Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Анализ современного состояния силовых трансформаторов сельских распределительных электрических сетей 11
1.2. Состояние исследований мощности холостого хода распределительных трансформаторов сельских электрических сетей14
1.3. Исследования потерь холостого хода длительно эксплуатирующихся трансформаторов 21
1.4. Исследования причин изменения потерь холостого хода длительно эксплуатирующихся трансформаторов 23
1.5. Исследования в области технологии и технических средств для измерения потерь холостого хода распределительных трансформаторов сельских электрических сетей в условиях их эксплуатации 28
1.6. Исследования в области математического моделирования процессов эксплуатационного старения элементов магнитопровода в распределительных трансформаторах сельских электрических сетей 36
1.7. Выводы и задачи исследования 38
2. Описание процессов в электротехнической стали при эксплуатации трансформаторов 42
2.1. Современное состояние силовых трансформаторов в МУЛ «Иошкар-Олинская ТЭЦ-1» и причины повышенных потерь в них. График нагрузок 42
2.2. Обоснование экспериментальных исследований по отжигу 45
2.3. Программа экспериментальных исследований по отжигу стали 50
2.4. Описание экспериментальных исследований 55
2.5 Результаты исследований 56
2.6 Выводы 61
3. Моделирование изменения потерь в электротехнической стали при эксплуатации трансформаторов 62
3.1 Обоснование подходов к моделированию 62
3.2.1 Влияние механических напряжений на магнитные свойства стали 67
3.2.2 Влияние магнитных свойств стали на магнитные потери в стали70
3.2.3 Влияние магнитных потерь в стали на потери холостого хода трансформатора 76
3.3 Реализация математической модели 77
3.4 Вычислительный эксперимент на математической модели 89
3.5 Выводы 92
4 Разработка методов и средств диагностики магнитной системы силовых трансформаторов 93
4.1 Разработка технико-технологических решений для измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов при номинальном напряжении в условиях эксплуатации 93
4.2 Методика проведения измерений, методы предосторожности... 100
4.2.1. Общие положения 100
4.2.2 Общие требования к условиям, обеспечению и проведению испытаний 100
4.2.3 Требования безопасности 102
4.2.4 Определяемые показатели и точность их измерений 103
4.2.5 Методика выполнения измерений 104
4.2.6 Отчетность 105
4.3 Проведение измерений. Обработка статистических данных потерь холостого хода силовых трансформаторов 106
4.7 Выводы: 113
5 Оценка экономической целесообразности измерений потерь холостого хода в условиях эксплуатации 115
5.1 Экономический эффект от мероприятий по снижению потерь электроэнергии 115
5.2 Практическое значение измерения потерь холостого в силовых трансформаторах в условиях эксплуатации 120
5.3 Экономическая оценка измерения потерь холостого хода 122
5.4 Оценка полной стоимости владения трансформатором 127
5.5 Выводы по главе 128
Список литературы 132
- Состояние исследований мощности холостого хода распределительных трансформаторов сельских электрических сетей14
- Исследования в области технологии и технических средств для измерения потерь холостого хода распределительных трансформаторов сельских электрических сетей в условиях их эксплуатации
- Проведение измерений. Обработка статистических данных потерь холостого хода силовых трансформаторов
- Практическое значение измерения потерь холостого в силовых трансформаторах в условиях эксплуатации
Состояние исследований мощности холостого хода распределительных трансформаторов сельских электрических сетей14
Анализ показал, что под влиянием длительных тепловых воздействий в электротехнической стали магнитопровода происходят структурные изменения, называемые процессами старения, ухудшающие ее магнитные свойства и приводящие к увеличению потерь в магнитопроводе трансформатора [60].
Перенапряжения, перегрузки и короткие замыкания могут приводить к нарушению изоляции пластин магнитопровода, изоляции узлов стяжки и прессовки (стяжных шпилек, бандажей, полу бандажей) [137], а также замыканию пластин токопроводящими частицами и предметами.
Наиболее часто встречаются замыкания пакетов и отдельных листов стали, например, вследствие нарушения изоляции стяжной шпильки, неудовлетворительной шихтовки, смещения консоли с замыканием ее на сталь, нарушение слоя межлистовой изоляции. Замыкание между элементами магнитопровода или между магнитопроводом и баком трансформатора могут возникнуть при транспортировке трансформатора и затем развиваться в ходе его эксплуатации [143].
В ряде случаев возможна конденсация влаги на поверхности масла. Попадая на верхнее ярмо, влага проникает между пластинами активной стали в виде водомаслянои эмульсии, разрушает межлистовую изоляцию, вызывая коррозию стали [2]. В результате нарушения изоляции пластин образуются короткозамкну-тые контуры, по которым циркулируют вихревые токи. Контур может образовываться как внутри пакета магнитопровода, так и через какую-либо конструктивную металлическую деталь, например через прессующее кольцо и элементы заземления магнитопровода [49]. Причиной образования короткозамкнутого контура могут быть за-шламление и загрязнение активной части силового трансформатора [142]. Все выше перечисленные явления, связанные с образованием токопро-водящих замкнутых контуров вокруг основного магнитного потока или его части, вызывают увеличение потерь в магнитопроводе силового трансформатора. Увеличение потерь в магнитопроводе трансформатора может быть вызвано ошибками при конструировании, монтаже и ремонтах трансформаторов. Примером этого может служить касание карманом датчика термосигнализатора листов активной стали, соединение магнитопровода с баком через прессующий домкрат при выпадении изолирующей прокладки, через заземляющую шину, имеющую излишнюю длину. Отмечались случаи соприкосновения крышки бака с деталями серег для подъема активной части при усадке резиновых уплотнений нижнего разъема [143]. В [153] отмечается, что потери холостого хода в длительно эксплуатирующихся силовых трансформаторах возрастают за счет распрессовки магнитопровода и нарушения изоляции между листами. Плохая межлистовая изоляция может вызвать увеличение потерь холостого хода до 10... 15 %. Результаты обследования ряда длительно эксплуатирующихся силовых трансформаторов [72,83] свидетельствуют о том, что измеренные потери мощности в магнитопроводе отличаются от паспортных значений, причем указанное различие для некоторых силовых трансформаторов составляет более 50 %. Об увеличении потерь в магнитопроводах трансформаторов с длительным сроком эксплуатации также отмечается в [81,90].
Анализ показал, что потери холостого хода новых трансформаторов могут оказаться значительно выше паспортных значений, при этом трансформатор будет соответствовать предъявляемым к нему требованиям. Известно, что силовые трансформаторы выпускаются по двум уровням допуска на потери холостого хода. Для первого уровня допуск на значение потерь холостого хода трансформаторов 25...630 кВ А, согласно ГОСТ 11677-85 [51], в конкретном трансформаторе может составлять до 15 % к потерям холостого хода, указанным в паспорте заводом-изготовителем. Для второго уровня значение потерь холостого хода может быть больше еще на 10 %.
В процессе срока службы трансформатора величина потерь холостого хода изменяется. Изменение потерь может быть вызвано несколькими причинами.
При плохой изоляции листов стали в сердечнике сопротивление между листами стали незначительное, появляется путь для замыкания токов. Циркулирующие (значительные) вихревые токи могут вызвать увеличение потерь холостого хода на 10...30 % [140].
В трансформаторе, при его работе в течение длительного времени, ослабляется сжатие листов шихтованного сердечника стяжными шпильками или бандажами. При этом происходит частичная распрессовка сердечника трансформатора и, как следствие, появляются паразитные зазоры на пути замыкания потока взаимной индукции. В результате происходит увеличение тока холостого хода трансформатора (до 10 %) [140]. Одновременно с указанным процессом увеличиваются потоки рассеяния, вызывающие повыше-ние мощности потерь на путях замыкания этих потоков (в стали бака и других стальных конструктивных элементах - до 20 %). Повышение потерь холостого хода, соответствующее этим процессам, может достигать 5 %.
Имеющие место в процессе работы трансформатора перегревы (короткие замыкания, ухудшение условий теплоотвода из-за старения трансформаторного масла и др.) выше допустимых значений приводят к ухудшению магнитных свойств стали сердечника, увеличению тока холостого хода и повышению потерь холостого хода, которое с течением времени может достигать 4% [138, 140].
С течением срока службы трансформатора происходит ухудшение диэлектрических свойств изоляции обмоток и выводов, трансформаторного масла за счет старения твердой изоляции; истирания твердой изоляции в условиях постоянных вибраций, деформаций в режимах короткого замыка-ния и др.; увлажнения и загрязнения поверхности твердой изоляции и трансформаторного масла и др. В результате происходит снижение сопротивления изоляции, возрастают токи утечки, увеличиваются частота и мощность частичных разрядов, повышаются диэлектрические потери (могут достигать 10 % полного значения потерь холостого хода в высоковольтных трансформаторах [140]) и, соответственно, потери холостого хода.
На увеличение потерь холостого хода влияет и работа трансформатора с несимметричной нагрузкой, в результате которой появляются магнитные потоки нулевой последовательности, и, как следствие, дополнительные потери холостого хода (проявляются по разному: в большей степени для трансформаторов со схемой обмоток Y/YH, в меньшей степени для трансформаторов со схемой обмоток A/YH, Y/ZH).
Исследования в области технологии и технических средств для измерения потерь холостого хода распределительных трансформаторов сельских электрических сетей в условиях их эксплуатации
Современное состояние электрических сетей характеризуется их старением. Значительная часть установленного 30-40 лет назад оборудования продолжает эксплуатироваться, уступая современным разработкам по технико-экономическим и массогабаритным показателям. Большая часть силовых трансформаторов, как и другое оборудование электрических сетей, имеет длительные сроки эксплуатации. К началу 2000 г. около 45 % силовых трансформаторов проработали более 20 лет, а около 30% - более 25 лет. В эксплуатации находятся трансформаторы, которым 40, 50 и более лет [58,59]. Количество новых трансформаторов не превышает 7% [112]. Поврежденные трансформаторы в большинстве случаев ремонтируют, после чего они вновь вступают в эксплуатацию.
Из общей величины потерь электроэнергии в энергосистемах России примерно 80 % приходится на распределительные электрические сети 110 кВ и ниже. Структура технических потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях имеет следующий вид: потери электроэнергии в трансформаторах составляют 25 %, потери в линиях электропередачи - 65 %, а остальные 10 % - потери в оборудовании сетей и подстанций (корона, собственные нужды подстанций, токоограничивающие реакторы, компенсирующие устройства, измерительные трансформаторы тока и напряжения) [35]. Приведенные данные показывают, что наибольшая часть потерь сосредоточена в линиях и трансформаторах. 4. Действующий ГОСТ 3484.1-88 «Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний» стандартизирует два режима измерения па раметров (тока и активной мощности) холостого хода силовых трехфазных трансформаторов: - измерения при номинальном напряжении; - измерения при малом напряжении (проводятся с закороченной вторичной обмоткой одной фазы с целью диагностики трансформатора, но не оценки потерь холостого хода). В настоящее время указанные измерения при номинальном напряжении производят на стенде завода-изготовителя (в ходе приемочных испытаний), а на местах эксплуатации (при диагностике трансформаторов) параметры холостого хода периодически измеряют при малом напряжении с использованием специально оборудованных для этой цели передвижных лабораторий. 5. Известны установленные на самоходных шасси передвижные лаборатории для проверки электротехнического оборудования на территориально рассредоточенных объектах эксплуатации [RU2054247, МІЖ A01J 7/00, 1996г., RU60734 МІЖ G01R29/20, 2006 г.]. Недостаток указанных аналогов -отсутствие специализации установленного оборудования для диагностики силовых трансформаторов (в том числе и для измерения их параметров холостого хода). 6. Отсутствие передвижных установок, специально оборудованных для автономного оперативного измерения в местах эксплуатации параметров холостого хода силовых трансформаторов в режиме номинального напряжения, приводит к тому, что в настоящее время при диагностике силовых трансформаторов параметры холостого хода измеряют только в режиме малого напряжения. Это снижает достоверность диагностики состояния сердечника трансформатора, не дает оснований для своевременного вывода из работы трансформаторов с замыканиями и нарушениями изоляции между шихтованными листами сердечника и тем самым повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций. 7. Разработанные в [8] на основе экспериментальных данных и корреляционно-регрессионного анализа регрессионные модели изменения потерь мощности в магнитопроводе (ИПММ) трансформаторов позволяют проводить планирование и анализ потерь энергии в трансформаторах в процессе эксплуатации, но не позволяют установить фактические значения потерь XX в конкретном трансформаторе и не выявляют причин (не учитывают условий эксплуатации), по которым происходят изменения потерь XX в процессе эксплуатации. 8. При расчёте потерь холостого хода согласно [75] допускается при установлении паспортных данных на силовые трансформаторы измерять потери в условиях эксплуатации по методам, согласованным с заводом- , изготовителем при использовании сертифицированных средств измерения. 9. Основную часть потерь холостого хода в силовом трансформаторе составляют магнитные потери, то есть потери в активном материале — стали магнитной системы, которые подразделяются на потери от гистерезиса и вихревых токов и зависят от типа стали, используемой для производства силовых трансформаторов (горячекатаная или холоднокатаная текстурованная сталь). 10. Для повышения достоверности расчетов потерь электроэнергии необходимо учитывать увеличение потерь в магнитопроводе, определяемое сроком службы и условиями эксплуатации силовых трансформаторов. При этом возрастание потерь холостого хода в силовых трансформаторах с уве личением срока службы определяется в основном неисправностью магнито провода и за счет «старения» самой стали. Для изучения объективного роста потерь холостого хода необходимо произвести исследование процессов в электротехнической стали, выявить механизмы повышения потерь в стали при эксплуатации трансформаторов.
Проведение измерений. Обработка статистических данных потерь холостого хода силовых трансформаторов
На основании [72,81,83,90] и результатов замеров потерь холостого хода трансформаторов, собранных в рамках данной работы, следует, что срок эксплуатации оказывает существенное влияние на потери мощности в магнитопроводе. В сложившихся условиях, когда значительная часть силовых трансформаторов в современных энергосистемах имеет длительный срок эксплуатации, повышение точности расчета потерь электроэнергии в магни-топроводах силовых трансформаторов является особенно актуальной задачей. Вместе с тем, необходимость учета срока эксплуатации вызвана величиной потерь электроэнергии в магнитопроводах трансформаторов в общих потерях электроэнергии в сетях. Поэтому от точности расчета этой составляющей потерь и её прогнозирования будет зависеть эффективность планируемых и внедряемых мероприятий по энергосбережению.
О необходимости проведения работы по совершенствованию расчетов потерь в силовых трансформаторах с учетом сроков их эксплуатации отмечается в [37]. В работе [81] для силовых трансформаторов, напряжением 6...10кВ, номинальной мощностью 20...630 кВА, предложена зависимость изменения потерь мощности XX от срока эксплуатации.
Учитывая, что основная часть потерь приходится на распределительные электрические сети (0,38...ПО кВ) [35,112], то наибольшее внимание следует уделить повышению точности расчета потерь в силовых трансформаторах, эксплуатируемых именно в этих сетях.
Достоверность определения мощности потерь холостого хода трансформатора (АРхх ) имеет особое значение в тех случаях, когда граница балансовой принадлежности находится на стороне высшего напряжения трансформатора абонента, а расчетные приборы учета установлены на стороне низшего напряжения трансформатора. Если для мощных трансформаторов электрических сетей отсутствие приборов учета на стороне высшего напряжения скорее исключение, чем правило, то для трансформаторов распределительных сетей с высшим напряжением 6 (10) кВ чаще правило, чем исключение. В этом случае при расчетах за потребляемую энергию определение потерь мощности и энергии в трансформаторе производится расчетным путем. В расчетах величина активной мощности потерь ДР принимается, как правило, равной паспортному значению потерь, хотя в реальных условиях паспортное значение АРхх не всегда соответствует реальному и, как показывает опыт эксплуатации трансформаторов, изменяется в процессе эксплуатации трансформатора. Срок службы трансформаторов может составлять 30 и более лет. Ошибка в определении АРхх на 1 кВт приводит к ошибке в расчетах отпуска электроэнергии на величину порядка 10 тыс. кВтч в год. «Цена ошибки» определения АРхх возрастает при увеличении единичной мощности трансформатора, числа трансформаторов в сети и срока их службы. Предлагается при определении величины АРхх учитывать реальные (а не паспортные) значения потерь, соответствующие сроку службы трансформаторов.
Технические потери электроэнергии являются основой норматива потерь, определяющего величину экономически обоснованного и документально подтвержденного технологического расхода электроэнергии при ее транспортировке, направленного на получение дохода энергоснабжающей организации [10]. Занижение значения потерь приводит к снижению показателя эффективности работы сетевого предприятия и снижению его дохода, завышение - к получению электросетевым предприятием необоснованных доходов. Точное знание потерь холостого хода трансформаторов и возможного их изменения в процессе эксплуатации обеспечит корректное определение показателя эффективности работы сетевого предприятия.
Об увеличении АРхх свидетельствуют результаты измерений, прове-денных в распределительных трансформаторах МУП «Иошкар-Олинская ТЭЦ-1», результаты которых представлены в табл. 4.1—4.3.
Из приведенных данных видно, что имеется явно выраженная тенденция роста потерь холостого хода при увеличении срока службы трансформатора. О точном значении абсолютной величины этих значений по проведенному числу измерений говорить сложно. Однако с уверенностью можно утверждать, что при сроке службы трансформаторов в сети 20 лет и более среднее значение потерь по всем трансформаторам может превышать величину 1,15... 1,30 от паспортного значения. В соответствии с [40] для городских электрических сетей это может означать «добавку» к общей величине относительных потерь 0,3.. .0,6 %, а для сельских — 0,5... 1,0 %.
Очевидно, что такая существенная «добавка» к величине технических потерь не может игнорироваться и должна учитываться при расчетах норматива потерь распределительных сетей с высшим напряжением 6...10 кВ. Для получения точного значения величины потерь холостого хода, обусловленной сроком службы трансформатора, необходимы накопление и статистическая обработка фактического материала по результатам измерений потерь холостого хода трансформаторов, работающих в распределительных сетях. Для того чтобы оценить целесообразность измерений потерь холостого хода в силовых трансформаторах со сроком службы, необходимо: - рассчитать разницу результатов расчёта нормативов потерь при использовании фактических данных и справочных, используемых в программах по расчёту потерь; - оценить убытки от использования трансформаторов с повышенными потерями; - оценить использование измеренных значений потерь холостого хода при расчёте полной стоимости владения силовым трансформатором для решения задач его замены с целью снижения потерь холостого хода.
Практическое значение измерения потерь холостого в силовых трансформаторах в условиях эксплуатации
Потери холостого хода трехфазных силовых трансформаторов составляют существенную величину суммарных потерь при преобразовании электрической энергии и в процессе срока службы трансформатора не остаются неизменными. В связи с этим целесообразно определение конкретных потерь холостого хода трансформатора и их изменения с течением срока службы. В расчетах потерь мощности и энергии в электрических сетях следует учитывать потери холостого хода трансформаторов, соответствующие их сроку службы, а не паспортные значения этих потерь.
На основании проведенного анализа современного состояния силовых трансформаторов, существующих методик расчета потерь электроэнергии в магнитопроводе силового трансформатора и причин, вызывающих увеличение потерь мощности XX, можно сделать следующие выводы: 1. Основная часть силовых трансформаторов в энергосистемах России характеризуется значительным сроком эксплуатации. Так, примерно 50 % силовых трансформаторов эксплуатируются за пределами нормативного срока службы, а 25 % близки к этому пределу. Кроме того, около 25 % силовых трансформаторов напряжением 6... 10 кВ работают после капитального ремонта с разборкой магнитопровода. 2. Объективных причин, приводящих к увеличению потерь в процессе эксплуатации и после проведения капитального ремонта, достаточно много. Причем, общее их влияние приводит в основном к значительному отличию фактических потерь мощности в магнитопроводе от паспортных значений. 3. В действующей методике расчета потерь электроэнергии в магнитопроводах трансформаторов такие факторы, как срок эксплуатации и наличие капитального ремонта, не учитываются, что приводит к снижению точности выполняемых расчетов. 4. Для повышения точности расчета потерь в силовых трансформаторах необходима корректировка действующей методики, которая будет предусматривать определение потерь электроэнергии не на основе ЛРх.пасп. а по фактическим потерям мощности в магнитопроводе. Определить фактические потери мощности в магнитопроводах силовых трансформаторов следует на основании результатов замеров. 5. Фактические годовые суммарные потери холостого хода значительно отличаются от рассчитанных по программам РАП-Стандарт и РТП 3. Повышение точности расчета потерь электроэнергии в магнитопроводах силовых трансформаторов позволит составить более достоверную структуру потерь электроэнергии в электрических сетях и повысить эффективность мероприятий по энергосбережению. 6. Расчеты показывают, что потери в 21 неисправном трансформаторе превышают потери в 119 трансформаторах с допустимым уровнем потерь холостого хода в 2,8 раза. При средней стоимости потерь электроэнергии для энергоснабжающих организации, равной 1 р./кВт ч, убытки предприятия в год составят примерно 3,4млн. рублей. 7. Для проведения мероприятий по снижению потерь путём замены трансформаторов на энергосберегающие трансформаторы важно оценить его полную стоимость владения с учетом капитализированной стоимости потерь. Увеличение потерь холостого хода в течение срока службы трансформатора указывает на возрастание полной стоимости владения трансформатором, что влияет на принятие решения о его замене или ремонте. Основные выводы и рекомендации по диссертационной работе 1. Проведённые экспериментальные исследования показали, что ос новным фактором, влияющим на изменение магнитных свойств, являются остаточные механические напряжения, которые оказывают влияние на со вершенство 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.
