Дополнительные потери мощности в силовых трансформаторах, обусловленные несинусоидальностью напряжений

В статье проанализированы дополнительные потери в силовых трансформаторах, обусловленные несинусоидальностью напряжений. Даны формулы для расчета дополнительных потерь мощности. Представлены зависимости потерь от мощности трансформатора при различных значениях несинусоидальности.

Ключевые слова: несинусоидальность, несимметрия, потери, математическая модель.

В последние годы у населения появилось значительное количество различных однофазных бытовых электроприемников с большим числом и мощностью электродвигателей, электронной техники, компьютеров с преобразовательными устройствами, энергосберегающих люминесцентных ламп и т.д. Они приводят к появлению высших гармонических составляющих токов и напряжений. На современных предприятиях, нагрузки, вольтамперные характеристики которых нелинейны, также получили значительное распространение. К таким нагрузкам относятся, например: тиристорные установки, электросварочные аппараты, электродуговые печи, термические установки сушки продукции, газоразрядные лампы, трансформаторы и т.д. Одновременно с этим, широко используются однофазные потребители: кондиционеры, нагревательные устройства, вентиляторы, ионизаторы воздуха и т.п. Такие электроприемники предъявляют высокие требования к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии. В тоже время они сами оказывают существенное влияние на изменение его показателей и значительно ухудшают их, что приводит к дополнительным потерям мощности.

Трансформаторы также как и конденсаторы, являются статическими устройствами, т.е. сопротивление прямой и обратной последовательности равны между собой. Дополнительные потери мощности оценим по формуле, [1]:

(1)

где K_2U – коэффициент несимметрии,

K_Un – коэффициент n-й гармоники.

ΔP_2ТР – потери короткого замыкания, кВт;

ΔP_ТР40 – потери короткого замыкания, кВт;

ΔP_КЗ – потери короткого замыкания, кВт;

u_КЗ – напряжение короткого замыкания, %.

Рассмотрим влияние гармоник на силовые трансформаторы. Из формулы (1), путем исключения из расчета коэффициента несимметрии получаем, что дополнительные потери мощности, обусловленные несинусоидальностью, определяются по формуле:

(2)

а собственные потери мощности, обусловленные конструкцией трансформатора, [2]:

(3)

где ΔP_ХХ – потери короткого замык холостого хода, кВт.

S_Tном – номинальная мощность трансформатора, кВ·А.

Для удобства и наглядности представления рассчитаем увеличение потерь трансформатора относительно номинальной мощности S_Tном:

На рис. 1. показаны графики потерь рассчитанные для трансформаторов 10/0.4 кВ номинальной мощностью S_Tном= 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630 кВА. Потери показаны в процентах от номинальной мощности.

Рис. 1. Дополнительные потери трансформаторов 10/0.4 кВ номинальной мощностью S_Tном= 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630 кВА

Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение искажения кривой напряжения для сетей 6-20 кВ составляет 5% и предельное 8%. При этих искажениях получены значения:

Таблица 1

Дополнительные потери трансформаторов 10/0.4 кВ номинальной мощностью S_Tном= 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630 кВА при различном уровне коэффициента гармоник

Собственные потери трансформаторов из табл. 1., при номинальной нагрузке и cosφ=0,95 составляют около 5% от номинальной мощности. Из этого следует, что потери, обусловленные несинусоидальностью, существенны и могут значительно превышать собственные потери трансформатора. Например для трансформатора марки ТМ 25-10/0,4 дополнительные потери превышаю собственные в 2 раза при K_u=5% и почти в 6 раз при K_u=8%. Для трансформаторов большей мощности эти потери уменьшаются. Из рисунков 2, 3 видно что по мере увеличения номинальной мощности трансформаторов, увеличивается мощность дополнительных потерь, однако в процентном отношении к номинальной мощности дополнительные потери уменьшаются.

Рис. 2. Зависимость дополнительных потерь от мощности трансформатора,
в процентах от номинальной

Рис. 3. Зависимость дополнительных потерь от мощности трансформатора,
в абсолютном исчислении, кВт

При увеличении коэффициента искажения синусоидальности с 5 до 8%, дополнительные потери мощности в трансформаторе 10/0,4 кВ, потери возрастают в 2,6 раза, эта величина не зависит от мощности трансформатора.

Литература:

1. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях [ Текст ] / А. К. Шидловский, В. Г. Кузнецов. –, Киев, Наукова думка, 1985. – 268 с.
2. Ежков В.В. Электрические системы и сети в примерах и иллюстрациях: Учеб. Пособие для электроэнерг. спец. [ Текст ] / В.В. Ежков, Г.К. Зарудский, Э.Н. Зуев и д.р.; под ред. В.А. Строева. М.: – Высш. шк., 199 – 352 с.
3. Кузнецов В. Г. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения [ Текст ] / В. Г. Кузнецов, Э. Г. Куренный, А. П. Лютый. – Донецк, Донбасс, 2005 – 248 с.

4. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. [ Текст ] – М. : Стандартинформ – 2006 – 31 с.

5. Папаика Ю.А. Определение уровня дополнительных потерь в электрооборудовании промышленных предприятий при несимметрии и несинусоидальности напряжения [ Текст ] / Ю.А. Папаика // Гірнича електромеханіка та автоматика Збірник наукових праць. – 2005. – №75