8.3. Об экономической нагрузке силовых трансформаторов

Значительная часть энергии в энергосистеме теряется в силовых трансформаторах. По данным, приведенным в /47/ в 1975 г., потери в них составили 7% от всей выработанной электроэнергии в стране (СССР) или 70 млрд. кВт.ч. Доля потерь в силовых трансформаторах имеет тенденцию к нарастанию в связи с ростом соотношения мощности трансформаторов к мощности генераторов. Особенно велики потери в трансформаторах сетей 6-10 кВ, которые составляют 67% от общих потерь в этих сетях; в трансформаторах 35-110 кВ теряется более 45% от потерь в сетях; немалые потери энергии имеют место и в повышающих трансформаторах. Очевидно, что вопросы снижения потерь энергии в силовых трансформаторах являются актуальными.

Как известно, потери энергии в трансформаторах складываются из потерь энергии холостого хода (потери в магнитопроводе) и потерь энергии короткого замыкания (потери в обмотках):

f831 ,              (8.3.1)

где Px и PK — потери холостого хода и короткого замыкания, Т — время работы, αM — отношение максимальной нагрузки к номинальной мощности трансформатора, t — время максимальных потерь.

Нагрузка трансформатора, при котором КПД максимален, определяется из формулы

f832,            (8.3.2)

где — коэффициент загрузки трансформатора, выраженный в долях от номинальной мощности Sн.

Приняв величину α за аргумент, находят максимальное значение функции ή. Для этого определяют первую производную и, приняв ее за нуль, получают:

f833.                        (8.3.3)

Потери энергии за год будут минимальными, если среднеквадратичная загрузка трансформатора αCP будет равна α:

αCP = α                         (8.3.4)

Значению αCP соответствует среднеквадратичное значение потерь мощности в трансформаторе

f835.                         (8.3.5)

Аналогично тому, как определяется α, можно найти значение αCP, при котором будет иметь место минимум потерь энергии в течение года. Это будет при равенстве потерь энергии холостого хода и энергии короткого замыкания

f836,                               (8.3.6)

откуда

f837.                                              (8.3.7)

Формула (8.3.7) позволяет определить оптимальную загрузку силового трансформатора по известным его параметрам Рх и Рк и в зависимости от характера нагрузки.

Исходя из (8.3.3) и (8.3.4), мощность трансформатора по условиям минимума потерь энергии равна

f838,                  (8.3.8)

или исходя из (8.3.7)

f839,               (8.3.9)

где — среднеквадратичное значение нагрузки.

Из (8.3.8) и (8.3.9) видно, что для любого графика нагрузки существует соотношение

или .          f8310 (8.3.10)

При пользовании формулой (8.3.3) коэффициент загрузки αCP получается в пределах 0,45-0,55, так как трансформаторы выпускаются с соотношением h=3,3-5,0. Обычно в проектной практике пользуются максимальными значениями нагрузки Sм, по которым определяется и загрузка трансформаторов, т.е. берут α = αM. Это ведет к тому, что αCP оказывается значительно ниже оптимального значения. Это одна из причин того, что находящиеся в настоящее время в эксплуатации силовые трансформаторы имеют низкую загрузку и многие из них работают в неоптимальном режиме по условиям минимума потерь энергии. Подтверждением этому являются приводимые данные о низкой эксплуатационной загрузке трансформаторов /48,49/, что ведет к неоправданной необходимости расширения производства трансформаторов и увеличения капитальных затрат на трансформацию электроэнергии.

Высказанные в /48/ соображения по снижению затрат на трансформацию электроэнергии на основании анализа большого количества данных об обследовании эксплуатационной среднегодовой и максимальной загрузок трансформаторов хорошо подтверждаются излагаемыми нами теоретическими выкладками.

Зависимость αM от времени максимальных потерь t показана на рис.8.3.1, откуда видно, что чем меньше значение t, тем выше должна быть загрузка (αM) трансформатора по условиям минимума потерь энергии. Загрузка по среднему значению αCP не зависит от t. При этом нагрузка трансформатора αM не должна превышать допустимой величины по условиям допустимого нагрева обмоток и масла трансформатора, а также по условиям износа изоляции согласно ГОСТ 14209-85.

Менее, чем положено по условиям минимума потерь энергии, загружены трансформаторы энергосистем напряжением 110-330 кВ и промышленных предприятий. Наиболее характерна для этой группы трансформаторов загрузка αM = 0,53-0,65. На некоторых предприятиях отмечается еще более низкая эксплуатационная загрузка трансформаторов. Так, по данным /74/ она составляет 0,35 и менее.

pic831

Рис. 8.3.1

Расчеты по формуле (8.3.7) показывают, что при значениях t=1500-3000 ч, характерных для нагрузок этих трансформаторов, и соотношении Рк и Рх равном h = 5, загрузка их по минимуму потерь должна составлять αM = 0,76-1,08.

Трансформаторы городских и сельских сетей 10 кВ имеют эксплуатационную загрузку αM = 0,55 — 1,07 /47/. Расчеты по формуле (8.3.7) при значениях t = 400-1500 ч и h = 5 показывают, что их загрузка по минимуму потерь энергии должна быть в пределах αM = 1,1 — 2,0. Эту группу трансформаторов целесообразно загружать максимально с учетом нагрузочной способности.

Согласно ГОСТ 14209-85 трансформаторы, имеющие малое число часов перегрузки, могут перегружаться в большей степени до αM = 2. Имеется корреляционная связь между загрузкой по минимуму потерь и допустимой нагрузки по износу изоляции, что позволяет трансформаторы малых мощностей городских и сельских сетей, имеющие нагрузки с низким значением t, выбирать с большей перегрузкой. Более полное использование трансформаторной мощности позволяет, как уменьшить потери энергии, так и уменьшить первоначальные капиталовложения.

Однако, надо иметь в виду, что при эксплуатации трансформаторов с нагрузкой, превышающей их номинальную мощность, увеличивается риск возникновения недопустимых перегрузок за счет непредвиденных случайных набросов нагрузки, поэтому они потребуют более внимательного контроля за ними. Эта группа трансформаторов требует усиления из нагрузочной способности, например, за счет применения более интенсивных систем охлаждения.

На двухтрансформаторных подстанциях с целью резервирования устанавливаются трансформаторы завышенной мощности. В нормальном режиме часто имеет место неоптимальный режим их загрузки по условиям минимума потерь энергии. На таких подстанциях можно было бы выбирать трансформаторы меньшей мощности при использовании более интенсивной системы охлаждения в аварийных режимах (при отключении одного из трансформаторов). Это может быть более экономичным.

Совсем иную картину представляет работа трансформаторов, имеющих нагрузки большой плотности (высокое значение Тм и соответственно t). К ним относятся повышающие трансформаторы и трансформаторы собственных нужд (ТСН) электростанций.

Повышающие трансформаторы имеют загрузку αM = 0.9, а трансформаторы собственных нужд (ТСН) — 0.8, нагрузки характеризуются значениями t = 5000 — 6000ч /48/. Оптимальная загрузка этих трансформаторов по минимуму потерь энергии должна составлять αM = 0,6 — 0,7 при соотношении Рк и Рх, равном h = 3,2 — 4,3.

Чтобы снизить потери мощности в этих трансформаторах, необходимо их принимать в 1,2-1,4 раза большей мощности, чем мощность генераторов или нагрузка собственных нужд. Так, например, если вместо трансформатора ТДЦ-200 МВА (121 кВ) применить трансформатора ТДЦ-250 МВА, потери будут на 0,5 млн.кВт.ч меньше, и, если вместо трансформатора собственных нужд ТДНС-10 МВА применить трансформатор ТДНС-16 МВА, потери снижаются почти на 30%. В том и другом случае разница в стоимости трансформатора окупается в течение 4-5 лет.

Предлагаемая нами методика определения нагрузки силового трансформатора по минимуму потерь энергии позволяет критически подходить и к практике их проектирования.

Соотношение потерь мощностей Рк и Рх по условиям минимума потерь энергии составляет

h = T/ αM2 t.

При проектировании трансформатора можно получить практически любое соотношение между потерями короткого замыкания и холостого хода, так как оно определяется соотношением между количеством меди и активной стали, заложенных в трансформатор /50/.

Ориентировочный анализ показывает, что все понижающие трансформаторы не требуют изменения соотношения Рк и Рх. Наоборот, какие-либо изменения h ведут к нежелательным изменениям параметров и повышению их стоимости.

Для повышающих трансформаторов и ТСН требуется снижение Рк потерь в меди, что вызывает увеличение Рх и снижение значения h. При значениях загрузки αM = 0,9, Т = 8000 ч и t = 5000 ч повышающие трансформаторы должны иметь h = 2; ТСН при αM = 0,8 должны иметь h = 2,5. Такие изменения параметров вызовут повышение затрат стали и некоторое повышение стоимости трансформаторов. Принятие решения об изменении параметров повышающих трансформаторов и ТСН требует в каждом случае технико-экономического обоснования. Расчеты показывают, что при снижении соотношения потерь Рк и Рх потери энергии могут уменьшиться на 15-30%.

Согласно общепринятой методике критерием выбора оптимальной мощности трансформатора является минимум приведенных годовых затрат. Коэффициент максимальной загрузки по минимуму затрат

f8312,                            (8.3.12)

где К — капвложения, Ен — нормативный коэффициент эффективности,

Рх‘ и Рк‘ — приведенные потери, Сэх и Сэк — стоимость единицы потерянной энергии холостого хода и короткого замыкания.

Расчеты по (6.8.12) показывают, что загрузка по минимуму затрат выше, чем по минимуму потерь энергии. Зависимость αM от t имеет такой же характер, как и зависимость αM = f(t) (рис.8.3.1).

Загрузка трансформатора по условиям минимума приведенных затрат всегда выше, чем по условиям минимума потерь энергии.

Расчеты по предлагаемой методике определения нагрузки силового трансформатора по условиям минимума потерь энергии показывают, что понижающие трансформаторы по условиям минимума потерь энергии требуют более высокой загрузки, чем они имеют на практике; повышающие трансформаторы и трансформаторы собственных нужд по условиям минимума потерь требуют более низкой загрузки или уменьшения соотношения потерь мощности короткого замыкания и холостого хода.

Содержание главы:

Содержание книги:

Статьи и книги по теме:

Посмотреть все записи с меткой: