Что такое потери холостого хода в трансформаторе

Потери холостого хода в силовом трансформаторе

Согласно Инструкции, потери холостого хода в силовом трансформаторе определяются по формуле:

где Т pi — время работы трансформатора, ч;

— замеренное напряжение на высшей стороне трансформатора, кВ;

— номинальное напряжение высшей обмотки трансформатора, кВ.

Напряжение на трансформаторе определяется с помощью измерений.

Необходимо рассчитать величину потерь холостого хода силового трансформатора ТМ-25/10 за год.

Паспортные данные силового трансформатора ТМ-25/10:

По формуле находим:

Величина потерь холостого хода силового трансформатора за год составила 1256 кВт.

Напоминаем – потери холостого хода силового трансформатора относятся к категории условно-постоянных потерь, то есть не зависят от объема проходящей через него мощности.

Источник

Потери холостого хода трансформатора и их последствия

Энергопотери всегда приводят к перерасходу средств и материалов. Они являются главным источником удорожания энергии. Соответственно, борьба с ними основана на своевременном выявлении неполадок и профилактике возможных сбоев работоспособности в целом. Основной, самый распространенной проблемой принято считать потери холостого хода трансформатора.

Составляющие потерь холостого хода

Утрата мощностных показателей холостого хода трансформирующего устройства включают в себя несколько обязательных составляющих:

Стоит отметить, что диэлектрические «утечки» актуальны только для приборов, работающих при повышенных частотах. Для силовых же трансформаторов, которые рассчитаны на определенную среднюю частоту в 50 Гц, такие потери несущественны и, как правило, не берутся в расчет при комплексном анализе причин.

Меньше одного процента от потери холостого хода в том числе и в силовых устройствах составляют и утечки в первичной обмотке.

Основная, самая существенная доля «утечки» приходится на магнитные потери. Этот вид обсуждаемого явления также можно разделить на два типа: от гистерезиса и от вихревых токов. В современных устройствах, где используется холоднокатаная электротехническая сталь на первую причину приходится чуть менее трети всех объемов. А вот вихревые токи вытягивают до 75 процентов.

Значение качества электротехнической стали ↑

Для правильных исчислений, а при частоте 50 Гц, соотношение частей в магнитных потерях вычисляется математическим путем, используются эмпирически полученные данные характеристик различных видов стали.

Кроме того, большое значение играет конфигурация магнитной системы, ее массой, а также технологией производства пластик.

Совокупность всех факторов условно стоит разделить на конструктивные и технологические:

Кстати, еще одной из существенных причин увеличения потерь в уже эксплуатируемом трансформаторе могут являться нестабильные качественные характеристики используемой стали, а также небрежная сборка с допущением механических повреждений.

При этом, правильно рассчитанный и собранный трансформатор имеет отклонение фактических потерь от расчетных всего около пяти процентов. Это значение следует учитывать, контролируя предельные показатели ПХХ в рамках определенных технической документацией норм, которые соответствуют ГОСТ с прибавлением половины допуска. Кстати, по ГОСТу допуск потерь холостого хода в трансформаторных устройствах обозначен на уровне 15 процентов. То есть, нужно контролировать потери холостого хода в рамках половины этого значения, то есть 7,5 процентов.

На что влияют потери холостого хода трансформатора? ↑

На данный момент общий процент потерь от генерирующих мощностей до потребителя составляет порядка 18 процентов. Большая часть энергии теряется именно на этапе работы трансформаторных систем. На что влияют данные потерь и где применяются полученные в результате расчетов результаты?

Прежде всего такого рода информация учитывается при расчетах потери электроэнергии, а также при планировании модернизации оборудования и уровне затрат на обновление и ремонт.

От чего зависят потери холостого хода трансформатора? ↑

В середине прошлого столетия сталь горячей прокатки, используемую для производства основных трансформаторных узлов, заменили на холоднокатаный материал с ориентированной структурой зерен. Плюс новинки состоял в том, что она отличалась высокой магнитной проницаемостью и большей эффективностью. К началу XXI века характеристики используемой холоднокатаной стали в значительной мере улучшились. Причиной такого технологического роста стала очевидность соотнесения затрат с конечной стоимостью энергии.

В общем же снижению потерь в холостом режиме поспособствовали три важных причины:

Причины потери холостого хода трансформатора ↑

Используемые сегодня трансформаторы можно разделить на сухие и масляные. Масляные до недавнего времени довольно активно использовались практически во всех сферах. Но так как они имеют некоторые ограничения по размещению и нюансы обслуживания, а также низкую пожаробезопасность, в последнее время все большей популярностью стали пользоваться модели сухих трансформаторов, не использующих в системе охлаждения масляные составы.

Это далеко не все возможные причины потери холостого хода силового трансформатора, многое также зависит и от условий эксплуатации, и от уровня обслуживания устройства. Но это частные случаи, причины в которых следует искать индивидуально.

Источник

Понятие потерь холостого хода трансформатора и как их определить, формулы и таблицы

В результате энергопотерь происходит перерасход средств и материалов. Из-за этого электричество дорожает. Чтобы справиться с этой проблемой, стараются вовремя выявлять неполадки и предотвращать свои в работе. Негативно на работу устройства влияют потери на холостом ходу трансформатора. Для устранения данной проблемы постоянно разрабатываются новые методики.

Понятие холостого хода трансформатора

Когда у трансформатора наблюдается выделенное питание одной обмотки, а другие пребывают в разомкнутом состоянии. Этот процесс приводит к утечке энергии, что и называют потерями холостого хода. Его развитие происходит под влиянием ряда внешних и внутренних факторов.

Мощность трансформатора не используется в полной мере, а часть энергии утрачается по причине некоторых магнитных процессов, особенностями первичной обмотки и изоляционного слоя. Последний вариант влияет при использовании приборов, функционирующих на повышенной частоте.

Какие факторы влияют на потери

Современные трансформаторы в условиях полной нагрузки достигают 99% КПД. Но устройства продолжают совершенствовать, пытаясь снизить утрату энергии, которая практически равны сумме потерь холостого хода, возникающих под влиянием разнообразных факторов.

Изоляция

Если на стягивающих шпильках установлена плохая изоляция или ее недостаточно, возникает замкнутый накоротко контур. Это один из главных факторов данной проблемы трансформатора. Поэтому процессу изоляции следует уделять больше внимания, используя для этих целей качественные специализированные материалы.

Вихревые токи

Развитие вихревых токов связано с течением магнитного потока по магнитопроводу. Их особенность в перпендикулярном направлении по отношению к потоку. Чтобы их уменьшить, магнитопровод делают из отдельных элементов, предварительно изолированных. От толщины листа и зависит вероятность появления вихревых токов, чем она меньше, тем ниже риск их развития, приводящего к меньшим потерям мощности.

Чтобы уменьшить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали, в материал добавляют различные виды присадок.

Они улучшают свойства материала и позволяют снизить риск развития неблагоприятных процессов, плохо отражающихся на работе устройства.

Гистерезис

Как и переменный ток, магнитный поток также меняет свое направление. Это говорит о поочередном намагничивании и перемагничивании стали. Когда ток меняется от максимума до нуля, происходит размагничивание стали и уменьшение магнитной индукции, но с определенным опозданием.

При перемене направления тока кривая намагничивания формирует петлю гистерезиса. Она отличается в разных сортах стали и зависит от того, какие максимальные показатели магнитной индукции материал может выдержать. Петля охватывает мощность, которая постепенно перерасходуется на процесс намагничивания. При этом происходит нагревание стали, энергия, проводимая по трансформатору, превращается в тепловую и рассеивается в окружающую среду, то есть, она тратится зря, не принося никакой пользы всем пользователям.

Характеристики электротехнической стали

Для трансформаторов используют преимущественно холоднокатаную сталь. Но показатель потерь в ней зависит от того, насколько качественно собрали устройство, соблюдались ли все правила в ходе производственного процесса.

Для уменьшения потерь можно также немного добавить сечения проводам на обмотке. Но это не выгодно с финансовой точки зрения, ведь придется использовать больше магнитопровода и других важных материалов. Поэтому размер обмоточных проводов меняют редко. Пытаются найти другой, более экономичный способ решения этой проблемы.

Перегрев

В процессе работы трансформатора его элементы могут нагреваться. В этих условиях устройство не способно нормально выполнять свои функции. Все зависит от скорости этого процесса. Чем выше нагрев, тем быстрее прибор перестанет выполнять свои прямые функции и понадобится капитальный ремонт и замена определенных деталей.

В первичной обмотке

Если электрический ток по проводнику замыкается, то высокая вероятность утечки электрической энергии. Размер потерь зависит от величины тока в проводнике и его сопротивления, а также от показателя нагрузок, возлагаемых на прибор.

Как определить потери

Этот процесс можно измерить, воспользовавшись мощной установкой. Формула включает такие действия: необходимо умножить показатели их мощности друг на друга. При использовании этого способа необходимо учитывать наличие определенных погрешностей. Искажение связано с тем, что коэффициент мощности учесть точно нельзя. Этот показатель называют конус игла. Он достаточно важен для работы устройства.

Таблица потерь силовых трансформаторов по справочным данным в зависимости от номинала

Чаще всего проблема утечки электроэнергии связана с движением вихревых токов и перемагничиванием. Под влиянием этих факторов нагревается магнитопровод, который обуславливает основную часть потерь холостого хода независимо от тока нагрузки. Развитие этого процесса происходит независимо от того, в каком режиме функционирует устройство.

Постепенно, под влиянием определенных факторов могут меняться эти показатели в сторону значительного увеличения.

Проверка устройства в режиме ХХ

Для этого выполняют такие действия:

После получения показаний всех приборов выполняют расчеты, которые помогут в вычислении. Чтобы получить нужные данные, необходимо показатели первой обмотки разделить на вторую. С применением данных опыта ХХ с результатами короткозамкнутого режима определяют, насколько полно устройство выполняет свои действия.

Особенности режима ХХ в трехфазном трансформаторе

На функционирование трехфазного трансформатора в таком режиме влияют отличия в подключении обмоток: первичная катушка в виде треугольника и вторичная в форме звезды. Ток способствует созданию собственного потока.

Трехфазный ток в виде группы однофазных имеет такие особенности: замыкание ТГС магнитного потока происходит в каждой фазе за счет сердечника. Если напряжение будет постепенно увеличиваться, то в изоляции возникнет пробой и электроустановка рано или поздно выйдет из строя.

Если в трансформаторе используется бронестержневая магнитная система, то в нем можно наблюдать развитие похожих процессов.

Примеры определения потерь ХХ на реальных моделях

Чтобы определить показатель потерь в течение года на трансформаторе типа ТНД мощностью в 16МВА, необходимо воспользоваться эмпирической формулой:

Вывод

Энергопотери в условиях холостого хода трансформатора связаны с магнитными потерями, потерями в первичной обмотке и изоляционном слое. Для снижения этого показателя до сих пор ведутся работы, несмотря на то, что КПД современных трансформаторов в условиях повышенной нагрузки составляет 99%.

Для снижения показателя утечки энергии необходимо снизить влияние провоцирующих факторов. Чтобы добиться этого, постоянно усовершенствуют технологию создания устройств, используют только прочные материалы, проверяя их экспериментальным путем.

Источник

Потери холостого хода трансформаторов

Необходимо было переоборудовать одну из квартир в нашем доме под офис ТСЖ. По рекомендациям было принято решение обратиться в Энерджи.

Я-мама трех дочек. С переездом в новую квартиру в Москве столкнулись с проблемой, как разместить троих детей в одной комнате и при этом.

Моя детская мечта, обзавестись своим большим домом, и вот этот момент наступил! Мы с мужем начали думать над проектом, как все будет, что.

С женой решили переехать и заняться строительством нового дома. Понадобилась помощь в проектировании инженерных систем. Долго искали.

Заказывала дизайн-проект проект, для квартиры с инженерными проектами в комплекте. Сама не хотела ничего подобного делать и вообще в этом.

Давно с мужем мечтали о загородном доме. Купили участок с домом, но дизайн интерьера в нем нам совсем не нравился, мы решили сделать ремонт.

После приобретения квартиры столкнулись с необходимостью ремонта. По совету знакомых мы обратились в ENERGY-SYSTEM. В минимально сжатые.

Срочно понадобился проект перепланировки загородного дома. Перебрала кучу компаний, но везде дорого, либо не успевают сделать в назначенный.

Родители на свадьбу подарили нам трехкомнатную квартиру. Но сама квартира была в таком ужасном состоянии, что я даже не знала с чего начать.

Решила открыть частную стоматологию, о которой мечтала с детства. Взяла в аренду помещение, нужен был дизайн-проект, обратилась в Энерджи.

Что такое потери холостого хода трансформатора

Любые потери энергии могут приводить к перерасходу материалов и топлива, что приводит к значительному увеличению стоимости энергоресурсов. Чтобы потери не приводили к серьезным финансовым затратам, на трансформаторах должны периодически проводиться профилактические и электроизмерительные работы, которые позволяют своевременно выявить любые проблемы и неполадки в работе оборудования.

Самой распространенной причиной проблем в работе трансформаторов являются потери холостого хода. Холостым ходом называется один из режимов работы прибора, в процессе которого выделенное питание подается на одну обмотку устройства, в то время как остальные обмотки разомкнуты. Потери холостого хода трансформатора – это любые утечки и потери, возникающие во время такого режима работы оборудования. Утечки обязательно возникают при номинальных уровнях частоты, напряжения и других параметров электрической энергии. Потери холостого хода сказываются на качестве электроснабжения, о чем следует помнить при создании проектов реконструции электрики в домах и на других объектах.

Пример проекта технического отчета нежилого помещения

Потери в работе трансформатора

В режиме работы холостого хода устройства могут возникать различные утраты мощности. Чаще всего такие проблемы бывают связаны с магнитными потерями мощности в стальных элементах устройства, с потерями на первичной обмотке, а также с проблемами в изоляции оборудования.

Утечки, возникающие из-за проблем в изоляции, принято называть диэлектрическими. Такие неполадки возникают только на оборудовании, работающем на высоких частотах. Для стандартного силового оборудования, работающего со стандартной частотой, потери из-за изоляции не отличаются высокими характеристиками, а потому даже не берутся в расчет при исследовании трансформаторов специалистами. Утечки мощности на первичной обмотке могут отличаться большей величиной, но даже они не превышают 1% от величины потерь холостого хода.

Наиболее важной долей утечек и электрических потерь являются магнитные потери. Все магнитные потери в трансформаторах можно разделить на две большие группы: потери от вихревых токов и от гистерезиса. Потери от гистерезиса в современных трансформаторах обычно составляют не более 20-25%. Это обусловлено тем, что в современном оборудовании принято использовать высококачественную электротехническую сталь. Более 75% потерь на трансформаторах происходит из-за вихревых токов.

Качество стали

Чтобы правильно определить процентные потери из-за различных магнитных причин при нормальной работе трансформаторного оборудования, специалистам обязательно нужно будет учитывать характеристики электротехнической стали, используемой в устройстве. Для проведения измерений нужно учесть также технологические особенности магнитной системы, массу, методику производства стальных пластин и другие ее характеристики.

Все факторы, влияющие на потери трансформатора можно разделить на две группы: конструктивную и техническую. К конструктивной группе факторов принято относить форму, размеры и используемую методику крепежа металлических пластин, способ их прессовки, особенности обработки стержней и т.д. Технологическими факторами называют методику резки стальных пластин, используемые технологии для удаления заусенцев на них, методику отжига, материал лакировки и т.д.

Достаточно распространенными причинами потерь на трансформаторах являются ошибки при производстве элементов такого оборудования, а также ошибки в ходе сборки трансформаторного устройства.

Согласно нормам ГОСТа, правильно собранный трансформатор должен иметь уровень реальных потерь с отклонением не более 5% от расчетного уровня потерь, указанного в технической документации.

На что сказываются потери и от чего они зависят

В процессе транспортировки электрической энергии от объектов производства до конечного потребителя происходят серьезные потери. Объем потерь при транспортировке может составлять до 18%, причем, большая часть этих потерь приходится именно на трансформаторное оборудование.

Объем потерь обязательно должен учитываться проектировщиками при создании систем электрического потребления. От потерь будет зависеть себестоимость электрической энергии, стоимость обслуживания и ремонта электрического оборудования.

До середины XX века для производства трансформаторов использовалась сталь горячей прокатки, которая отличалась низкими техническими характеристиками. В 50-х годах прошлого столетия такую сталь начали постепенно заменять металлом холодной прокатки с зерновой структурой. Основным достоинством более современной стали являлся более высокий уровень магнитной проницаемости, а потому и большая эффективность трансформаторного оборудования в целом.

С тех пор и до наших дней технологии производства холоднокатаной стали постоянно улучшались и сегодня параметры таких материалов еще больше улучшились.

В настоящее время уровень потерь холостого хода трансформаторного оборудования значительно снизился за счет применения более современной и функциональной стали, улучшения конструкции магнитных систем и модернизации сердечников.

Если рассматривать особенности современной стали, используемой для создания пластин, то ее положительные свойства связаны с тем, что с течением времени производители улучшали ориентацию доменов, уменьшали толщину стальных листов при производстве. Кроме того, очистка доменов сегодня осуществляется за счет лазерной обработки, что также сказывается на технических характеристиках конечных изделий. Занимающиеся измерениями и выбором трансформаторного оборудования специалисты должны знать отличия трансформаторов от автотрансформаторов.

Причины потерь холостого хода

Сегодня используются масляные и сухие трансформаторные приборы. До недавнего времени, масляные трансформаторы были более распространены, но они имеют ряд серьезных недостатков, к примеру, низкую пожаробезопасность и сложность размещения, потому сегодня сухие трансформаторы используются гораздо чаще.

Среди основных причин потерь холостого хода в различных устройствах можно выделить следующие факторы:

Это лишь самые основные причины потерь холостого хода, с которыми специалисты сталкиваются чаще всего. Существуют и другие факторы, из-за которых величина потерь холостого хода может превышать допустимые пределы, из-за чего вырастет себестоимость эксплуатации электрических систем. Для определения причин потерь на отдельном трансформаторе, собственнику потребуется заказать услуги профессиональных электроизмерений.

Ниже вы можете воспользоваться онлайн-калькулятором для расчёта стоимости услуг электролаборатории.

Источник

Виды и от чего зависят потери в трансформаторах, теория и примеры расчета

Для преобразования электроэнергии, поступающей от источника питания к приемнику (потребителю), используют силовые электромагнитные установки, работа которых сопровождается потерями трансформатора. Затраты активной мощности вызваны явлением гистерезиса (цикличного перемагничивания), вихревыми и циркулирующими токами, рассеиванием магнитного поля в толще магнитопровода и сопротивлением самого проводника.

Устройство и принцип действия

В статическом оборудовании, которое предназначено для преобразования частоты и напряжения тока, а также количества фаз, отсутствуют движущиеся элементы конструкции, что исключает возникновение потерь механического характера. Но в процессе передачи нагрузки с первичного контура на вторичный не вся мощность доходит до приемника энергии, выступающего конечным потребителем.

Электромагнитное статическое оборудование без вращающихся деталей преобразует энергию и работает от электросети. Силовой агрегат представляет собой прибор, основными элементами которого служат стальной магнитопровод стержневого или броневого исполнения и катушки – несвязанные электрически изолированные провода.

Трансформаторное оборудование бывает однофазного и многофазного типа, соответственно, состоящего из двух или более контуров. По типу исполнения различают приборы с броневым, стержневым или бронестержневым магнитопроводом. Принцип действия оборудования на примере простого однофазного прибора:

Особенности

Величина показателя электродвижущей силы тесно связана с числом витков провода на катушках. Соотношение ЭДС в обмотках, называемое коэффициентом трансформации, соответствует числу витков медных катушек. Изменяя количество витков в контурах, можно регулировать напряжение в приемнике электроэнергии.

Обмотки связаны между собой магнитными линиями, а на степень их взаимосвязи влияет близость/дальность расположения катушек. Из-за изменения силы тока в первой обмотке, обе цепи пронизывает магнитный поток, постоянно меняющий свою величину и направленность. Соединение концов вторичной обмотки с приемником передает ему ток, а средством передачи энергии выступает переменный магнитный поток – катушки не связаны друг с другом гальваническим способом.

На заметку! По описанному принципу функционируют многофазные трансформаторные узлы, составленные из нескольких повышающих и понижающих обмоток и стального сердечника. Фазы катушек преимущественно соединяют по схеме «звезда» или «треугольник».

Что такое потери

Когда трансформатор функционирует на холостом ходу или под нагрузкой, в магнитопроводе прибора, электроизолированных обмотках и прочих элементах конструкции устройства часть активной мощности агрегата убывает. Потери представляют собой переменную величину, поэтому КПД приборов неодинаковый и никогда не достигает 100%-ного значения. На витках медной обмотки катушек энергия рассеивается из-за сопротивления проводника. У тока, проходящего по контуру, падает напряжение, вызывая, уменьшение мощности.

Непродуктивные потери при эксплуатации силовых установок возникают на холостом ходе, когда одна обмотка трансформатора находится на выделенном питании, а остальные контуры разомкнуты. Неизбежно возникают утечки и утрата мощностных характеристик работы агрегатов. Диэлектрические потери (в изоляционном слое) для трансформаторов, работающих на средней частоте в 50 Гц, являются несущественными. Незначительно влияют на показатель КПД утечки в первичной обмотке. Наиболее значительные энергозатраты вызывают магнитные явления в трансформаторах.

Магнитные

При работе трансформаторного узла без нагрузки ток, который подается на первичную обмотку, расходуется на намагничивание стального сердечника. Потери магнитопровода провоцируют такие магнитные явления, как гистерезис (циклическое перемагничивание) и вихревые токи.

Снижение активной мощности происходит из-за ее рассеивания в системе после поступления на первичный контур обмотки. Несмотря на увеличение энергии реактивного типа, номинальная нагрузка уменьшается. Разница между мощностями, поступающими на первый и второй контуры устройства, определяет суммарное снижение мощности. При работе не нагруженного трансформаторного оборудования потребляемая прибором активная мощность затрачивается на уравновешивание затрат тока холостого хода в магнитном сердечнике и катушке первичного контура.

Для записи процесса используют выражение I 2 ₀r₁. Возникают магнитные потери магнитопровода Р_М. При номинальном первичном напряжении и частоте тока суммарные некомпенсируемые затраты мощности относят к холостым потерям Р₀. Для вычислений используют формулу:

в которой активным сопротивлением первой катушки выступает величина r₁.

Значение Р₀ никаким образом не меняется при регулировании нагрузки электромагнитного силового узла и является постоянным. Величина магнитного потока Ф₀ остается неизменной при любых параметрах нагрузочных токов I₁ и I₂, поэтому значение I_НАМ также не изменяется.

Описание

Магнитные потери прямо пропорциональны массе стального сердечника и значению магнитной индукции. В ферромагнетиках есть зоны самопроизвольного намагничивания, называемые доменами. Для магнитных моментов диполей характерна беспорядочная направленность, поэтому вне воздействия внешнего поля намагничивания итоговый магнитный момент ферромагнетика приближается к нулю.

Посредством помещения металлической детали в магнитное поле переменного действия, сгенерированное переменным током, происходит циклическое перемагничивание ферромагнитного сердечника с частотой этого тока. Одновременно из-за внутреннего трения изменяют свое направление магнитные моменты доменов. В зависимости от величины индукции магнитного поля, действующего извне, ферромагнетик приобретает большую степень намагничивания. Когда значение индукции достигает определенной величины, происходит переориентирование доменов вдоль вектора направления поля.

Петля гистерезиса выражает взаимосвязь между магнитным потоком и переменным током. Она оказывает определенное влияние на возникновение потерь трансформаторных установок, функционирующих на холостом режиме. При каждом цикле перемагничивания затрачивается некоторая работа, величина которой пропорциональна площади петли гистерезиса. Работа способствует тепловому нагреванию сердечника и вызывает дополнительные энергозатраты. Чтобы снизить потери прибора на гистерезис, магнитопроводы выполняют из специальной трансформаторной стали категории электротехническая.

В проводниках, помещенных в область воздействия переменных магнитных полей, в стальном сердечнике преобразователя электроэнергии создаются вихревые токи (Фуко), которые замыкаются в металлическом магнитопроводе (стержне или броне), нагревают деталь и способствуют убыли энергии. Чтобы компенсировать силу действия вихревых токов, возникающих в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку, для изготовления трансформаторных сердечников используют изолированные пластины стали, набранные определенным способом.

Процессы, связанные с рассеиванием энергии в сердечнике агрегата, образуются областью магнитного потока, которая замыкается через воздух вблизи витков обмотки. Побочные потери силового устройства вызывает активное сопротивление катушек, возникающее в результате нагрева проводника под действием токов. Поэтому для сокращения энергопотерь трансформаторные обмотки выполняют из меди.

Важно! Чтобы снизить затраты мощности в сердечнике, используют магнитомягкий материал с высокой магнитопроницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Потери в меди сокращают увеличением сечения проводников катушек. Для компенсации действия вихревых токов магнитопровод набирают из электроизолированных пластин, а сталь специально легируют кремнием.

Электрические

Нагрев катушек трансформатора током вызывает снижение мощности. Такие затраты в среднем на электросеть составляют 5% от общего количества потребляемой энергии. Величина электрических потерь зависит от следующих факторов:

На переменную величину потерь мощности электроэнергии влияет показатель квадрата тока в контурах обмотки. При подаче нагрузки на трансформатор электромагнитная мощность из первичной обмотки поступает на вторичную катушку. По второму контуру проходит ток I₂, вместе с ним в первом контуре образуется ток I₁, значение которого находится в прямой зависимости от силы нагрузки I₂. Происходит убыль электрической мощности, величина которой определяется пропорционально квадратам токов обоих катушек и рассчитывается по формуле:

r₁ и r₂ – сопротивления проводников обмоток.

Закономерной представляется зависимость потерь Р_НАГР от требуемой конечному потребителю величины мощности энергии. Имеют место колебания нагрузочных затрат в конкретном временном интервале, поэтому электрические потери в обмотках различны в пределах суток, являются величинами непостоянными и «привязаны» к режимам нагрузки.

Дополнительные

Добавочные затраты мощности электроэнергии возникают не только в катушках и магнитопроводе, но и в других элементах конструкции трансформатора – в стенках охлаждающего бака для отведения теплопотерь, ярмовых балках, не содержащих витков обмотки, прессующих кольцах.

Мощности

Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, не выходящие за пределы обмотки, называют вихревыми. Если токи из-за рассеивания образуются между параллельно расположенными витками или электроизолированными стальными пластинами в сердечнике, их называют циркулирующими. Они сцепляются не со всей областью обмотки, а только с некоторыми витками. Преимущественно возникают в среде, не обладающей свойствами намагничивания, – масло, воздух. Направление побочных потоков проходит перпендикулярно основному току в катушках и магнитопроводе, приводит к добавочному снижению эффективности работы трансформатора.

Для реальных токов характерно неравномерное распределение в системе, поэтому их величины определяются как суммарное значение трех токов:

Суммирование значений этих токов позволяет рассчитать реальные затраты энергии в обмотках трансформатора:

На основании потерь холостого хода, нагрузочных и дополнительных затрат, определяют общие энергопотери трансформаторного узла.

Убыль энергии в силовом агрегате складывается из магнитных потерь, возникающих в магнитопроводе, и электрических, образующихся в обмотках трансформатора. КПД вычисляют как соотношение затрат энергии и полезной мощности. Для расчетов используют значения:

Для расчета ΔP_ЭЛ применяют формулу:

а значение ΔР_М вычисляют по выражению:

ΔР_ВТ – потери в результате действия вихревых токов.

КПД вычисляют по формуле:

где ƞ принимается равным 0 при холостом режиме работы трансформатора, а его мощность тратится на компенсацию магнитных потерь.

При расчете КПД учитываются побочные энергозатраты, возникающие не в магнитопроводе и обмотке, а в остальных элементах силового агрегата.

Внимание! Косвенный метод вычисления КПД путем раздельной оценки потерь подходит для промышленного применения.

Способ непосредственных измерений экономически нецелесообразный, поэтому используется для маломощных трансформаторов.

Нагрузочные

Дополнительные потери активной мощности статического электромагнитного оборудования также возникают в результате несимметрии токов, что вызвано включением в системы электроснабжения потребителей, искажающих качество электроэнергии. Даже при изменении ее качества в допустимых нормативных диапазонах, наблюдается снижение эффективности работы электрооборудования. Поэтому требуется количественная оценка ущерба, причиненного отклонением показателей качества энергии.

В многофазных трансформаторах на характер протекающих процессов не влияет порядок чередования фаз, но несимметричные нагрузки приводят к убыли активной мощности. Несимметрия входных напряжений вызывает несимметрию выходных напряжений, что обусловлено протеканием токов обратной последовательности. Побочные потери определяются по формуле:

ΔР_ХХ и ΔР_КЗ – соответственно потери на холостом ходе и при замыкании накоротко;

U_КЗ – напряжение короткого замыкания.

Выражение используют при известных номинальных значениях, указанных в паспортных данных оборудования. В противном случае пользуются формулой расчета:

k ‘ _ТР – коэффициент, рассчитываемый из значения мощности и назначения силового агрегата, принимается равным 2,67 для устройств 6-10 кВ и 0,5 для оборудования на 35-220 кВ;

S_НОМ – соответствует полной номинальной мощности прибора.

Согласно ГОСТу, максимальные значение коэффициента несимметрии нагрузки K_2U по обратной последовательности не должны превышать 2% на протяжении 95% недельного временного интервала или быть выше 4% в течение 100% времени, ограниченного сроком в одну неделю.

При проведении вычислений по обеим формулам разница полученных значений ΔР_ДОП может достигать 50%. Поэтому в каждом конкретном случае расчет дополнительных потерь проводят на основании данных о трансформаторах и величине искажения режима работы – несимметричности нагрузки.

Как рассчитать

На практике используют два основных способа вычисления потерь электромагнитного оборудования, для которых применяют технические характеристики трансформаторов. Министерством энергетики РФ рекомендовано в отчетном периоде рассчитывать потери нагрузки на основе схемы энергосети:

ΔР_СР – средние потери мощности, кВт;

K 2 _Ф – коэффициент формы графика;

Т_J – длительность расчетного периода.

Если графика нагрузки нет, K 2 _Ф = (1+2К_З) / 3К_З), а при отсутствии информации о коэффициенте заполнения графика, К_З = 0,5.

Для двухобмоточных

Чтобы выполнить вычисления, нужно пользоваться техническими (каталожными) параметрами трансформатора, к которым относится:

Также для вычислений нужны расчетные данные:

После получения перечисленных данных проводят измерение угла cos φ, выступающего средневзвешенным коэффициентом мощности, отталкиваясь от значения tg φ – коэффициента компенсации узла диэлектрических потерь:

Если в энергосистему не включен счетчик реактивных мощностей, используют выражение:

Формулы

Для расчетов используют формулу:

Э_А – активная электроэнергия;

cos φ = r / Z – угол сдвига фаз (r – активное и Z – полное сопротивление цепи).

Соответственно потери трансформатора в рабочем режиме (при нагрузке, а не во время холостого хода) вычисляют так:

Описанную методику используют при проведении вычислений потерь в двухконтурных трансформаторах.

Для трехобмоточных

Чтобы посчитать убыль электроэнергии в трехобмоточных силовых узлах в формулу расчета дополнительно включают технические характеристики оборудования, указанные производителем в паспорте. Расчетная формула:

где Э – фактически потребленная энергия;

Э_СН и Э_НН соответственно электроэнергия в контурах среднего и низкого напряжения или по формуле, где коэффициенты находят так:

В формуле используют номинальную мощность каждого контура обмотки и потери, которые возникают при замыкании накоротко.

Примеры расчета

Для более четкого понимания методики вычислений удобно рассматривать порядок расчета на конкретном примере. В работе задействован силовой агрегат номинальной мощностью 400 кВа и номинального напряжения 10 кВ. Задача усложнена необходимостью вычислить постоянные и переменные потери трансформатора по активной и реактивной энергии.

Таблица 1. Исходные данные

Прибор отработал 696 часов в рабочем режиме, причем часть времени трансформатор функционировал по максимальной нагрузке, а часть времени преобразовывал электроэнергию с наибольшими потерями. Для расчета этих значений нужно учесть нижеприведенное правило.

Соответственно, время использования максимальной нагрузки Т_М составляет 333 ч, а время наибольших потерь t составит 200 ч.

Коэффициент мощности находят по формуле:

Постоянные потери энергии зависят от затрат холостого хода и составляют

Для расчета переменных потерь активной энергии в расчетном периоде применяется формула:

∆W_s,а = Р_КЗ * t * ((W 2 _а + W 2 _r) / (Т 2 _М * S 2 _nom)) = 5,9 * 200 * ((53954 2 + 39062 2 ) / (333 2 * 400 2 )) = 295,057 kWh;

∆W_s,r = ΔQ_sc * t * ((W 2 _а + W 2 _r) / (Т 2 _М * S 2 _nom)) = 17,005 * 200 * ((53954 2 + 39062 2 ) / (333 2 * 400 2 )) = 850,502 kWh, где

Общие потери энергии в расчетном периоде составляют:

Результат примера: 956 и 6659.

Измерение полезного действия

Эксплуатация оборудования при разомкнутом контуре вторичной цепи называется холостым ходом, а с подключением нагрузочного тока – рабочим режимом. В первом контуре цепи поток Ф₀ создает ЭДС самоиндукции, и при разомкнутом вторичном контуре она уравновешивает часть напряжения. Передавая вторичной обмотке нагрузку, можно вызвать образование тока I₂, который возбуждает собственный поток Ф₂. Суммарный магнитный поток уменьшается, снижая величину ЭДС Е₁, а некоторая часть U₁ остается несбалансированной.

Одновременно I₁ увеличивается и возрастает до прекращения размагничивающего действия тока нагрузки. Это способствует восстановлению Ф₀ приблизительно до исходного значения.

Проводник вторичной обмотки закономерно обладает активным сопротивлением. Если оно растет, I₂ и Ф₂ уменьшаются, обуславливая увеличение Ф₀ и возрастание ЭДС Е₁. В результате баланс U₁ и ЭДС Е₂ нарушается – разница между ними уменьшается, снижая I₂ до такого значения, при котором суммарный магнитный поток вернется к первоначальной величине.

Способ вычисления

Данный процесс способствует практически полному постоянству величин магнитных потоков при эксплуатации трансформатора на холостом ходе и в рабочем режиме. Такое свойство преобразователя энергии называют саморегулирующей способностью, благодаря которой значение нагрузочного тока I₁ автоматически корректируется при колебаниях тока нагрузки I₂.

Процесс преобразования электроэнергии в трансформаторных узлах сопровождается потерями и отражается на величине КПД, который является отношением отдаваемой активной мощности к потребляемой. Показатель полезного действия отражает соотношение активной мощности на входе и выходе для замкнутой цепи. Его вычисляют по простой формуле:

ƞ = (Р₂ / Р₁) * 100%, где активную мощность в обмотках входного и исходящего контуров определяют путем измерения.

Упростить процесс замеров можно при включении во вторичную обмотку активного тока нагрузки. Для определяя значение М₂ используют амперметр, соединенный с вторичной цепью. Поток рассеивания будет незначительным, что позволяет приблизительно приравнять cos φ в квадрате к единице.

Данный способ вычисление КПД – это метод непосредственных измерений. Такая теория вычислений приводит к погрешностям в расчетах, поскольку КПД высокомощных трансформаторов очень большой и составляет 0,98-0,99%. Несмотря на то, что величины М₁ и М₂ различаются несущественно, в промышленном оборудовании незначительная разница показаний вызывает существенное искажение значения КПД.

Чтобы избежать ошибок, на практике при измерении КПД трансформаторов используют два способа: опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

Смысл первого метода заключается в подаче номинального напряжения на первичный контур при разомкнутой вторичной цепи. Энергия тратится на потери в стали, мощность которых можно замерять ваттметром, соединенным с контуром первичной обмотки.

Другой способ состоит в замыкании вторичного контура накоротко и одновременной подаче напряжения на первичную цепь. Включение ваттметра в первую цепь позволяет измерить мощность, отражающую потери медного проводника обмотки.

Калькулятор

Для упрощения вычислений удобно пользоваться онлайн-калькулятором. Алгоритм программы позволяет вычислить энергопотери трансформатора без сложных формул. Но полученные результаты следует рассматривать как ориентировочные. Для ввода используют следующие данные:

После введения данных программа рассчитывает необходимые значения.

Поскольку энергопотери приводят к увеличению расхода материалов и средств, они вызывают удорожание электроэнергии. Сведение убыли непродуктивных энергозатрат силовых агрегатов к минимуму позволяет конструировать устройства с максимальным коэффициентом полезного действия. Применяя на практике методы расчета потерь активной мощности трансформаторных узлов, можно определить экономичность функционирования оборудования и необходимость установки в замкнутых цепях компенсирующей аппаратуры.

Источник