Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ режимов работы модулей «трансформатор 10(6)/0,4 kb - несимметричная нагрузка»... 16
1.1 Состояние исследований несимметричной работы трансформаторов... 17
1.2 Краткая характеристика схем соединения обмоток РТ 25
1.3 Особые режимы РТ со схемами соединения обмоток У/Ун-0 и У/ZH-I 1 28
1.3.1 Влияние однофазной нагрузки на работу трансформатора со схемой соединения У/Ун-0 30
1.3.2 Влияние однофазной нагрузки на работу трансформатора со схемой соединения Y/ZH-1 1 31
1.4 Встроенное в трансформатор симметрирующее устройство -высокоэффективное средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ 33
1.5 Выводы по главе 1 36
Глава 2 Определение параметров силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, эксплуатируемых в распределительных сетях 38
2.1 Постановка задачи 38
2.2 Определение характеристик холостого хода короткого замыкания и параметров пассивных элементов схемы замещения силового трансформатора 42
2.2.1 Определение характеристик холостого хода и коэффициента трансформации 43
2.2.2 Определение характеристик короткого замыкания
2.3. Расчет параметров схем замещения трансформатора на основе экспериментальных данных опытов XX и КЗ 47
2.4 Определение собственных и взаимных индуктивностей обмоток трансформатора 50
2.5 Определение сопротивления, вносимого нагрузкой в обмотку ВН трансформатора 55
2.6 Пример определения параметров схемы замещения трансформатора марки ТСЗ-2,5/220 58
2.6.1 Экспериментальные данные 58
2.6.2 Расчет параметров схемы замещения 59
2.6.2.1 Расчет коэффициента трансформации 59
2.6.2.2 Расчет активного, реактивного и полного сопротивлений КЗ 59
2.6.2.3 Расчет напряжений на активном, реактивном и полном сопротивлениях КЗ 61
2.6.2.4 Расчет активного, реактивного и полного сопротивлений нагрузки, подключенной к трансформатору 62
2.6.2.5 Расчет напряжений на активном, реактивном и полном сопротивлениях нагрузки 64
2.6.2.6 Приведение напряжения на нагрузке, подключенной к трансформатору, к обмотке ВН 65
2.6.2.7 Расчет напряжения на трансформаторе с нагрузкой 66
2.6.2.8 Расчет сопротивления обмотки НН трансформатора 67
2.6.2.9 Расчет сопротивления обмотки ВН трансформатора 68
2.6.2.10 Определение сопротивлений магнитной цепи 70
2.6.2.11 Определение собственных индуктивностей обмоток трансформатора 71 2.6.2.12 Определение взаимных индуктивностей обмоток
трансформатора 72
2.7 Математическая модель модуля «трансформатор 10(6)/0,4 кВ несимметричная нагрузка» 73
2.7 Выводы по главе 2 76
Глава 3 Исследование дополнительных потерь при несимметричной активно-индуктивной нагрузке 77
3.1 Постановка задачи 77
3.2 Схема соединения «звезда» с изолированной нейтралью 79
3.3 Схема соединения «треугольник» 86
3.4 Схема соединения «звезда» с глухим заземлением нейтрали 94
3.5 Схема соединения «звезда» с глухим соединением нейтрали нулевым проводником, сопротивлением которого можно пренебречь 101
3.6 Обобщение понятия «несимметричная нагрузка» в рамках снижения потерь электроэнергии внутренним симметрированием 109
3.7 Экспериментальное определение потерь активной мощности в трансформаторе, установленном в PC 119
3.8 Физическая модель модуля «трансформатор 10(6)/0,4 кВ -несимметричная нагрузка» 123
3.9 Анализ экспериментальных данных, полученных при измерении потерь активной мощности и вычислении погрешности их расчетов 126
3.9.1 Несимметричная активно-индуктивная нагрузка 126
3.9.2 Несимметричная активная нагрузка 128
3.10. Выводы по главе 3 130
Заключение 133
Библиографический список
- Особые режимы РТ со схемами соединения обмоток У/Ун-0 и У/ZH-I 1
- Определение характеристик холостого хода короткого замыкания и параметров пассивных элементов схемы замещения силового трансформатора
- Расчет активного, реактивного и полного сопротивлений нагрузки, подключенной к трансформатору
- Схема соединения «звезда» с изолированной нейтралью
Введение к работе
Актуальность проблемы. Потребление электроэнергии в 2010 г. в Российской Федерации составило 1020,6 млрд. кВтч. Согласно данным Росстата, в рамках международной специализированной выставки «Энергетика и электротехника» 13 мая 2010 г., «Ленэкспо», в 2008 году потери электроэнергии в РФ составили 109,24 млрд. кВт.ч., или 11,43 % от общего количества используемых энергоресурсов. Минэнерго предоставил статистику за 2007-2008 гг., по этим данным в 40 % сетевых предприятий страны потери соизмеримы с потреблением электроэнергии в наиболее энергоемких отраслях, например, в черной или цветной металлургии. Суммарные потери в сетях энергосистем и потребителей составляют более 13 % от отпущенной в сеть с шин электростанций электроэнергии. Основная доля потерь в их структуре приходится на распределительные сети (РС). Составляющая стоимости потерь передаваемой от источников к приемникам электроэнергии (ПЭ) имеет значительный удельный вес. Поэтому проблема сокращения потерь мощности и энергии заслуживает особо серьезного внимания. Электроэнергия с учетом мощности на оптовом рынке РФ остается дешевле, чем в Европе. В то же время тарифы на передачу и распределение электроэнергии в России существенно выше, чем в Европе. В России конечные потребители, за редким исключением, обслуживаются РС, что позволяет государственным регулирующим органам субсидировать за их счет более мелких потребителей. Приоритетным путем снижения технических потерь электроэнергии являются оптимизация режимов и модернизация электрических сетей. При этом следует учесть мировой опыт. Наименьшие потери в Нидерландах, Германии, Финляндии являются следствием глубоко продуманных технических решений и целенаправленной политики. По мнению как зарубежных, так и российских экспертов, основную долю потерь в цепи передачи электроэнергии от электростанций до потребителей вносят РС. Потери мощности и электрической энергии в электрических сетях складываются из потерь в линиях и трансформаторах. Потери в распределительных трансформаторах (РТ) при несимметричных режимах составляют основную долю. Главной причиной сверхнормативных потерь является несимметрия нагрузок РТ. Кроме того, исследования работы РТ агропромышленного и коммунально-бытового комплексов свидетельствуют о низком использовании их установленной мощности.
Весьма существенный рост дополнительных потерь наблюдается при выходе несимметрии за допустимые пределы. Под основными потерями понимают вынужденные потери электроэнергии в симметричном, синусоидальном, равномерном и активном номинальном режимах. Дополнительные потери возникают при отклонении показателей качества электроэнергии от нормативных значений. Снижать дополнительные потери до нуля экономически нецелесообразно, достаточно снизить их уровень до нормативных значений. Большой вклад в решение этой проблемы, которая особенно остро обозначилась в шестидесятые годы прошлого столетия, внесли зарубежные и российские учёные такие, как: Я.Д. Баркан, Д.А. Гитгарц, Л.А. Жуков, В.Г. Кузнецов, Н.А. Мельников, А.Н. Милях, Л.А. Мнухин, А.Д. Музыченко, Г.Н. Петров, А.Н. Тамазов, К.А. Шидловский.
Несимметрия эксплуатационных режимов стала требовать к себе внимания, поскольку в последние годы коммунальное энергопотребление в ряде энергосистем превысило промышленное потребление электроэнергии, что привело к нарушению симметрии и уравновешенности систем напряжений и токов. Поэтому задача совершенствования расчета, а также снижения потерь электроэнергии в РС с несимметричными нагрузками является актуальной научно-технической проблемой энергетики. Одним из путей ее решения является оптимальное распределение нагрузок между фазами - внутреннее (естественное) симметрирование.
В работе обобщаются результаты исследований и разработок, выполненных при непосредственном участии автора, связанных с решением указанной проблемы относительно распределительных трансформаторов. Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с отраслевыми и региональными научно-техническими программами энергосбережения по актуальной тематике для электроэнергетики, а также приоритетных направлений фундаментальных исследований, например, по научному направлению энергетического факультета ЮРГТУ (НПИ) - №6 «Комплексное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение надёжности, экономичности и безопасности энергетических систем». Диссертационная работа «Снижение потерь электроэнергии в трансформаторах распределительных сетей внутренним симметрированием их нагрузок» выполнена в рамках Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 г.
Объект исследований - электрические распределительные сети 0,4-10 кВ.
Предмет исследований - дополнительные потери электрической мощности (энергии) в силовых трансформаторах распределительных сетей, обусловленные несимметричными нагрузками, подключенными к ним.
Цель работы. Развитие эффективных методов расчета и снижения дополнительных потерь электроэнергии в трансформаторах распределительных сетей, обусловленных несимметричными нагрузками, в целях воздействия на режимные и конструктивные параметры трансформаторов.
Основанием для решения проблем снижения потерь служат положения:
нагрузка вносит в обмотку высшего напряжения трансформатора дополнительные сопротивления;
при естественном (внутреннем) симметрировании нагрузок не требуется капитальных вложений, достаточно организационных мероприятий;
развязывание индуктивно связанных элементов схемы замещения трёхфазного трансформатора позволяет получить схему замещения, не содержащую индуктивных связей;
как известно из работ института электродинамики, относительные потери в трансформаторах, обусловленные несимметричными нагрузками, пропорциональны сумме квадратов модулей коэффициентов несимметрии токов нулевой и обратной последовательностей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ известных методов расчетов потерь в режиме несимметричных нагрузок силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов;
выявление закономерностей изменения потерь ХХ и КЗ от времени эксплуатации трансформаторов на основе статистических данных их профилактических испытаний;
определение для основных схем соединения силовых трансформаторов РС функциональных зависимостей потерь от токов обратной и нулевой последовательностей, в сравнении с потерями от токов прямой последовательности, в общем виде и для частных случаев;
разработка математической модели и алгоритма для определения параметров схемы замещения силового трансформатора с учетом сопротивления, вносимого несимметричной нагрузкой, и влияния взаимной индукции обмоток;
выполнение экспериментальных исследований на физической модели «трансформатор - несимметричная активно-индуктивная нагрузка» и в действующих сетях для подтверждения теоретических исследований;
анализ способов воздействия на режимы и конструктивные параметры силовых трансформаторов в целях снижения потерь в них.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались положения теории электрических цепей, метода симметричных составляющих (СС), математической статистики, математического анализа, математического моделирования, численного программирования, натурного эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту:
полученные функциональные зависимости дополнительных относительных потерь активной мощности в электроэнергетической системе РТ с несимметричными нагрузками для основных схем соединения нагрузки с изолированной и глухозаземленной нейтралью;
типовые модули «трансформатор - несимметричная нагрузка», в которых учитывается влияние несимметричной нагрузки для определения дополнительных потерь активной мощности;
методика расчета дополнительных относительных потерь электроэнергии в трансформаторах, эксплуатируемых в распределительных сетях, которая основана на использовании базы данных совокупных сопротивлений нагрузок и линий;
использование несимметричной активной и активно-индуктивной нагрузок для целей естественного симметрирования;
математическая модель и алгоритм расчета, обеспечивающие расчет параметров схемы замещения РТ, включающие дополнительные параметры схемы замещения трансформатора с учетом сопротивления, вносимого несимметричной нагрузкой, и влияния взаимной индукции обмоток.
Научная новизна работы:
-
-
получены функциональные зависимости дополнительных потерь активной мощности в силовых трансформаторах от токов обратной и нулевой последовательностей в сравнении с потерями от токов прямой последовательности отличающиеся использованием совокупного сопротивления трансформатора, линии и несимметричной нагрузки»;
-
обобщено понятие «несимметричные нагрузки» в рамках снижения потерь мощности внутренним симметрированием как в самой несимметричной нагрузке, так и в трансформаторах распределительных сетей;
-
доказана возможность использования несимметричной активной и активно - индуктивной нагрузок для целей естественного симметрирования в отличие от известных методов, когда в качестве компенсаторов несимметрии используют симметрирующие устройства, состоящие из емкостных и индуктивных элементов;
-
разработана математическая модель, обеспечивающая более точный расчет параметров схемы замещения РТ, отличающаяся тем, что позволяет учесть дополнительные элементы схемы замещения трансформатора: сопротивления, вносимые несимметричной нагрузкой и влияние взаимной индукции обмоток;
-
для определения численными методами параметров схемы замещения РТ разработан шаговый алгоритм, упрощающий программирование расчётов и вычислительный процесс.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Для целей совершенствования директивных методик расчета и снижения потерь электроэнергии в РТ выполнен анализ дополнительных потерь активной мощности в трансформаторах, находившихся различное время в эксплуатации. На основе обследований несимметричных режимов трансформаторов подтверждена необходимость управлять величиной потерь активной мощности, с использованием внутреннего симметрирования.
Полученные функциональные зависимости превышения потерь активной мощности в силовых трансформаторах для основных схем соединения нагрузки от токов обратной и нулевой последовательностей в сравнении с потерями от токов прямой последовательности при произвольных соотношениях сопротивлений фаз активно- индуктивной несимметричной нагрузки, дают возможность определить расчетные значения потерь активной мощности в трансформаторах от несимметричной нагрузки по измеренным значениям напряжения, тока и активной мощности для каждой фазы.
Применение разработанной программы позволяет уточнить параметры схемы замещения силового трансформатора и учесть сопротивление, вносимое несимметричной нагрузкой, и влияние взаимной индукции обмоток.
Результаты исследований диссертации были внедрены при проведении энергетического обследования распределительных сетей ОАО "Аэропорт г. Ростов-на- Дону". Ожидаемый экономический эффект составляет 4,217 млн. руб. за год.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров и магистров в лекционных курсах, на лабораторных и практических занятиях, курсовом и дипломном проектировании. Учебное пособие "Определение параметров силовых трансформаторов в системах электроснабжения" применяется эксплуатационным персоналом и студентами при решении практических и учебных задач.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность результатов диссертационных исследований подтверждена лабораторными и натурными испытаниями, полевыми экспериментами, математическим моделированием, применением современных измерительных приборов высокого класса точности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили положительную оценку на:
-
-
-
XXXI, XXXII, XXXIII, XXXIV сессиях Всероссийского научного семинара Академии наук РФ «Кибернетика электрических систем» по тематикам «Электроснабжение промышленных предприятий» и «Диагностика энергооборудования», г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2009, 2010, 2011, 2012 гг.;
-
XL, XLI, XLII Всероссийских научно-практических конференциях с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения - 2010, 2011, 2012», г. Москва, МЭИ, 2010, 2011, 2012 гг.;
-
всероссийской научной молодежной конференции «Кибернетика энергетических систем», г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2011, 2012 гг.;
-
всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «ЭВРИКА 2011, 2012», г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2011, 2012 гг., где были заняты третьи места.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе: в рецензируемых изданиях по рекомендуемому списку - 4 печатные работы, без соавторов - 13 печатных работ, свидетельств о государственной регистрации программ - 4. Общий объём публикаций, принадлежащих соискателю, составляет 2,62 п.л.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основной материал изложен на 145 страницах текста с 48 рисунками. Список использованной литературы состоит из 76 наименований. Приложения включают в свой состав 28 рисунков, 16 таблиц с экспериментальными данными и полученными на их основе зависимостями, и изложены на 183 страницах.
Особые режимы РТ со схемами соединения обмоток У/Ун-0 и У/ZH-I 1
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти - шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. По мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают [56]. Поэтому одной из важнейших задач в настоящее время является уменьшение потерь энергии в РТ класса напряжения 6(10) кВ, которые составляют наибольшую часть всего трансформаторного парка. В этих трансформаторах возникает основная доля потерь энергии, оплачиваемая потребителем по наиболее высокой цене.
Если у распределительных трансформаторов (РТ) отличаются высшие напряжения (ВН), то и низшие напряжения (НН) не могут быть равными. Следствием всего этого является смещение нейтрали, приводящее к значительным дополнительным активным потерям в трансформаторах со схемой соединения обмоток У/Ун-0, несмотря на то, что в симметричном режиме характеристики потерь XX и потерь КЗ у этих трансформаторов лучше, чем у трансформаторов с другими схемами соединения.
Для того чтобы трансформатор со схемой соединения У/ZH-H имел аналогичные характеристики потерь XX и потерь КЗ, что и трансформатор со схемой соединения У/Ун-0, необходимо использовать большее количество материалов, поскольку соединение в «зигзаг» требует большего числа витков.
Сопротивления прямой последовательности от схемы соединения практически не зависят. В трансформаторе сопротивления прямой и обратной последовательностей приблизительно равны. Поскольку для схемы соединения обмоток У/Ун-0 сопротивление нулевой последовательности рассчитать практически не возможно, так как оно зависит от конструктивных параметров активной части, ярмовых балок, внутренних изоляционных зазоров, то их значения измеряются заводом изготовителем по требованию заказчика.
Проанализировав справочные данные сопротивлений трансформаторов, не трудно убедиться, что ток однофазного короткого замыкания для трансформаторов со схемой соединения У/ZH-II увеличивается более чем в 4,5 раза по отношению к току короткого замыкания для схемы У/Ун-0, что облегчает правильный выбор защиты трансформаторов и обеспечивает ее надежную работу. Это обстоятельство является одним из преимуществ трансформаторов со схемой соединения обмоток У/ZH-I 1.
Основную часть несимметрии вносит составляющая напряжения нулевой последовательности. Для того чтобы практически полностью исключить составляющую напряжения нулевой последовательности и, тем самым, выровнять величины фазных напряжений, используют схему соединения У/ZH-11.
Трансформатор У/ZH-II позволяет питать мощных однофазных потребителей без ухудшения качества электрической энергии и риска аварии, а также значительно снизить потери электрической энергии, правильно выбрать защиту трансформатора от однофазных коротких замыканий, повысить надежность электроустановки в целом, увеличить резерв мощности за счет снижения добавочных потерь, возникающих в распределительных трансформаторах.
Результаты статистической обработки протоколов испытаний РТ по г. Ростову и одному из сельских районов области, выполненной соискателем [31], а также исследований трансформатора ТСЗ-2,5/220, использованного в физической модели модуля «двухобмоточный трёхфазный трансформатор -несимметричная нагрузка», показали, что не только потери XX, но и потери КЗ оказались значительно выше паспортных. Причём, у РТ до 1000 кВ-А от 19 носительные их значения выше, чем у трансформаторов большей мощности. Эти данные согласуются с другими источниками [22, 51, 73].
Согласно источнику [22], после резкого снижения электропотребления в 90-х годах в настоящее время во многих регионах оно так и не достигло предкризисного уровня. Трансформаторы работают со значительной недогрузкой, особенно в сетях сельской местности. Экономичность их работы принято оценивать либо по коэффициенту полезного действия (КПД), либо по относительным потерям, графики которых в зависимости от загрузки для отдельного трансформатора, по своей сути, являются инверсией графиков КПД. В работе [22] приведены графики относительных потерь, полученных экспериментально после ремонтов и на основе каталожных данных для трансформаторов ТМ-250/10, ТМ-400/10, а также статистические данные превышения потерь XX для различных типов и сроков эксплуатации трансформаторов. В процессе эксплуатации потери XX значительно увеличиваются по сравнению с паспортными данными. Учёт этого фактора позволил в среднем для предприятия электрических сетей (ПЭС) уточнить их значения на 15 %. В некоторых случаях они в 2 раза выше. Выборка является представительной: выполнена для 2425 РТ из 11 районов электрических сетей (РЭС). Почти 80 % РТ эксплуатируются с превышением нормативного срока службы - 25 лет. Наибольшее относительное приращение потерь наблюдается в трансформаторах меньшей мощности. Авторы работы [68] объясняют этот факт тем, что отношение сопротивления нулевой последовательности к сопротивлению прямой последовательности в среднем в 2...3 раза выше из-за относительно меньших удельных мощностей трансформаторов 10/0,4 кВ и применяемой схемы «звезда - звезда с нейтралью». Кроме того, технологические погрешности изготовления трёхстержневых силовых трансформаторов малой мощности в части витков обмоток создают несимметрию фазных напряжений 2 ... 3 %.
Определение характеристик холостого хода короткого замыкания и параметров пассивных элементов схемы замещения силового трансформатора
На схеме обозначены: U - комплекс сетевого напряжения трансформатора; Е± - комплекс ЭДС в сетевой обмотке; rQ - активное сопротивление, учитывающее магнитные потери в сердечнике; х0 - главное индуктивное сопротивление (или сопротивление взаимной индукции) сетевой обмотки.
В этой схеме сетевая обмотка трансформатора представляет собой пассивный двухполюсник с активно-индуктивным сопротивлением. Для определения его параметров существует несколько методов: метод измерения с помощью фазометра, метод измерения с помощью ваттметра и др. В основном используется метод ваттметра, так как первый требует использования добавочного сопротивления, которое может обладать индуктивным сопротивлением, что отражается на точности измерения.
Вышесказанное относится к однофазным трансформаторам. Для трехфазного трансформатора рекомендуют использовать средние величины, например, средний фазный ток / = (Тол + IQB + ос)/3; среднее фазное напряжение U\ = (UA + Uв + Uc)/3, где IQA, IQB, he - действующие значения токов холосто 51 го хода фаз А, В, С трансформатора; UA, UB, Uc - действующие значения фазных напряжений трансформатора.
Но использование таких средних величин не дает лучшее понимание трехфазного трансформатора, т.к. из-за несимметрии магнитопровода трехфазного трансформатора индуктивное сопротивление обмотки, расположенной на среднем стержне, значительно отличается от индуктивного сопротивления обмоток, расположенных на наружных стержнях. Это объясняется тем, что магнитопровод трехфазных трёхстержневых трансформаторов симметричен относительно только центрального стержня. Поэтому следует определять индуктивность трех обмоток трехфазного трансформатора отдельно для каждой фазы.
Помимо этого, активное сопротивление является фиктивным и зависит только от магнитных потерь. В свою очередь, магнитные потери зависят от приложенного напряжения и не связаны с индуктивностью обмоток трансформатора. Поэтому целесообразно представить схему замещения однофазного трансформатора в виде параллельных соединений сопротивлений (рисунок 2.9).
Параметры г, х сохраняют название фиктивное активное и главное индуктивное сопротивления и выражаются через г0 и х0 соотношениями:
Для определения собственной индуктивности обмоток трехфазного трансформатора необходимо поочередно подавать напряжение на каждую обмотку трансформатора при разомкнутых всех остальных обмотках. Для примера на рисунке 2.10 показана схема опыта для определения индуктивности сетевой обмотки фазы А трёхфазного трансформатора.
Для трехфазного трансформатора взаимную индуктивность между обмотками удобнее всего определять из опыта холостого хода. Для примера на рисунке 2.11 приведена схема экспериментального определения коэффициента взаимной индуктивности между сетевой обмоткой фазы А и обмоткой НН фазы С. Здесь UA,I1A - комплексы напряжения и тока сетевой обмотки фазы A;U2- комплекс напряжения обмотки НН.
Далее приведен алгоритм определения собственных и взаимных индук-тивностей обмоток трансформатора:
В режиме XX, согласно приложению А (рисунок А.5) снять показания AR.5 (U, Р, Г), включенного со стороны обмотки ВН фазы А, подавая на нее напряжение при разомкнутых всех остальных обмотках и с помощью вольтметра поочередно измеряя напряжение (U2) на остальных обмотках трансформатора. Повторить опыт для каждой из обмоток трансформатора.
На основе замеров по п.1 рассчитать в схеме замещения одной фазы трехфазного трансформатора фиктивное активное сопротивление (г, Ом) и главное индуктивное сопротивление (х, Ом) поперечного шунта, представленного параллельно включенными г и х, по формулам (2.6) и (2.8) для каждой обмотки трансформатора. В формулах U\, I, Р — модули напряжения, силы тока, активной мощности, определенные по показаниям AR.5.
Рассчитать собственную индуктивность обмоток фаз А и В трансформатора:
Вносимое сопротивление изменяет силу тока и напряжение в сетевой обмотке. Известно [7], что при подключении активно-реактивной нагрузки к зажимам обмотки низшего напряжения в обмотку высшего напряжения однофазного трансформатора вносятся дополнительные соответственно активное (RBH) и реактивное (Хвн) сопротивления:
В формулах (2.12) и (2.13) знаки плюс или минус соответственно относятся к случаям включения в качестве нагрузки катушки или конденсатора.
Падение напряжения в обмотке ВН пропорционально силе тока в ней и полному её сопротивлению, а потери активной мощности - квадрату модуля силы тока и активному сопротивлению. Из формулы (2.11) видно, что активное, вносимое нагрузкой, сопротивление уменьшает силу тока в обмотке ВН, а индуктивное - увеличивает, но для выяснения вопроса, каким образом изменяются потери напряжения и активной мощности при этом, необходимо провести определённые исследования.
В случае перекомпенсации реактивных нагрузок так, что мощность компенсирующих устройств (КУ) превзойдет мощность индуктивной нагрузки, включая реактивную мощность обмотки НН, это будет способствовать увеличению индуктивного сопротивления на стороне ВН трансформатора, снижению тока сетевой обмотки (см. формулу (2.11)).
Потери полной мощности в обмотке ВН равны произведению квадрата силы тока на полное сопротивление в ней, включая вносимое сопротивление. С учётом выражений (2.9)...(2.11), перейдя от комплексной формы записи ЭДС и полного сопротивления обмотки ВН к их модулям, получим формулы соответственно для потерь активной и реактивной мощностей порознь:
Расчет активного, реактивного и полного сопротивлений нагрузки, подключенной к трансформатору
Положив в формулах (3.145) и (3.146) zN -» 0, выразим соответствующие сопротивления фаз в выражениях (3.147)...(3.149) через их проводимости. С учётом этого из формул (3.145) и (3.146) в результате некоторых преобразований получим уравнения (3.136) и (3.137).
Поскольку значения модулей эквивалентных полных сопротивлений фаз, включающих в себя сопротивления линейных проводов и несимметричной нагрузки, на порядок превышают значение модуля полного сопротивления нулевого проводника, то в инженерной практике с целью снижения потерь активной мощности в самой нагрузке достаточно ограничиться рассмотрением вариантов а).. .в).
При определении потерь в линии с несимметричными нагрузками, как известно [59], основная доля потерь - в нулевом проводе. Однако при рассмотрении модуля «двухобмоточный трёхфазный трансформатор — несимметричная нагрузка» сопротивлением нулевого проводника можно пренебречь в силу следующих обстоятельств. При проектировании PC сопротивления линейных проводов для подключения нагрузки выбирают так, что потеря напряжения в них не должна превышать 5 %. В последние годы сопротивление нулевого провода принимают равным или даже меньше, чем у линейного провода. Это значит, что сопротивление нулевого провода значительно меньше, чем на порядок, в сравнении с совокупным сопротивлением линейного провода и одной фазы нагрузки.
Превышение потерь активной мощности в относительных единицах несимметричного режима в сравнении с симметричным режимом (сопротивления фаз одинаковы): для варианта а) - АР = ос2/{32; для варианта б) - АР = р2/а2; для варианта в) - АР = у2/б2 + є2/б2. Последнее выражение можно использовать и для определения потерь по варианту г), но с допустимой погрешностью. Она может быть определена в случае выполнения более тщательного расчёта квадратов модулей КНТ с использованием формул (3.145), (3.146).
Геометрическая интерпретация комплексных величин а, р\ р, о, у, ,8. В работе в качестве базы данных использованы полные сопротивления и проводимости фаз. Для них характерно отсутствие "памяти принадлежности к фазе связанной трёхфазной цепи". В какую бы фазу не было включено сопротивление, его комплексное значение не изменяется в отличие от ЭДС, токов, напряжений. Практическое использование результатов исследований сводится к определению модулей комплексных величин а, (3, р, о, у, г, б. Их интерпретация заключается в следующем:
Причём, в общем случае амплитудно-фазовой несимметрии квадрат модуля суммы комплексных сопротивлений (проводимостей) фаз равен сумме квадратов их модулей плюс удвоенное значение суммы скалярных произведений попарно взятых сопротивлений (проводимостей). Например, для варианта а):
В частном случае однородной нагрузки ( ра = (рь = (рс) квадрат модуля суммы комплексных сопротивлений (проводимостей) фаз равен сумме квадратов их модулей плюс удвоенное значение суммы произведений попарно взятых модулей сопротивлений (проводимостей):
Величины a, p,y, є - суммы комплексных значений, полученных воздействием на соответствующие сопротивления (проводимости) в правой части комплексных величин р, о, 6 операторами поворота. Квадраты их модулей равны сумме квадратов модулей сопротивлений (проводимостей) фаз плюс удвоенное значение суммы скалярных произведений попарно взятых сопротивлений (проводимостей), аргументы которых отличаются от аргументов величин р\ о, 5 операторами поворота. Например, для варианта а):
В частном случае однородной нагрузки (фа = Ц ь = фс) квадрат модуля суммы комплексных сопротивлений (проводимостей) фаз, полученных воздействием на соответствующие сопротивления (проводимости) в правой части комплексных величин (3, а, б операторами поворота, равен сумме квадратов их модулей минус значение суммы произведений попарно взятых модулей сопротивлений (проводимостей): \za + zb + zc\ = za + zb + zc — (zazb + zazc+zbzc).
Пример определения комплексных величин а, р\ р, о, у,е,8, их модулей, а также дополнительных относительных потерь мощности для вариантов а), б), в) подключения однородной и неоднородной несимметричных нагрузок.
В процессе этих измерений, а также на стендовой модели были использованы измерительные приборы: -комплект измерительный К-540 заводской № 1213: номинальные напряжения встроенного в комплект вольтметра 15, 30, 75, 150, 300, 450, 600 В; номинальные токи встроенного в комплект амперметра 0,1, 0,25, 0,5, 1, 2,5, 5, 10, 25, 50 А; номинальная активная мощность встроенного в комплект ваттметра от 0 до 30 кВт в указанных выше пределах измерения тока и напряжения. - портативный анализатор качества электроэнергии CIRCUTOR серии AR.5 заводской № 408612036. Диапазон измерений: токов 0,05 ... 5 А, 1.. .200 А; напряжений 1 ... 500 В.
Все использованные приборы имеют класс точности 0,5 и свидетельства о поверке. Экспериментальное определение потерь активной мощности в трансформаторе при активно-индуктивной несимметричной нагрузке проводилось на четырехтрансформаторной ТП-29, установленной в распределительных сетях 6/0,4 кВ ОАО «Аэропорт г. Ростов-на-Дону», на трансформаторе Т-3 марки ТСЗ-400/6/0,4.
Схема соединения «звезда» с изолированной нейтралью
В последние годы прирост новых трудовых ресурсов перестал быть существенным фактором роста производства. На первый план выступает всемерное повышение производительности труда за счет более эффективного использования ресурсов, в том числе энергоресурсов, их экономии, и, прежде всего, рационального использования электроэнергии. Энергосбережение становится стратегической политикой. Более 30 % вырабатываемой в России электроэнергии распределяется в сетях с нулевым проводом, но теория преобразования активных параметров систем с нулевым проводом находится на начальном этапе своего развития. Главная причина ухудшения качества электроэнергии - увеличение во всё возрастающих масштабах несимметричных нагрузок. Опытные проектировщики применяют трансформаторы большей мощности при проектировании СЭС с несимметричными нагрузками, хотя можно было бы использовать трансформаторы с малым сопротивлением нулевой последовательности.
В последние годы несимметрия эксплуатационных режимов стала требовать к себе пристального внимания, так как коммунальное энергопотребление в ряде энергосистем превысило промышленное потребление электроэнергии, что привело к нарушению симметрии и уравновешенности систем напряжений и токов. Поэтому задача совершенствования расчета, а также снижения потерь электроэнергии в PC с несимметричными нагрузками является актуальной научно-технической проблемой энергетики. Как показал анализ литературных источников, немногочисленные экспериментальные результаты требуют дальнейших исследований несимметричных режимов силовых трансформаторов.
Исследования дополнительных потерь от несимметричных нагрузок в трансформаторах 100 ... 400 кВ-А распределительной сети 10 кВ показали, что их значения в среднем около 10 % от пропусков электроэнергии через них при несимметрии, имеющей место в обследуемых сетях. Поэтому при определении потерь электроэнергии в трансформаторах, установленных в распределительных сетях с несимметричными нагрузками, необходимо учитывать дополнительные потери, вносимые в трансформаторы этими нагрузками.
Одной из задач диссертационной работы было исследовать, каким образом сопротивление несимметричной нагрузки, вносимое в обмотку ВН, влияет на нагрузочные потери и потери XX силовых трансформаторов. Такая задача была поставлена, т.к. основную долю потерь в РТ составляют потери от ТНП, значение которых с малой погрешностью можно получить только экспериментально, поэтому необходимо определять параметры схемы замещения силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, эксплуатируемых в PC.
В результате решения данной задачи были разработаны математическая модель и алгоритм для определения параметров схемы замещения силового трансформатора с учетом сопротивления, вносимого несимметричной нагрузкой, и влияния взаимной индукции обмоток. Разработанные математическая модель и программа являются адекватными реальному процессу, так как погрешность вычислений при их использовании не превышает 7 %. При обработке экспериментальных данных с использованием программы установлено, что при одинаковом числе витков индуктивность обмоток фаз А и С, расположенных на наружных стержнях магнитопровода трансформатора, приблизительно равны друг другу, но отличаются от индуктивности обмотки фазы В, расположенной на среднем стержне.
Как оказалось, вносимое сопротивление изменяет силу тока и напряжение в сетевой обмотке, поэтому традиционную формулу потерь мощности в силовых трансформаторах АР = Рхх + Ркз следует корректировать, поскольку в ней используются паспортные (каталожные) данные мощностей Лсх, Л з - потерь XX и КЗ, которые отличаются от действительных, особенно у трансформаторов, длительно находившихся в эксплуатации
Традиционная формула потерь не учитывает влияние изменения потерь XX в зависимости от ВН. Так как несимметричные нагрузки являются первопричиной дополнительных сверхнормативных потерь, то возникает также необходимость обобщения понятия «Несимметричные нагрузки» в рамках снижения потерь как в самих нагрузках, так и в РТ внутренним симметрированием, а также конденсаторными СУ.
В диссертационной работе предложена методика определения значения потерь активной мощности в трансформаторах от несимметрии для основных схем соединения нагрузки в сетях 0,4 кВ. Практическая ценность предложенной методики состоит в том, что она дает возможность определить расчетные значения потерь активной мощности в трансформаторах от несимметрии по измеренным значениям напряжения, тока и активной мощности для каждой фазы, что делает её универсальной: отпадает необходимость составлять схемы замещения последовательностей и проводить расчёты по методу симметричных составляющих.
Исследования, выполненные в диссертационной работе, как и использование в качестве базы данных комплексных значений сопротивлений (про-водимостей) для них, при переходе к квадратурным значениям позволили получить обобщённые и простые формулы для определения дополнительных потерь от несимметрии нагрузок: а - АР = а2/$2; б - АР = р2/с2; в — АР = у2/5 + г2 /Ъ , в основе которых лежат квадраты модулей суммы комплексных сопротивлений (проводимостей) фаз, равных сумме квадратов их модулей плюс удвоенное значение суммы скалярных произведений попарно взятых сопротивлений (проводимостей). Формулы для квадратов модулей комплексных величин а, р\ р, о, у, г, 8 дают ключ к оптимизации потерь внутренним симметрированием нагрузок и конденсаторными установками. Закон воздействия на режимы управляемых КУ в целях изменения углов сдвигов между комплексными сопротивлениями фаз должен быть таким, чтобы достигался минимум дополнительных потерь от несимметрии, если исключена возможность внутреннего симметрирования.
С целью экспериментального подтверждения теоретических исследований, были рассчитаны, спроектированы и собраны нагрузочные установки для моделирования несимметричной активной и активно-индуктивной нагрузок. Полученные экспериментальные данные при проведении измерений на модуле «РТ - несимметричная нагрузка» подтвердили необходимость корректировать классическую формулу расчета потерь в трансформаторе. Погрешность вычисления потерь активной мощности в трансформаторе при использовании предлагаемых в главе 3 функциональных зависимостей для схем, показанных на рисунке 3.1, лежит в пределах от -10 до 10 % (на основании более 1000 замеров).
Учёт фактических потерь XX и КЗ трансформаторов с учётом дополнительных потерь, вносимых несимметричными нагрузками, целесообразен как при выполнении расчётов технологических потерь, так и при обосновании экономического эффекта замены трансформаторов
Поскольку потери в РТ составляют основную долю, а главной причиной сверхнормативных потерь является несимметрия нагрузок РТ от их нулевой составляющей, то правильный выбор схемы соединения трансформаторов, как и схемы соединения несимметричной нагрузки, на основании расчетов потерь активной мощности при несимметричной нагрузке, очень важен не только для потребителей электрической энергии, но и для всей отрасли энергетики.
Похожие диссертации на Снижение потерь электроэнергии в трансформаторах распределительных сетей внутренним симметрированием их нагрузок
-
-
-
