CC BY
79УДК 621.314.21
АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРАНСФОРМАТОРОВ С СЕРДЕЧНИКАМИ ИЗ АМОРФНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЗАЩИТА ИХ С ПОМОЩЬЮ НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ*
В.Г. Гольдштейн, Л.М. Инаходова, A.A. Казанцев, E.H. Молочников
Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
E-mail: kazantzev@63.ru
Излагается описание зарубежного опыта эксплуатации, конструкционные особенности трансформаторов с аморфным магнитопроводом. Представлено технико-экономическое обоснование их использования в распределительных сетях РФ. Приведены результаты моделирования замены традиционных трансформаторов на трансформаторы с сердечником из аморфной стали. Отмечена необходимость улучшения защиты от перенапряжений с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений.
Ключевые слова: аморфные трансформаторы, аморфный сплав, энергосбережение, магнитопровод, нелинейные ограничители перенапряжений.
Экономия электрической мощности и энергии является важнейшим направлением развития современных электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ). Особое значение это направление приобрело в связи необходимостью повышения энергоэффективности использования электроэнергии и реализации программ энергосбережения. Суммарные потери электрической мощности и энергии (ПЭМЭ) являются одним из ключевых критериев результативности энергосбережения, которую вряд ли можно считать положительной даже в ведущих развитых странах и энергообъединениях.
Так, например, в течение последних десяти лет Федеральная электросетевая корпорация США оценивает потери в своих распределительных сетях средних и низких классов напряжения на уровне 8^11 %. Можно констатировать, что этот уровень потерь для линий электропередачи, являющийся характерным средним значением для промышленно развитых стран мирового сообщества, нельзя признать отвечающим современным требованиям.
Поэтому несмотря на то, что проблема снижения ПЭМЭ в электроэнергетике всегда была и есть в центре внимания эксплуатации, научных исследований, проектирования и конструирования новых электроустановок и процессов, можно констатировать ее непреходящую актуальность и необходимость поиска новых решений. Компьютерные эксперименты, проведенные в ряде исследований в России в
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (государственный контракт 14.516.11.0111 от 14.10.2013).
Валерий Геннадьевич Гольдштейн (д.т.н., проф.), профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы».
Лолита Меджидовна Инаходова (к.т.н., доц.), доцент кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы».
Александр Андреевич Казанцев, студент. Евгений Анатольевич Молочников, аспирант.
2007^2012 гг. для характерных типичных режимов и конфигураций ЭССЭ 10 кВ и ниже, показали, что обобщенные результаты по потерям мощности оцениваются от 11 до 27,5 % по различным регионам. Аналогичные показатели можно констатировать и в странах Евросоюза, где по отдельным группам электроустановок, в частности в трансформаторах распределительных сетей, они достигают уровня 17 % от общего валового потребления, а иногда существенно превышают названные выше значения.
Таким образом, зарубежный и отечественный опыт говорит о необходимости дальнейшей интенсификации исследований и реализации применения эффективных с точки зрения снижения потерь режимных и организационных мероприятий. Обладая в этом направлении большими резервами, они при технически грамотном и квалифицированном использовании всегда давали и будут давать значительные положительные результаты в экономии потерь. Практически ни одно энергообъединение ни в нашей стране, ни за рубежом не может гарантировать, что его технико-экономический потенциал в этом направлении реализован полностью.
Однако кардинальное снижение ПЭМЭ может быть получено только на основе широкого применения инновационного электрооборудования, обладающего высокоэффективными характеристиками в основных электроэнергетических технологических процессах производства, передачи и преобразования параметров электрической энергии. Из большого числа типов, групп и конструкций таких электроустановок можно выделить управляемые источники реактивной мощности, линии электропередачи, силовые трансформаторы (CT) и другие электроустановки, использующие эффект высокотемпературной сверхпроводимости, трансформаторы ЭССЭ с сердечниками из инновационных аморфных сплавов (AMT) и др.
С технико-экономической точки зрения применение AMT в настоящее время является одним из наиболее перспективных путей снижения ПЭМЭ. Об этом говорит опыт их эксплуатации в США, Индии, Японии, Норвегии, Словакии и др.
AMT впервые появились в США в конце прошлого столетия, тогда же началось их промышленное производство с ростом по общему количеству ~ на 10 % в год и доходностью от продаж, достигающей 40^50 %.
Аморфный сплав, также известный как металлическое стекло, имеет некристаллическую, беспорядочную структуру. В его состав входят железо, никель, кобальт, хром и марганец и некоторые другие металлы (75^85 %) с добавлением небольшого количества (15^20 %): бора, углерода, кремния и фосфора. Свои основные свойства, такие как низкая коэрцитивная сила, легкое намагничивание и размагничивание, низкие удельные магнитные потери, он приобретает при охлаждении расплавленного аморфного сплава с высокой интенсивностью, достигающей ~106 0К / с.
Практика создания AMT за рубежом показала, что в настоящее время для изготовления качественных магнитопроводов технологически целесообразно использование заготовок в виде ленты шириной до 220 мм и толщиной от 0,016 до 0,035 мм.
В настоящее время для ЭССЭ России AMT мощностью от 32 до 1000 кВА на напряжения до 10 кВ производит группа «Трансформер» (г. Москва), обеспечивая перспективы развития в данном направлении и реальную возможность эксплуатации AMT как российской продукции в отечественной электроэнергетике.
При однозначно положительной экономической оценке этих высокоэффективных электроустановок можно отметить ряд их специфических эксплуатационных особенностей, которые должны учитываться при их широком внедрении в распределительных ЭССЭ. Прежде всего необходимо обратить внимание на значительные отличия в характере и количественных характеристиках не только диссипативных
физических процессов, происходящих в AMT и традиционных CT (ТСТ).
Увеличение размерных габаритов с учетом оценки геометрии и весовых показателей AMT неизбежно приводит к увеличению их собственных емкостей и усложнению изоляционных конструкций. Это существенно повышает требования к стойкости AMT к мощным эксплуатационным воздействиям в виде перенапряжений.
Поэтому для обеспечения надежной работы AMT необходима результативная защита от перенапряжений с помощью эффективных защитных аппаратов - нелинейных ограничителей перенапряжений как с высокой, так и с низкой стороны.
При этом необходимо особое внимание обратить на ограничение дуговых, фер-рорезонансных и индуктированных грозовых перенапряжений, источники которых могут дислоцироваться с обеих сторон CT, и на возможность прихода опасных электромагнитных помех одновременно с нескольких воздушных и кабельных линий электропередачи. Это накладывает дополнительные ограничения на определение таких параметров ОПН, как энергоемкость, наибольшее рабочее напряжение и др.
Проведенные предварительно компьютерные эксперименты показали, что современные ОПН 10 и 0,4 кВ могут обеспечить уровень надежности работы AMT по перенапряжениям в соответствии с требованиями эксплуатации.
Также при проектировании систем электроснабжения с AMT нужно иметь в виду и дополнительные механические нагрузки, так как они ~ на 50 % больше.
Анализ физических процессов и результаты эксплуатации AMT показали, что принципиальная разница в магнитной структуре аморфных магнитных материалов и электротехнической трансформаторной стали SiFe находит отражение в одной из основных характеристик магнитопроводов CT, которой являются потери в стали AScm = АРст + jAQcm, где АРст и AQcm приближенно определяются значениями активной и реактивной мощности в режиме холостого хода (XX).
При этом зависимость их магнитных потерь от частоты близка к квадратичной и, кроме того, для AMT характерно насыщение, особенно на высоких частотах.
Суммарные потери Р^ в режиме XX (при номинальных значениях первичного напряжения и частоты) с учетом тока в обмотке I ^ можно записать в виде АР^ = АРст + 12хх Г1, где r1 - активное сопротивление первичной обмотки. Здесь не учтены малые диэлектрические потери из-за несовершенства изоляции, электромагнитные воздействия от соседних объектов и др. Пользуясь известными данными, можно констатировать, что удельные значения активных потерь XX равны 0,9^1,3 Вт/кг и 0,21^0,26 Вт/кг соответственно для аморфных магнитных материалов и традиционной холоднокатаной электротехнической стали.
Известно несколько механизмов возникновения потерь в стали, в которых определяющую роль играют макро- и микровихревые токи, возникающие при изменении магнитного потока. Поэтому для объективного анализа ПЭМЭ в AMT и ТСТ целесообразно его проведение в статической и динамической формах, то есть по паспортным параметрам и, соответственно, по данным эксплуатации, измерений и компьютерных экспериментов. Для статического анализа в табл. 1 приведены паспортные данные CT 10 кВ. Значения для ТСТ с магнитопроводом из электротехнической трансформаторной стали SiFe и AMT разделены знаком «/».
Оценка данных табл. 1 позволяет констатировать, что активные потери в стали в AMT в 3,5^5, а реактивные - в 12^20 раз меньше, чем у основного состава отечественного парка ТСТ. Кроме очевидного снижения активных потерь в стали необходимо отметить еще и то, что за счет значительного уменьшения тока XX у AMT также сни -зятся потери полной и, разумеется, активной и реактивной мощности в питающих
лэп.
Паспортные показатели для традиционных / аморфных трансформаторов
S ^НОМу кВА АРхх, Вт AQxx, ВАр АРкэ, Вт AQK3, Вар Л» % U№ %
25 100/28 = 3,7 784/77,5 600/480 112,5/110,25 3,3/0,31 4,5/4, 41
40 140/39 = 3,7 1255/120 900/769 180/176,8 3,1/0,3 4,5/4,42
63 214/45 = 5,8 1977/150,75 1667/1211 283,5/283,5 2,8/0,25 4,5/4, 42
100 305/64 = 4,85 2500/200 1970/1617 4500/4420 2,5/0,2 4,5/4,5
160 415/90 = 4,5 2520/256 2422/2223 720/704 2,2/0,16 4,5/4,4
250 580/128 = 4,5 4750/233 3100/3129 1125/1092,5 1,9/0,093 4,5/4,37
400 830/161 = 5,15 5600/312 4400/4457 1800/1800 1,6/0,078 4,5/4,5
630 1200/238 = 5,03 6800/409 6200/6353 3780/3817,8 1,3/0,074 6,0/6,06
1000 1792/361 = 4,9 9000/677 9080/9386 70000/61700 0,9/0,0677 7,0/6,17
1600 2100/490 = 4,3 1600/1084,8 14300/14337 9600/9687 1,0/0,678 6,0/6,06
2500 2700/550 = 4,9 2000/1400 21000/21078 15000/15175 0,8/0,56 6,0/6,07
Общие тенденции изменения потерь КЗ, которые соответствуют режиму номинальной загрузки CT и отражают процессы, связанные с нагревом обмоток при протекании тока нагрузки, для гаммы приведенных в таблице 1 типов CT по потерям активной мощности APK3 состоят в том, что при малых значениях SHOM AMT имеют потери меньше, чем ТСТ. Далее с увеличением SHOM > 250 кВА потери APK3 в AMT становятся больше. Конечно, в данном случае речь идет о номинальной загрузке СТ. При меньших загрузках это соотношение будет изменяться.
Что касается потерь реактивной мощности AQK3, то они для обоих видов CT практически незначительно отличаются, хотя по абсолютной величине они значительно больше, чем АРкз, и, следовательно, их влияние на потери в питающих линиях практически одинаково.
В целом оценка результатов даже только статического анализа позволяет уве -ренно говорить о перспективе эффективного использования AMT в обозримом будущем развития ЭССЭ с напряжениями до 10 кВ и мощностями до 2500 кВА. При этом нужно иметь в виду, что реальная средняя загрузка CT в отечественных ЭССЭ в основном не превышает 70 % от номинальной.
Отметим также, что ежегодные затраты на обслуживание одного среднего по мощности из ряда распределительных ТСТ, представленных в табл. 1, составляют примерно 8 % от его первоначальной стоимости. Опыт эксплуатации в США на протяжении уже более 20 лет говорит о том, что аналогичные затраты для AMT не превосходят названного выше значения. Более полную и практически исчерпывающую информацию для сравнения AMT и ТСТ дает динамическая оценка с помощью компьютерных экспериментов и данных эксплуатации.
Поэтому для компьютерных экспериментов был использован фрагмент сети 10 кВ ОАО «Самаранефтегаз» (рис. 1), в котором смоделирована замена традиционных CT на AMT на восьми трансформаторных подстанциях. Данные об этой замене по маркам и номинальным мощностям CT приведены в табл. 2.
Замена традиционных CT в сети 10 кВ на AMT
ТП-1 ТМ-400/10 АТМГ-400/10
ТП-4 ТМ-160/10 АТМГ-160/10
ТП-5 ТМ-400/10 АТМГ-400/10
ТП-3 ТМ-1000/10 АТМГ-1000/10
ТП-2 ТМ-100/10 АТМГ-100/10
ТП-6 ТМ-100/10 АТМГ-400/10
ТП-8 ТМ-250/10 АТМГ-250/10
ТП-7 ТМ-100/10 АТМГ-100/10
Физической основой компьютерных экспериментов является определение потерь активной и реактивной мощности в AMT и ТСТ по известным выражениям:
AP =AP +AP • к2
^^ тр ^^ хх ^^ кз з ,
где к - коэффициент загрузки;
AQm, = AQ„ +100;;% •Sно, • к1 AS = hP„ + AQxx.
Оценим эффективность применения AMT по с равнению с ТСТ, определяя потери только в трансформаторах схемы на рис. 1, при допущении равенства относительной загрузки всех трансформаторов. Обоснование этого допущения диктуется целью, поставленной в начале работы. Можно предположить, что потери во множественной части схемы лишь незначительно изменят оценку общей эффективности. Частная оценка собственно трансформаторной части, по мнению авторов, более значимо отразит экономическую выгоду от применения обсуждаемых мероприятий.
Порядок проведения компьютерного эксперимента включает следующие позиции:
1) для заданного значения, равного относительной загрузке для каждого трансформатора, рассчитывается абсолютная величина потерь соответственно для AMT и ТСТ;
2) рассчитывается величина суммарных относительных потерь
t AS
АП% = -;
Z SHi i=1
3) определяется условная эффективность
Э% = 1 -АЯ%.
Для сравнительной оценки эффективности применения трансформаторов AMT проведены компьютерные эксперименты по расчету потерь электрической мощности на участке сети (рис. 2) ОАО «Самаранефтегаз». Чтобы иметь базу для сравнения и сопоставления результатов, были приняты следующие условия.
1. Рассматривались два варианта: в первом все трансформаторы имели исполнение ТСТ, во втором - AMT.
2. Одинаковая нагрузка для 1-го и 2-го вариантов изменялась от 0 до 100 % номинальной мощности каждого трансформатора.
Результаты проведенных экспериментов представлены графиками (рис. 2, рис. 3). Видно, что энергоэффективность трансформаторов из аморфного сплава выше, чем энергоэффективность трансформаторов с традиционным исполнением магнитопровода.
Условная эффективность при одинаковой загрузке трансформаторовучастка сети ОАО Самаранефтегаз
100 99,5 99 98,5 98 97,5 97 96,5 96 95,5 95 94,5 94 93,5 93 92,5 92
,мс •р<1 нь и ■ра НС (ю эм атс Р
1—
ра Д V ци эн ны 4 Т за! |С4 ор ма то )
10
20 30
40 50 60
Загрузка
70
80
90 100
Рис. 2. График зависимости суммарной эффективности трансформаторов от коэффициента загрузки
Относительные потери
7,5
1
5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5
/
/
/
¿Д 4Ц1 ЮН НЬ Й 1 Рс* ни] >ир Мс1 114 >
Ам ор фн >1И тр; )НС фо рм атс Р
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Загрузка
Рис. 3. Графикзависимости суммарных относительных потерь трансформатора от общего коэффициента загрузки
Недостатком сердечников из аморфных материалов является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными материалами: так, у японской фирмы Hitachi эта разница составляет 15-20 %, а у фирмы «Трансформер» разница в цене между ТСТ и AMT достигает 30-35 %.
Таким образом, делаем вывод, что введение в эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов является одним из наиболее перспективных путей снижения технических потерь энергосистем.
Производственные способности отечественных производителей в изготовлении «аморфных» трансформаторов развиваются быстрым темпом и способны обеспечить спрос на данный тип трансформаторов.
Выводы
1. Ток XX и нагрев сердечника у AMT по сравнению с ТСТ ниже на 70 и 60 % соответственно.
2. Аморфные металлические материалы насыщаются при низких уровнях потока 1,56 Тл по сравнению с 2,04 Тл для традиционных материалов, что требует увеличения активной части в конструкции AMT.
3. Аморфные металлические материалы хрупки, требуют специальной обработки в процессе изготовления, имеют низкий коэффициент заполнения конструкции - до 85 % по сравнению с 95-98 % для стальных сердечников, что увеличивает нагрузочные потери и усложняет технологический процесс изготовления AMT.
4. Низкие плотность магнитного потока и коэффициент заполнения приводят к увеличению сердечника и потерь в обмотке (проводнике), к увеличению производственных издержек.
5. Для обеспечения уровня надежности работы AMT по перенапряжениям в соответствии с требованиями эксплуатации требуется установка современных ОПН с высокой 10 кВи низкой 0,4 кВ сторон СТ.
6. Недостатком сердечников из аморфных материалов является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными материалами.
7. Аморфные металлы имеют следующие преимущества: легче намагничиваются (низкая коэрцитивность и высокая проницаемость); имеют низкие магнитные потери (низкая коэрцитивность, высокая проницаемость и высокое сопротивление); быстрее перемагничиваются (из-за низких магнитных потерь); имеют универсаль-ные магнитные свойства после изготовления и широкий диапазон изменения химического состава.
8. Активные потери в стали в AMT в 3,5-5, а реактивные - в 12-20 раз меньше, чем у основного состава отечественного парка ТСТ.
9. За счет значительного уменьшения тока XX у AMT снижены потери полной и, разумеется, активной и реактивной мощности в питающих ЛЭП.
10.Ежегодные затраты на обслуживание AMT не превосходят аналогичных затрат ТСТ, которые составляют примерно 8 % от начальной стоимости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инаходова Л.М.., Казанцев A.A. Сравнительный анализ технико-экономических показателей трансформаторов с различным исполнением сердечника // Актуальные научные вопросы современности: Материалы международной научно-практической конференции. - Липецк, 2013. - С. 1921.
2. Инаходова Л.М.., Казанцев A.A. Исследование силового трансформатора с аморфным магнитопро-водом // Электрика. - 2013. - № 5.
3. Савинцев Ю.М. ЭТК Русский трансформатор. Современные трансформаторы: Анализ состояния производства в РФ силовых масляных трансформаторов I - III габарита. - URL: http://www.rus-trans.com/index.php?ukey=auxpage_sovremennie-transformatory Дата обращения: 07.09.2012.
4. Amorphous core transformers of reducing losses of efficiency. - URL: http://www.iceach.com/htm_news/2010-8/4235_857696.htm Дата обращения: 25.08.2010.
5. Твердый снаружи, аморфный внутри. - URL: http://www.energyland. info/analitic-show-96015.htm
Статья поступила вредакцию 26 октября 2013 г.
PERFORMANCE ANALYSIS OF PROPERTIES OF POWER TRANSFORMERS WITH A CORE OF AMORPHOUS MATERIALS AND PROTECTION THEM USING SURGE ARRESTERS
V. G. Goldstein, L.M. Inahodova, A.A. Kazantzev, E.N. Molochnikov
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
This paper was supported by the Ministry of Education of the Russian Federation (state contract 14.516.11.0111 from 14.10.2013 y.).It describes the foreign operating experience and design features of amorphous magnetic circuit transformers. The feasibility of their use in the distribution networks of the Russian Federation is stated. The results of the simulations to replace traditional transformers with amorphous-steel cor transformers are presented. The necessity to improve overvoltage protection by means of surge arresters is pointed out.
Keywords: amorphous transformers, amorphous alloy, energy saving.
Valery G. Goldstein (Dr. Sci. (Techn.)), Professor.
Lolita M. Inahodova (Ph.D. (Techn.)), Associate professor.
Alexander A. Kazantzev, Student.
Evgeniy A. Molochnikov, Postgraduate Student.
