Проблема энергосбережения в трансформаторах становится все более важной.
При проведении тендеров на поставку трансформаторов учитывают капитализированную стоимость потерь, которая составляет большую часть стоимости годовых затрат.
Поэтому снижение потерь в силовых трансформаторах является исключительно актуальной задачей.
В силовых трансформаторах 220—750 кВ соотношение потерь короткого замыкания и холостого хода в соответствии с ГОСТ 17544—85 составляет:
• в блочных трансформаторах — 2,5—3,2;
• в автотрансформаторах — 3,5—5,0.
Следует отметить, что нормирование потерь в стандартах в настоящее время является тормозом в совершенствовании конструкции трансформаторов в части оптимизации экономических параметров: себестоимости и потерь. В условиях рыночной экономики это является определяющим для разработчиков трансформаторов. При этом следует иметь в виду, что стоимость обмоточных проводов значительно превышает стоимость электротехнической стали (в 3— 5 раз), с другой стороны, стоимость потерь холостого хода примерно в два раза превышает стоимость потерь короткого замыкания. Поэтому для зарубежной практики транс-форматоростроения характерны большие соотношения потерь короткого замыкания и холостого хода (более 5). Достигается это в первую очередь за счет снижения потерь холостого хода.
В отечественной практике при проектировании новых трансформаторов также основное внимание уделяется снижению потерь холостого хода.
Отметим основные факторы, влияющие на потери холостого хода.
1. Уменьшение размеров изоляции между обмотками за счет совершенствования конструкции изоляции и снижения испытательных напряжений (для трансформаторов 330—750 кВ).
2. Применение электротехнических сталей высших марок (3408 и 3409 по ГОСТ 1427.1—83). Применение сталей высших марок позволяет снизить потери холостого хода на 5—10 %.
3. Применение схемы шихтовки магнитопровода с полным косым стыком, а также применение стыков типа «степ-лэп», что позволяет снизить потери холостого хода на 10—15 %.
4. Внедрение техпроцесса сборки магнитопровода без верхнего ярма. Этот техпроцесс позволяет снизить потери холостого хода на 3—5 %.
Потери короткого замыкания (нагрузочные потери) в отличие от потерь холостого хода зависят от графика нагрузки трансформатора, т. е. могут изменяться в широких пределах. При постоянной нагрузке работают, как правило, только блочные (генераторные) трансформаторы.
Для мощных трансформаторов потери короткого замыкания имеют исключительно важное значение, т. к. помимо потерь энергии определяют перегревы обмоток и элементов металлоконструкции. Снижение потерь короткого замыкания достигается главным образом за счет совершенствования конструкции и применения новых материалов.
Потери короткого замыкания складываются из потерь в обмотках (омические и добавочные) и добавочные потери в элементах конструкций.
Рассмотрим более подробно эти составляющие потерь.
Омические потери в обмотках (I2R) зависят от значения тока, сечения и длины провода, которые определяют его сопротивление и массу провода.
Добавочные потери в обмотках составляют 20—25 % от суммарных потерь в обмотках и зависят от конструкции обмоток и распределения потоков рассеяния. Для мощных трансформаторов характерны большие составляющие осевого поля рассеяния, которые определяют перегревы крайних катушек обмоток. Эти перегревы могут значительно превышать средние перегревы обмоток и в значительной степени определяют конструкцию обмоток.
Снижение добавочных потерь в обмотках достигается за счет следующих мер:
• В обмотках НН, где ток составляет более 2000 А, применяются, как правило, транспонированные провода с небольшими размерами элементарных проводов, что позволяет до минимума снизить добавочные потери в обмотках и тем самым решить проблему снижения перегревов крайних катушек. Для того, чтобы обеспечить электродинамическую стойкость обмоток при коротком замыкании, при малых размерах элементарных проводников широко применяются транспонированные провода с эпоксидным покрытием элементарных проводников, что значительно повышает радиальную и осевую устойчивость обмоток. Помимо обмоток НН такие транспонированные провода также иногда применяются в обмотках СН и РО автотрансформаторов, где возникают сложности с обеспечением электродинамической стойкости при коротком замыкании;
• В обмотках ВН всех трансформаторов, а также в обмотках СН, НН и РО автотрансформаторов широко применяются подразделенные двухжильные и трехжильные провода. Применение этих проводов позволяет уменьшить добавочные потери от продольного поля рассеяния, однако при этом возникают проблемы со значительными потерями от поперечного поля и, следовательно, с перегревами в крайних катушках. Поэтому принимаются специальные конструктивные меры для снижения перегревов в этой зоне обмоток. К ним относятся, например, применение в крайних катушках провода меньшей высоты, выполнение в крайних катушках дополнительных каналов для охлаждения. Добавочные потери в элементах металлоконструкций составляют от 15 до 40% потерь в обмотках. Эти потери распределены неравномерно в элементах металлоконструкций и сосредоточены в ярмовых балках магнитопровода, прессующих кольцах и основная часть в баке: в зонах повышенной напряженности поля рассеяния обмоток, прохода отводов с большими токами вдоль бака, в зоне выводов обмотки НН на крышке бака.
Поэтому принимается комплекс мер по снижению потерь и перегревов в элементах металлоконструкций.
В блочных трансформаторах мощностью более 200 MB • А до недавнего времени применялась система шунтирования потоков рассеяния, которая заключается в том, что по торцам обмоток НН и ВН устанавливаются шунты из электротехнической стали, которые направляют поток рассеяния в магнитопровод. Такая система наряду с другими мерами позволила снизить добавочные потери в элементах металлоконструкций на 10—15%.
В настоящее время с появлением новых материалов и технологий, а также более совершенных методов расчета полей рассеяния снижение добавочных потерь в элементах металлоконструкций осуществляется следующими способами:
• металлические прессующие кольца заменяются на изоляционные из древесно-слоистого пластика или из прессованного электрокартона (в зависимости от напряженности электрического поля);
• ярмовые балки выполняются из маломагнитной стали в случаях, когда расчеты показывают значительные потери и перегревы, превышающие допустимые;
• на баке в зоне повышенных напряженностей полей рассеяния устанавливаются вертикальные магнитные шунты (размеры и расположение шунтов определяются расчетом);
• на крышке бака в зоне расположения выводов НН выполняются маломагнитные вставки, или вся крышка в этой зоне выполняется из маломагнитной стали. Применение указанных мер в трансформаторах нового поколения приводит к тому, что добавочные потери в элементах металлоконструкций не превышают 20% от потерь в обмотках.