурації. Їхній недолік полягає в тому, що в самому екрані виникають втрати, які мають бути оцінені, а самі екрани повинні мати охолодження. При цьому повинен бути контроль відхиленого екраном потоку розсіювання, який може індукувати втрати інших деталей, виготовлених з магнітного матеріалу.
Електромагнітні шунти спрямовують потік по коліях, де можуть бути лише маленькі втрати, бажано по коліях поза стінами бака та інших залізних частин. Перевагою магнітних шунтів, що набираються з електротехнічної сталі, є кращий контроль потоку розсіювання та втрат, створюваних цим потоком. Недоліком є труднощі надання шунтам необхідної форми захисту деталей складної конфігурації.
Крім електромагнітних екранів з високою електричною провідністю та електромагнітних шунтів іноді практикують заміну окремих металевих частин конструкції деталями, виготовленими з ізоляційних матеріалів, що мають високу механічну міцність.
Крім того, деякі деталі конструкції, розташовані в області сильного поля, наприклад, адаптери вводів, можуть виготовлятися з немагнітних матеріалів, що мають значення відносної магнітної проникності від 1,1 до 1,8 і високу провідність порядку 0,8-1,0 Ом • мм2/м.
Екранування може трохи змінити значення опору короткого замикання (десяті частки відсотка).
У тристрижневих трансформаторах, що не мають обмоток, з'єднаних у трикутник, опір нульової послідовності в результаті екранування стінок бака може змінитися майже вдвічі.
Досвідчені дані підтверджують ефективність застосування екранів та шунтів для зниження додаткових втрат та температури місцевих нагрівань металевих частин. За деякими даними, найкращий результат дає екранування стінок бака електромагнітними шунтами, а металевих частин поблизу відводів великих струмів - електромагнітними провідними екранами.
Для захисту ярмових балок іноді використовуються електромагнітні шунти. Таке екранування може знизити додаткові втрати в металевих частинах, що захищаються, більш ніж на 50%.
Проте будь-яке екранування має супроводжуватися контролем нуля розсіювання, т.к. при неправильній установці екранів додаткові втрати можуть не тільки не зменшиться, а й зрости.
В даний час додаткові втрати можуть становити від 10 до 40% навантажувальних. Можна вважати, що досягнуте протягом останніх десятиліть зниження навантажувальних втрат, як і втрат холостого ходу, було значною мірою стимульовано високою питомою капіталізованою вартістю втрат.
Нині застосовуються складні розрахункові методи визначення магнітного потоку рассеяния. Такі розрахунки, наприклад, з допомогою методу кінцевих елементів, можуть виконуватися для двомірного нуля, а складніших випадках — для тривимірного нуля. Засновані на цих методах комп'ютерні програми дозволяють визначити найвигідніше становище захисних пристроїв (екранів або шунтів), значення втрат, створюваних потоком розсіювання та температуру в місці найбільших втрат. На рис. 4.2. наведено розподіл втрат у стінці бака, викликаних полем розсіювання у разі відсутності та наявності захисних елементів. Криві одержані розрахунком на комп'ютері за допомогою методу кінцевих елементів.
Вимірюванню втрат має приділятися велика увага. Точність вимірювання втрат важлива для виробника трансформаторів, т. К. дозволяє правильно оцінити зміни, що вносяться матеріалами та конструкцією. Для споживача точність вимірів важлива для правильної оцінки повної капіталізованої вартості та зіставлення втрат.
Втрати холостого ходу залежать від значення напруги, його частоти та форми. Втрати холостого ходу мають дві складові - втрати на гістерезис і втрати, що створюються вихровими струмами.
Втрати гістерезис є функцією максимального значення індукції і залежать від середнього значення прикладеної напруги. Втрати вогневих струмів є функцією частоти і тому чутливі до гармонійного складу напруги.
Більше високе значення коефіцієнта потужності при вимірюванні втрат холостого ходу дозволяє отримати більш високу точність, ніж при вимірюванні навантажувальних втрат.
Однак є інші проблеми, які необхідно враховувати:
- Вимірювальні трансформатори та ватметри повинні мати відповідні частотні характеристики;
- Опір джерела випробувальної напруги має бути досить мало для всіх гармонік, щоб мати мінімальні спотворення форми напруги, що викликаються несинусоїдальним струмом збудження трансформатора;
— Формула для приведення виміряних втрат до синусоїдальної форми передбачає 50% втрат на гістерезис та 50% втрат на вихрові струми. Це припущення не є достатньо вірним для всіх сучасних марок сталі;
— Температура сердечника впливає на значення втрат холостого ходу, спричинених вихровими струмами. Відхилення втрат холостого ходу внаслідок зміни температури може бути значними. Так, при вимірюванні втрат при 21 °С та при 50 °С на трансформаторі 50 MB • А, 110/10,5 кВ було відзначено зниження втрат зі зростанням температури. При номінальній індукції 1,77 Тл зниження склало 1,21 TP2T, а при індукції 1,6 Тл - 3,31 TP2T.
Не було відзначено будь-якої помітної зміни втрат холостою ходи протягом експлуатації.
Слід також пам'ятати, що втрати холостого ходу можуть зрости після імпульсних випробувань. Різниця може становити у середньому менше 4%. Причиною цього можуть бути пробої ізоляції на торцях листів внаслідок наявності задирок. Відомі випадки, коли проконтрольована відсутність задирок дозволила уникнути збільшення втрат після
При низькому значенні коефіцієнта потужності похибки вимірювальної схеми, особливо вимірювальних трансформаторів та ватметрів, призводять до значної помилки виміряних втрат. Чим менший коефіцієнт потужності, тим більше може бути помилка. Якщо при вимірюванні втрат коефіцієнт потужності становить 0,01, помилка у фазовому куті в одну хвилину (290 мікрорадіан) викликає помилку вимірюваної потужності 2,9%.
Точність вимірювання навантажувальних втрат при коефіцієнті потужності не менше 0,01 дорівнює 3 % вважається прийнятною. Подальше підвищення точності потребує великих вкладень коштів.
Тим не менш, деякі фірми повідомляють про точність 1 % при коефіцієнті потужності 0,01 і точність 0,5% при вимірюванні втрат холостого ходу на трансформаторах потужністю до 300 MB-А.
Вартість трансформатора з урахуванням вартості експлуатації за весь термін служби складається з таких складових:
- ціна трансформатора;
- Вартість монтажу на місці експлуатації;
- вартість профілактичних робіт та обслуговування;
- Вартість втрат.
Зниження ціни трансформатора може бути досягнуто зменшенням вкладення активних матеріалів (електротехнічної сталі та міді). Але при цьому зростуть втрати. Навпаки, зниження втрат потрібно додаткове вкладення активних матеріалів, застосування більш дорогих матеріалів, наприклад, сталі, що має знижені питомі втрати.
Покупець трансформатора спільно з виробником можуть вибрати оптимальний варіант технічних та економічних характеристик трансформатора в межах показників, що регламентуються стандартами, таких як граничні температури нагріву та ін. Зазвичай при порівнянні варіантів одного і того ж трансформатора основним показником є втрати.
Хоча коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів перевищує 99 відсотків, вартість втрат за весь термін експлуатації, наведена на момент установки трансформатора, може перевищити його ціну. Виходячи з графіка навантаження трансформатора та вартості електричної енергії, можна визначити річну вартість втрат холостого ходу та навантажувальних втрат. Вартість втрат у кожному році всього терміну служби трансформатора може бути покрита річним доходом, отриманим від суми у банку, покладеному під складний відсоток під час встановлення трансформатора. Ця сума, достатня на оплату вартості втрат у кожному року терміну служби трансформатора і є капіталізованою вартістю втрат.
Повна капіталізована вартість - це сума вартості установки трансформатора (включаючи його ціну) та капіталізованої вартості втрат. Існує зворотна залежність цих величин. Тому існує оптимум повної вартості за зміни технічних та економічних характеристик трансформатора.
Можливо виконати розрахунки для кожного року з огляду на зміни різних параметрів з часом: вартості енергії, втрат та розміру банківського відсотка. Важко передбачити зміни цих параметрів за 25-річний термін служби. Тому приймаються постійні значення параметрів та розрахунки зводяться до визначення двох складових: втрат холостого ходу та навантажувальних втрат.
Але це тема іншої статті.
існує перевірена на лабораторній установці технологія зниження втрат ХХ силового трансформатора технічним способом до 1% від номінального рівня без зміни параметрів потужності, що генерується, в даний час патентується.