ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА У\УнСУ

Возможно ли достичь значительного экономического эффекта за счет сокращения потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах?

В четырехпроводных электрических сетях в основном используются трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда-звезда-ноль» (У/Ун). Это самые дешевые в изготовлении трансформаторы. Однако в процессе эксплуатации они экономичны лишь при симметричной нагрузке фаз. Реально же в сетях с большим удельным весом однофазных нагрузок равномерность их подключения во времени пофазно нарушается и потери электрической энергии в таких трансформаторах и линиях резко возрастают. Кроме того, происходит резкое искажение системы фазных напряжений.

Искажение фазных напряжений в реальных условиях эксплуатации нередко вызывает их отклонение. Уже на низковольтных вводах трансформатора значительно превышает нормы ГОСТ. По данным исследований, в конце линий это отклонение напряжений приблизительно в два раза больше. При указанном качестве питания потребителей повышения в них уровня потерь электроэнергии и отказов в работе вполне естественно.

Для устранения этих недостатков эксплуатационники завышают установленную мощность трансформаторов сверх требуемой по расчету, но и это дает незначительный эффект. Вместе с тем, при этом резко повышается уровень потерь электроэнергии в сети. А токи нулевой последовательности, которые, замыкаясь через его бак, дно крышку, разогревают их, ухудшают охлаждение активной части. Это повышает температуру изоляции обмоток сверх нормы, и трансформатор, при суммарной нагрузке ниже номинальной, оказывается перегруженным. Такое положение объективно вызывает необходимость увеличения номинальной мощности трансформатора на одну, а иной раз на две ступени больше расчетной со всеми вытекающими последствиями.

Для устранения указанных недостатков разработан и все более активно начинает применяться трансформатор со схемой соединения У/УнСУ. В данном трансформаторе низкое сопротивление нулевой последовательности. Это означает существенное увеличение токов однофазного короткого замыкания, следовательно, обеспечивает легкую и надежную наладку релейной защиты и ее четкую работу при КЗ. 

Проведенный анализ сетей Республики Беларусь позволил определить среднестатистическую сеть 0,4 кВ. Она имеет следующие параметры: мощность трансформатора – 100 кВА (с учетом коммунально-бытовых потребителей населенных пунктов); длина линии – 0,8 км; количество линий на одной ТП – 2,5; сечение провода линии – 35 мм² . Нагрузка линий 0,4 кВ принята пропорциональной мощности трансформатора, от которого она запитана, и считалась равномерно распределенной по всей длине линии. Время использования максимума нагрузки в году – 2000 часов. Величина тока в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного.

Расчеты дополнительных потерь электрической энергии за счет несимметрии нагрузки были выполнены с применением метода симметричных составляющих. Они производились в зависимости от величины тока в нулевом проводе, значения которого изменялось от 0 до 0,5 номинального фазного для трансформаторов мощностью от 25 до 250 кВА. Сечение нулевого принималось равным сечению фазных проводов.

Результаты расчетов приведены в табл.1

(S_Н– номинальная мощность трансформатора;

I_Н.ПР–ток в нулевом проводе (в относительных единицах);

Р_КЗ–потери короткого замыкания;

ΔР–дополнительные потери электроэнергии в линиях сети с трансформаторами У/Ун, У/Zн по сравнению с сетью с трансформаторами У/УнСУ;

Q– годовая экономия электроэнергии в сетях с трансформаторами У/УнСУ по сравнению с сетью с трансформаторами У/Ун, У/Zн).

Таблица 1

Расчеты потерь электроэнергии в трансформаторах за счет несимметрии нагрузки

 

SН, кВА	IН.ПР	РКЗ, Вт			ΔР, Вт		Q, кВт*ч
		У/Ун	У/Zн	У/УнСУ	У/Кн	У/Zн	У/Ун	У/Zн
100	0	1970	2265	1970	0	0	0	591
100	0,1	1941	2127	1854	28	0	229	546
100	0,2	2125	2014	1770	168	0	1026	488
100	0,25	2278	1967	1739	307	-1	1693	454
100	0,3	2492	1926	1716	509	-1	2569	418
100	0,4	3073	1863	1693	1140	-2	5037	335
100	0,5	3858	1825	1702	2150	-4	8609	238
25	0,25	633	599	530	14	0	233	139
40	0,25	979	878	777	48	0	501	203
63	0,25	1450	1278	1130	115	0	871	295
160	0,25	3272	2645	2339	828	-1	3521	611
250	0,25	4665	3694	3266	1699	-2	6196	852

Сопоставление потерь в среднестатистической электрической сети при неравномерной нагрузке с трансформаторами с различными схемами соединения обмоток показывает, что наиболее экономичной из них является схема У/УнСУ. Можно добавить и другие положительные стороны этой схемы по сравнению с У/Ун:

- отсутствие дополнительного нагрева бака потоками нулевой последовательности;

- повышение устойчивости к однофазным токам КЗ;

- значительно улучшает синусоидальность формы кривой изменения напряжения;

Поэтому протоколом по вопросам проектирования и строительства электрических сетей напряжением 0,4–10 кВ ГПО «Белэнерго» предписывается: «В целях снижения потерь электроэнергии и стабилизации напряжения в распределительных сетях 0,4 кВ при выборе трансформаторов для потребителей с коммунально-бытовой нагрузкой применять трансформаторы со схемой соединения У/Ун с симметрирующим устройством (СУ) мощностью 25–250 кВА».

В данный момент в сетях белорусской энергосистемы работает более 1000 таких трансформаторов, и нареканий на их работу не было.

Естественно, что установка в трансформаторах даже такого простого симметрирующего устройства, требует дополнительных затрат на материалы и изготовление. Выполненные расчеты сроков его окупаемости в зависимости от величины тока в нулевом проводе дали результаты, приведенные в табл.2 (ток небаланса указан в относительных единицах).

 

Таблица 2

                    Срок окупаемости трансформатора У/УнСУ, лет

 

IН.ПР	Номинальная мощность трансформатора У\УнСУ (SН), кВА
	25	40	63	100	160	250
0,1	13,5	7	5,1	4,7	2,9	1,9
0,2	3,2	1,7	1,2	1,0	0,6	0,4
0,25	2,0	1,0	0,7	0,6	0,4	0,2
0,3	1,4	0,7	0,5	0,4	0,2	0,2
0,4	0,7	0,4	0,2	0,2	0,1	0,1
0,5	0,4	0,2	0,1	0,1	0,1	0,1

Из таблицы следует, что при среднестатическом токе в нулевом проводе 0,25 от номинального фазного симметрирующая обмотка только у трансформаторов S_Н=25 кВА окупается за 2 года и у S_Н=40 кВА  – в срок 1 год, для всех остальных мощностей окупаемость менее года.

Трансформаторы в среднем работают около 40 лет, поэтому несложно определить итоговую прибыль предприятия, установившего в сетях 0,4 кВ с несимметричной нагрузкой фаз трансформаторы со схемой соединения обмоток У/УнСУ. Причем значительный экономический эффект получается только за счет сокращения ничем не оправданных потерь электроэнергии в линиях и трансформаторах.

 

И. Протосовицкий,

кандидат технических наук, доцент.

Н. Шевчик,

кандидат технических наук, доцент.

 

Белорусский государственный аграрный технический университет.

г. Минск.

 

Материал подготовлен на основе доклада на международнойнаучно-технической конференции «Энергосбережение – важнейшее условие инновационного развития АПК», состоявшейся 24-25 ноября т.г. в г. Минске.