Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Цицорин Алексей Николаевич
ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА В СЕЛЬСКИХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Поволжский государственный технологический университет (ФГБОУ ВПО ПГТУ)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Соколова Валентина Николаевна
Официальные оппоненты: Забудский Евгений Иванович, доктор технических наук, профессор,Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Москов- ский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина, кафедра Электроснабжение и электрические машины, профессор Воротницкий Валерий Эдуардович, доктор техни- ческих наук, профессор, Открытое акционерное общество Научно-технический центр Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Систе- мы, главный научный сотрудник
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Защита состоится 10 декабря 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д220.044.02 в ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16А, корп. 3, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина.
Автореферат разослан л ноября 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного Андреев совета Сергей Андреевич Андрее
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение эффективности снабжения сельских потребителей электроэнергией является одной из приоритетных в контексте модернизации как всей экономики Российской Федерации, так и одной из её базовых составляющих - агропромышленного комплекса.
В настоящее время в эксплуатации в сельских распределительных сетях находится значительное число силовых трансформаторов, отработавших свой нормативный срок службы, при этом практика показывает, что заложенные в них для обеспечения необходимого уровня надёжности ресурсы позволяют энергоснабжающим организациям избежать дорогостоящей замены таких трансформаторов, на новые, за счёт продления их срока службы.
В последние годы всё большее число авторов обращает внимание на рост потерь электроэнергии холостого хода в силовых трансформаторах по мере их старения по сравнению с паспортными данными, измеренными в год выпуска.
При этом конструкторы самих трансформаторов, как правило, утверждают, что потери холостого хода в процессе эксплуатации в исправных трансформаторах если и увеличиваются, то не более чем на 5% за весь срок службы трансформатора - 40 лет.
Потери в трансформаторах и автотрансформаторах составляют до 20 % от общих потерь электроэнергии в электрических сетях, и увеличение потерь холостого хода на 10% повысит суммарные потери в трансформаторах на 12%.
Большинство сельских силовых трансформаторов работает в режиме малых нагрузок, поэтому доля потерь холостого хода в общих потерях трансформаторов является значительной. Учитывая количество таких трансформаторов в энергосистеме и большой срок их службы, такие трансформаторы представляют собой значительный резерв энергосбережения.
Исследования показывают, что к росту потерь холостого хода трансформаторов приводят в основном изменения в магнитной системе. Однако не достаточно изучено изменение потерь мощности холостого хода в силовых трансформаторах сельских распределительных сетей в процессе их эксплуатации.
Измерение потерь холостого хода в условиях эксплуатации при номинальном напряжении позволило бы диагностировать техническое состояние трансформатора и оценить его остаточный ресурс.
Анализ показал, что в настоящее время измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации при номинальном напряжении не производятся, поэтому отсутствует объективная информация о фактических потерях холостого хода. Отсутствие данной информации не позволит более точно рассчитать нормативы технологических потерь и наметить мероприятия по их снижению.
Таким образом, оценка потерь холостого хода сельских силовых трансформаторов является актуальной, так как позволит освоить значительные резервы повышения энергоэффективности, задачи, поставленные Федеральным законом № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации.
Целью работы является разработка способа и технического средства для оценки потерь холостого хода в сельских силовых трансформаторах 10(6)-0,кВ при их эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- провести исследования качественного и количественного влияния механических и тепловых воздействий на изменение удельных потерь электротехнической стали;
- установить количественные взаимосвязи между внешними воздействиями (механическими и тепловыми) на электротехническую сталь магнитопровода в процессе эксплуатации трансформатора и увеличением удельных магнитных потерь в ней;
- разработать новое техническое решение, обеспечивающее измерение потерь холостого хода сельских распределительных трансформаторов при номинальном напряжении в условиях эксплуатации;
- провести производственные экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности и выявления уровня достоверности разработанной математической модели;
- Оценить эффект измерения и изменения потерь холостого хода в сельских распределительных трансформаторах 10(6)/0,4 кВ.
Объект исследования. Объектом исследования в настоящей работе являются трёхфазные силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ, находящиеся в эксплуатации в сельских сетях, процессы их эксплуатационного старения, обуславливающие увеличение потерь холостого хода, а также технические средства их диагностики.
Предмет исследования. Предметом исследования являются зависимости между условиями эксплуатации силовых трансформаторов в сельских распределительных сетях и мощностью холостого хода данных трансформаторов, а также зависимости между техническими параметрами систем диагностики таких трансформаторов и показателями эффективности функционирования систем электроснабжения сельских потребителей.
Методы исследования. В процессе исследований использовались методы математического моделирования с постановкой вычислительных экспериментов, лабораторных и производственных экспериментальных исследований с использованием методов математического планирования и статистической обработки полученных результатов. Экспериментальная часть выполнена в ВерхИсетском заводе по производству электротехнических сталей, а также на трансформаторных подстанциях МУП УЙошкар-Олинская ТЭЦ-1Ф с использованием передвижной установки для диагностики силовых трансформаторов в условиях эксплуатации.
Научная новизна.
Для условий эксплуатации силовых трансформаторов в сельских распределительных сетях:
- экспериментально установлены количественные показатели влияния остаточных напряжений в электротехнической стали на изменение её магнитных свойств путём исследования образцов из магнитопроводов трансформаторов после длительной эксплуатации;
- разработана имитационная математическая модель ИММ изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, отличающаяся учётом воздействия механических и тепловых факторов на магнитопровод трансформатора, приводящих в свою очередь к накоплению остаточных механических напряжений в его материале;
- разработана передвижная установка для диагностики технического состояния силовых трансформаторов в условиях их эксплуатации в сельских сетях путём измерения мощности холостого хода при номинальном напряжении;
- установлена количественная взаимосвязь между внешними воздействиями (механическими и тепловыми) на электротехническую сталь магнитопровода в процессе эксплуатации трансформатора и увеличением удельных магнитных потерь в ней путём производственных исследований потерь холостого хода в трансформаторах, длительное время эксплуатирующихся в сельских распределительных сетях.
Практическая ценность работы.
1. Выявлено влияние механических напряжений, возникающих при эксплуатации трансформаторов на увеличение потерь холостого хода, и разработана математическая модель, описывающая характер данного воздействия;
2. Предложено включить в инструкцию РД 34.45-51.300-97 УОбъём и нормы испытаний электрооборудованияФ требование по обязательному измерению потерь холостого хода в условиях эксплуатации силовых трансформаторов 10(6)/0,4 кВ со сроком службы более 20 лет при номинальном напряжении для их диагностики и получения фактических данных потерь холостого хода;
3. Предложено рассчитывать нормативные потери в трансформаторах со сроком службы, используя фактические данные, полученные путём измерения в условиях эксплуатации;
4. Предложено при выборе мероприятий по снижению потерь электроэнергии оценить экономический эффект от замены силовых трансформаторов на энергосберегающие трансформаторы с учётом капитализированной стоимости потерь.
Реализация результатов исследований.
- Методика измерения тока и потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации при номинальном напряжении, а также установка для диагностики силовых трансформаторов используются электротехнической лабораторией МУП Йошкар-Олинская ТЭЦ-1 во время профилактических работ с целью диагностики магнитной системы и установлении паспортных данных на оборудование, а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО Марийский государственный технический университет;
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных Всероссийских региональных и Международных конференциях ФГБОУ ВПО Марийский государственный технический университет г. Йошкар- Ола) 2007 - 2010 гг., а также на учебных семинарах по технической диагностике электрооборудования электрический сетей МУП ЙошкарОлинская ТЭЦ-1.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 3, в изданиях, рекомендуемых ВАК, включая 1 патент РФ.
Структура диссертации и ее объем.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 148 страниц, в том числе 118 страниц основного текста, 22 рисунка, таблиц, списка литературы из 153 наименований.
Положения, выносимые на защиту.
- результаты экспериментальных исследований;
- имитационная математическая модель изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, происходящих в результате воздействия механических и тепловых факторов;
- техническое решение, защищённое патентом РФ № 103191 на полезную модель для диагностики состояния магнитопровода силовых трансформаторов в условиях их эксплуатации в сельских распределительных сетях путём измерения мощности холостого хода при номинальном напряжении;
- результаты производственных экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность и достоверность разработанной математической модели влияния условий эксплуатации силовых трансформаторов в сельских распределительных сетях на увеличение потерь холостого хода.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследуемой темы, сформулированы основные цели и задачи диссертационной работы, показана ее новизна и практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе показана необходимость исследований потерь холостого хода в сельских силовых трансформаторах 10(6)-0,4 кВ при их эксплуатации.
Современное состояние сельских силовых трансформаторов 10(6)-0,4 кВ характеризуется их старением. Анализ показал, что парк силовых трансформаторов распределительных сетей морально и технически устарел, доля новых трансформаторов не превышает 7%. Около 30Ц35 % трансформаторов отработали свой нормативный срок. Поврежденные трансформаторы, в большинстве случаев, ремонтируют, после чего они вновь вступают в эксплуатацию.
Изношенность силовых трансформаторов вносит дополнительные потери при передаче электроэнергии. Измерения потерь холостого хода при малом напряжении в силовых трансформаторах с наработкой показывают их увеличение до 50%.
В качестве основных причин увеличения потерь холостого хода в силовых трансформаторах, определяемых сроком службы, являются:
1) старение электротехнической стали из-за длительного воздействия температуры от нагрева магнитопровода вследствие потерь при перемагничивании сердечников и выделения тепла намагничивающими обмотками;
2) механические воздействия на магнитопроводы в различных режимах работы (вибрация, электродинамические усилия при КЗ и т. д.) и при ремонтах трансформаторов;
3) причины, связанные с износом материалов, в том числе:
- общее нарушение межлистовой изоляции магнитопровода ввиду старения;
- выгорание сердечника магнитопровода;
- повреждение изоляции шпилек;
- местное нарушение межлистовой изоляции;
- ослабление прессовки магнитопровода (ввиду усадки стали магнитопровода) и т. д.
На основании измерений потерь холостого хода при малом напряжении для расчета потерь в магнитопроводах длительно эксплуатирующихся силовых трансформаторов 35 и 110 кВ и силовых трансформаторах 6-10 кВ после проведения капитального ремонта с разборкой магнитопровода разработаны регрессионные модели изменения потерь мощности в магнитопроводах силовых трансформаторов в процессе эксплуатации путём статистической обработки.
Этот метод дает большие погрешности при пересчете потерь к номинальному напряжению.
По приказу Минэнерго РФ от 30.12.2008 № 326 Об организации в Министерстве энергетики РФ работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям допускается определять потери холостого хода силовых трансформаторов с учетом их технического состояния и срока службы путем измерений этих потерь методами, применяемыми на заводах-изготовителях при установлении паспортных данных трансформаторов. Для этого необходимо разработать техническое решение, позволяющее измерять потери холостого хода в условиях эксплуатации силовых трансформаторов.
К нерешенным проблемам относится то, что не изучен вопрос объективного роста потерь холостого хода для их оценки при эксплуатации силового трансформатора.
Во второй главе проведены экспериментальные исследования трансформаторной электротехнической стали. Показано влияние старения стали и остаточных механических напряжений в ней на увеличение удельных магнитных потерь.
Исследования влияния загрязнения трансформаторных электротехнических сталей включениями углерод- и азотсодержащих фаз проведены по следующей методике. Образцы трансформаторной электротехнической холоднокатанной анизотропной стали различных марок и партий подвергались двукратному ускоренному старению при t= 225С в течение 24 часов. Затем проводился отжиг в проходной печи при t= 850 в течение 3 минут согласно ГОСТ 21427.1-83. Значения магнитных свойств до и после каждого опыта определялись в аппарате Эпштейна по ГОСТ 12119.1-98 (табл. 1).
Результаты экспериментов показали, что длительное воздействие повышенной температуры не оказывает существенного влияния магнитные свойства электротехнической стали.
Таблица 1 - Результаты измерений удельных потерь образцов электротехнической стали Удельные Удель- Магнитная Магнитная Магнитная потери в ные по- индукция индукция индукция листе P тери в B, Тл, при B, Тл, при B, Тл, при Тол- Вт/кг, листе P напряжен- напряжен- напряженщина Номер Вес Вид при f=50 Вт/кг, ности ности маг- ности лис- об- листа, обработГц при f=50 магнитно- нитного магнитнота, разца г ки листа и B, Тл Гц го поля, поля, А/м го поля, мм не более и B, Тл А/м не не менее А/м не 1,5 не более менее 800 менее 1,7 100 250,737 1,046 1,719 1,878 1,9 без об работки 0,27 00124 506,0,735 1,049 1,719 1,877 1,948 старение 1-0,735 1,048 1,717 1,875 1,945 старение 0,725 1,035 1,717 1,878 1,948 отжиг 0,795 1,107 1,724 1,881 1,9 без об работки 0,3 00043 506,04 0,794 1,105 1,727 1,881 1,952 старение 3-0,792 1,105 1,724 1,88 1,951 старение 0,783 1,093 1,724 1,88 1,952 отжиг 0,938 1,273 1,723 1,884 1,9 без об работки 0,35 91066 515,48 0,937 1,275 1,719 1,882 1,955 старение 4-1к 0,939 1,284 1,724 1,886 1,96 старение 0,926 1,269 1,727 1,889 1,963 отжиг Согласно методике для установления изменений магнитных свойств трансформаторной электротехнической стали после эксплуатации из-за механических напряжений проводились измерения удельных потерь в аппарате Эпштейна по ГОСТ 12119.1-98 до и после отжига, который проводился в проходной печи при t= 850 в течение 3 минут согласно ГОСТ 21427.1-83.
В опытах использовались по 5 образцов трансформаторной электротехнической стали 10 сельских распределительных трансформаторов марки ТМ 4со сроком службы 20-40 лет, отрезанные от любого отрезка в листовом аппарате по ГОСТ 12119.8-98. По результатам измерений удельные потери после отжига уменьшились на 20-45%. Данные эксперименты были проведены на Верх-Исетском заводе, крупнейшем производителе трансформаторной стали.
Кроме того, с помощью сканирующего зондового микроскопа ИНТЕГРА Прима при минимальном 100 кратном оптическом увеличении, получены фотографии стали на границах зёрен до и после отжига. При детальном изучении снимков установлены более чёткие границы на стыках зёрен после проведения отжига. Это позволяет предположить, что в процессе эксплуатации сталь приобретает дополнительные механические напряжения, которые оказывают влияние на совершенство кристаллографической структуры, что приводит к изменению магнитных свойств электротехнической стали (рис. 1).
а) б) Рис.1. Фотографии стали на границах зёрен: а) до и б) после отжига Таким образом, результаты исследований показывают, что основное влияние на изменение магнитных свойств оказывают остаточные механические напряжения, накапливаемые в стали магнитопровода в процессе длительной эксплуатации.
В третьей главе произведена разработка имитационной математической модели ИММ изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, происходящих в результате воздействия механических и тепловых факторов, приводящих в свою очередь к накоплению остаточных механических напряжений в материале магнитопровода трансформатора. Для обоснования ИММ составлен план и проведены вычислительные эксперименты.
В результате проведённых экспериментов установлено, что на материал магнитопровода трансформатора действуют следующие факторы, вызывающие механические напряжения в нём: магнитострикция; вибрационные колебания сердечника вместе с трансформатором; температурные нагрузки; ударные нагрузки. Каждый из указанных факторов может быть представлен в виде случайного процесса и описан вектором соответствующих параметров (математическое ожидание, дисперсия, коэффициент корреляции).
В основу математического моделирования положена гипотеза о линейной связи роста удельных магнитных потерь в стали магнитопровода с остаточными механическими напряжениями, возникающими в результате пластических микродеформаций отдельных зёрен.
Формальное математическое описание физических процессов, позволяющее с достаточной для практических целей точностью и достоверностью прогнозировать ухудшение магнитных свойств электротехнической стали сердечников трансформаторов целесообразно реализовать на базе методов имитационного моделирования путём представления основных действующих факторов в виде случайных процессов.
Согласно такому подходу некоторый базовый объём, достаточно большой и статистически обладающий теми же средними характеристиками, может быть представлен в виде совокупности случайным образом ориентированных зёрен стали, при этом в первом приближении можно пренебречь разбросом размеров и положения зёрен. В силу различной их ориентации, а также различного числа внутризёренных дефектов кристаллической решётки, при плоском срезе по направлению действия механических напряжений моделируемые зёрна будут обладать различным пределом текучести. Под данной величиной в рамках разработанной ИММ понимается некоторая условная величина пороговых напряжений, превышение которой при действии на зерно приводит к значимым в рамках данной математической модели изменениям магнитных свойств данного зерна в соответствии с вышеизложенной гипотезой.
Базовым параметром разработанной имитационной модели является величина показателя ухудшения магнитных свойств материала при превышении действующих напряжений на данное конкретное зерно его пороговых напряжений, которая позволяет выразить изменение удельных магнитных потерь в зерне в момент времени следующей рекурсивной формулой:
= (1) где изменение удельных магнитных потерь в зерне в предыдущий момент времени - действующее напряжение на зерно в предыдущий момент времени Таким образом, моделируемый объём материала магнитопровода трансформатора представляет собой регулярный набор зёрен, атрибутивными характеристиками которых являются пороговое значение напряжений по направлению действия моделируемых нагрузок и начальное значение удельных магнитных потерь в объёме материала данного зерна, представляющих собой случайные величины, распределённые по нормальному закону (рис. 2). Гипотеза о нормальном распределении указанных случайных величин основана на центральной предельной теореме теории вероятностей, так как на их значение влияет достаточно большое количество случайных факторов.
Рис. 2 Модель базового объёма материала магнитопровода с характеристиками порогового напряжения, МПа и удельных магнитных потерь Вт/кг у Механические напряжения, возникающие при магнитострикционном и температурном изменении линейных размеров магнитопровода вычисляются по формуле:
еф E, (2) E где - модуль упругости, МПа.
Суммарная относительная деформация материала магнитопровода определяется по выражению:
c1 1 0 l 2 T , (3) c1 c2 EFl0 ll2 c1 lгде - относительная монтажная деформация,,,, lEFc1 F1 F2 1 l1,,,, - характерные начальные (в ненапряжённом состоянии) размеры, жёсткости, площади поперечного сечения и коэффициенты температурного расширения стягивающего бандажа и магнитопровода соответ ственно; - коэффициент магнитострикционного расширения магнитопровоT да в направлении действия стягивающих усилий бандажа, - температура магнитопровода, С. При описанном подходе величинами, моделируемыми в T виде случайных процессов являются и, первая из которых представляет собой линейную функцию от степени намагниченности магнитопровода (напряжения). Вторая величина представляет собой также функцию двух случайных процессов, один из которых процесс нагруженности трансформатора, а второй - изменения температуры окружающей среды. Остальные величины являются конструктивными параметрами трансформаторов и в процессе эксплуатации неизменны.
Моделирование вибрационной нагруженности магнитопровода целесообразно на базе следующего подхода. Магнитопровод вместе с трансформатором совершает вынужденные колебания, при этом основной вынуждающей силой являются магнитострикционные колебания. Предполагая трансформатор линеаризованным объектом можно по формулам теории колебаний оценить параметры вибрации сердечника и найти таким образом дополнительные напряжения от вибрационной нагруженности вибр. Важнейшим случайным процессом в данном случае является изменение амплитуды вынуждающей силы, которая находится в прямой связи со случайным процессом нагруженности трансформатора.
Суммарные напряжения находятся по принципу суперпозиции напряжений еф вибр.
от всех действующих факторов Ударные нагрузки на трансформатор моделируются случайными событиями, при наступлении которых во всём моделируемом объёме ухудшаются магнитные свойства материала магнитопровода.
Таким образом, разработанная имитационная математическая модель устанавливает качественную и количественную взаимосвязь между удельными потерями в магнитопроводе трансформатора и векторами показателей, характеризующих механические и тепловые воздействия на него:
Pу t FM, Pt,Tt,Ut, (4) M, Pt,Tt,Ut соответственно векторы параметров случайных прогде цессов магнитострикционной деформации, режима нагружения, температуры внешней среды и ударных нагрузок.
Описанная математическая модель программно реализована в среде Microsoft Office Excel.
В соответствии с предложенной математической моделью вычислительный эксперимент был проведен в следующем порядке:
1) выбор входных данных;
2) выбор элементарного периода времени и числа циклов моделирования;
3) запуск процесса моделирования для выбранного числа циклов;
4) формирование таблиц данных и построение графиков.
Входные данные, используемые в разработанной математической модели, относятся к трём группам параметров:
1) характеристики сети, в которой функционирует трансформатор;
2) характеристики объекта, особенности конструкции;
3) характеристики внешних условий работы.
Характеристики сети, в которой функционирует трансформатор, определяют особенности нагруженности трансформатора, а так же частоту возникновения ударных нагрузок, связанных с коротким замыканием..
Характеристики объекта, особенности конструкции определяют особенности вибрационного воздействия, возникающего при воздействии магнитострикционных колебаний на трансформатор определенной конструкции.
Характеристики внешних условий работы определяют особенности температурного воздействия, возникающего при температурных изменениях линейных размеров магнитопровода и трансформатора.
Интервал моделирования выбирается с учетом разрешающей способности исходных данных, которая составляла по случайным процессам нагруженности и изменения температуры окружающей среды 1 час. Количество циклов моделирования было определено с учетом диапазона, в котором проявляются указанные выше воздействия, и составило 250 тыс. циклов на опыт. В каждом опыте просчитывалось изменение в процессе эксплуатации мощности холостого хода пяти трансформаторов, пример результатов моделирования в одном опыте представлены на рисунке 3.
Таким образом, в результате серии вычислительных экспериментов на разработанной математической модели были определены для различных внешних условий эксплуатации трансформаторов характерные углы нарастания удельных потерь, которые к 20-и летнему сроку службы в среднем составили 5Е8%.
, МПа Pуд, Вт / кг t, час Рис. 3. График изменения действующих напряжений и удельных магнитных потерь в материале магнитопровода в процессе моделирования.
В четвёртой главе разработана и согласована с заводом-изготовителем силовых трансформаторов ОАО УТольяттинский трансформаторФ программаметодика измерения потерь холостого хода силовых трёхфазных трансформаторов в условиях эксплуатации при номинальном напряжении. На её основании разработана передвижная установка для диагностики трансформаторов и проведены измерения мощности холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации.
Измерения потерь холостого хода проводились на трансформаторных подстанциях МУП УЙошкар-Олинская ТЭЦ-1Ф у 160 силовых трансформаторах находящихся в эксплуатации. Результаты измерений показывают, что для трансформаторов одной и той же мощности увеличение потерь холостого хода по сравнению с паспортными и справочными значениями могут значительно отличаться. Так, в отдельных трансформаторах наблюдается увеличение потерь до 25 %. Однако, для большинства трансформаторов за время эксплуатации примерно 20 лет изменение потерь лежит в пределах 6-9% (табл. 2).
Кроме того, в результате измерений выявлены очаги повышенных потерь - трансформаторы с потерями холостого хода, превышающими в 14-30 раз значения паспортных данных.
Разработанная модель, устанавливающая характерные углы нарастания удельных потерь, которые к 20-и летнему сроку службы в среднем составили 5Е8%, достаточно достоверна и подтверждается результатами измерений.
Таблица 2 - потери холостого хода, измеренные в год изготовления трансформатора и после эксплуатации в 2010 г.
№ транс- Год изготовления Потери мощности в стали, Вт форматора в год выпуска с завода в условиях эксплуатации в 2010 г.
1 1991 1012 102 1993 950 103 1989 865 95 1991 780 85 1988 1120 126 1987 1240 137 1986 1030 118 1987 1180 139 1989 1080 1110 1993 980 10В пятой главе выполнена оценка целесообразности измерения потерь холостого хода в сельских распределительных трансформаторах 10(6)/0,4 кВ.
Для того чтобы оценить целесообразность измерений потерь холостого хода силовых трансформаторов со сроком службы необходимо дать оценку применению полученных в ходе измерений результатов, а именно:
- рассчитать разницу результатов расчёта нормативов потерь при использовании фактических данных и справочных, используемых в программах по расчёту потерь;
- оценить убытки от использования трансформаторов с повышенными потерями;
- оценить использование измеренных значений потерь холостого хода при расчёте полной стоимости владения силовым трансформатором для решения задач его замены с целью снижения потерь холостого хода.
В табл. 3 приведены значения годовых потерь для измеренных трансформаторов.
Таблица суммарные потери энергии в год, мВтчас программа расчёта с учётом трансформаторов с без учёта трансформаторов с повышенными повышенными потерями потерями с использованием измеренных значе- 4861,5021 1285,0ний потерь холостого хода с использованием значений програм- 1877,7936 1567,9мы РАП-Стандарт с использованием значений програм- 1150,1004* 960,884* мы РТП Расчёт потерь энергии производился по формуле:
i Tго W=( ), (5) Pхх n i где - измеренные данные потерь мощности холостого хода для трансфорPхх n маторов;
Tго =8760 - количество часов в году;
n - количество трансформаторов;
* - в расчётах применялись средние значения потерь мощности холостого хода из справочника программного комплекса для расчета, анализа и нормирования потерь электроэнергии РТП 3.
Видно, что фактические годовые суммарные потери холостого хода значительно отличаются от потерь, рассчитанных в программных комплексах РАПСтандарт и РТП 3.
В неисправных трансформаторах стоимость потерь холостого хода за год работы в 2,8 раза превышает стоимость потерь в исправных трансформаторах. Таким образом, убытки предприятия от неисправного трансформатора за один год работы могут составлять стоимость нового энергосберегающего трансформатора.
Для проведения мероприятий по снижению потерь путём замены трансформаторов на энергосберегающие трансформаторы важно оценить его полную стоимость владения с учетом капитализированной стоимости потерь, которая может быть рассчитана по формуле:
= (S + A) (1 + I L) + C [1 + I (L - M) + C [1 + I (L - 2M)] +Е+D+ K, (6) где S - стоимость земли подстанции и строительства объекта;
A - стоимость закупки трансформатора;
L - срок службы трансформатора;
M - интервал между ремонтами;
C - стоимость ремонта, включая запасные детали и транспортировку;
I - процентная ставка депозита в банке либо инфляция;
D - стоимость утилизации;
K - капитализированная стоимость потерь - годовой доход, полученный от суммы в банке, положенной под сложный процент при установке трансформатора достаточный для оплаты стоимости потерь в каждом году срока службы трансформатора и определяется по следующему выражению:
K kP k P, (7) Pх где Ч потери холостого хода;
Pн Ч нагрузочные потери;
kх Ч удельная капитализированная стоимость потерь холостого хода;
kн Ч удельная капитализированная стоимость нагрузочных потерь.
kх Капитализированная стоимость потерь холостого хода и нагрузочных поkн терь тем выше, чем меньше процентная ставка, чем больше время использования и стоимость энергии.
Увеличение потерь холостого хода в течение срока службы трансформатора указывает на возрастание полной стоимости владения трансформатором, что влияет на принятие решения о его замене или ремонте.
Основные выводы и рекомендации по диссертационной работе.
1. Проведённые экспериментальные исследования показали, что основным фактором, влияющим на изменение магнитных свойств стали магнитопровода являются остаточные механические напряжения, которые оказывают влияние на совершенство кристаллографической структуры и способствуют ухудшению магнитных свойств.
2. Имитационная математическая модель изменения удельных потерь электротехнической стали в процессе эксплуатации, происходящих в результате воздействия механических и тепловых факторов, приводящих в свою очередь к накоплению остаточных механических напряжений в материале магнитопровода трансформатора, показывает характерные углы нарастания удельных потерь, которые к 20-и летнему сроку службы в среднем составили 5Е8% 3. Разработана передвижная установка для измерения потерь холостого хода силовых трансформаторов при номинальном напряжении в условиях эксплуатации.
4. Результаты экспериментальных исследований потерь холостого хода силовых трансформаторов хорошо согласуются с результатами вычислительного эксперимента (расхождение не более 10 %), что подтверждает адекватность и достоверность разработанной ИММ.
5. Предложена и доказана целесообразность измерений потерь холостого хода силовых трансформаторов в условиях эксплуатации. Показана необходимость замены трансформаторов, имеющих недопустимый уровень потерь холостого хода на энергосберегающие силовые трансформаторы с низким уровнем потерь холостого хода, который достигнут благодаря применению сталей с пониженными удельными потерями.
6. Для измерения потерь холостого хода при номинальном напряжении рекомендуется использовать передвижную установку для диагностики силовых трансформаторов, обеспечивающую мобильность и применение в условиях эксплуатации.
7. Измерения потерь холостого хода рекомендуется производить на трансформаторах с продолжительностью эксплуатации более 20 лет, так как согласно проведённым измерениям для некоторых таких трансформаторов наблюдается резкий рост потерь.
8. При расчётах потерь электроэнергии в силовых трансформаторах рекомендуется использовать фактические значения потерь холостого хода, полученные путём измерений в условиях эксплуатации.
Основные положения диссертации опубликованы: в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Цицорин А.Н. О потерях холостого хода силовых трансформаторов 6-кВ / А.Н. Цицорин // Электрические станции. - 2011. - №3. - C. 48-51.
2. Цицорин А.Н. О физических процессах изменения магнитных свойств электротехнической стали и росте потерь холостого хода силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации / А.Н. Цицорин // Электротехника. - 2011. - № 3. - С.52-57.
3. Пат. RU 103191 МПК G 01 R 31/02. Передвижная установка для диагностики силовых трансформаторов/ Цицорин А. Н. заявитель и патентообладатель Цицорин А. Н. - № 201014432/28; заявл. 19.10.10; Опубл. в бюллетене № 9 УИзобретения. Полезные моделиФ за 2011 год.
Публикации в других изданиях:
1. Цицорин А.Н. Сравнительный анализ уровня и динамики относительных потерь электроэнергии в электрических сетях республики Марий Эл. В кн.: Научному прогрессу - творчество молодых / Цицорин А.Н. // Сборник материалов Всероссийской региональной научной студенческой конференции по естественным и техническим дисциплинам. - Йошкар- Ола, 2007. - С. 101 - 103.
2. Цицорин А.Н. Совершенствование методов расчета потерь электроэнергии в электрических сетях республики Марий Эл. В кн.: Научному прогрессу - творчество молодых / Цицорин А.Н. // Сборник материалов Всероссийской региональной научной студенческой конференции по естественным и техническим дисциплинам. - Йошкар- Ола, 2007. - С. 114 - 116.
3. Цицорин А.Н. Совершенствование программного обеспечения методов расчетов и нормирования потерь электроэнергии в электрических сетях. В кн.:
Научному прогрессу - творчество молодых / Цицорин А.Н. // Сборник материалов Международной научной студенческой конференции по естественным и техническим дисциплинам. - Йошкар- Ола, 2008. - С. 87 - 89.
4. Цицорин А.Н. Анализ методов расчета потерь электроэнергии в электрических сетях 0.38 кВ Республики Марий Эл / Цицорин А.Н., Соколова В. Н. // Наука в условиях современности: сб. ст. студентов, аспирантов, докторантов и ППС по итогам науч.- техн. конф. МарГТУ в 2007г. (75 лет МарГТУ). - ЙошкарОла. - 2007. - С. 141-144.
5. Цицорин А.Н. Повышение эффективности нормирования потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям / Цицорин А.Н., Соколова В. Н // Наука в условиях современности: сб. ст. профессорско- преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студ. по итогам науч.- техн. конф. МарГТУ в 2009 г. - Йошкар-Ола. - 2009. - С. 98-100.
6. Цицорин А.Н. Учет срока службы силовых трансформаторов при расчете и нормировании потерь / Цицорин А.Н., Соколова В. Н. // Наука в условиях современности: сб. ст. профессорско- преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студ. по итогам науч.- техн. конф. МарГТУ в 2009 г. - 2009. - ЙошкарОла. - С. 101-103.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям