CC BY
3УДК 001.57:621.314.21:621.3.017.2:621.3.017.3
ОБОСНОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОДОБИЯ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕЛЬСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СЕТИ 10/0,4 кВ
Лансберг А.А., младший научный сотрудник лаборатории электроснабжения, электрооборудования и возобновляемой энергетики.
ФБГНУ ФНАЦ ВИМ
АННОТАЦИЯ
В настоящее время актуальным направлением является моделирование электрических сетей. Была разработана физическая модель сельской электрической сети 0,4 кВ, питание которой осуществляется от трёхфазного трансформатора малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В. Для трансформатора ТТ-160 ВА 380/38 В были проведены экспериментальные исследования нагрузочных режимов работы с целью выявления потерь мощности в нём при разных коэффициентах загрузки. С использованием расчётного метода были определены потери мощности в силовых трансформаторах, используемых для питания сельских электрических сетей 0,4 кВ. Сравнение экспериментальных значений потерь мощности в силовых трансформаторах и значений, полученных расчётным методом, позволили определить коэффициенты подобия потерь мощности между трёхфазным трансформатором малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В, используемым для питания физической модели, и промышленными трансформаторами.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Электрическая сеть 0,4 кВ, моделирование, физическая модель, симметричная нагрузка, теория подобия, коэффициент подобия, потери мощности.
ABSTRACT
Currently, modeling of electrical networks is an urgent area. A physical model of a 0.4 kV rural electric grid has been developed, which is powered by a three-phase low-power transformer TT-160 VA 380/38 V. Experimental studies of load modes of operation were carried out for the TT-160 VA 380/38 V transformer in order to identify power losses in it at different load factors. Using the calculation method, power losses in power transformers used to supply 0.4 kV rural electric networks were determined. A comparison of the experimental values of power losses in power transformers and the values obtained by the calculation method allowed us to determine the similarity coefficients of power losses between the three-phase low-power transformer TT-160 VA 380/38 V used to power the physical model and industrial transformers.
KEYWORDS
Electrical network 0.4 kV, modeling, physical model, symmetric load, similarity theory, similarity coefficient, power loss.
Введение. В настоящее время во множестве работ, связанных с исследованием режимов работы и процессов, происходящих в сельских электрических сетях, используется моделирование. Это связано с тем, что моделирование является наиболее достоверным способом исследования режимов работы сельских электрических сетей.
Моделирование используется как для исследования систем в совокупности, например, электрических сетей с источниками питания и потребителями, так и отдельных элементов электрических сетей, например, трансформаторов. Так, в работе [1] произведено исследование работы трансформатора при влиянии высших гармоник с использованием программного комплекса MATLAB Simulink. Выявлено, что гармоники,
подобные нулевой последовательности вызывают в трансформаторе дополнительные потери от 2% до 12%.
В работе [2] рассмотрены способы моделирования трансформаторов с использованием математических выражений, представленных в виде матрицы индуктивностей. Аналогичные системы выражений для трансформаторов судовых систем электроснабжения предложены в работе [3].
Для исследования режимов работы двухобмоточных трансформаторов 10/0,4 кВ сельских электрических сетей в работе [4] для программного комплекса MATLAB Simulink были рассчитаны значения сопротивлений обмоток трансформатора, ветви намагничивания и индуктивностей на примере мощностей 100 кВА, 160 кВА, 250 кВА, 400 кВА и 630 кВА. В свою очередь, в работе [5] предложена методика обоснования параметров высоковольтных двухобмоточных трансформаторов в MATLAB Simulink на примере силового трансформатора типа ТДН-16000/110/10 кВ и произведена оценка адекватности разработанной модели. Аналогичные методики обоснования параметров трансформаторов тока в MATLAB Simulink на примере ТПЛ-10 представлены в работах [6, 7].
В работе [8] с использованием метода узловых потенциалов произведено исследование режимов работы трансформатора ТМГ11-250/10/0,4 кВ, в ходе которого были получены значения потерь холостого хода и короткого замыкания. Их сравнение с паспортными значениями позволило выявить адекватность разработанной модели и погрешность не более 1%. Аналогичные исследования проведены в работах [9, 10]. Также, в работе [11] проведено исследование нагрузочных характеристик однофазного трансформатора в MATLAB Simulink.
В работе [12] разработана физическая модель сельской электрической сети 0,4 кВ, питание которой осуществляется от трёхфазного трансформатора малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В. Для физической модели были обоснованы коэффициенты подобия по току, мощности, напряжению и сопротивлению, исходя из опыта короткого замыкания трёхфазного трансформатора малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В и паспортных характеристик силовых трансформаторов сельских электрических сетей. Проведённые опыты, в том числе, режима устойчивого однофазного короткого замыкания позволили выявить высокую достоверность данных, получаемых при экспериментальном исследовании физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ. При этом в ходе экспериментальных исследований физической модели, связанных с исследованием нагрузочных режимов, была выявлена проблема достоверности потерь в модели силового трансформатора. Это связано с тем, что используемый трёхфазный трансформатор малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В имеет естественное воздушное охлаждение и стержневую конструкцию, а моделируемые трансформаторы сельских электрических сетей 0,4 кВ типа ТМ-63, ТМ-100, ТМ-160 и ТМ-250 - естественное масляное охлаждение и бронестержневую конструкцию.
В связи с этим, в настоящей работе планируется произвести обоснование коэффициентов подобия потерь мощности между трёхфазным трансформатором малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В, используемым для питания физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ, и промышленными трансформаторами сельских электрических сетей 0,4 кВ.
Цель работы заключается в обосновании коэффициентов подобия потерь мощности в силовых трансформаторах для физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ.
Материалы и методы исследования.
Для обоснования коэффициентов потерь мощности, которые обеспечат возможность соотношения результатов моделирования с электрическими параметрами действующей сельской электрической сети 0,4 кВ, на физической модели был реализован ряд экспериментов по исследованию режимов с симметричной нагрузкой. Результаты данных экспериментов с использованием коэффициентов подобия
сравнивались с теоретическими результатами расчётов потерь мощности в зависимости от коэффициента загрузки.
Рассмотрим реализацию расчётов и моделирование для прототипа сельской электрической сети 0,4 кВ, питание которой осуществляется от трансформатора ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ с использованием провода А-35, потому что они наиболее часто встречаются в сельских электрических сетях 0,4 кВ [13].
Теоретический расчёт потерь мощности в двухобмоточном силовом трансформаторе осуществлялся по формуле (1):
ДРТ = АРхх + ДРкз^2, (Вт) (1)
где АРхх - потери холостого хода в силовом трансформаторе, которые для трансформатора ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ составляют 520 Вт [14];
ДРкз - потери короткого замыкания в силовом трансформаторе, которые для трансформатора ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ составляют 3700 Вт [14]; р - коэффициент загрузки силового трансформатора, %.
Так, схема реализации одного из опытов симметричного нагрузочного режима представлена на рисунке 1, а внешний вид реализованного опыта - на рисунке 2.
Результаты измерений симметричных режимов на физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ в таблице 1.
Рисунок 1 - Схема реализации опыта симметричного нагрузочного режима на разработанной физической модели
В результате экспериментальных исследований были получены значения рабочих токов, протекающих от обмотки низкого напряжения (НН) силового трансформатора к нагрузкам. Были измерены активные мощности на сторонах высокого (ВН) и низкого напряжения трансформатора модели. С учётом известного паспортного значения номинального тока обмотки низкого напряжения трансформатора модели был произведён расчет коэффициента загрузки по формуле (2):
Р = 'f, (%) (2)
1п
где 1р - рабочий ток модели в исследуемом симметричном нагрузочном режиме работы, А;
In - номинальный ток обмотки низшего напряжения силового трансформатора, А.
Рисунок 2 - Фото опыта симметричного нагрузочного режима на разработанной физической модели
Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований симметричных нагрузочных
режимов на физической мод ели сельской электрической сети 0,4 кВ
№ п/п Рабочий ток НН модели, 1р.м, А Номинальный ток НН трансформатора модели, 1п.м, А Мощность на стороне ВН модели, Рвн.м, Вт Мощность на стороне НН модели, Р нн.м, Вт Коэффициент загрузки трансформатора модели, р, %
1 1,12 2,43 92 74 46
2 1,39 2,43 110 90 57
3 1,48 2,43 116 96 61
4 1,62 2,43 127 106 67
5 1,83 2,43 139 117 75
6 2,03 2,43 153 129 84
7 2,3 2,43 171 144 95
Полученные коэффициенты загрузки являются не кратными определённому числу в связи с тем, что они получены в результате эмпирических исследований подключением нагрузки к разным клеммам физической модели.
Значения мощности на сторонах высшего Рвн и низшего напряжения Рнн трансформатора модели типа ТТ-160 ВА 380/38 В с использованием коэффициентов подобия были пересчитаны на стороны 10 кВ и 0,4 кВ для трансформатора ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ:
- коэффициент подобия крвн по мощности для стороны ВН 10 кВ - 0,0004 о.е.;
- коэффициент подобия крнн по мощности для стороны НН 0,4 кВ - 0,00047 о.е. Потери мощности в трансформаторе физической модели соотносились с
электрическими параметрами сельской электрической сети 0,4 кВ с использованием формулы (3):
ЛРм _ -^ВН.м • к рвн — Т’нн.м • к рнн, (Вт) (3)
где Рвн.м - мощность, измеренная на вводе трансформатора модели, Вт; кРвн - коэффициент подобия по мощности для стороны ВН 10 кВ, 0,0004 о.е.; Рнн.м - мощность, измеренная на выводе трансформатора модели, Вт;
кРнн - коэффициент подобия по мощности для стороны ВН 10 кВ, 0,00047 о.е.
Коэффициенты загрузки, представленные в таблице 1, использовались для теоретического расчёта потерь мощности в трансформаторе ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ с использованием формулы (1).
По описанной выше методике были получены 2 значения потерь мощности в силовом трансформаторе ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ с использованием теоретических расчётов и экспериментального исследования физической модели. Коэффициент подобия потерь между полученным расчётным и экспериментальным значением рассчитывался по формуле (4):
кАР = ^J, (о.е.) (4)
где АРм - потери мощности в трансформаторе, полученные экспериментальным путём, кВт;
ДРр - потери мощности в трансформаторе, полученные расчётным путём, кВт.
Результаты исследований и их обсуждение.
В таблице 2 представлены результаты пересчёта потерь мощностей, измеренных на физической модели, и теоретических потерь мощностей, полученных по формуле (1).
Таблица 2 - Потери мощности в трансформаторе ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ, полученные расчётным методом и экспериментальным исследованием
№ п/п Коэффи- циент загрузки, в, % Экспериментальные исследования физической модели Расчётные потери мощности в трансформаторе, ДРр, кВт
Мощность на стороне ВН, P вн.о, Вт Мощность на стороне НН, P нн.о, Вт Потери мощности в трансформато ре, ДРм, кВт
1 46 230 157 73 1,3
2 57 275 191 84 1,7
3 61 290 204 86 1,9
4 67 318 226 92 2,2
5 75 348 249 99 2,6
6 84 383 274 108 3,1
7 95 428 306 121 3,9
Исходя из данных таблицы 2 с использованием формулы (4) были получены коэффициенты подобия потерь мощности для трансформатора типа ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ, которые графически представлены на рисунке 3.
Аналогичным образом с использованием расчётного метода и экспериментального исследования физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ были определены коэффициенты подобия потерь мощности в наиболее часто используемых в сельских электрических сетях 0,4 кВ силовых трансформаторах типов ТМ-63, ТМ-100, ТМ-160 и ТМ-250 [15]. Результаты представлены в таблице 3.
Коэффициенты подобия потерь мощности в силовых трансформаторах для физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ были определены для коэффициентов загрузки, кратных 10.
Следует отметить, что для разных номинальных мощностей силовых трансформаторов они отличаются незначительно. Например, они практически одинаковы для трансформаторов типа ТМ-100 и ТМ 63. При этом для коэффициентов загрузки 30% и более они также имеют близкие значения для трансформаторов типов ТМ-63, ТМ-100 и ТМ-160.
<u
о
н
s
-©<
-©<
m
О
25
20
15
10
5
0
46
57
61 67 75 84
Коэффициент загрузки, р, %
95
Рисунок 3 - Коэффициенты подобия потерь для силового трансформатора типа
ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ.
Таблица 3 - Коэффициенты подобия потерь мощности в силовых трансформаторах __________для физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ.____
№ п/п Коэффициент загрузки, р,% кДР (ТМ-250 кВА У/Ун 10/0,4 кВ), о.е. кДР (ТМ-160 кВА У/Ун 10/0,4 кВ), о.е. кДР (ТМ-100 кВА У/Ун 10/0,4 кВ), о.е. кДР (ТМ-63 кВА У/Ун 10/0,4 кВ), о.е.
1 0 96 74 64 63
2 10 93 70 60 59
3 20 81 60 54 54
4 30 66 48 45 43
5 40 59 39 37 36
6 50 46 33 33 33
7 60 38 29 28 28
8 70 33 25 25 25
9 80 28 22 22 22
10 90 24 20 20 21
11 100 21 18 18 18
Полученные коэффициенты необходимо использовать при корректировке результатов экспериментальных исследований потерь мощности в силовых трансформаторах сельских электрических сетей 0,4 кВ. После осуществления измерений мощности модели и нахождения результата потерь мощности по формуле (3), пересчёт фактических потерь мощности для определенного трансформатора можно производить по формуле (5):
АРф = А^, (Вт) (5)
где АРМ - потери мощности в силовом трансформаторе, выявленные по результатам экспериментальных исследований физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ, Вт;
кАР - коэффициент подобия потерь мощности для промышленного силового трансформатора, о.е.
Выводы. Исходя из результатов обоснования коэффициентов подобия потерь мощности для физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ были сделаны следующие выводы:
1. В настоящее время актуальным направлением является моделирование электрических сетей и отдельных их элементов. Отмечено, что множество работ направлено на исследование режимов работы трансформаторов. В работах исследуются дополнительные потери в них, вызванные высшими гармониками, предлагаются способы моделирования с использованием математических выражений и рассчитываются параметры для моделирования в программных комплексах.
2. Для трёхфазного трансформатора малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В, используемого для питания физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ были проведены экспериментальные исследования нагрузочных режимов работы с целью выявления потерь мощности в нём при разных коэффициентах загрузки.
3. С использованием расчётного метода были определены потери мощности в силовых трансформаторах, используемых для питания сельских электрических сетей 0,4 кВ, типов ТМ-63, ТМ-100, ТМ-160 и ТМ-250 для разных значений коэффициентов загрузки.
4. Сравнение экспериментальных значений потерь мощности в силовых
трансформаторах и значений, полученных расчётным методом, позволили определить коэффициенты подобия потерь мощности между трёхфазным трансформатором малой мощности ТТ-160 ВА 380/38 В, используемым для питания физической модели, и промышленными трансформаторами. Было предложено выражение, позволяющее соотнести значение потерь мощности в трансформаторе, полученное
экспериментальным путём, с потерями мощности в промышленном трансформаторе при заданном коэффициенте загрузки.
Библиография:
1. Вильданов Р.Г., Вахитова А.Р., Габидуллин И.И., Кудояров Р.И. Моделирование работы силового трансформатора при высоком уровне высших гармоник // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2017. № 133. С. 24-29.
2. Федотов Ю.Б., Нестеров С.А., Карасев А.В. Способы моделирования трансформаторов // APRIORI. Серия: Естественные и технические науки. 2015. № 5. С. 30.
3. Байков А.И. Титов В.Г. Математические модели трёхобмоточного трансформатора мощного выпрямителя для судовой энергетической системы // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2016. № 3(114). С. 37-45.
4. Дед А. В. Расчет параметров Simulink-модели силового трехфазного трансформатора для исследования длительных несимметричных режимов // Омский научный вестник. 2017. № 3(153). С. 68-74.
5. Новаш И.В., Румянцев Ю.В. Расчет параметров модели трехфазного трансформатора из библиотеки MatLab-Simulink с учетом насыщения магнитопровода // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 1. С. 12-24.
6. Новаш И.В., Румянцев Ю.В. Упрощенная модель трехфазной группы трансформаторов тока в системе динамического моделирования // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 5. С. 23-38.
7. Новаш И.В., Румянцев Ю.В. Реализация математической модели трехфазной группы трансформаторов тока в системе динамического моделирования // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2014. № 3. С. 19-28.
8. Шмелев В.Е., Абрамченко Е.В., Сбитнев С.А. Сравнительный анализ результатов экспериментального исследования несимметричных режимов работы
трехфазного трансформатора и данных полнофазного моделирования // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. 2018. № 3. С. 51-59.
9. Izudin Dzafic, Rabih A. Jabr, Hans-Theo Neisius. Transformer Modeling for Three-phase Distribution Network Analysis // IEEE Trans. Power Syst. 2015. V. 30. No. 5. Pp. 2604-2611.
10. Qiong Wu, Saeed Jazebi, Francisco de Leon. Parameter Estimation of Three-phase T ransformer Models for Low-frequency Transient Studies from T erminal Measurements // IEEE Trans. Magnetics. 2017. V. 53. No. 7. Pp. 1-8.
11. Семёнов А.С. Исследование режимов работы однофазного
трансформатора путем математического моделирования // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 5-3. С. 391-395.
12. Лансберг А.А., Виноградов А.В. Разработка физической модели сельской электрической сети 0,4 кВ // Техника и оборудование для села. 2024. № 8. С. 39-43.
13. Виноградов А. В., Лансберг А. А., Виноградова А. В. Анализ конфигурации электрических сетей 0,4 кВ Орловской области // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2023. Т. 70, № 4(53). С. 22-29.
14. Трансформатор ТМ(Г)-250/6(10). УралЭнерго. URL:
https://www.uralen.ru/catalog/trans/group-17/62.html (дата обращения 30.08.2024 г.).
15. Виноградов А.В., Лансберг А.А., Сорокин Н.С. Характеристика электросетевых компаний по количеству и протяженности линий электропередачи, мощности подстанций // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2022. Т. 69, № 2(47). С. 31-41.
УДК 631.223.4
ОВЧАРНЯ ИЗ ЛЁГКИХ КОНСТРУКЦИЙ НА 100 ОВЦЕМАТОК
Павлюченков В.А., Синицина В.С., Щукина А.А., бакалавры 3 курса направления подготовки 08.03.01 Строительство.
Научный руководитель: к.т.н., доцент Блажнов А.А.
ФГбОу ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
С целью снижения стоимости строительства разработано овцеводческое сооружение из лёгких несущих и ограждающих конструкций. Строительство овчарни возможно собственными силами в малых формах хозяйствования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Овчарня, стальной арочный каркас, совмещённое утеплённое покрытие.
ABSTRACT
In order to reduce the cost of construction, a sheep-breeding structure made of lightweight supporting and enclosing structures has been developed. Construction of a sheepfold is possible on your own in small farms.
KEYWORDS
Sheepfold, steel arched frame, combined insulated covering.
Введение. Исходя из современного состояния рынка мяса, именно овцеводство по многим факторам является наиболее надежным и рентабельным направлением в животноводстве, дающим быструю отдачу вложенных средств. Потребление баранины в России в среднем составляет не более 1,5 кг в год, что почти в 4 раза меньше нормы,
