calculation and comparative analysis of current shortage of power transformers innovative design

Full Text

Использование в современных электрических сетях и системах электроснабжения (ЭССЭ) устаревших конструкций трансформаторной техники не отвечает уровню теоретических научно-технических решений и практических технологических принципов современной электротехники, что, несомненно, тормозит технический прогресс в электроэнергетике. Это непосредственным образом отражается на реализации широко декларируемых положений об энергосбережении и энергоэффективности как в потреблении, так и в процессах передачи и распределения электроэнергии [1, 2]. Потери электроэнергии ΔW в электроустановках ЭССЭ при передаче, распределении и потреблении электроэнергии - это с точки зрения закона сохранения энергии неизбежные энергетические и экономические затраты на обеспечение физической сущности названных технологических процессов. Можно констатировать, что эти затраты, в частности связанные с выделением тепла, за исключением его полезного использования, наносят вред как самому электрооборудованию, так и окружающей среде. Поэтому несмотря на то, что проблема снижения суммарных потерь электрической мощности и энергии (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. В современных условиях потери электроэнергии и мощности можно существенно снизить применением в конструкциях силовых трансформаторов (СТ) следующих инновационных решений: 1. Использование эффекта сверхпроводимости (СП) низко- и высокотемпературной (НТСП, ВТСП) для кардинального уменьшения нагрузочных потерь в обмотках СТ [3, 4]. 2. Внедрение новых эффективных способов формирования основного магнитного потока СТ с помощью аморфных ферромагнитных материалов (АФМ) и перспективных бессердечниковых конструкций СТ для значительного (в 5-6 раз) снижения потерь холостого хода трансформатора [5, 6]. 3. Применение комбинированной конструкции, сочетающей в себе применение АФМ для производства магнитопровода и материалов, обладающих ВТСП-эффектом для изготовления обмоток СТ [1]. Силовой трансформатор является наиболее ответственной и дорогостоящей электроустановкой в ЭССЭ, а применение новых материалов увеличивает его стоимость. Поэтому необходимо, чтобы этот элемент сети функционировал с высокой надежностью и стабильностью. Согласно статистике, наиболее опасным возмущением, действующим на СТ, считается протекание через него тока короткого замыкания (КЗ) СТ. Внутренние повреждения обмоток, связанные с изоляционными факторами и с недостаточной стойкостью обмоток при протекании токов КЗ, являются самыми опасными с точки зрения длительности недоотпуска электроэнергии, финансовых потерь и возможности восстановления трансформаторного электрооборудования, т. е. его ремонтопригодности [7]. Рис. 1. Участок схемы «Смышляевка - Тяговая» ЗАО «ССК» В данной работе проведено моделирование аварийного режима с расчетами токов КЗ на участке сети «Смышляевка - Тяговая» АО «Самарская сетевая компания» на напряжение 10 и 20 кВ (рис. 1). Для расчета токов КЗ использовались паспортные и расчетные характеристики СТ напряжением 10, 20 кВ. Значения характеристик для традиционных силовых трансформаторов (ТСТ) с магнитопроводом из электротехнической трансформаторной стали SiFe и аморфных высокотемпературных сверхпроводниковых трансформаторов (АВТСТ), магнитопровод которых изготавливается из АФМ, а обмотки выполнены из материалов, обладающих ВТСП-эффектом, приведены в табл. 1. Рис. 2. Схема замещения рассматриваемого участка сети Таблица 1 Паспортные характеристики трансформаторов традиционной и инновационной конструкций Тип трансформатора Uвн, кВ ∆Uкз, % Iхх, % ΔQкз, Вар ∆Ркз, Вт ΔQхх, Вар ∆Рхх, Вт Sном, кВА ТМ-400/10 10 4,5 1,8 18000 5500 4000 900 400 АВТСТ-400/10 10 1,75 0,18 7317,07 2235,77 223,46 174,76 400 ТМ-400/20 20 5,36 1,63 19368,00 6127,00 4456,00 928,50 400 АВТСТ-400/20 20 2,08 0,16 14774,34 2490,65 248,94 180,29 400 Для оценки токов КЗ из схемы «Смышляевка - Тяговая» был взят участок магистральной линии Ф-2, выполненной проводом марки СИП-3 сечением 95 мм2 от опоры 200/1 до опоры 200/14, и отпайка от опоры 200/14 до ТП СМ213/400, также выполненная проводом марки СИП-3 сечением 95 мм2. Схема замещения с расчетными значениями при напряжении 10 кВ представлена на рис. 2. Значения токов КЗ на шинах ПС «Смышляевка - Тяговая» в точке К1 являлись исходными, на линии и на шинах 0,4 кВ ТП СМ213/400 в точках К2 и К3 соответственно были рассчитаны для различных типов трансформаторов и величин напряжений. Результаты расчетов токов КЗ на линии в точке K2 схемы замещения (см. рис. 2) приведены в табл. 2. Таблица 2 Расчетные токи КЗ в точке К2 Напряжение, кВ Iк, кА 10 5,2 20 5,4 Из таблицы видно, что при изменении напряжения с 10 кВ на 20 кВ ток КЗ на линии, выполненной проводом марки СИП-3 сечением 95 мм2, увеличивается незначительно. Расчет сопротивления трансформатора выполнялся по следующим выражениям: rтр = ukU2ном.тр./S2ном.тр; zтр = PkU2ном.тр./(100Sном.тр); xтр =. Результаты расчетов сопротивлений трансформаторов представлены в табл. 3. Таблица 3 Расчетные сопротивления трансформаторов Тип трансформатора zтр rтр xтр ТМ-400/10 12,4 3,7 11,8 АВТСТ-400/10 4,8 1,5 4,6 ТМ-400/20 53,6 15,3 51,4 АВТСТ-400/20 20,8 6,2 19,8 Из таблицы видно, что сопротивление трансформатора АВТСТ значительно меньше сопротивления традиционного трансформатора марки ТМ. Результаты расчетов токов КЗ на шинах 0,4кВ ТП СМ213/400 в точке K3 схемы замещения (см. рис. 2) приведены в табл. 4 и на рис. 3. Рис. 3. Результаты расчетов токов КЗ на шинах 0,4 кВ ТП СМ213/400 в точке K3 Таблица 4 Результаты расчетов токов КЗ на шинах 0,4 кВ ТП Тип трансформатора Iк, кА ТМ-400/10 0,39 АВТСТ-400/10 0,90 ТМ-400/20 0,09 АВТСТ-400/20 0,24 Из табл. 4 и рис. 3 видно, что при первичном напряжении 20 кВ на шинах трансформаторов 0,4 кВ токи КЗ значительно меньше, чем при напряжении 10 кВ у обоих типов трансформаторов. Сравнивая значения токов КЗ между трансформаторами, можно констатировать, что у АВТСТ при одинаковых условиях работы значения токов КЗ почти в 2,5 раза больше, нежели у трансформатора с традиционной конструкцией. Выводы 1. При изменении напряжения с 10 кВ на 20 кВ ток КЗ на линии, выполненной проводом марки СИП-3 сечением 95 мм2, увеличивается незначительно. 2. Активное, реактивное и полное сопротивление аморфных высокотемпературных сверхпроводниковых трансформаторов (АВТСТ), магнитопровод которых изготавливается из АФМ, а обмотки выполнены из материалов, обладающих ВТСП-эффектом, значительно меньше сопротивления традиционного трансформатора марки ТМ. 3. При первичном напряжении 20 кВ на шинах трансформаторов 0,4 кВ токи КЗ значительно меньше, чем при напряжении 10 кВ у обоих типов трансформаторов. 4. У АВТСТ при одинаковых условиях работы значения токов КЗ на шинах 0,4 кВ почти в 2,5 раза больше по сравнению с трансформатором с традиционной конструкцией.

About the authors

Lolita M Inahodova

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Alexey Y Andreev

Samara State Technical University

student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Alexander A Kazantzev

Samara State Technical University

Email: kazantzev@63.ru
postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files