Согласно Инструкции, потери холостого хода в силовом трансформаторе определяются по формуле:
где Т pi — время работы трансформатора, ч;
— замеренное напряжение на высшей стороне трансформатора, кВ;
— номинальное напряжение высшей обмотки трансформатора, кВ.
Напряжение на трансформаторе определяется с помощью измерений.
Необходимо рассчитать величину потерь холостого хода силового трансформатора ТМ-25/10 за год.
Паспортные данные силового трансформатора ТМ-25/10:
По формуле находим:
Величина потерь холостого хода силового трансформатора за год составила 1256 кВт.
Напоминаем – потери холостого хода силового трансформатора относятся к категории условно-постоянных потерь, то есть не зависят от объема проходящей через него мощности.
Трансформатор является прибором, который призван преобразовывать электроэнергию сети. Эта установка имеет две или больше обмоток. В процессе своей работы трансформаторы могут преобразовать частоту и напряжение тока, а также количество фаз сети.
В ходе выполнения заданных функций наблюдаются потери мощности в трансформаторе. Они влияют на исходную величину электричества, которую выдает на выходе прибор. Что собой представляют потери и КПД трансформатора, будет рассмотрено далее.
Содержание
Устройство
Трансформатор представляет собой статический прибор. Он работает от электричества. В конструкции при этом отсутствуют подвижные детали. Поэтому рост затрат электроэнергии вследствие механических причин исключены.
При функционировании силовой аппаратуры затраты электроэнергии увеличиваются в нерабочее время. Это связано с ростом активных потерь холостого хода в стали. При этом наблюдается снижение нагрузки номинальной при увеличении энергии реактивного типа. Потери энергии, которые определяются в трансформаторе, относятся к активной мощности. Они появляются в магнитоприводе, на обмотках и прочих составляющих агрегата.
Понятие потерь
При работе установки часть мощности поступает на первичный контур. Она рассеивается в системе. Поэтому поступающая мощность в нагрузку определяется на меньшем уровне. Разница составляет суммарное снижение мощности в трансформаторе.
Существует два вида причин, из-за которых происходит рост потребление энергии оборудованием. На них влияют различные факторы. Их делят на такие виды:
Их следует понимать, дабы иметь возможность снизить электрические потери в силовом трансформаторе.
Магнитные потери
В первом случае потери в стали магнитопривода состоят из вихревых токов и гистериза. Они прямо пропорциональны массе сердечника и его магнитной индукции. Само железо, из которого выполнен магнитопривод, влияет на эту характеристику. Поэтому сердечник изготавливают из электротехнической стали. Пластины делают тонкими. Между ними пролегает слой изоляции.
Также на снижение мощности трансформаторного устройства влияет частота тока. С ее повышением растут и магнитные потери. На этот показатель не влияет изменение нагрузки устройства.
Электрические потери
Снижение мощности может определяться в обмотках при их нагреве током. В сетях на такие затраты приходится 4-7% от общего количества потребляемой энергии. Они зависят от нескольких факторов. К ним относятся:
- Электрическая нагрузка системы.
- Конфигурация внутренних сетей, их длина и размер сечения.
- Режим работы.
- Средневзвешенный коэффициент мощности системы.
- Расположение компенсационных устройств.
Потери мощности в трансформаторах являются величиной переменной. На нее влияет показатель квадрата тока в контурах.
Методика расчета
Потери в трансформаторах можно рассчитать по определенной методике. Для этого потребуется получить ряд исходных характеристик работы трансформатора. Представленная далее методика применяется для двухобмоточных разновидностей. Для измерений потребуется получить следующие данные:
- Номинальный показатель мощности системы (НМ).
- Потери, определяемые при холостом ходе (ХХ) и номинальной нагрузке.
- Потери короткого замыкания (ПКЗ).
- Количество потребленной энергии за определенное количество времени (ПЭ).
- Полное количество отработанных часов за месяц (квартал) (ОЧ).
- Число отработанных часов при номинальном уровне нагрузки (НЧ).
Получив эти данные, измеряют коэффициент мощности (угол cos φ). Если же в системе отсутствует счетчик реактивной мощности, в расчет берется ее компенсация tg φ. Для этого происходит измерение тангенса угла диэлектрических потерь. Это значение переводят в коэффициент мощности.
Формула расчета
Коэффициент нагрузки в представленной методике будет определяться по следующей формуле:
К = Эа/НМ*ОЧ*cos φ, где Эа – количество активной электроэнергии.
Какие потери происходят в трансформаторе в период загрузки, можно просчитать по установленной методике. Для этого применяется формула:
П = ХХ * ОЧ * ПКЗ * К² * НЧ.
Расчет для трехобмоточных трансформаторов
Представленная выше методика применяется для оценки работы двухобмоточных трансформаторов. Для аппаратуры с тремя контурами необходимо учесть еще ряд данных. Они указываются производителем в паспорте.
В расчет включают номинальную мощность каждого контура, а также их потери короткого замыкания. При этом расчет будет производиться по следующей формуле:
Э = ЭСН + ЭНН, где Э – фактическое количество электричества, которое прошло через все контуры; ЭСН – электроэнергия контура среднего напряжения; ЭНН – электроэнергия низкого напряжения.
Пример расчета
Чтобы было проще понять представленную методику, следует рассмотреть расчет на конкретном примере. Например, необходимо определить увеличение потребления энергии в силовом трансформаторе 630 кВА. Исходные данные проще представить в виде таблицы.
| Обозначение | Расшифровка | Значение |
|---|---|---|
| НН | Номинальное напряжение, кВ | 6 |
| Эа | Активная электроэнергия, потребляемая за месяц, кВи*ч | 37106 |
| НМ | Номинальная мощность, кВА | 630 |
| ПКЗ | Потери короткого замыкания трансформатора, кВт | 7,6 |
| ХХ | Потери холостого хода, кВт | 1,31 |
| ОЧ | Число отработанных часов под нагрузкой, ч | 720 |
| cos φ | Коэффициент мощности | 0,9 |
На основе полученных данных можно произвести расчет. Результат измерения будет следующий:
% потерь составляет 0,001. Их общее число равняется 0,492%.
Измерение полезного действия
При расчете потерь определяется также показатель полезного действия. Он показывает соотношение мощности активного типа на входе и выходе. Этот показатель рассчитывают для замкнутой системы по следующей формуле:
КПД = М1/М2, где М1 и М2 – активная мощность трансформатора, определяемая измерением на входном и исходящем контуре.
Выходной показатель рассчитывается путем умножения номинальной мощности установки на коэффициент мощности (косинус угла j в квадрате). Его учитывают в приведенной выше формуле.
В трансформаторах 630 кВА, 1000 кВА и прочих мощных устройствах показатель КПД может составлять 0,98 или даже 0,99. Он показывает, насколько эффективно работает агрегат. Чем выше КПД, тем экономичнее расходуется электроэнергия. В этом случае затраты электроэнергии при работе оборудования будут минимальными.
Рассмотрев методику расчета потерь мощности трансформатора, короткого замыкания и холостого хода, можно определить экономичность работы аппаратуры, а также ее КПД. Методика расчета предполагает применять особый калькулятор или производить расчет в специальной компьютерной программе.
В результате энергопотерь происходит перерасход средств и материалов. Из-за этого электричество дорожает. Чтобы справиться с этой проблемой, стараются вовремя выявлять неполадки и предотвращать свои в работе. Негативно на работу устройства влияют потери на холостом ходу трансформатора. Для устранения данной проблемы постоянно разрабатываются новые методики.
Понятие холостого хода трансформатора
Когда у трансформатора наблюдается выделенное питание одной обмотки, а другие пребывают в разомкнутом состоянии. Этот процесс приводит к утечке энергии, что и называют потерями холостого хода. Его развитие происходит под влиянием ряда внешних и внутренних факторов.
Мощность трансформатора не используется в полной мере, а часть энергии утрачается по причине некоторых магнитных процессов, особенностями первичной обмотки и изоляционного слоя. Последний вариант влияет при использовании приборов, функционирующих на повышенной частоте.
Какие факторы влияют на потери
Современные трансформаторы в условиях полной нагрузки достигают 99% КПД. Но устройства продолжают совершенствовать, пытаясь снизить утрату энергии, которая практически равны сумме потерь холостого хода, возникающих под влиянием разнообразных факторов.
Изоляция
Если на стягивающих шпильках установлена плохая изоляция или ее недостаточно, возникает замкнутый накоротко контур. Это один из главных факторов данной проблемы трансформатора. Поэтому процессу изоляции следует уделять больше внимания, используя для этих целей качественные специализированные материалы.
Вихревые токи
Развитие вихревых токов связано с течением магнитного потока по магнитопроводу. Их особенность в перпендикулярном направлении по отношению к потоку. Чтобы их уменьшить, магнитопровод делают из отдельных элементов, предварительно изолированных. От толщины листа и зависит вероятность появления вихревых токов, чем она меньше, тем ниже риск их развития, приводящего к меньшим потерям мощности.
Чтобы уменьшить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали, в материал добавляют различные виды присадок.
Они улучшают свойства материала и позволяют снизить риск развития неблагоприятных процессов, плохо отражающихся на работе устройства.
Гистерезис
Как и переменный ток, магнитный поток также меняет свое направление. Это говорит о поочередном намагничивании и перемагничивании стали. Когда ток меняется от максимума до нуля, происходит размагничивание стали и уменьшение магнитной индукции, но с определенным опозданием.
При перемене направления тока кривая намагничивания формирует петлю гистерезиса. Она отличается в разных сортах стали и зависит от того, какие максимальные показатели магнитной индукции материал может выдержать. Петля охватывает мощность, которая постепенно перерасходуется на процесс намагничивания. При этом происходит нагревание стали, энергия, проводимая по трансформатору, превращается в тепловую и рассеивается в окружающую среду, то есть, она тратится зря, не принося никакой пользы всем пользователям.
Характеристики электротехнической стали
Для трансформаторов используют преимущественно холоднокатаную сталь. Но показатель потерь в ней зависит от того, насколько качественно собрали устройство, соблюдались ли все правила в ходе производственного процесса.
Для уменьшения потерь можно также немного добавить сечения проводам на обмотке. Но это не выгодно с финансовой точки зрения, ведь придется использовать больше магнитопровода и других важных материалов. Поэтому размер обмоточных проводов меняют редко. Пытаются найти другой, более экономичный способ решения этой проблемы.
Перегрев
В процессе работы трансформатора его элементы могут нагреваться. В этих условиях устройство не способно нормально выполнять свои функции. Все зависит от скорости этого процесса. Чем выше нагрев, тем быстрее прибор перестанет выполнять свои прямые функции и понадобится капитальный ремонт и замена определенных деталей.
В первичной обмотке
Если электрический ток по проводнику замыкается, то высокая вероятность утечки электрической энергии. Размер потерь зависит от величины тока в проводнике и его сопротивления, а также от показателя нагрузок, возлагаемых на прибор.
Как определить потери
Этот процесс можно измерить, воспользовавшись мощной установкой. Формула включает такие действия: необходимо умножить показатели их мощности друг на друга. При использовании этого способа необходимо учитывать наличие определенных погрешностей. Искажение связано с тем, что коэффициент мощности учесть точно нельзя. Этот показатель называют конус игла. Он достаточно важен для работы устройства.
Таблица потерь силовых трансформаторов по справочным данным в зависимости от номинала
Чаще всего проблема утечки электроэнергии связана с движением вихревых токов и перемагничиванием. Под влиянием этих факторов нагревается магнитопровод, который обуславливает основную часть потерь холостого хода независимо от тока нагрузки. Развитие этого процесса происходит независимо от того, в каком режиме функционирует устройство.
Постепенно, под влиянием определенных факторов могут меняться эти показатели в сторону значительного увеличения.
Таблица потерь ХХ
| Мощность кВа | Напряжение ВН/НН, кВ | Потери холостого хода Вт |
| 250 | 10/0,4 | 730 |
| 315 | 10/0,4 | 360 |
| 400 | 10/0,4 | 1000 |
| 500 | 10/0,4 | 1150 |
| 630 | 10/0,4 | 1400 |
| 800 | 10/0,4 | 1800 |
| 1000 | 10/0,4 | 1950 |
Проверка устройства в режиме ХХ
Для этого выполняют такие действия:
- С использованием вольтметра проверяют напряжение, подающееся на катушку.
- Другим вольтметром исследуют напряжение на остальных выводах. Важно использовать устройство с достаточным сопротивлением, чтобы показатели были требуемого значения.
- Выполняют присоединение амперметра к цепи первичной обмотки. С его помощью можно добиться определения силы тока холостого хода. Также прибегают к применению ваттметра, с помощью которого стараются выполнить измерение уровня мощности.
После получения показаний всех приборов выполняют расчеты, которые помогут в вычислении. Чтобы получить нужные данные, необходимо показатели первой обмотки разделить на вторую. С применением данных опыта ХХ с результатами короткозамкнутого режима определяют, насколько полно устройство выполняет свои действия.
Особенности режима ХХ в трехфазном трансформаторе
На функционирование трехфазного трансформатора в таком режиме влияют отличия в подключении обмоток: первичная катушка в виде треугольника и вторичная в форме звезды. Ток способствует созданию собственного потока.
Трехфазный ток в виде группы однофазных имеет такие особенности: замыкание ТГС магнитного потока происходит в каждой фазе за счет сердечника. Если напряжение будет постепенно увеличиваться, то в изоляции возникнет пробой и электроустановка рано или поздно выйдет из строя.
Если в трансформаторе используется бронестержневая магнитная система, то в нем можно наблюдать развитие похожих процессов.
Примеры определения потерь ХХ на реальных моделях
Чтобы определить показатель потерь в течение года на трансформаторе типа ТНД мощностью в 16МВА, необходимо воспользоваться эмпирической формулой:
- n – сколько электротехнических устройств используется;
- β – коэффициент загрузки трансформатора, представляющий собой отношение расчетной мощности к номинальной (β = Sp/Sн).
Вывод
Энергопотери в условиях холостого хода трансформатора связаны с магнитными потерями, потерями в первичной обмотке и изоляционном слое. Для снижения этого показателя до сих пор ведутся работы, несмотря на то, что КПД современных трансформаторов в условиях повышенной нагрузки составляет 99%.
Для снижения показателя утечки энергии необходимо снизить влияние провоцирующих факторов. Чтобы добиться этого, постоянно усовершенствуют технологию создания устройств, используют только прочные материалы, проверяя их экспериментальным путем.
