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

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

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

Потери холостого хода для различных типов трансформаторов

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

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.

Литература

1. Константинов И.П., Законов И.А., Вакатов А.С., Коровин С.Н., Абдрахманов А.Р. Внедрение методики расчета технических потерь электроэнергии во внутристанционных электрических сетях генерирующих предприятий ОАО «Татэнерго». Сборник докладов 5-го научно-технического семинара-выставки «Нормирование и снижение потерь электрической энергии в электрических сетях». М.: ДиалогЭлектро, 2007.

2. Цырук С.А., Киреева Э.А. Повышение эксплуатационной надежности силовых трансформаторов, отработавших нормативный срок службы // Промышленная энергетика, № 3, 2008.

3. Алексеев Б.А. Крупные силовые трансформаторы. Конструкции и производство // Энергетика за рубежом. Приложение к журналу «Энергетик», вып. 2, 2007.

4. JanardhanV., GallowayD. 10 путей снижения потерь в распределительных трансформаторах//ElectricLight& Power, v. 79, № 10, 2001. - С. 26.

5. BaehrR. Современная технология трансформаторостроения и тенденция разработок на будущее //Electra, № 198, 2001. С. 13-19.

6. BeckleyPh. Современная электротехническая сталь // PowerEngen., v.13, № 4, 1999. - С. 190-200.

7. Проблемы создания и применения в электрических сетях устройств, использующих явления сверхпроводимости // В.В. Дорофеев, В.А. Черноплеков, В.Е. Кейлин и др.// Электричество, № 7, 2005. - С. 22-30.

8. ShahidenpourM. Прогресс в применении сверхпроводников для передачи электроэнергии // IEEEPower&ndEnergyMagazine, v. 3, № 2, 2005. - С.17-19.