Обоснование создания мобильного измерительного комплекса по оценке потерь электроэнергии в силовых трансформаторах

Введение. В настоящее время в сельских распределительных сетях эксплуатируется большое количество силовых трансформаторов, отработавших нормативный срок службы [7,10]. В процессе эксплуатации силовых трансформаторов увеличиваются потери холостого х ода, что происходит в результате старения магнитной системы, изменения структуры металла, ухудшения межлистовой изоляции, ослабления прессовки сердечника трансформатора [2…5,7,9]. Ранее предполагалось, что потери холостого хода за весь срок эксплуатации (35-40 лет) в исправных трансформаторах будут увеличиваться не более чем на 5% по сравнению с результатами, полученными в ходе заводских испытании. В работах [1,2,10,11] показано, что в реальности потери холостого хода в трансформаторах увеличиваются в большей степени, что является источн иком повышенных затрат электросетевых организаций на 36

оплату потерь электроэнергии. При этом разница фактических и расчетных потерь холостого хода относится к коммерческим потерям, что не позволяет обосновать более высокий тариф на электроэнергию, а также направляет сетевую организацию в неправильном направлении поиска потерянных киловатт-часов. Так, по сути технические потери в трансформаторах относятся к коммерческим.

Существующие методы оценки потерь холостого хода силовых трансформаторов не позволяют осуществлять ее в процессе эксплуатации без отключения нагрузки [7]. Поэтому необходимо разработать новые методы оценки потерь холостого хода, которые позволят осуществлять экспресс-оценку без снятия нагрузки с трансформатора, следовательно, избегая необоснованных перерывов в электроснабжении потребителей электроэнергии.

Статистика. Для оценки статистических данных по трансформаторному парку Кромского филиала ОАО «Орелоблэнерго», традиционными методами (в соответствии с требованиями ГОСТ 3484.1), были проведены измерения потерь холостого хода трансформаторов, установленных в филиале. Полученные данные указаны в таблице 1. Так же в таблице 1 приведены паспортные значения потерь холостого хода трансформаторного парка.

Из анализа представленных статистических данных можно сделать вывод, что средний срок эксплуатации трансформаторов филиала составляет 31,6 лет, потери холостого хода эксплуатируемых силовых трансформаторов в среднем превышают паспортные на 23%. Их отличие необходимо учитывать при расчете нормативного уровня потерь электроэнергии в электрических сетях [2]. Увеличение потерь холостого хода на 10% повысит суммарные потери в трансформаторах на 12%. Большинство сельских силовых трансформаторов работает в режиме малых нагрузок, поэтому доля потерь холостого хода в общих потерях трансформаторов является значительной [7]. При этом не всегда напрямую прослеживается зависимость увеличения потерь от срока эксплуатации, в некоторых случаях более новые трансформаторы имеют большее превышение потерь холостого хода по сравнению со старыми. Это говорит о необходимости проведения экспресс-оценок потерь холостого хода в трансформаторах для получения более объективной информации по сравнению с получаемой посредством моделирования [10].

Таблица 1 - Потери холостого хода трансформаторов, эксплуатируемых в Кромском филиале ОАО «Орелоблэнерго»

Обзор способов совершенствования конструкции трансформаторов. Различными авторами, научными и производственными коллективами ведутся работы по совершенствованию конструкции силовых трансформаторов с целью снижения потерь холостого хода. Так, непрерывно совершенствуется качество электротехнической стали. Для широко применяемых сортов холоднокатаной, ориентированной, с высокой магнитной проницаемостью стали с высоким содержанием кремния 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, имеет удельные потери на 20% меньше, чем сталь толщиной 0,3 мм [5]. 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 [4].

Последние разработки в области трансформаторостроения опираются на применение стали с содержанием кремния 3%, имеющей низкую магнитострикцию и допустимые потери. Применение пониженной индукции в сердечнике позволяет не только уменьшить потери в нем. но и существенно снизить уровень шума от трансформатора. Решение принимается на основе технико-экономических соображений [9].

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 [6]. Преимущества ВТСП-трансформаторов следующие: снижение нагрузочных потерь на 90%, уменьшение массы до 40%, ограничение токов КЗ, снижение реактивных сопротивлений, хорошая перегрузочная способность (до 100% длительно), низкий уровень шума. При освоенном производстве такой трансформатор на 20% дешевле обычного той же мощности [6]. Все указанные выше решения позволяют снизить потери холостого хода во вновь создаваемых трансформаторах. Проблема же завышенных потерь в установленных на предприятии электрических сетей трансформаторов остается не решенной.

Обоснование создания мобильного измерительного комплекса по оценке потерь электроэнергии в силовых трансформаторах . В то же время, на сегодняшний день на рынке отсутствуют измерительные комплексы или приборы, позволяющие производить оценку потерь холостого хода в с иловых 39

трансформаторах в процессе эксплуатации, на месте их установки без отключения нагрузки. Способ измерения и электроизмерительная лаборатория, разработанные Цицориным А.Н. [7], позволяет проводить измерения потерь холостого хода в процессе эксплуатации, но требует, на время измерений, отключения нагрузки. Это приводит к недоотпуску электроэнергии потребителям.

Необходимо создание мобильного измерительного комплекса, предполагающего возможность проведения оценки потерь холостого хода, потерь короткого замыкания в силовых трансформаторах без отключения нагрузки. Это позволит достичь следующих результатов:

• -    снижение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах и снижение расходов на их оплату путем выявления и замены трансформаторов с завышенными потерями холостого хода;

• -    совершенствование организации работы по замене силовых трансформаторов посредством эффективного планирования и распределения инвестиций;

• -    повышение точности расчета потерь электроэнергии в силовых трансформаторах и правильности отнесения потерь к техническим и коммерческим;

• -    даст возможность опираться на реальные измерения и оценки потерь электроэнергии при расчете тарифов на электроэнергию;

• -    предотвращение необоснованных перерывов в электроснабжении потребителей и снижение ущербов от недоотпуска электроэнергии.

Экономический эффект проекта по созданию такого комплекса складывается из многих, указанных выше составляющих. Одна из основных составляющих - снижение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах за счет замены трансформаторов с повышенными потерями холостого хода. Например, в течение года сто трансформаторов мощностью 25 кВА, имеющих потери холостого хода в среднем выше паспортных на 50%, по сравнению с новыми трансформаторами (с потерями на уровне паспортных) дают следующее увеличение потерь электроэнергии:

А = 100^8760" (АРп - АРпасп) = 100-8760-(0,195-0,13) = 56940 кВтч где 100 - количество трансформаторов, шт.; 8760 - количество часов в году, ч; АРп - потери мощности холостого хода в старом трансформаторе, 0,195 кВтч; АРпасп - потери мощности холостого хода в новом трансформаторе, 0,13 кВтч.

Это значение потерь требует дополнительной оплаты за них в размере 228 тыс. руб., при стоимости электроэнергии 4 руб/кВт·ч, что эквивалентно затратам на закупку трех трансформаторов при стоимости каждого более 60-ти тысяч рублей. Данный «эффект на объеме» можно использовать при планировании замен трансформаторов, срок службы 140

которых подходит к концу. В настоящее время замена трансформаторов по критерию уровня потерь холостого хода не проводится.

Эффект есть и при замене единичных трансформаторов, срок службы которых еще не исчерпан, но потери холостого хода превышают паспортные значения. Расчеты показывают, что рентабельность замены трансформаторов растет при повышении их мощности. Так, рентабельно производить замену трансформаторов мощностью 25 кВА при превышении потерь холостого хода по отношению к паспортным на 70%, а для трансформаторов мощностью 100кВА – на 40%.

Выводы:

• 1.    Проведенный анализ потерь холостого хода в трансформаторах, эксплуатируемых Кромским филиалом ОАО «Орелоблэнерго» свидетельствуют о том, что заявленные паспортные данные разняться с измеренными данными. С увеличением срока эксплуатации силовых трансформаторов, увеличиваются потери холостого хода.

• 2.    Различными авторами разработано большое количество технических решений по совершенствованию конструкции силовых трансформаторов, но проблема оценки потерь холостого хода в установленных трансформаторах без отключения их от нагрузки остается не решенной.

• 3.    Авторами обосновывается необходимость создания мобильного измерительного комплекса для оценки потерь электроэнергии в силовых трансформаторах под нагрузкой. Применение такого комплекса является экономически целесообразным за счет снижения потерь электроэнергии в силовых трансформаторах и снижения расходов на их оплату путем выявления и замены трансформаторов с завышенными потерями холостого хода, предотвращения необоснованных перерывов в электроснабжении потребителей и снижения ущербов от недоотпуска электроэнергии.