CC BY
5ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ (TECHNICAL SCIENCES)
УДК 621.3
Бабенко П.А.
студент 1 курса, направления «Теплоэнергетика и теплотехника» «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском
(г. Волжский, Россия)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ВАРИАЦИЙ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ РАБОТЫ
Аннотация: в работе приведены результаты исследования, посвященного энергоэффективности трансформаторов различных конструкций. Рассматривается использование высокотемпературных сверхпроводников в трансформаторах. Установлены и соотнесены показатели энергоэффективности трехфазного ВТСП трансформатора и аналогичных по мощности аппаратов ТМГ-1000 и ТСЗ-1000.
Ключевые слова: энергоэффективность, силовой трансформатор, высокотемпературные сверхпроводники, потери короткого замыкания.
Согласно Стратегии развития электросетевого комплекса РФ на период до 2035 года, на сегодняшний день в стране функционирует более 600 тысяч трансформаторных подстанций, суммарной мощностью 885 тыс. МВА. В соответствии с целевыми технико-экономическими показателями, уровень потерь электрической энергии к 2035 году должен составлять 7,3% от общего объема выработки, в 2019 году этот параметр составлял 10,4%. Одним из ключевых направлений реализации данной государственной программы является модернизация трансформаторного оборудования, отказ от эксплуатации морально и технически устаревших устройств. Таким образом, актуальным и наукоемким направлением научно-исследовательской работы
выступает изучение методов снижения потерь в силовых трансформаторах, в том числе за счет совершенствования конструкции.
Отметим, что в международной и отечественной нормативной документации до сих пор не выработан единый критерий, по которому распределительный трансформатор может быть отнесен к числу энергоэффективных. Поэтому в рамках данной работы оценка эффективности работы силового аппарата будет производиться по следующим критериям:
1. Потери активной мощности:
5
АРа = Цх + Рк з-— (1)
^ном
где Р^ и Ркз-потери холостого хода и короткого замыкания, кВт;
5/5,ном -отношение мощности нагрузки к номинальной мощности трансформатора.
2. Потери реактивной мощности:
/ 5 и \
'хх и "-'кз \
/ 'хх ^ ¿^кз \
^ = (1оо+1- жг 5ном (2)
Д00 5ном 100/
где /хх и [/кз-ток холостого хода и напряжение короткого замыкания, %.
Общие тенденции конструктивного повышения рабочих характеристик заключаются в совершенствовании изоляционных, магнитных и проводниковых материалов. Динамично развивается применение высокотемпературных сверхпроводников, позволяющих снизить активную мощность потерь короткого замыкания, повысить динамическую и статическую устойчивости (за счет ограничения токов короткого замыкания и уменьшения индуктивного сопротивления). Также для таких трансформаторов характерны рост перегрузочной способности, уменьшение габаритов, оптимизация затрат на обслуживание, экологичность и пожаробезопасность.
Средой охлаждения в рассматриваемых устройствах выступает жидкий азот. Провод представляет из себя ленты-подложки с напылением сверхпроводящей керамики и защитного серебряного слоя. Схема ВТСП провода второго поколения приведена на рисунке 1.
Зашитый слой Ац (0.2-5 мкм) УВСО (слой 14 м км)
Буферный слой (0,1-3 мкм)
Лета-подложка (50-100 мкм)
"Г
0,1-0,2
4-12
Рисунок 1. Конструкция ВТСП провода второго поколения
Отметим, что наиболее целесообразно применение данной технологии для аппаратов большой мощности, ввиду особенностей организации системы охлаждения. Разберем подробнее достоинства и недостатки ВТСПТ.
• Ряд исследователей отмечает снижение темпов старения изоляции. Это утверждение справедливо лишь отчасти, так как минимизируется только тепловой износ, в то время, как электрическое старение сохраняется. При оптимальном проектировании системы охлаждения и выборе режима загрузки традиционные силовые аппараты также демонстрируют хорошие показатели сохраняемости изоляции.
• Повышение сопротивления при появлении сверхвысоких токов в цепи. Такая способность к «автопереключению» обмоток на высокое сопротивление при возникновении КЗ является бесспорным преимуществом рассматриваемой конструкции.
• Хрупкость ВТСП проводов. Обусловлена применением керамики в качестве токонесущего элемента и влечет за собой определенные ограничения допустимых манипуляций с проводом при изготовлении обмоток. При этом опыт эксплуатации не подтвердил предположение о деградации токопроводящих свойств ВТСП проводов с течением времени.
Рассмотрим технические характеристики следующих аппаратов равной мощности и класса напряжения 10/0,4 кВ: ТСЗ-1000 производства Группы СВЭЛ, г. Екатеринбург, ТМГ-1000 производства ЗАО Трансформер, г. Подольск
и ВТСП трансформатор 1 МВА, 10/0,4 кВ ОАО "ЭНИН" [2]. Для всех трансформаторов отношение мощности нагрузки к номинальной мощности трансформатора принимается равным 0,7. Результаты анализа приведены в таблице ниже.
ТСЗ-1000 ТМГ-1000 ВТСПТ
Тип обмотки Алюминий, Алюминий, медь. ВТСП провод SS
медь. Бумажная Amperium wire, 12 мм,
Литая или эмалевая ламинированный
изоляция изоляция. нержавеющей сталью
обмоток Конусообразная и изолированный
ВН технология укладки межслойной изоляции. полиимидной пленкой
Потери ХХ, Вт 1650 1600 1100 ±15%
Потери КЗ, Вт 9200 10800 600 ±10%
Ток ХХ, % 1,7 0,5 0,9 ±30%
Таким образом, трансформатор с ВТСП обмотками демонстрирует снижение потерь холостого хода в магнитопроводе в 1,5 раза и потерь короткого замыкания более чем в 17 раз, по сравнению с трансформаторами, имеющими обмотку из медных или алюминиевых проводов. Отметим, что стоимость потерь ХХ в несколько раз превышает стоимость потерь КЗ, ввиду переменного графика последних, составляет основную часть капитализированных потерь в трансформаторе. Использование ВТСП материалов в изготовлении трансформаторного оборудования является перспективным методом повышения энергоэффективности работы распределительных силовых устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Александров Н. В. Исследование влияния сверхпроводниковых трансформаторов на режимы электроэнергетических систем //НГТУ. Новосибирск. - 2014.
2. Волков Э.П., Джафаров Э.А., Флейшман Л.С., Высоцкий В.С., Суконкин В.В. и др. Первый в России ВТСП трансформатор 1 МВ*А, 10/ 4 кВ. - Изв. Российской академии наук. Энергетика, 201 №. с. 45—56.
3. Крюков Д. О, Манусов В.З. Обзор конструкций трансформаторов со сверхпроводящими обмотками //Электричество № 8 (2019)- С. 4-16
Babenko P.A.
National Research University "MEI" (Volzhsky, Russia)
INVESTIGATION OF INFLUENCE OF STRUCTURAL
VARIATIONS OF POWER TRANSFORMERS ON ENERGY EFFICIENCY OF THEIR OPERATION
Abstract: the paper presents the results of a study on the energy efficiency of transformers of various designs. The use of high-temperature superconductors in transformers is considered. The energy efficiency indicators of a three-phase HTS transformer and similar power devices TMG-1000 and TSZ-1000 were established and correlated.
Keywords: energy efficiency, power transformer, high temperature superconductors, short circuit losses.
