Дополнительные потери электроэнергии в силовых трансформаторах 10/0, 4 кВ

Политика нашего государства в данный момент направлена на энергосбережение и повышение энергоэффективности [1]. К 2020 году ставится цель значительного снижения потерь электроэнергии и повышения эффективности расхода энергоресурсов. В сельских электрических сетях наиболее распространены трансформаторы с соединением обмоток «звезда — звезда с нулем», которые обладают высоким сопротивлением нулевой последовательности. Часть дополнительных потерь электроэнергии в сети 0,38 кВ происходит в силовом трансформаторе (СТ) 10/0,4 кВ. Так как нагрузка в сельской коммунально-бытовой сети является несимметричной и с каждым годом количество нелинейных нагрузок, генерирующих в электрическую сеть высшие гармоники тока, увеличивается, применяемые СТ становятся малоэффективными.

С целью анализа структуры потерь электроэнергии в СТ, посредством сертифицированных анализаторов качества электроэнергии «Hioki 3196», «Энергомонитора 3.3 Т» и «Энергомонитора 3.3» на вводе 0,4 кВ были получены суточные базы данных об основных электрических величинах с минутным усреднением. Исследованы 28 вводов 0,4 кВ ТП 10/0,4 кВ, питающих коммунально-бытовую нагрузку, и получены 37 суточных баз данных. По полученным данным были рассчитаны суточные потери электроэнергии в СТ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем», зависящие от нагрузки.

Нагрузочные потери электроэнергии в СТ можно разложить на составляющие [2]:

ДW_У = ДW_1АКТ + ДW_Д.Н + ДW_Д.ВГ + ДW_Д.РМ ,.

где ДW_1АКТ — активные потери электроэнергии в СТ, то есть потери электроэнергии в обмотках СТ от протекания активного тока прямой последовательности основной гармоники, Вт•ч;

ДW_Д.Н — дополнительные потери электроэнергии в СТ из-за несимметрии токов, Вт•ч.

ДW_Д.ВГ — дополнительные потери электроэнергии в СТ от протекания по сети токов высших гармоник, Вт•ч.

ДW_Д.РМ — дополнительные потери электроэнергии в СТ от протекания по сети реактивного тока прямой последовательности основной гармоники, Вт•ч.

Первая составляющая — активные потери электроэнергии в СТ представляют собой потери необходимые для передачи электроэнергии и равны ДW_1АКТ = 3•У (I₁•cos (ц₁))²•r_кз•Дt,.

где I₁ — ток прямой последовательности основной частоты, А;

ц₁ — угол между током и напряжением прямой последовательности основной частоты, град;

r_кз — сопротивление короткого замыкания трансформатора для прямой последовательности основной частоты, Ом;

Дt — интервал времени, в течение которого действует токовая нагрузка, Дt=1/60 ч.

В тех случаях, когда не было непосредственно измеренного значения угла между током и напряжением прямой последовательности основной частоты ц₁, угол определялся как среднее арифметическое углов между током и напряжением трех фаз:

ц₁ = (ц_A + ц_B + ц_C)/3,.

где, ц_A, ц_B, ц_C, — углы между током и напряжением фаз A, B и C, град;

Три оставшихся составляющих нагрузочных потерь электроэнергии не обоснованы передачей активной мощности и являются дополнительными потерями электроэнергии:

ДW_Д = ДW_Д.Н + ДW_Д.ВГ + ДW_Д.РМ,.

где ДW_Д — дополнительные потери электроэнергии в СТ, Вт•ч.

В дополнительные потери электроэнергии в СТ из-за несимметрии токов, включались потери электроэнергии в обмотках СТ от протекания токов обратной и нулевой последовательностей основной гармоники [3]:

ДW_Д.Н = ДW₂ + ДW₀ ,.

гдеДW₂ = 3•УI₂²•r_кз•Дt — потери электроэнергии от протекания тока обратной последовательности основной гармоники, Вт•ч;

ДW₀ = 3•УI₀²•r_0кз•Дt — потери электроэнергии от протекания тока нулевой последовательности основной гармоники, Вт•ч;

I₂, I₀ — токи обратной и нулевой последовательностей основной частоты, соответственно, А;

r_0кз — сопротивление короткого замыкания СТ для нулевой последовательности основной частоты, для СТ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» r_0кз = (9ч11)• r_кз, Ом.

Дополнительные потери электроэнергии в СТ от протекания по сети токов высших гармоник рассчитывались как:

ДW_Д.ВГ = У ДW_(х),.

где х — номер соответствующей гармоники;

ДW_(х) = ДW_{A (х)} + ДW_{B (х)} + ДW_{C (х)} + ДW_{N (х)} — потери электроэнергии в СТ от протекания токов х-ой гармоники, Вт•ч;

ДW_{A (х)}, ДW_{B (х)}, ДW_{C (х)} — потери электроэнергии в соответствующем фазном проводнике от протекания тока х-ой гармоники, Вт•ч;

ДW_{N (х)} — потери электроэнергии в нулевом проводнике от протекания тока х-ой гармоники, Вт•ч.

Потери электроэнергии в фазных и нулевом проводах для СТ от протекания высших гармоник тока оценивались выражениями [4]:

ДW_{Ф (х)} = 3•УI_{Ф (х)}²•r_кз•Дt•k_(х)•(1+0,05•х²),.

ДW_{N (х)} = 3•УI_{N (х)}²•r_кзN•Дt•k_(х)•(1+0,05•х²),.

гдеI_{Ф (х)}, I_{N (х)} — токи соответствующего фазного и нулевого провода, А;

r_кзN, — сопротивления нулевого провода силового трансформатора, для СТ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» r_кзN = 3• r_кз, Ом;

k_(х) = 0,47•vх — коэффициент, учитывающий увеличение активного сопротивления вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости;

1+0,05•х² — коэффициент, учитывающий потери от вихревых токов высших гармоник в магнитопроводе трансформатора.

Для снижения трудоемкости расчетов дополнительные потери электроэнергии в СТ от токов высших гармоник рассчитывались для наиболее значимых гармоник. Среди наиболее значимых гармоник установлены «3-я», «5-я», «7-я» и «9-я», на их долю приходится в среднем 96% величины действующего значения тока высших гармоник. Дополнительные потери в СТ от протекания по сети реактивного тока прямой последовательности основной гармоники определялись как:

ДW_Д.РМ = 3•У (I₁•sin (ц₁))²•r_кз•Дt.

В таблице 1 представлены значения отпуска электроэнергии в сеть W и потерь электроэнергии в СТ за сутки. В таблице 2 представлены доли составляющих потерь электроэнергии в СТ, отнесенные к суммарным потерям электроэнергии в СТ. обмотка трансформатор ток электроэнергия Таблица 1 — Значения отпуска электроэнергии в сеть и потерь электроэнергии в СТ за сутки.

Таблица 2 — Доли составляющих потерь электроэнергии в СТ, отнесенные к суммарным потерям, %.

Доли составляющих потерь электроэнергии в СТ были статистически обработаны.

Гипотеза о нормальном законе распределения значений переменных была подтверждена по критерию Шапиро-Уилка, следовательно, для долей составляющих потерь электроэнергии в СТ можно определить абсолютную Дx при надежности б=0,95 и относительную е погрешности усреднения, результаты статистической обработки отражены в таблице 3.

Таблица 3 — Результаты статистических исследований составляющих потерь электроэнергии в СТ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем», %.

Вычисления показали, что дополнительные потери электроэнергии в СТ соизмеримы с активными потерями электроэнергии, а на многих выводах даже превышают их.

Проанализировав усредненные доли потерь электроэнергии в СТ можно заключить, что наибольшие дополнительные потери возникают из-за несимметрии токов, несколько меньший вклад вносят дополнительные потери от протекания по сети реактивного тока прямой последовательности основной гармоники, наименьшая доля приходится на дополнительные потери электроэнергии от протекания по сети токов высших гармоник.

Выводы

• 1. В силовом трансформаторе 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» при одновременном воздействии несимметричных токов, высших гармоник тока и избыточной реактивной мощности общие дополнительные потери электроэнергии составляют (41,9±3,7)%; при е = 8,8%; б = 0,95 от нагрузочных потерь электроэнергии.
• 2. В силовом трансформаторе 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» при одновременном воздействии несимметричных токов, высших гармоник тока и избыточной реактивной мощности доля дополнительных потерь электроэнергии из-за несимметрии токов равна (21,0±4,0)%; при е = 19,1%; б = 0,95 от нагрузочных потерь электроэнергии.
• 3. В силовом трансформаторе 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» при одновременном воздействии несимметричных токов, высших гармоник тока и избыточной реактивной мощности на долю дополнительных потерь электроэнергии от протекания реактивного тока прямой последовательности основной гармоники приходится (15,3±1,9)%; при е = 12,1%; б = 0,95 в нагрузочных потерях электроэнергии.
• 4. В силовом трансформаторе 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» при одновременном воздействии несимметричных токов, высших гармоник тока и избыточной реактивной мощности на долю дополнительных потерь электроэнергии от протекания токов высших гармоник приходится (5,6±1,1)%; при е = 19,3%; б = 0,95 в нагрузочных потерях электроэнергии.

• 1. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации [Текст]: федер. закон N 261-ФЗ: [принят Гос. Думой 11 ноября 2009 г.: одобр. Советом Федерации 18 ноября 2009 г.].
• 2. Дрехслер, Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке: [пер. с чешск.] / Р. Дрехлеср.- Москва: Энергоатомиздат, 1985. — 112с.
• 3. Косоухов Ф. Д. Несимметрия напряжений и токов в сельских распре-делительных сетях [Текст] / Ф. Д. Косоухов, И. В. Наумов. — Иркутск, 2003 — 260 с.
• 4. Жежеленко И. В. Электрические потери от высших гармоник в системах электроснабжения [Текст] / И. В. Жежеленко // Электрика. — 2010. — № 4. С. 3−6.