Уменьшение дополнительных потерь электроэнергии от несимметрии нагрузки фаз

Аннотация. В данной статье был проведен сравнительный анализ целесообразности эксплуатации трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда-звезда», «звезда-зигзаг» и «звезда-звезда» с симметрирующим устройством, а также был произведен соответствующий расчет срока окупаемости трансформатора с СУ.

Ключевые слова: научная статья, анализ, трансформатор с СУ, энергоэффективность, качество электроэнергии.

В сетях бытовых потребителей преобладающей нагрузкой являются однофазные электроприемники. Несмотря на равномерное распределение однофазной нагрузки по фазам, в процессе эксплуатации может возникать значительная несимметрия из-за случайного характера нагрузки.

В связи с этим, необходимо предпринимать меры по уменьшению перекоса фаз и снижению потерь от уравнительных токов. Это возможно реализовать за счет использования в системах электроснабжения бытовых потребителей силовых трансформаторов со схемой соединения «зигзаг» или снабженных симметрирующим устройством (СУ).

В электрических сетях 0,4 кВ наибольшее распространение получили силовые трансформаторы со схемой соединения обмоток «звезда-звезда» (Y/Yн). Эти трансформаторы имеют относительно невысокую стоимость и экономичны в эксплуатации при симметричной нагрузке. Однако, как показывает практика, в сетях с большим количеством подключенных однофазных электроприемников появляется значительная несимметрия в их нагрузке. В результате этого, в обмотках трансформаторов и в линиях появляются дополнительные потери электрической энергии, связанные с наличием токов нулевой последовательности. Несимметричная нагрузка – одна из основных причин увеличения потерь электроэнергии в системах электроснабжения бытовых потребителей.

Для оценки эффективности и целесообразности использования в системах электроснабжения с преобладающей долей однофазных нагрузок трансформаторов со схемой соединения Y/Zн и трансформаторов с симметрирующим устройством необходимо определить влияние несимметрии на увеличение потерь в трансформаторе.

Так как потери холостого хода в трансформаторах условно постоянны и определяются в основном потерями в магнитной системе, произведем сравнение трансформаторов по потерям короткого замыкания, зависящим от коэффициента загрузки.

На рис.1 приведены зависимости изменения потерь в обмотках трансформатора мощностью 100 кВА с традиционной схемой соединения обмоток от коэффициента загрузки при симметричной и несимметричной нагрузке.

Рисунок 1. Зависимость потерь активной мощности в трансформаторе от коэффициента загрузки

Как следует из рис.1, при малых коэффициентах загрузки (до 0,4) несимметрия нагрузки (25%) не приводит к увеличению потерь в трансформаторе, т.к. трансформатор работает практически в режиме холостого хода и в нем преобладают магнитные потери. Но с увеличением нагрузки, дополнительные потери, обусловленные несимметрией нагрузки фаз, существенно увеличиваются и при номинальной загрузке трансформатора составляют почти 30% от потерь в симметричном режиме работы (табл.1).

Таблица 1.

Результаты расчета потерь в трансформаторах

Рисунок 2. Зависимость потерь КЗ от величины уравнительного тока

Потери короткого замыкания в трансформаторах со схемой соединения Y/Zн больше при симметричной нагрузке, чем у трансформатора с традиционной схемой, но с увеличением несимметрии использование таких трансформаторов приведет к существенному снижению дополнительных потерь. По эффективности трансформатор с симметрирующим устройством превосходит использование схемы «зигзаг» при любом уровне несимметрии.

Произведем оценку целесообразности использования трансформаторов различной с номинальной мощности с симметрирующими устройствами (Iнб=0,25).

Таблица 2.

Сравнение потерь в обмотках трансформаторов

По данным табл. 2 (рис. 3) можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразно использовать трансформаторы с симметрирующими устройствами с номинальной мощностью от 100 кВА и выше.

Рисунок 3. Зависимость потерь КЗ от номинальной мощности трансформатора при Iнб = 0,25

Оценку эффективности трансформаторов с СУ с большей номинальной мощностью можно осуществлять по удельным потерям на единицу мощности.

Рисунок 4. Зависимость удельных потерь от номинальной мощности

С увеличением номинальной мощности трансформатора происходит уменьшение удельных потерь, но соотношение этих потерь для рассматриваемых трансформаторов остается постоянным. Следовательно, это доказывает эффективность использования трансформаторов с СУ в сетях с несимметричной нагрузкой.

Произведем расчет срока окупаемости трансформатора с СУ на примере трансформаторов ТМГ-250/10/0,4 У1 У/Ун-0 стоимостью 161 660 рублей и ТМГСУ-250/10/0,4 У1 У/Ун-0 стоимостью 191 160 рублей при необходимости замены эксплуатируемого трансформатора.

Экономия электроэнергии за год при использовании ТМГСУ составит:

                                                                                                      (1)

где: P_Т – разность потерь в трансформаторах, Вт; t – число часов, ч.

Тариф на электроэнергию, расходуемой на собственные нужды сетевых компаний, составляет 1,81 руб/кВт∙ч. Годовая экономия в денежном эквиваленте составит:

                                                                                                    (2)

где: Т_ээ – тариф на электрическую энергию, руб./кВт·ч.

Срок окупаемости ТМГСУ по сравнению с ТМГ, год:

                                                                                             (3)

где: Inv – разница объемов инвестиций на приобретение ТМГСУ и ТМГ.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что несмотря на более высокую стоимость трансформаторов ТМГСУ эффективность их использования в сетях с несимметричной нагрузкой экономически оправдана.