ПОИСК ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

SEARCH FOR ECONOMICALLY VIABLE OPERATING MODE OF POWER TRANSFORMERS

Аннотация. В данной статье осуществлена попытка поиска экономически эффективного режима работы силового трансформатора, представлены формулы оптимальной нагрузки трансформатора, потерь электроэнергии и мощности в силовом трансформаторе, выведена формула экономически выгодной нагрузки трансформатора. В конце статье даны рекомендации по эксплуатации силового трансформатора в условиях сезонных колебаний нагрузки.

Abstract. In this article, an attempt was made to search for the optimal operating mode of a power transformer, presented formulas for the optimal load of a transformer, power losses and electric power in a power transformer, derived the formula for an economically reasonable load of a transformer. At the end of the article, recommendations are given for the operation of a power transformer under conditions of seasonal fluctuations

Ключевые слова: силовой трансформатор, оптимальная нагрузка, потери электроэнергии, экономически целесообразная нагрузка, экономическая мощность.

Keywords: power transformer, optimal load, electric power loss, economically reasonable load, economic power.

Силовые трансформаторы (СТ) выступают в качестве одного из важных элементов энергосистемы, определяющего надёжность подачи электроэнергии. Поиск экономически эффективного режима работы силового трансформатора - необходимое мероприятие, направленное на улучшение качества деятельности трансформаторной подстанции (ТП).

Попытки оптимизации работы силового трансформатора, анализ загрузки и снижение потерь электроэнергии и мощности приведены в научно-технических трудах А.А. Гончара [3, 4], В.М. Блока [1], М.И. Фурсанова[9], Б.Н. Гозиева [2] и других исследователей данных вопросов.

В теоретических исследования прослеживаются достаточно весомые рекомендации к оптимизации деятельности трансформаторного оборудования, которые базируются на каталожных данных. И тем не менее, в реальных непредвиденных условиях работы силового трансформатора, вследствие старения его отдельных элементов либо при условиях сезонных колебаний нагрузки приходится осуществлять поиск оптимального режима работы трансформатора. К примеру, известно, что при эксплуатации трансформатора свыше 20 лет величина потерь холостого хода может увеличиваться на 1,75 % в год [8, с. 354]

Зачастую на трансформаторной подстанции осуществляется одновременная работа 2-4 трансформаторов. При этом значительная часть всех потерь электроэнергии приходится на потери в СТ. Поэтому любые экономически эффективные режимы работы трансформаторов на подстанциях относятся к необходимым мероприятиям для снижения потерь электроэнергии.

Предполагается, что в незагруженные часы выгодным является отключение 1-го трансформатора исходя из общей суммарной нагрузки. Это относится к эффективным мероприятиям, так как КПД (коэффициент полезного действия) СТ, оставшегося в работе, приближается к максимальному значению.

Вычислим оптимальную нагрузку СТ , отвечающую наиболее возможному КПД, по формуле:

             =                                                          (1)

При этом - номинальная мощность трансформатора, (кВ·А), Δ - потери холостого хода, (кВт), Δ - потери короткого замыкания, (кВт).

Оптимально выгодный коэффициент загрузки трансформатора выражается через отношение оптимальной нагрузки непосредственно к номинальной мощности трансформатора следующей формулой:

 =                                                                (2)

Выпуск СТ происходит с соотношением потерь холостого хода и короткого замыкания и находится в диапазоне от 3,3 до 5,0. Пользуясь формулами (1) и (2) можно определить, что коэффициент загрузки находится в пределах от 0,45 до 0,55 [2, с. 33]. На практике используется максимальное значение нагрузки, по которым определяется и загрузка СТ. Сегодня эксплуатируются СТ с низкой загрузкой, вследствие чего большинство из них работает в неоптимальном режиме, потому что  оказывается существенно ниже оптимального значения.

Определим по формуле потери мощности в силовом трансформаторе согласно справочнику Э. А. Киреевой [7, с. 161]:

ΔР = Δ + Δ                                                   (3)

Для поиска оптимального режима работы трансформаторов следует учитывать и потери электроэнергии в СТ как один из подвидов технических потерь электроэнергии, которые обусловливаются особенностями физических процессов, осуществляемых при передаче энергии [6, с. 116].

Так, в СТ на потери электроэнергии оказывают влияние: форма графика электрических нагрузок и время включения СТ. Потери электроэнергии определим по формуле [2, с. 34]:

    ΔW = Δ   + Δ  τ                                         (4)

где  - объем часов работы трансформатора за год, ч; τ - время максимально возможных потерь, которое определяется по фактическому графику нагрузки или через справочное значение объема часов использования максимальной нагрузки, ч. За год потери электроэнергии будут сведены к минимуму при условии равенства потерь энергии холостого хода с энергией короткого замыкания.

Нагрузку СТ при минимуме потерь электроэнергии за год найдем по формуле:

         =                                              (5)

Периодическое отключение части трансформаторов, которые осуществляют работу на суммарную нагрузку  считается целесообразной мерой. Определим экономически эффективную нагрузку  при работе, когда достигается наиболее выгодная загрузка СТ. Если нагрузка изменится от 0 до  , то считается выгодной работа только одного СТ. В случае, когда нагрузка превышает , экономически эффективной будет работа двух СТ. Нагрузка , при которой целесообразно отключать один из СТ и обусловленная равенством потерь мощности при работе одного и двух СТ определяется по формуле [2, с. 35]:

 =                                              (6)

Нагрузку , обусловленную равенством потерь электроэнергии при работе одного и двух силовых трансформаторов, предлагается, по аналогии с (6), определять с учетом времени включения силового трансформатора и формы графика электрических нагрузок по формуле:

 (7)

Зависимости потерь электроэнергии и мощности в СТ двухтрансформаторной подстанции от мощности нагрузки на шинах низшего напряжения   показаны на рис. 1 согласно уравнениям (3) и (4).

Рисунок 1. По критериям минимума потерь мощности и электроэнергии определение экономической мощности силовых трансформаторов: Δ, Δ - потери мощности и энергии при работе одного трансформатора; Δ, Δ- потери мощности и энергии при работе двух трансформаторов[2, с. 35]

Анализ зависимостей ΔW( ) и ΔP( ) при учете времени включения трансформатора и фактического графика электрических нагрузок показывает смещение экономической мощности в сторону ее увеличения. Интервал экономической мощности при расчетах  по (7) увеличивается. В этом случае с одним трансформатором при неравномерном графике нагрузки увеличивается продолжительность работы подстанции. Экономия достигается за счет отсутствия потерь холостого хода отключенного силового трансформатора.

Подводя итоги исследования, отметим, что с целью сохранения надежности электроснабжения потребителей, выводимые из работы силовые трансформаторы следует сопровождать устройствами автоматического ввода резерва. Кроме того, должны быть автоматизированы операции включения и отключения силовых трансформаторов. Загрузка трансформаторов согласно формуле (7) не должна превышать допустимые значения [5].

Предполагается, что представленный в работе подход к оптимизации работы силовых трансформаторов, будет актуальным в условиях сезонных колебаний нагрузок.

Список литературы:

1. Блок В.М. Электрические сети и системы: учеб. пособие для электроэнерг. спец. вузов / В. М. Блок. – М.: Высш. шк., 1986. – 430 с.
2. Гозиев Б.Н., Махмудов К.А., Салиев А.Х. Оптимизация режимов работы силовых трансформаторов// Профессионал года. – Пенза: «Наука и Просвещение», 2018. – С. 33-35.
3. Гончар А.А. О критериях оптимизации работы силового трансформатора / А. А. Гончар // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2006. – № 1. – С. 26–30.
4. Гончар А.А. О максимуме КПД силового трансформатора / А. А. Гончар // Энергия и Менеджмент. – 2005.– № 1(22). – С. 45.
5. ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. - Введ. 2002.01.01. - Минск, 1998.
6. Зуева В. Н., Белозерская Т. Ю. Расчет потерь электроэнергии в силовом трансформаторе // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – Т. 8. – С. 116–120. – URL: http://e-koncept.ru/2015/65024.htm. (Дата обращения: 11.05.19)
7. Киреева Э.А. Полный справочник по электрооборудованию и электротехнике (с примерами расчетов): справочное издание / Э.А. Киреева, С.Н. Шерстнев; под общ.ред. С.Н. Шерстнева. - 2-е изд., стер. - М.-: Кнорус, 2013. - 864 с.
8. Коротков В.В., Козлов А.Б., Коротков А.В. Количественная оценка зависимости потерь холостого хода силовых трансформаторов от срока эксплуатации // Труды ИГЭУ. – 2007. – №8. – С. 351-356.
9. Фурсанов М.И. Теоретические основы обеспечения оптимальных уровней потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем / М. И. Фурсанов // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2005. – № 6. – С. 5–13.