Статья:

Уменьшение дополнительных потерь электроэнергии от несимметрии нагрузки фаз

Конференция: XXXIX Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Коваленко В.А., Сичевский А.С., Долгопол Т.Л. Уменьшение дополнительных потерь электроэнергии от несимметрии нагрузки фаз // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XXXIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 10(39). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/10(39).pdf (дата обращения: 22.04.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 75 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Уменьшение дополнительных потерь электроэнергии от несимметрии нагрузки фаз

Коваленко Владислав Андреевич
студент, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачёва, РФ, г. Кемерово
Сичевский Алексей Сергеевич
студент, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачёва, РФ, г. Кемерово
Долгопол Татьяна Леонидовна
научный руководитель, доц., Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва, РФ, г. Кемерово

 

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

, кВА

Iнб

Pк, Вт для трансформаторов со схемой соединения обмоток

Y/Yн

Y/Zн

Y/Yн с СУ

100

0

1970

2265

1970

100

0,1

1941

2127

1854

100

0,2

2125

2014

1770

100

0,25

2278

1967

1739

100

0,3

2492

1926

1716

100

0,4

3073

1863

1693

100

0,5

3857

1825

1702

 

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

Мощность трансформатора,

Sн, кВА

Потери в трансформаторах, Рк, Вт

Y/Yн

Y/Zн

Y/Yн с СУ

25

633

599

530

40

979

878

777

63

1450

1278

1130

100

2278

1967

1739

160

3272

2645

2339

250

4665

3694

3266

 

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: PТ – 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: Тээ – 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.

 

Список литературы:
1. Физическая модель: Распределительный трансформатор – несимметричная нагрузка. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.online-electric.ru/articles.php?id=76.
2. Симметрирующее устройство для трансформаторов. Средство стабилизации напряжения и снижения потерь в сетях 0,4 кВ. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/arh/2005/31/14.php.