Аннотация:Изучение причин возникновения потерь и путей их снижения является основой для повышения эффективности использования энергетических ресурсов. В статье рассмотрен расчет потерь мощности в трансформаторах, а также способы их снижения. Предложено использовать различные мероприятия по снижению потерь мощности.
Ключевые слова:трансформатор, потери, холостой ход, короткое замыкание, сопротивление, обмотки.
Основными характеристиками трансформатора являются, прежде всего, напряжение обмоток и передаваемая трансформатором мощность. Передача мощности от одной обмотки к другой происходит электромагнитным путем, при этом часть мощности, поступающей к трансформатору из питающей электрической сети, теряется в трансформаторе. Потерянную часть мощности называют потерями.
При передаче мощности через трансформатор напряжение на вторичных обмотках изменяется при изменении нагрузки за счет падения напряжения в трансформаторе, которое определяется сопротивлением короткого замыкания. Потери мощности в трансформаторе и напряжение короткого замыкания также являются важными характеристиками. Они определяют экономичность работы трансформатора и режим работы электрической сети [1–25].
Потери активной и реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах разделяются на потери в стали и потери в меди (нагрузочные потери). Потери в стали – это потери в проводимостях трансформаторов. Они зависят от приложенного напряжения. Нагрузочные потери – это потери в сопротивлениях трансформаторов. Они зависят от тока на грузки [2].
Потери мощности в трансформаторе являются одной из основных характеристик экономичности конструкции трансформатора. Полные нормированные потери состоят из потерь холостого хода (XX) и потерь короткого замыкания (КЗ). При холостом ходе (нагрузка не присоединена), когда ток протекает только по обмотке, присоединенной к источнику питания, а в других обмотках тока нет, мощность, потребляемая от сети, расходуется на создание магнитного потока холостого хода, т.е. на намагничивание магнитопровода, состоящего из листов трансформаторной стали.
Поскольку переменный ток изменяет свое направление, то направление магнитного потока также меняется. Это значит, что сталь намагничивается и размагничивается попеременно. При изменении тока от максимума до нуля сталь размагничивается, магнитная индукция уменьшается, но с некоторым запаздыванием, т.е. размагничивание задерживается (при достижении нулевого значения тока индукция не равна нулю точка N). Задерживание в перемагничивании является следствием сопротивления стали переориентировке элементарных магнитов [3].
Кривая намагничивания при перемене направления тока образует так называемую петлю гистерезиса, которая различна для каждого сорта стали и зависит от максимальной магнитной индукции Вmax. Площадь, охватываемая петлей, соответствует мощности, затрачиваемой на намагничивание. Так как при перемагничивании сталь нагревается, электрическая энергия, подводимая к трансформатору, преобразуется в тепловую и рассеивается в окружающее пространство, т.е. безвозвратно теряется. В этом физически и заключаются потери мощности на перемагничивание.
Кроме потерь на гистерезис при протекании магнитного потока по магнитопроводу возникают потери на вихревые токи. Как известно, магнитный поток индуктирует электродвижущую силу (ЭДС), создающую ток не только в обмотке, находящейся на стержне магнитопровода, но и в самом его металле. Вихревые токи протекают по замкнутому контуру (вихревое движение) в месте стали в направлении, перпендикулярном направлению магнитного потока.
Для уменьшения вихревых токов магнитопровод собирают из отдельных изолированных листов стали. При этом чем тоньше лист, тем меньше элементарная ЭДС, меньше созданный ею вихревой ток, т.е. меньше потери мощности от вихревых токов. Эти потери тоже нагревают магнитопровод. Для уменьшения вихревых токов, потерь и нагревов увеличивают электрическое сопротивление стали путем введения в металл присадок.
В любом трансформаторе расход материалов должен быть оптимальным. При заданной индукции в магнитопроводе его габарит определяет мощность трансформатора. Поэтому стараются, чтобы в сечении стержня магнитопровода было как можно больше стали, т.е. при выбранном наружном размере коэффициент заполнения КЗ должен быть наибольшим. Это достигается применением наиболее тонкого слоя изоляции между листами стали. В настоящее время применяется сталь с тонким жаростойким покрытием, наносимым в процессе изготовления стали и дающим возможность получить Кз = 0,95−0,96.
При изготовлении трансформатора вследствие различных технологических операций со сталью, ее качество в готовой конструкции несколько ухудшается и потери в конструкции получаются примерно на 25–50 % больше, чем в исходной стали до ее обработки (при применении рулонной стали и прессовки магнитопровода без шпилек).
Потери мощности и электроэнергии достигают значительных величин и являются одним из основных фактов, влияющих на экономичность сетей. Большая часть потерь электроэнергии (60 – 70%) приходится на сети напряжением 6 – 10 кВ [4]. Поэтому перечисленные ниже мероприятия относятся к сетям этих напряжений и к электроприемникам [5, 6] :
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:
Качество электротехнической стали совершенствуется непрерывно. 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.
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 0,18 мм прогнозируется снижение удельных потерь до 0,3 Вт/кг .
Активно разрабатываются аморфные стали. По сравнению с обычной сталью потери в них в 3–4 раза меньше.
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 в сердечнике 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:
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.
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.
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.
Компенсация реактивной мощности – один из эффективных методов экономии электроэнергии. Потери реактивной мощности в сети очень велики, достигают 50 % от реактивной мощности, поступающей в сеть. Чтобы снизить потери применяют компенсирующие устройства (КУ), которые являются источниками реактивной мощности. Чтобы не загружать линию большой мощностью, КУ ставят вблизи потребителей.
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.<\p>