CC BY
4УДК 621.314.222.6:621.3.017
О ВЛИЯНИИ НЕСИММЕТРИИ И НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ ТОКОВ НА ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИЛОВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ
11 2 Юндин М. А. , Жариков Д. Т. , Пономаренко Т. З.
1Азово-Черноморский инженерный институт - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет»,г. Зерноград, Российская Федерация;
ЧУ ДПО МКУЦ «Энергетик», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
Аннотация. С использованием полнофакторного активного эксперимента на физической модели получено регрессионное уравнение для расчета потерь электроэнергии в силовом трансформаторе. При проведении опытов из общих потерь электроэнергии отнимались скорректированные потери электроэнергии в магнитопроводе трансформатора и обмотках от тока основной частоты. На основании полученной математической модели предлагается вычислять потери электроэнергии в силовом трансформаторе по известным значениям К-фактора трансформатора и отношению тока нулевой последовательности основной гармоники к току 3-ей гармоники в нулевом проводе. Рекомендуемый диапазон применимости математической модели по К-фактору от 1,04 до 1,10, по соотношению тока нулевой последовательности основной гармоники к току 3-ей гармоники от 0,68 до 6,82.
Ключевые слова: потери электроэнергии в силовом трансформаторе, несинусоидальность, несимметрия, К-фактор, ток нулевой последовательности, ток третьей гармоники.
Введение. В силу исторического развития подавляющее большинство силовых трансформаторов напряжением 10/0,4 кВ в сельском электроснабжении имеют схему соединения обмоток «звезда/звезда с нулем». Такие трансформаторы для токов обладают большим сопротивлением нулевой последовательности. Нескомпенсированные магнитные потоки у этих трансформаторов от токов нулевой последовательности частотой 50 Гц и токов 150 Гц замыкаются через стальной бак, конструктивные элементы силового трансформатора и создают дополнительные потери электроэнергии. В сельском электроснабжении большая часть электроэнергии потребляется в настоящее время коммунально-бытовыми потребителями, для которых характерно однофазное подключение к сети и концентрация в узле нагрузки нелинейных электроприемников. Относительная величина тока в нулевом проводе силовых трансформаторов увеличивается из-за токов несимметрии и высших гармоник, особенно кратных трем.
Целью статьи является развитие и совершенствование методов оценки потерь электроэнергии в силовом трансформаторе при несинусоидальных и несимметричных нагрузках в системе сельского электроснабжения. Данному вопросу в последние годы уделяется много внимания, о чем свидетельствуют работы [1-8]. Для достижения указанной цели проанализированы известные методики расчета как технологических потерь электроэнергии в силовом трансформаторе, так и дополнительных [4-6]. Точность определения потерь электроэнергии в элементах электрической сети влияет на норматив
технологических потерь электроэнергии при электропередаче.
Методы исследования.
В лабораторных условиях с использованием силового трансформатора ТС-1,5 был поставлен активный эксперимент.
В качестве зависимой переменной выбраны потери электроэнергии в силовом трансформаторе (AWT). Данная величина в ходе первоначальных опытов вычислялась при любой комбинации изменения факторов, влияющих на нагрузочный режим силового трансформатора. Величина AWT вычислялась путем вычитания из измеренных потерь электроэнергии потерь холостого хода трансформатора, скорректированных величиной приложенного напряжения, и потерь короткого замыкания, скорректированных коэффициентом загрузки трансформатора [1, 2]. Зависимая переменная была статистически эффективной, её выборка имела минимальную дисперсию.
Первоначально в качестве факторов были взяты: коэффициент реактивной мощности (pF) трансформатора, К-фактор (kF) и отношение тока нулевой последовательности основной гармоники к току 3-ей гармоники в нулевом проводе (In1/In3), создаваемое нагрузкой.
Факторы позволяли в опытах варьировать требуемые уровни и поддерживать их. В ходе корреляционного анализа фактор pF был отброшен, поскольку на основе выборочных данных в сочетании с другими факторами он имел статистически не значимый коэффициент корреляции с зависимой переменной и одновременно значимо коррелировал с фактором Inl/In3-
Лабораторная установка приведена на рисунке 1. В качестве измерительного комплекса использовались электросчетчики (pWil, pWi2) Меркурий 230 ART и прибор HIOKI 3196. Регулирование напряжение на входе лабораторной установки осуществлялось трехфазным ЛАТРом. Состав нагрузок изменялся вручную (zl - z3).
Рисунок 1 - Схема лабораторной установки при проведении экспериментов
Следует отметить, что по данным [7] у коэффициента несимметрии по току нулевой последовательности и суммарного коэффициента гармонических искажений по току имеется сильная корреляционная связь.
Анализ точности определения коэффициентов регрессии показал, что несмещенная оценка дисперсии возмущений (дисперсия воспроизводимости) составляла 0,48. Проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии, выполнялась с использованием параллельных опытов (на каждом уровне их было по три) по критерию Стьюдента. Статистически значимые коэффициенты приведены в уравнении регрессии.
Результаты и их анализ. Уравнения регрессионной связи в натуральном виде между зависимой переменной и оставленными двумя факторами имеет вид AWT=253,67-202,82-kF-22,80-/„i//„3+22,31-kF-/„i//„3.
В приведенное уравнение К-фактор (kF) и отношение тока нулевой последовательности основной гармоники к току 3-ей гармоники в нулевом проводе (In1/In3) следует подставлять в относительных единицах. Потери электроэнергии силового трансформатора при указанной подстановке получаются в Вт- ч. Диапазон применимости уравнения регрессии по kF от 1,04 до 1,10, по In1/In3 - соответственно от 0,68 до 6,82.
Адекватность уравнения регрессии проверена по критерию Фишера. Рассчитанный критерий Фишера оказался меньше табличного, что свидетельствует об адекватности модели, которая позволяет предсказывать значение отклика.
Проверка автокорреляции остатков, выполненная с использованием статистики Дарбина-Уотсона, показала, что между соседними отклонениями факторов отсутствует корреляция.
Выводы. Полученная математическая модель позволяет определить дополнительные к технологическим потерям потери электроэнергии в силовом трансформаторе в лабораторных условиях, при наличии в нагрузке токов нулевой последовательности основной частоты и токов частотой 150 Гц. Использованный метод исследования может быть рекомендован для силовых трансформаторов напряжением 6-10/0,4 кВ.
Список используемых источников:
1. Балабин, А.А. Повышение достоверности расчета потерь электроэнергии в трансформаторах 10(6)/0,4 кВ [Текст] / А.А.Балабин, Ю.Д.Волчков // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2009, №4. - С. 22-23.
2. Бухвал, А.В. К вопросу о потерях электроэнергии в силовом трансформаторе 10/0,4 кВ[Текст] / А.В. Бухвал, Р.Р. Швек, М.А. Юндин // Инновации в сельском хозяйстве. -2015. - №1(11). - С.26-28.
3. Васильева, Т.Н. Дополнительные потери мощности в силовых трансформаторах, обусловленные несинусоидальностью напряжений [Текст] / Т.Н.Васильева, Л.В.Аронов // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). - Москва: Буки-Веди, 2012. - С. 79-81.
4. Косоухов, Ф.Д. Новые научные направления в энергосбережении в трёхфазных трансформаторах и четырёхпроводных линиях при несимметричной, нелинейной и реактивной нагрузках [Текст] / Ф.Д.Косоухов, Н.В.Васильев, Е.С.Кузнецова. // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2017. - №2(47) - С.300 - 309.
5. Костинский, С.С. Метод определения дополнительных потерь активной мощности в трансформаторах распределительных сетей, обусловленных нелинейными нагрузками [Текст] / С.С.Костинский, А.И.Троицкий // Известия вузов. Электромеханика, 2015, № 3 (539). - С. 61-67.
6. Шерьязов, С.К. Потери мощности в трансформаторах, вызванные нелинейной нагрузкой сельских потребителей [Текст] / С.К.Шерьязов, А.В.Пятков - Достижения науки и техники АПК. - 2017. - Т.31, №11. - С.72-74.
7. Ханин, Ю.И. Корреляционно-регрессионный анализ дополнительных потерь электроэнергии в силовых трансформаторах 10/0,4 кВ[Текст] / Ю.И.Ханин // Вестник
аграрной науки Дона, 2014, №3(27). - С.27-32.
8. Functional dependence for calculation of additional real-power losses in a double-wound supply transformer caused by unbalanced active inductive load in a star connection with an insulated neutral / Kostinskiy S.S., Troitsky A.I. / International Journal of Environmental and Science Education. - 2016. - Vol. 11, Is. 15. - P. 7975-7989.
Literature
1. Balabin, A.A. Increase of reliability of calculation of the electric energy losses in transformers 10(6)/0,4 kV [Text] / A.A. Balabin, Yu.D. Volchkov // Mechanization and electrification of agriculture, 2009, 4. - P. 22-23.
2. Bukhval A.V. To the question of power losses in the power transformer 10/0,4 kV [Text] / A.V. Bukhval, R.R. Shvek, M.A. Yundin // Innovations in agriculture. - 2015. - №1 (11). - P.26-28.
3. Vasilyeva T.N. Additional power losses in power transformers due to non-sinusoidal voltage [Text] / T.N. Vasilyeva, L.V. Aronov // Technical Sciences in Russia and abroad: Proceedings of II International. (Moscow, November 2012). - Moscow: Bucky Vedi, 2012. - P. 7981.
4. Kosoukhov F.D. New scientific directions in energy conservation in three-phase transformers and four-wire lines under asymmetrical, nonlinear and reactive loads [Text] / F.D. Kosoukhov, N.V. Vasiliev, E.S. Kuznetsova. // Izvestiya Sankt-Peterburgskogogosudarstvennogoagrarnogouniversiteta. - 2017. - №2 (47) - P.300 - 309.
5. Kostinsky, S.S. Method for determining the additional losses of active power in distribution network transformers due to nonlinear loads [Text] / S.S. Kostinsky, A.I. Troitsky // Izvestiyavuzov. Electromechanics, 2015, № 3 (539). - P. 61-67.
6. Sheryazov S.K. Power losses in transformers caused by nonlinear loading of rural consumers [Text] / S.K. Sheryazov, A.V. Pyatkov - Achievements of science and technology of the APK. - 2017. - Т.31, №11. - P.72-74.
7. Khanin Y.I. Correlation-regression analysis of additional power losses in power transformers 10/0,4 kV [Text] / Y.I. Khanin // Vestnik agrarnaya nauki Don, 2014, № 3 (27). -P.27-32.
8. Functional dependence for calculation of additional real-power losses in a double-wound supply transformer caused by unbalanced active inductive load in a star connection with an insulated neutral / Kostinskiy S.S., Troitsky A.I. / International Journal of Environmental and Science Education. - 2016. - Vol. 11, Is. 15. - P. 7975-7989.
Юндин Михаил Анатольевич1, кандидат технических наук, профессор,
e-mail: m.a.ju@yandex.ru;
Жариков Дмитрий Тимофеевич1, магистрант, e-mail: Garikov@mail.ru;
Пономаренко Тамара Зурабовна2, заместитель директора, e-mail:ponomarenktz@mail.ru;
1Азово-Черноморский инженерный институт - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный аграрный университет»,г. Зерноград, Российская Федерация;
2 ЧУДПО МКУЦ «Энергетик», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
ON THE EFFECT OF ASYMMETRY AND NON-SINUSOIDAL CURRENTS ON THE LOSS OF ELECTRICITY IN A POWER TRANSFORMER
Yundin M. A.1, Zharikov D. T.1, Ponomarenko T. Z.2
1Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Don State Agrarian University", Zernograd, Russian Federation;
Institution of higher professional education "Energetic", Rostov-on-Don, Russian Federation
Abstract. Using a full-factor active experiment on a physical model, a regression equation for calculating power losses in a power transformer has been obtained. During the experiments, the corrected electric power losses in the transformer magnetic core and windings from the main frequency current have been subtracted from the total electric power losses. On the basis of the obtained mathematical model it is proposed to calculate electric power losses in a power transformer according to the known values of transformer K-factor and the ratio of zero sequence current of the basic harmonic to the current of the 3rd harmonic in the zero conductor. The recommended range of applicability of the mathematical model by K-factor is from 1.04 to 1.10, by the ratio of zero sequence current of the main harmonic to the 3rd harmonic current from 0.68 to 6.82.
Key words: power losses in power transformer, non-sinusoidality, asymmetry, K-factor, zero sequence current, third harmonic current.
Yundin Mikhail Anatolievich1, Candidate of Technical Sciences, Professor,
e-mail: m.a.ju@yandex.ru Zharikov Dmitry Timofeyevich1, master's student, e-mail: Garikov@mail.ru Ponomarenko Tamara Zurabovna2, deputy director, e-mail: ponomarenktz@mail.ru 1Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Don State Agrarian University", Zernograd, Russian Federation; 2Institution of higher professional education "Energetic", Rostov-on-Don, Russian Federation
