Оценка потерь холостого хода в сельских силовых трансформаторах при их эксплуатации

Актуальность работы. Повышение эффективности снабжения сельских потребителей электроэнергией является одной из приоритетных в контексте модернизации как всей экономики Российской Федерации, так и одной из её базовых составляющих — агропромышленного комплекса.

В настоящее время в эксплуатации в сельских распределительных сетях находится значительное число силовых трансформаторов, отработавших свой нормативный срок службы, при этом практика показывает, что заложенные в них для обеспечения необходимого уровня надёжности ресурсы позволяют энергоснабжающим организациям избежать дорогостоящей замены таких трансформаторов, на новые, за счёт продления их срока службы.

В последние годы всё большее число авторов обращает внимание на рост потерь электроэнергии холостого хода в силовых трансформаторах по мере их старения по сравнению с паспортными данными, измеренными в год выпуска. При этом конструкторы самих трансформаторов, как правило, утверждают, что потери холостого хода в процессе эксплуатации в исправных трансформаторах если и увеличиваются, то не более чем на 5% за весь срок службы трансформатора — 40 лет.

Потери в трансформаторах и автотрансформаторах составляют до 20% от общих потерь электроэнергии в электрических сетях, и увеличение потерь холостого хода на 10% повысит суммарные потери в трансформаторах на Н2%. Большинство сельских силовых трансформаторов работает в режиме малых нагрузок, поэтому доля потерь холостого хода в общих потерях трансформаторов является значительной. Учитывая количество таких трансформаторов в энергосистеме и большой срок их службы, такие трансформаторы представляют собой значительный резерв энергосбережения.

Исследования показывают, что к росту потерь холостого хода трансформаторов приводят в основном изменения в магнитной системе. Однако не достаточно изучено изменение потерь мощности холостого хода в силовых трансформаторах сельских распределительных сетей в процессе их эксплуатации. Измерение потерь холостого хода в условиях эксплуатации при номинальном напряжении позволило бы диагностировать техническое состояние трансформатора и оценить его остаточный ресурс.

Анализ показал, что в настоящее время измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации при номинальном напряжении не производятся, поэтому отсутствует объективная информация о фактических потерях холостого хода. Отсутствие данной информации не позволит более точно рассчитать нормативы технологических потерь и наметить мероприятия по их снижению.

Таким образом, оценка потерь холостого хода сельских силовых трансформаторов является актуальной, так как позволит освоить значительные резервы повышения энергоэффективности, задачи, поставленные Федеральным законом № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Целью работы является разработка способа и технического средства для оценки потерь холостого хода в сельских силовых трансформаторах 10(6)-0,4 кВ при их эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— провести исследования качественного и количественного влияния механических и тепловых воздействий на изменение удельных потерь электротехнической стали;

— установить количественные взаимосвязи между внешними воздействиями (механическими и тепловыми) на электротехническую сталь магни-топровода в процессе эксплуатации трансформатора и увеличением удельных магнитных потерь в ней;

— разработать новое техническое решение, обеспечивающее измерение потерь холостого хода сельских распределительных трансформаторов при номинальном напряжении в условиях эксплуатации;

— провести производственные экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности и выявления уровня достоверности разработанной математической модели;

— Оценить эффект измерения и изменения потерь холостого хода в сельских распределительных трансформаторах 10(6)/0,4кВ.

Объект исследования. Объектом исследования в настоящей работе являются трёхфазные силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ, находящиеся в эксплуатации в сельских сетях, процессы их эксплуатационного старения, обуславливающие увеличение потерь холостого хода, а также технические средства их диагностики.

Предмет исследования. Предметом исследования являются зависимости между условиями эксплуатации силовых трансформаторов в сельских распределительных сетях и мощностью холостого хода данных трансформаторов, а также зависимости между техническими параметрами систем диагностики таких трансформаторов и показателями эффективности функционирования систем электроснабжения сельских потребителей.

Методы исследования. В процессе исследований использовались методы математического моделирования с постановкой вычислительных экспериментов, лабораторных и производственных экспериментальных исследований с использованием методов математического планирования и статистической обработки полученных результатов. Экспериментальная часть выполнена в Верх-Исетском заводе по производству электротехнических сталей, а также на трансформаторных подстанциях МУП «Йошкар-Олинская ТЭЦ-1» с использованием передвижной установки для диагностики силовых транс.

Для условий эксплуатации силовых трансформаторов в сельских рас.

— экспериментально установлены количественные показатели влияния остаточных напряжений в электротехнической стали на изменение её маг7 форматоров в условиях эксплуатации. Научная новизна. пределительных сетях: нитных свойств путём исследования образцов из магнитопроводов трансформаторов после длительной эксплуатации;

— разработана имитационная математическая модель ИММ изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, отличающаяся учётом воздействия механических и тепловых факторов на магни-топровод трансформатора, приводящих в свою очередь к накоплению остаточных механических напряжений в его материале;

— разработана передвижная установка для диагностики технического состояния силовых трансформаторов в условиях их эксплуатации в сельских сетях путём измерения мощности холостого хода при номинальном напряжении;

— установлена количественная взаимосвязь между внешними воздействиями (механическими и тепловыми) на электротехническую сталь магнитопровода в процессе эксплуатации трансформатора и увеличением удельных магнитных потерь в ней путём производственных исследований потерь холостого хода в трансформаторах, длительное время эксплуатирующихся в сельских распределительных сетях.

Практическая ценность работы.

1. Выявлено влияние механических напряжений, возникающих при эксплуатации трансформаторов на увеличение потерь холостого хода, и разработана математическая модель, описывающая характер данного воздействия;

2. Предложено включить в инструкцию РД 34.45−51.300−97 «Объём и нормы испытаний электрооборудования» требование по обязательному измерению потерь холостого хода в условиях эксплуатации силовых трансформаторов 10(6)/0,4 кВ со сроком службы более 20 лет при номинальном напряжении для их диагностики и получения фактических данных потерь холостого хода;

3. Предложено рассчитывать нормативные потери в трансформаторах со сроком службы, используя фактические данные, полученные путём измерения в условиях эксплуатации;

4. Предложено при выборе мероприятий по снижению потерь электроэнергии оценить экономический эффект от замены силовых трансформаторов на энергосберегающие трансформаторы с учётом капитализированной стоимости потерь.

Реализация результатов исследований.

— Методика измерения тока и потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации при номинальном напряжении, а также установка для диагностики силовых трансформаторов используются электротехнической лабораторией МУП «Йошкар-Олинская ТЭЦ-1» во время профилактических работ с целью диагностики магнитной системы и установлении паспортных данных на оборудование, а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет»;

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных Всероссийских региональных и Международных Щ конференциях ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет» г. ИошкарОла) 2007 — 2010 гг., а также на учебных семинарах по технической диагностике электрооборудования электрический сетей МУП «Йошкар-Олинская ТЭЦ-1».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 3, в изданиях, рекомендуемых ВАК, включая 1 патент РФ.

Структура диссертации и ее объем.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 148 страниц, в том числе 118 страниц основного текста, 22 рисунка, 11 таблиц, списка литературы из 153 наименований.

Основные выводы и рекомендации по диссертационной работе.

1. Проведённые экспериментальные исследования показали, что основным фактором, влияющим на изменение магнитных свойств, являются остаточные механические напряжения, которые оказывают влияние на совершенство кристаллографической структуры и способствуют ухудшению магнитных свойств.

2. Имитационная математическая модель изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, происходящих в результате воздействия механических и тепловых факторов, приводящих, в свою очередь, к накоплению остаточных механических напряжений в материале магнитопровода трансформатора, показывает характерные углы нарастания удельных потерь, которые к 20-летнему сроку службы в среднем составили 5. 8%.

3. Разработана передвижная установка для измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов при номинальном напряжении в условиях эксплуатации.

4. Результаты экспериментальных исследований потерь холостого хода силовых трансформаторов хорошо согласуются с результатами вычислительного эксперимента (расхождение не более 10%), что подтверждает адекватность и достоверность разработанной модели.

5. Предложена и доказана целесообразность измерений потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации. Показана необходимость замены трансформаторов, имеющих недопустимый уровень потерь холостого хода на энергосберегающие силовые трансформаторы с низким уровнем потерь холостого хода, который достигнут благодаря применению сталей с пониженными удельными потерями.

6. Для измерения потерь холостого хода при номинальном напряжении рекомендуется использовать передвижную установку для диагностики силовых трансформаторов, обеспечивающую мобильность и применение в условиях их эксплуатации.

7. Измерения потерь холостого хода рекомендуется производить на трансформаторах старше 12 лет, так как, согласно полученной модели изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, наблюдается резкий рост расхождения с экспериментальными значениями.

8. При расчётах потерь электроэнергии в силовых трансформаторах рекомендуется использовать фактические значения потерь холостого хода, полученные путём измерений в условиях эксплуатации.