Уменьшение магнитных потерь в трехфазных трансформаторах

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются методы вычисления магнитных потерь, создаваемые трехфазными силовыми трансформаторами в стальном сердечнике, а также показаны способы их уменьшения.

ABSTRACT

This article discusses methods for calculating magnetic losses created by three-phase power transformers in a steel core, and also shows how to reduce them.

Ключевые слова: трансформатор, магнитные потери, напряжение, ток, обмотки, потери мощности, магнитопровод.

Keywords: transformer, magnetic losses, voltage, current, windings, power losses, magnetic circuit.

Трансформатором называют статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую в общем, случае другие характеристики, в частности, другое напряжение и другой ток.

Трансформаторы получили широкое распространение в связи с необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния.

При передаче электроэнергии на высоком напряжении и небольшом токе (при одной и той же мощности, с увеличением напряжения сила тока соответственно уменьшается) значительно уменьшаются потери мощности на нагрев проводов, которые пропорциональны квадрату тока. Уменьшение величины тока в линиях электропередачи высокого напряжения позволяет применять на линиях провода меньших сечений, а при передаче малых мощностей стальные провода. Этим достигается снижение стоимости линий электропередач и экономия цветных металлов.

Напряжение вырабатываемой на электростанциях электроэнергии повышают трансформаторами до 6, 10, 20, 35, 110, 154, 220, 330, 400 и 500 кВ в зависимости от мощности и дальности передачи электроэнергии. На месте потребления напряжение понижают трансформаторами до необходимой величины.

Потери энергии при передаче электроэнергии от электростанций к потребителям будут зависеть от тока через линии электропередач. Напряжение синхронных генераторов на электростанциях (U ≤ 24 кV) делает его гораздо менее эффективным для энергоэффективной передачи удаленным потребителям. При передаче определенного количества электроэнергии (S=U×I) потребителю напряжение  трансформатором увеличивается с уменьшением напряжения U. Таким образом, если выбрать провод с относи-тельно небольшой площадью поперечного сечения для линии электропередач с целью экономии цветных металлов при строительстве линии электропередачи, то увеличение энергоснабжения потребителей будет увеличиваться с уменьшением потерь мощности в линии (Р'=3I² r_l).

На некоторых тепловых электростанциях силовые трансформаторы повышают напряжение с 20 кВ до 500 кВ, то есть в 25 раз. В результате потери в проводах линий снижаются в 25² = 625 раз по сравнению с передаваемым без трансформатора, что означает большой экономический эффект.

Каждая электростанция будет иметь большие трансформаторы напряжения. Чем длиннее линия передачи и чем больше передаваемая мощность, тем выше технико-экономическое обоснование. Например, для передачи мощностью 103 МВт на 1000 км требуется 500 кВ.

Большинство потребителей напряжения питаются от 220, 380 и 660 В, такие как синхронные электродвигатели, приводящие в движение водяные насосы насосных станциях, асинхронные электродвигатели с фазным ротором большой мощности, применяемые в металлургии 6 кВ, и крупные синхронные электродвигатели, применяемые в этой области, на напряжениях 6 и 10 кВ, электродвигатели, используемые в электрифицированном железнодорожном транспорте, работают на напряжении 3,3 кВ. Следовательно, высокое напряжение линии электропередачи будет снижено до значений напряжения, требуемого для силовых трансформаторов, установленных на центральной и региональной подстанциях и вблизи потребителей электроэнергии.

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям осуществляется в пять или шесть ступеней, в основном через высоковольтные двухфазные трансформаторы. Следовательно, количество силовых трансформаторов и их мощность будут примерно в шесть раз превышать количество генераторов и установленную мощность электростанций в зависимости от расстояния передачи.

Некоторые из силовых трансформаторов и специальных трансформаторов в Республике Узбекистан производятся в основном на Чирчикском трансформаторном заводе, который расположен в Ташкентской области, на производственных предприятиях «ELUS» (электрооборудование) и «Asiaelectroеnergiya». Для ремонта силовых трансформаторов в Ташкенте существуют специализированные ремонтно-производственные и ремонтные компании компании «Энерготамир» и «Ротор».

Магнитопровод является важным компонентом трансформатора, который, помимо усиления магнитных полей, является конструктивной основой для установки и крепления стержней, вспомогательных деталей.
Магнитопровод изготавливается с анизотропными (улучшенными магнитными свойствами, например, 3404¸3406) из холоднокатаной стали толщиной 0,35 и 0,30 мм для снижения потерь энергии, вызванных переменными токами (f = 50 Гц) и покрытые оксидными покрытиями. Использование такой стали увеличило бы индукцию магнитопровода до 1,6¸1,65 Т (в горячекатаной стали магнитная индукция не могла превышать 1,4¸1,45 Т), а применение активных (магнитные и электрические проводники) материалов трансформатора приведет к уменьшению потерь энергии.

Часть магнитной системы где расположена обмотка называется «стержень», вторая часть которая образует замкнутую магнитную цепь называется «ярмо».

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во - первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во - вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей.

Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т.е. он состоит из тонких стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Для сердечников трансформаторов применяется специальная электротехническая листовая сталь с относительно большим содержанием кремния (до 4-5%) толщиной обычно 0,5 или 0,35 мм при частоте переменного тока 50 Гц. При более высоких частотах тока, например, при 300-400 Гц и выше, толщина стали выбирается 0,20 и 0,10 мм. В этом случае значительно снижаются потери от вихревых токов, наведенных переменным магнитным полем, имеющим место в сердечнике трансформатора.

Потери мощности в трансформаторах. К ним относятся магнитные потери (Р′_m=Р′₀) и электрические (Р′_e) потери (включая дополнительные потери), которые происходят по закону Джоуля-Ленца, когда ток проходят через проводники:

Когда напряжение трансформатора U₁= const, тогда магнитные потери трансформатора постоянны, поскольку они практически не изменяются с изменением нагрузки. Эти потери примерно равны потерям холостого хода (Р′_m= P′₀).

Основные и дополнительные потери мощности пропорциональны квадрату тока. Проще выразить их с помощью потерь короткого замыкания, полученных при номинальном токе:

Значение потерь тока трансформатора так же зависит от толщины электротехнического стального листа, используемого в конструкции магнитопровода. На заводах, производящих трансформаторы, стальные стержни изготавливают из электротехнического стального листа толщиной 0,3 - 0,5 мм. В качестве примера рассмотрим потери сердечника из стального листа в 0,35 мм.

Рассмотрим магнитные потери в стальном сердечнике трехфазного силового трансформатора с значениями мощности S = 16000 кВА, напряжением U₁ = 38500 В и U₂ = 10500 В.

Потери, возникающие в результате вихревых токов в сердечнике, рассчитываются по следующей формуле [2]:

Р_уюр== = 5357,3 Вт,

где D – диаметр стержня, d – толщина стального листа (рис. 1), f–частота,  –магнитная индукция,  – относительное сопротивление.

Хорошо известно, что чем меньше толщина листа электротехнической стали, тем больше его удельное сопротивление. Чем больше удельное сопротивление, тем меньше потери, создаваемые токами. Листы электротехнической стали изолированы друг от друга оксидными покрытиями или специальными лаками, тем самым снижая магнитные потери на вихревые токи [1].

Рисунок 1.  Расположение осей на одной стальной пластине

В настоящее время Чирчикский трансформаторный завод выпускает трансформаторы, сердечник которых изготавливается из листов электротехнической стали толщиной 0,27 мм. Рассчитываем магнитные потери на вихревые токи из стального листа толщиной 0,27 мм.

Р_в =  = =3188,2 Вт.

Магнитное поле и распределение тока в электротехническом стальном листе являются следующими: магнитный ток вдоль оси y и оси z является током (рис.2).

Рисунок 2. Расположение осей на 5 стальных листах

Таблица 1.

Таким образом, как показано в таблице 1, стальные листы толщиной 0,27 мм имеют на 2169,1 Вт меньше магнитных потерь, чем стальные листы толщиной 0,35 мм, а коэффициент полезной мощности трансформатора несколько выше.

Список литературы:
1. Салимов Ю.С., Пирматов Н.Б. Электрические машины. - Т .: Изд-во Национального общества философов Узбекистана, 2011. - 408 с.
2. Индукционный ретардер в КПП - кто такие токи Фуко? _Электронный ресурс. Режим доступа - https://zen.yandex.ru/media/energofixik/vihrevye-toki--toki-fuko-chto-eto-takoe-i-gde-oni-ispolzuiutsia-5c7a80b99aa57f00b340551f.