Оценка экономичности работы силовых трансформаторов энергосистемы

Для многих современных энергосистем характерно превышение установленной суммарной номинальной трансформаторной мощности над необходимой для трансформации электроэнергии. Избыток уже закладывается на стадии проектирования подстанций и связан с необходимостью обеспечения надежности электроснабжения (подстанции принимаются 2-х трансформаторными) и большой ступенью шкалы номинальных мощностей трансформаторов. В последнее время наблюдается дополнительный рост избыточной мощности, связанный со спадом промышленного производства, переходом потребителя на энергосберегающие технологии.

Наличие избытка трансформаторной мощности имеет свои плюсы и минусы.

Плюс - увеличение ресурса работы трансформаторов из-за улучшения их теплового режима.

Минус - рост в структуре потерь электроэнергии доли потерь в трансформаторах.

Как известно, величина потерь электроэнергии при её передаче не просто важный показатель экономичности работы энергоситем, но и одна из основных составляющих, определяющих тариф на электроэнергию. Поэтому в снижении потерь электроэнергии заинтересованы все её потребители.

На сегодняшний день нельзя считать, что выявлены все общие закономерности достижения экономичных режимов работы трансформаторов, особенно в части влияния избыточной трансформаторной мощности.

В данной статье приводятся результаты исследований условий обеспечения экономичной работы трансформаторов, влияния величины избыточной трансформаторной мощности на потери электроэнергии.

При проведении исследований проводился критериальный анализ математической модели потерь электроэнергии в трансформаторах, данные режимных дней филиала ОАО «МРСК «Центра» - «Орелэнерго», данные о структуре технологических потерь электроэнергии филиала в 2013 г.

Для проведения критериального анализа была обоснована математическая модель потерь электроэнергии в трансформаторах энергосистемы.

За основу модели принято общеизвестное выражение [1]

ДЭ_Т р = ЙДР^ * Т + ЙДР_КЗ ; (^)²К ф, * Т,   (1)

•^HOMl позволяющее рассчитывать потери электроэнергии в трансформаторах, работающих в течение периода времени Т.

Приняв допущения:

ДР хх , ДР_К з1 линейно зависят от номинальной мощности трансформатора;

cos ^ и К ф мало различаются для нагрузки разных подстанций, выражение для расчета потерь электроэнергии в эквивалентном трансформаторе можно записать:

Д Э тэкв = Д Э тр = К -¹ * Д Р хх экв 0 * Т + К з * К ф *

△ Р кз экв 0 * ^{Т          (2)}

Взяв производную от этого выражения по коэффициенту загрузки, приравняв её нулю, получим формулу для определения оптимального по потерям энергии коэффициента загрузки эквивалентного трансформатора:

'''V.¹'    . к опт = ^ДР ххо /(ДР кзО * К ф ) (3)

Выражение приобретает общеизвестный вид, если рассматривать единичный трансформатор при неменяющемся графике нагрузки ( К ф =1).

Критериальный анализ предполагает нахождение ряда характеристик [2]:

• 1 . Соразмерность (в данном случае это соотношение между составляющими потерь при оптимальном коэффициенте загрузки).

• 2 . Чувствительность (изменение потерь энергии при отклонении от оптимального коэффициента загрузки).

Соразмерность находим, подставляя (3) в (2).

При оптимальном коэффициенте загрузки (обеспечивающим ДЭ_Т р = min ) потери энергии в стали трансформатора равны потерям в меди, т.е.

ДЭ_0П т* = 1/2 + 1/2            (4)

Полученное соотношение позволяет сформулировать достаточно простой принцип выбора действий, направленных на снижение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах. Они должны быть направлены на выравнивание величин потерь в стали и меди трансформаторов.

Приняв средние для ДР_ххо/ДР_кз0 и К ф значения, получаем выражение

ДЭ тр* = 1/(4 * К * К ф ) + К з * К ф ,      (5)

позволяющее оценить чувствительность потерь.

Графически характеристика представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Чувствительность потерь электроэнергии к изменению коэффициента загрузки трансформаторов.

Кз	∆Э тр∗	∆Э ст ∆Эм
0,05	4,4	75,7
0,1	2,28	18,8
0,2	1,42	4,7
0,3	1,07	2,1
0,4	1,003	0,52
0,5	1,009	0,42
0,6	1,05	0,35
0,7	1,115	0,3
0,8	1,19	0,26
0,9	1,27	0,23
1,0	1,37	0,19

На зависимости можно выделить две зоны: а)Малочувствительная зона.

В области к тр _опт (при принятых ДР хх _о/ДР_кз0 и К ф , к_тр опт = 0,43 ) функция полога (малочувствительна к изменению оптимизируемого параметра).

Из-за этого, при попадании в зону значений к_загр = 0,3 ^ 0,7 , достигается практически все возможное снижение потерь электроэнергии (остается <10% снижения потерь).

• б ) Высокочувствительная зона.

Она соответветствует к 3 <0.3. При применении мероприятий, направленных на увеличение коэффициента загрузки трансформаторов, потери электроэнергии могут быть существенно уменьшены – в 2,5-1,5 раза, если при этом к_загр меняется с 0,1 до 0,3.

Как найденные характеристики соотносятся с показателями реальных энергосистем рассмотрим на примере филиала ОАО «МРСК «Центра» - «Орелэнерго».

Данные о структуре технологических потерь электроэнергии за 2013 год приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Структура технологических потерь электроэнергии филиала ОАО “МРСК Центра – “Орелэнерго” в 2013г.

Составляющие потерь	110 кВ		35 кВ		6-10 кВ
	Тыс. кВт*ч	%	Тыс. кВт*ч	%	Тыс. кВт*ч	%
1. Условнопостоянные
1.1. Холостой ход трансформаторов	19074,9	17,6	7653,4	47,1	252779,0	53,8
1.2. Корона и токи	4412,7	4,1	2022,1	12,4	6518,7	13,7

утечки
1.3. Прочие	4637,6	4,2	2416,0	14,8	331,0	0,1
2. Нагрузочные
2.1. Трансформаторы	3556,1	3,3	907,4	5,6	1402,7	2,9
2.2. Линии	76314,9	70,6	3257,3	20,0	13877,7	29,0
2.3. Прочие	142,6	0,1	0	0	11,3	0
3.Всего	1084338,9	100	16256,3	100	47420,5	100
4 Отношение ДЭ хх тр /ДЭ нагр тр	5,36		8,43		18,2

Анализ данных таблицы 1 показывает высокую долю в структуре потерь электроэнергии потерь в трансформаторах. В зависимости от уровня напряжения она меняется от 20% (110кВ) до 70% (6-10кВ). Причем, для всех уровней напряжений преобладающей в потерях трансформаторов являются потери в стали.

Соотношение между этими составляющими для трансформаторов с высшим номинальным напряжением составляют: 110кВ -5,36; 35кВ – 8,43;6-10кВ – 18,03.

Найденные для этих напряжений средние коэффициенты загрузки трансформаторов показывают, что для всех уровней напряжений они попадают в высокочувствительную зону.

Так для уровней напряжения:

6-10кВ –К ср =0,1, ∆Э тр∗ =2,28;

35кВ – К ср =0,15, ∆Э тр∗ =1,75;

110кВ – К ср =0,2, ∆Э тр∗ =1,48.

То есть меры, направленные на выравнивание потерь в энергосистеме, будут высокоэффективны.

Выводы

• 1.    Получены критериальные характеристики потерь электроэнергии силовых трансформаторов энергосистемы, которые можно использовать при количественной оценке эффективности мероприятий по снижению потерь.

• 2.    Мероприятия, направленные на снижение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах филиала ОАО «МРСК «Центра» - «Орелэнерго», могут в 1,5-2,3 раза уменьшить величину этих потерь.

The results of studies of cost-effective modes of operation of transformers, high efficiency of measures to reduce losses in the steel transformers.