Performance analysis of properties of powertransformers with a core of amorphous materials and protection them using surge arresters

Full Text

Кономия электрической мощности и энергии является важнейшим направлением развития современных электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ). Особое значение это направление приобрело в связи необходимостью повышения энергоэффективности использования электроэнергии и реализации программ энергосбережения. Суммарные потери электрической мощности и энергии (ПЭМЭ) являются одним из ключевых критериев результативности энергосбережения, которую вряд ли можно считать положительной даже в ведущих развитых странах и энергообъединениях. Так, например, в течение последних десяти лет Федеральная электросетевая корпорация США оценивает потери в своих распределительных сетях средних и низких классов напряжения на уровне 8÷11 %. Можно констатировать, что этот уровень потерь для линий электропередачи, являющийся характерным средним значением для промышленно развитых стран мирового сообщества, нельзя признать отвечающим современным требованиям. Поэтому несмотря на то, что проблема снижения ПЭМЭ в электроэнергетике всегда была и есть в центре внимания эксплуатации, научных исследований, проектирования и конструирования новых электроустановок и процессов, можно констатировать ее непреходящую актуальность и необходимость поиска новых решений. Компьютерные эксперименты, проведенные в ряде исследований в России в 2007÷2012 гг. для характерных типичных режимов и конфигураций ЭССЭ 10 кВ и ниже, показали, что обобщенные результаты по потерям мощности оцениваются от 11 до 27,5 % по различным регионам. Аналогичные показатели можно констатировать и в странах Евросоюза, где по отдельным группам электроустановок, в частности в трансформаторах распределительных сетей, они достигают уровня 17 % от общего валового потребления, а иногда существенно превышают названные выше значения. Таким образом, зарубежный и отечественный опыт говорит о необходимости дальнейшей интенсификации исследований и реализации применения эффективных с точки зрения снижения потерь режимных и организационных мероприятий. Обладая в этом направлении большими резервами, они при технически грамотном и квалифицированном использовании всегда давали и будут давать значительные положительные результаты в экономии потерь. Практически ни одно энергообъединение ни в нашей стране, ни за рубежом не может гарантировать, что его технико-экономический потенциал в этом направлении реализован полностью. Однако кардинальное снижение ПЭМЭ может быть получено только на основе широкого применения инновационного электрооборудования, обладающего высокоэффективными характеристиками в основных электроэнергетических технологических процессах производства, передачи и преобразования параметров электрической энергии. Из большого числа типов, групп и конструкций таких электроустановок можно выделить управляемые источники реактивной мощности, линии электропередачи, силовые трансформаторы (СТ) и другие электроустановки, использующие эффект высокотемпературной сверхпроводимости, трансформаторы ЭССЭ с сердечниками из инновационных аморфных сплавов (АМТ) и др. С технико-экономической точки зрения применение АМТ в настоящее время является одним из наиболее перспективных путей снижения ПЭМЭ. Об этом говорит опыт их эксплуатации в США, Индии, Японии, Норвегии, Словакии и др. АМТ впервые появились в США в конце прошлого столетия, тогда же началось их промышленное производство с ростом по общему количеству ~ на 10 % в год и доходностью от продаж, достигающей 40÷50 %. Аморфный сплав, также известный как металлическое стекло, имеет некристаллическую, беспорядочную структуру. В его состав входят железо, никель, кобальт, хром и марганец и некоторые другие металлы (75÷85 %) с добавлением небольшого количества (15÷20 %): бора, углерода, кремния и фосфора. Свои основные свойства, такие как низкая коэрцитивная сила, легкое намагничивание и размагничивание, низкие удельные магнитные потери, он приобретает при охлаждении расплавленного аморфного сплава с высокой интенсивностью, достигающей ~106 оК / с. Практика создания АМТ за рубежом показала, что в настоящее время для изготовления качественных магнитопроводов технологически целесообразно использование заготовок в виде ленты шириной до 220 мм и толщиной от 0,016 до 0,035 мм. В настоящее время для ЭССЭ России АМТ мощностью от 32 до 1000 кВА на напряжения до 10 кВ производит группа «Трансформер» (г. Москва), обеспечивая перспективы развития в данном направлении и реальную возможность эксплуатации АМТ как российской продукции в отечественной электроэнергетике. При однозначно положительной экономической оценке этих высокоэффективных электроустановок можно отметить ряд их специфических эксплуатационных особенностей, которые должны учитываться при их широком внедрении в распределительных ЭССЭ. Прежде всего необходимо обратить внимание на значительные отличия в характере и количественных характеристиках не только диссипативных физических процессов, происходящих в АМТ и традиционных СТ (ТСТ). Увеличение размерных габаритов с учетом оценки геометрии и весовых показателей АМТ неизбежно приводит к увеличению их собственных емкостей и усложнению изоляционных конструкций. Это существенно повышает требования к стойкости АМТ к мощным эксплуатационным воздействиям в виде перенапряжений. Поэтому для обеспечения надежной работы АМТ необходима результативная защита от перенапряжений с помощью эффективных защитных аппаратов - нелинейных ограничителей перенапряжений как с высокой, так и с низкой стороны. При этом необходимо особое внимание обратить на ограничение дуговых, феррорезонансных и индуктированных грозовых перенапряжений, источники которых могут дислоцироваться с обеих сторон СТ, и на возможность прихода опасных электромагнитных помех одновременно с нескольких воздушных и кабельных линий электропередачи. Это накладывает дополнительные ограничения на определение таких параметров ОПН, как энергоемкость, наибольшее рабочее напряжение и др. Проведенные предварительно компьютерные эксперименты показали, что современные ОПН 10 и 0,4 кВ могут обеспечить уровень надежности работы АМТ по перенапряжениям в соответствии с требованиями эксплуатации. Также при проектировании систем электроснабжения с АМТ нужно иметь в виду и дополнительные механические нагрузки, так как они ~ на 50 % больше. Анализ физических процессов и результаты эксплуатации АМТ показали, что принципиальная разница в магнитной структуре аморфных магнитных материалов и электротехнической трансформаторной стали SiFe находит отражение в одной из основных характеристик магнитопроводов СТ, которой являются потери в стали ΔSст = ΔРст + jΔQст, где ΔРст и ΔQст приближенно определяются значениями активной и реактивной мощности в режиме холостого хода (ХХ). При этом зависимость их магнитных потерь от частоты близка к квадратичной и, кроме того, для АМТ характерно насыщение, особенно на высоких частотах. Cуммарные потери Рхх в режиме ХХ (при номинальных значениях первичного напряжения и частоты) с учетом тока в обмотке I хх можно записать в виде ΔРхх = ΔРст + I 2хх r1, где r1 - активное сопротивление первичной обмотки. Здесь не учтены малые диэлектрические потери из-за несовершенства изоляции, электромагнитные воздействия от соседних объектов и др. Пользуясь известными данными, можно констатировать, что удельные значения активных потерь ХХ равны 0,9÷1,3 Вт/кг и 0,21÷0,26 Вт/кг соответственно для аморфных магнитных материалов и традиционной холоднокатаной электротехнической стали. Известно несколько механизмов возникновения потерь в стали, в которых определяющую роль играют макро- и микровихревые токи, возникающие при изменении магнитного потока. Поэтому для объективного анализа ПЭМЭ в АМТ и ТСТ целесообразно его проведение в статической и динамической формах, то есть по паспортным параметрам и, соответственно, по данным эксплуатации, измерений и компьютерных экспериментов. Для статического анализа в табл. 1 приведены паспортные данные СТ 10 кВ. Значения для ТСТ с магнитопроводом из электротехнической трансформаторной стали SiFe и АМТ разделены знаком «/». Оценка данных табл. 1 позволяет констатировать, что активные потери в стали в АМТ в 3,5÷5, а реактивные - в 12÷20 раз меньше, чем у основного состава отечественного парка ТСТ. Кроме очевидного снижения активных потерь в стали необходимо отметить еще и то, что за счет значительного уменьшения тока ХХ у АМТ также снизятся потери полной и, разумеется, активной и реактивной мощности в питающих ЛЭП. Таблица 1 Паспортные показатели для традиционных / аморфных трансформаторов Sном, кВА ΔРхх, Вт ΔQхх, ВАр ΔРкз, Вт ΔQкз, Вар Iхх, % Uкз, % 25 100/28 = 3,7 784/77,5 600/480 112,5/110,25 3,3/0,31 4,5/4, 41 40 140/39 = 3,7 1255/120 900/769 180/176,8 3,1/0,3 4,5/4,42 63 214/45 = 5,8 1977/150,75 1667/1211 283,5/283,5 2,8/0,25 4,5/4, 42 100 305/64 = 4,85 2500/200 1970/1617 4500/4420 2,5/0,2 4,5/4,5 160 415/90 = 4,5 2520/256 2422/2223 720/704 2,2/0,16 4,5/4,4 250 580/128 = 4,5 4750/233 3100/3129 1125/1092,5 1,9/0,093 4,5/4,37 400 830/161 = 5,15 5600/312 4400/4457 1800/1800 1,6/0,078 4,5/4,5 630 1200/238 = 5,03 6800/409 6200/6353 3780/3817,8 1,3/0,074 6,0/6,06 1000 1792/361 = 4,9 9000/677 9080/9386 70000/61700 0,9/0,0677 7,0/6,17 1600 2100/490 = 4,3 1600/1084,8 14300/14337 9600/9687 1,0/0,678 6,0/6,06 2500 2700/550 = 4,9 2000/1400 21000/21078 15000/15175 0,8/0,56 6,0/6,07 Общие тенденции изменения потерь КЗ, которые соответствуют режиму номинальной загрузки СТ и отражают процессы, связанные с нагревом обмоток при протекании тока нагрузки, для гаммы приведенных в таблице 1 типов СТ по потерям активной мощности ΔPкз состоят в том, что при малых значениях Sном АМТ имеют потери меньше, чем ТСТ. Далее с увеличением Sном > 250 кВА потери ΔPкз в АМТ становятся больше. Конечно, в данном случае речь идет о номинальной загрузке СТ. При меньших загрузках это соотношение будет изменяться. Что касается потерь реактивной мощности ΔQкз, то они для обоих видов СТ практически незначительно отличаются, хотя по абсолютной величине они значительно больше, чем ΔРкз, и, следовательно, их влияние на потери в питающих линиях практически одинаково. В целом оценка результатов даже только статического анализа позволяет уверенно говорить о перспективе эффективного использования АМТ в обозримом будущем развития ЭССЭ с напряжениями до 10 кВ и мощностями до 2500 кВА. При этом нужно иметь в виду, что реальная средняя загрузка СТ в отечественных ЭССЭ в основном не превышает 70 % от номинальной. Отметим также, что ежегодные затраты на обслуживание одного среднего по мощности из ряда распределительных ТСТ, представленных в табл. 1, составляют примерно 8 % от его первоначальной стоимости. Опыт эксплуатации в США на протяжении уже более 20 лет говорит о том, что аналогичные затраты для АМТ не превосходят названного выше значения. Более полную и практически исчерпывающую информацию для сравнения АМТ и ТСТ дает динамическая оценка с помощью компьютерных экспериментов и данных эксплуатации. Поэтому для компьютерных экспериментов был использован фрагмент сети 10 кВ ОАО «Самаранефтегаз» (рис. 1), в котором смоделирована замена традиционных СТ на АМТ на восьми трансформаторных подстанциях. Данные об этой замене по маркам и номинальным мощностям СТ приведены в табл. 2. Рис. 1. Фрагмент сети 10 кВ ОАО «Самаранефтегаз» Таблица 2 Замена традиционных СТ в сети 10 кВ на АМТ ТП-1 ТМ-400/10 АТМГ-400/10 ТП-4 ТМ-160/10 АТМГ-160/10 ТП-5 ТМ-400/10 АТМГ-400/10 ТП-3 ТМ-1000/10 АТМГ-1000/10 ТП-2 ТМ-100/10 АТМГ-100/10 ТП-6 ТМ-100/10 АТМГ-400/10 ТП-8 ТМ-250/10 АТМГ-250/10 ТП-7 ТМ-100/10 АТМГ-100/10 Физической основой компьютерных экспериментов является определение потерь активной и реактивной мощности в АМТ и ТСТ по известным выражениям: , где k - коэффициент загрузки; , Оценим эффективность применения АМТ по с равнению с ТСТ, определяя потери только в трансформаторах схемы на рис. 1, при допущении равенства относительной загрузки всех трансформаторов. Обоснование этого допущения диктуется целью, поставленной в начале работы. Можно предположить, что потери во множественной части схемы лишь незначительно изменят оценку общей эффективности. Частная оценка собственно трансформаторной части, по мнению авторов, более значимо отразит экономическую выгоду от применения обсуждаемых мероприятий. Порядок проведения компьютерного эксперимента включает следующие позиции: 1) для заданного значения, равного относительной загрузке для каждого трансформатора, рассчитывается абсолютная величина потерь соответственно для АМТ и ТСТ; 2) рассчитывается величина суммарных относительных потерь 3) определяется условная эффективность Для сравнительной оценки эффективности применения трансформаторов АМТ проведены компьютерные эксперименты по расчету потерь электрической мощности на участке сети (рис. 2) ОАО «Самаранефтегаз». Чтобы иметь базу для сравнения и сопоставления результатов, были приняты следующие условия. Рассматривались два варианта: в первом все трансформаторы имели исполнение ТСТ, во втором - АМТ. Одинаковая нагрузка для 1-го и 2-го вариантов изменялась от 0 до 100 % номинальной мощности каждого трансформатора. Результаты проведенных экспериментов представлены графиками (рис. 2, рис. 3). Видно, что энергоэффективность трансформаторов из аморфного сплава выше, чем энергоэффективность трансформаторов с традиционным исполнением магнитопровода. Рис. 2. График зависимости суммарной эффективности трансформаторов от коэффициента загрузки Рис. 3. График зависимости суммарных относительных потерь трансформатора от общего коэффициента загрузки Недостатком сердечников из аморфных материалов является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными материалами: так, у японской фирмы Hitachi эта разница составляет 15÷20 %, а у фирмы «Трансформер» разница в цене между ТСТ и АМТ достигает 30÷35 %. Таким образом, делаем вывод, что введение в эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов является одним из наиболее перспективных путей снижения технических потерь энергосистем. Производственные способности отечественных производителей в изготовлении «аморфных» трансформаторов развиваются быстрым темпом и способны обеспечить спрос на данный тип трансформаторов. Выводы Ток ХХ и нагрев сердечника у АМТ по сравнению с ТСТ ниже на 70 и 60 % соответственно. Аморфные металлические материалы насыщаются при низких уровнях потока 1,56 Тл по сравнению с 2,04 Тл для традиционных материалов, что требует увеличения активной части в конструкции АМТ. Аморфные металлические материалы хрупки, требуют специальной обработки в процессе изготовления, имеют низкий коэффициент заполнения конструкции - до 85 % по сравнению с 95÷98 % для стальных сердечников, что увеличивает нагрузочные потери и усложняет технологический процесс изготовления АМТ. Низкие плотность магнитного потока и коэффициент заполнения приводят к увеличению сердечника и потерь в обмотке (проводнике), к увеличению производственных издержек. Для обеспечения уровня надежности работы АМТ по перенапряжениям в соответствии с требованиями эксплуатации требуется установка современных ОПН с высокой 10 кВ и низкой 0,4 кВ сторон СТ. Недостатком сердечников из аморфных материалов является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными материалами. Аморфные металлы имеют следующие преимущества: легче намагничиваются (низкая коэрцитивность и высокая проницаемость); имеют низкие магнитные потери (низкая коэрцитивность, высокая проницаемость и высокое сопротивление); быстрее перемагничиваются (из-за низких магнитных потерь); имеют универсальные магнитные свойства после изготовления и широкий диапазон изменения химического состава. Активные потери в стали в АМТ в 3,5÷5, а реактивные - в 12÷20 раз меньше, чем у основного состава отечественного парка ТСТ. За счет значительного уменьшения тока ХХ у АМТ снижены потери полной и, разумеется, активной и реактивной мощности в питающих ЛЭП. Ежегодные затраты на обслуживание АМТ не превосходят аналогичных затрат ТСТ, которые составляют примерно 8 % от начальной стоимости.

About the authors

Valery G Goldstein

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Lolita M Inahodova

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Alexander A Kazantzev

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Evgeniy A Molochnikov

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

References

Supplementary files