CC BY
154
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
1
УДК 621.316.1
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ 10/0,4 кВ
Юндин Михаил Анатольевич к.т.н., профессор кафедры ТОЭ и ЭСХ
Ханин Юрий Иванович аспирант кафедры ТОЭ и ЭСХ Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУВПО ДГАУ в г. Зернограде, Россия
Приведены результаты расчета составляющих нагрузочных потерь электроэнергии в силовых трансформаторах 10/0,4 кВ сельских коммунальнобытовых сетей 0,38 кВ. Статистически обработаны доли дополнительных потерь электроэнергии в силовых трансформаторах 10/0,4 кВ
Ключевые слова: ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ, СЕЛЬСКИЕ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВЫЕ СЕТИ 0,38 КВ, РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ, НЕСИММЕТРИЯ ТОКОВ, ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКА
UDC 621.316.1
THE ADDITIONAL LOSSES OF THE ELECTRIC POWER IN THE 10/0.4 KV POWER TRANSFORMERS
Yundin Michael Anatolievich
Cand.Tech.Sci., professor of the chair of Theory of
electrical engineering and power supply of agriculture
Hanin Yuri Ivanovich
post-graduate student of the chair of Theory of electrical engineering and power supply of agriculture Azov-Black Sea Engineering Institute, Zernograd, Russia
The results of calculation of the constituents of load losses of the electric power in the 10/0.4kV power transformers of the rural household networks of 0.38 kV. Proportions of additional losses of the electric power in the 10/0.4kV power transformers are statistically processed
Keywords: ELECTRIC POWER LOSSES, POWER TRANSFORMER, RURAL HOUSEHOLD NETWORK OF 0.38KV, REACTIVE POWER, UNBALANCE CURRENT, HARMONICS CURRENTS
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.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
2
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]:
AWz = AW/art + АЖд.н + АЖд.вг + АЖд.рм , где AWiArT - активные потери электроэнергии в СТ, то есть потери электроэнергии в обмотках СТ от протекания активного тока прямой последовательности основной гармоники, Вт-ч;
АЖдН - дополнительные потери электроэнергии в СТ из-за несимметрии токов, Вт-ч.
АЖд. вг - дополнительные потери электроэнергии в СТ от протекания по сети токов высших гармоник, Вт-ч.
АЖд. 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
AWjart = 3 '^(//'COs(^/))27y,'A/,
где // - ток прямой последовательности основной частоты, А;
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
3
ф1 - угол между током и напряжением прямой последовательности основной частоты, град;
гкз - сопротивление короткого замыкания трансформатора для прямой последовательности основной частоты, Ом;
At - интервал времени, в течение которого действует токовая нагрузка, At=l/60 ч.
В тех случаях, когда не было непосредственно измеренного значения угла между током и напряжением прямой последовательности основной частоты ф1, угол определялся как среднее арифметическое углов между током и напряжением трех фаз:
ф1 = (фА + фв + фс)!3,
где, фА, фв, фс, - 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:
AWд = AWд.н + АЖд.вг + AWд.рм,
где A Wд - 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]:
AWm.h = AW2 + AWo ,
где AW2 = 3-^I22 rK3 At - потери электроэнергии от протекания тока
обратной последовательности основной гармоники, Вт-ч;
AW0 = 3-^I02 r0K3 At - потери электроэнергии от протекания тока
нулевой последовательности основной гармоники, Вт-ч;
I2, I0 - токи обратной и нулевой последовательностей основной частоты, соответственно, А;
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
4
г0кз - сопротивление короткого замыкания СТ для нулевой последовательности основной частоты, для СТ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» г0кз = (9^11)- гкз, Ом.
Дополнительные потери электроэнергии в СТ от протекания по сети токов высших гармоник рассчитывались как:
кШдлг = T &W(V),
где и - номер соответствующей гармоники;
AW(V) = AWa(v) + AWB(v) + AWc(v) + AWN(V) - потери электроэнергии в СТ от протекания токов u-ой гармоники, Вт-ч;
AWA(V), AWB(V), AWC(V) - потери электроэнергии в соответствующем фазном проводнике от протекания тока u-ой гармоники, Вт-ч;
AWN(v) - потери электроэнергии в нулевом проводнике от протекания тока u-ой гармоники, Вт-ч.
Потери электроэнергии в фазных и нулевом проводах для СТ от протекания высших гармоник тока оценивались выражениями [4]:
AWф(v) = 3^^(V)2rK3Atk(Vy(1+0,05^v2),
AWN(u) = 3 TW rK3N At k(v) (1+0,05^V2).,
где 1Ф(Ь), IN(V) - токи соответствующего фазного и нулевого провода, А;
rK3N, - сопротивления нулевого провода силового трансформатора, для СТ со схемой соединения обмоток «звезда-звезда с нулем» rK3N = 3- гкз, Ом;
k(V) = 0,47 Vu - коэффициент, учитывающий увеличение активного сопротивления вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости;
1+0,05-u - 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
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
5
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:
AWдрм = 3' •sin(f1))2rK3At.
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.
Таблица 1 - Значения отпуска электроэнергии в сеть и потерь
электроэнергии в СТ за сутки
№ ТП AWp Вт-ч / %
W, AWp, Вт-ч / %
AWiakt, Вт-ч / %
Номинальная мощность Вт-ч / % AWp.Br, Вт-ч / % AWp.H, Вт-ч / % AWp.PM, Вт-ч / %
1 2 3 4 5 6
1 125 / 0,056 23 / 0,010 105 / 0,048 57 / 0,026
221698 / 100 185 / 0,083
250 кВА 310 / 0,140
2 210 / 0,056 37 / 0,010 50 / 0,013 23 / 0,006
374336 / 100 110 / 0,029
400 кВА 319 / 0,085
3 769 / 0,248 147 / 0,047 646 / 0,208 162 / 0,052
309670 / 100 955 / 0,308
100 кВА 1724 / 0,557
4 941 / 0,108 19 / 0,002 635 / 0,073 92 / 0,011
872864 / 100 747 / 0,086
400 кВА 1688 / 0,193
5 5139 / 890 / 0,078 2094 / 0,182 1226 / 0,107
1147533 / 100 0,448 4210 / 0,367
160 кВА 9349 / 0,815
6 3293 / 272 / 0,044 1665 / 0,268 410 / 0,066
621558 / 100 0,530 2347 / 0,378
100 кВА 5640 / 0,907
7 5307 / 272 / 0,044 1665 / 0,268 410 / 0,066
775492 / 100 0,684 2347 / 0,378
100 кВА 8369 / 1,079
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
6
8 1462 / 265 / 0,034 1796 / 0,232 1001 / 0,129
738369 / 100 0,198 3062 / 0,395
250 кВА 2142 / 0,290
9 779 / 0,140 83 / 0,011 328 / 0,044 269 / 0,036
555269 / 100 680 / 0,092
250 кВА 1186 / 0,214
10 8503 / 101 / 0,018 79 / 0,014 227 / 0,041
1392194 / 100 0,611 407 / 0,073
160 кВА 12108 / 0,870
11 17810 / 174 / 0,012 724 / 0,052 2708 / 0,195
1457986 / 100 1,222 3605 / 0,259
100 кВА 24819 / 1,702
12 1002 / 315 / 0,022 1414 / 0,097 5280 / 0,362
629095 / 100 0,159 7009 / 0,481
250 кВА 1461 / 0,232
13 827 / 0,146 111 / 0,018 123 / 0,020 225 / 0,036
567890 / 100 460 / 0,073
250 кВА / 0,216
14 1272 / 107 / 0,019 93 / 0,016 197 / 0,035
585340 / 100 0,217 397 / 0,070
160 кВА 1225 3133 / 0,535
15 4675 / 146 / 0,025 912 / 0,156 803 / 0,137
1734728 / 100 0,270 1861 / 0,318
400 кВА 5978 / 0,345
16 324 / 0,068 144 / 0,008 174 / 0,010 984 / 0,057
474611 / 100 1303 / 0,075
400 кВА 588 / 0,124
17 309 / 0,069 18 / 0,004 180 / 0,038 66 / 0,014
450428 / 100 264 / 0,056
400 кВА 535 / 0,119
18 341 / 0,072 13 / 0,003 142 /0,031 71 / 0,016
474179 / 100 225 / 0,050
400 кВА 587 / 0,124
19 4550 / 16 / 0,003 146 / 0,031 85 / 0,018
1775058 / 100 0,256 246 / 0,052
400 кВА 7264 / 0,409
20 3497 / 292 / 0,019 1174 / 0,076 1012 / 0,065
1554428 / 100 0,225 2478 / 0,159
400 кВА 5975 / 0,384
21 1564 / 115 / 0,011 127 / 0,013 361 / 0,036
1012405 / 100 0,154 604 / 0,060
400 кВА 2167 / 0,214
22 8440 / 379 / 0,037 1508 / 0,146 3119 / 0,303
1030634 / 100 0,819 5006 / 0,486
100 кВА 13446 / 1,305
23 8663 / 358 / 0,034 1274 / 0,123 3401 / 0,327
1039587 / 100 0,833 5033 / 0,484
100 кВА 13696 / 1,317
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
7
24 1765 / 200 / 0,018 566 / 0,051 559 / 0,051
1099683 / 100 0,160 1325 / 0,121
400 кВА 3090 / 0,281
25 1713 / 195 / 0,018 620 / 0,057 585 / 0,054
1087547 / 100 0,158 1400 / 0,129
400 кВА 3113 / 0,286
26 1662 / 201 / 0,019 723 / 0,068 615 / 0,058
1056315 / 100 0,157 1539 / 0,146
400 кВА 3201 / 0,303
27 6603 / 65 / 0,005 3520 / 0,273 2789 / 0,217
1287570 / 100 0,513 6374 / 0,495
160 кВА 12977 / 1,008
28 1041 / 124 / 0,060 423 / 0,206 478 / 0,232
205827 / 100 0,506 1025 / 0,498
40 кВА 2065 / 1,003
29 987 / 0,477 93 / 0,045 537 / 0,259 468 / 0,226
207033 / 100 1098 / 0,530
40 кВА 2085 / 1,007
30 2369 / 197 / 0,037 550 / 0,104 574 / 0,109
527687 / 100 0,449 1321 / 0,250
100 кВА 3690 / 0,699
31 507 / 0,114 132 / 0,030 609 / 0,137 145 / 0,033
444582 / 100 886 / 0,199
250 кВА 1393 / 0,313
32 1827 / 129 / 0,015 1599 / 0,181 438 / 0,050
882764 / 100 0,207 2167 / 0,245
250 кВА 3993 / 0,452
33 3732 / 625 / 0,039 395 / 0,025 695 / 0,044
1585931 / 100 0,235 1715 / 0,108
400 кВА 5447 / 0,343
34 1662 / 176 / 0,022 210 / 0,027 326 / 0,041
793248 / 100 0,210 712 / 0,090
250 кВА 2374 / 0,299
35 846 / 147 / 0,026 323 / 0,058 123 / 0,022
555512 / 100 0,152 593 / 0,107
250 кВА 1439 / 0,259
36 616 / 56 / 0,011 265 / 0,052 63 / 0,012
511083 / 100 0,121 384 / 0,075
250 кВА 1000 / 0,196
37 25 / 12 / 0,012 48 / 0,046 7 / 0,006
103529 / 100 0,024 67 / 0,065
250 кВА 92 / 0,089
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
8
Таблица 2 - Доли составляющих потерь электроэнергии в СТ,
отнесенные к суммарным потерям, %
№ ТП Номинальная мощность, кВА Доли потерь электроэнергии от суммарных, %
AWiakt, % aw, % AWд.вг, % AWдн, % AWд.рм, %
1 250 40,3 59,7 7,4 34,0 18,3
2 400 65,7 34,3 11,5 15,7 7,1
3 100 44,6 55,4 8,5 37,5 9,4
4 400 55,8 44,2 1,1 37,7 5,5
5 160 55,0 45,0 9,5 22,4 13,1
6 100 58,4 41,6 4,8 29,5 7,3
7 100 63,4 36,6 3,2 21,5 12,0
8 250 68,2 31,8 3,9 15,3 12,6
9 250 65,7 34,3 8,5 6,7 19,2
10 160 70,2 29,8 1,4 6,0 22,4
11 100 71,8 28,2 1,3 5,7 21,3
12 250 68,5 31,5 7,6 8,4 15,4
13 250 67,5 32,5 8,8 7,6 16,1
14 160 40,6 59,4 4,6 29,1 25,6
15 400 78,2 21,8 2,4 2,9 16,5
16 400 55,1 44,9 3,0 30,7 11,2
17 400 57,8 42,2 2,4 26,5 13,2
18 400 58,1 41,9 2,6 24,8 14,4
19 400 62,6 37,4 3,4 18,3 15,7
20 400 58,5 41,5 4,9 19,6 16,9
21 400 72,1 27,9 5,3 5,9 16,7
22 100 62,8 37,2 2,8 11,2 23,2
23 100 63,3 36,7 2,6 9,3 24,8
24 400 57,1 42,9 6,5 18,3 18,1
25 400 55,0 45,0 6,3 19,9 18,8
26 400 51,9 48,1 6,3 22,6 19,2
27 160 50,9 49,1 0,5 27,1 21,5
28 40 50,4 49,6 6,0 20,5 23,1
29 40 47,4 52,6 4,4 25,7 22,5
30 100 64,2 35,8 5,3 14,9 15,5
31 250 36,4 63,6 9,5 43,7 10,4
32 250 45,7 54,3 3,2 40 11
33 400 68,5 31,5 11,5 7,3 12,8
34 250 70 30 7,4 8,9 13,7
35 250 58,8 41,2 10,2 22,4 8,5
36 250 61,6 38,4 5,6 26,5 6,3
37 250 26,9 73,1 13,5 52,4 7,1
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
9
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 Ах при надежности а=0,95 и относительную s 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», %
Наименование величины Доли потерь электроэнергии от суммарных, %
AW1AKT % AWд, % AWд.вг, % AWд.н, % AWК..РМ-, %
Среднее значение 58,1 41,9 5,6 21,0 15,3
Минимальное 26,9 21,8 0,5 2,9 5,5
Максимальное 78,2 73,1 13,5 52,4 25,6
Дисперсия 123,5 123,5 10,6 144,3 31,0
Стандартное отклонение 11,1 11,1 3,3 12,0 5,6
Ах при а=0,95 3,7 3,7 1,1 4,0 1,9
s, % 6,4 8,8 19,3 19,1 12,1
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.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
10
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%; а = 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%; а = 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%; а = 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%; а = 0,95 в нагрузочных потерях электроэнергии.
Литература
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.].
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
11
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 распределительных 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.
References
1. Rossijskaja Federacija. Zakony. Ob jenergosberezhenii i o povyshenii jenergeticheskoj jeffektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossijskoj Federacii [Tekst]: feder. zakon N 261-FZ : [prinjat Gos. Dumoj 11 nojabrja 2009 g.: odobr. Sovetom Federacii 18 nojabrja 2009 g.].
2. Drehsler, R. Izmerenie i ocenka kachestva jelektrojenergii pri nesimmetrichnoj i nelinejnoj nagruzke: [per. s cheshsk.] / R. Drehlesr.- Moskva: Jenergoatomizdat, 1985. -112s.
3. Kosouhov F.D. Nesimmetrija naprjazhenij i tokov v sel'skih raspre-delitel'nyh setjah [Tekst] / F.D. Kosouhov, I.V. Naumov. - Irkutsk, 2003 - 260 s.
4. Zhezhelenko I.V. Jelektricheskie poteri ot vysshih garmonik v sistemah jelektrosnabzhenija [Tekst] / I.V. Zhezhelenko // Jelektrika. - 2010. - № 4.- S. 3-6.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/04.pdf
