Внедрение аморфных трансформаторов в сеть. Переход на напряжение 20 кВ

№106-1,

технические науки

Проведено исследование преимуществ применения аморфных сплавов в магнитопроводе трансформатора и перехода на напряжение 20кВ.Проведен анализ научно-технической и патентной литературы по по применению аморфной стали в магнитопроводе (сердечник) современных трансформаторов, переход на напряжение 20кВ.

Похожие материалы

Анализ научно-технической и патентной литературы по современным типам трансформаторов и перехода на напряжение 20кВ

Аморфные трансформаторы. История появления

Аморфные сплавы это один из видов химического сплава. Одним из нескольких особенных различи аморфного сплава от электротехнической стали — отсутствие периодичности в расположении атомов.Его различие от нормальных сплавов кристаллической структуры, это другие физическое и химические свойства. А так же эти сплавы отличаются сильной стойкостью к коррозии, они в несколько раз прочнее и обладают лучшей электромагнитной характеристикой [1].

За рубежом первые распределительные трансформаторы мощностью 630 — 1000 кВА с аморфным сердечником были изготовлены более 10 лет назад. В данном направлении более всех продвинулись США, Китай и Индия. Начиная с 2009 года, ряд европейских распределительных компаний также установили в опытную эксплуатацию несколько трансформаторов мощностью 400 кВА с сердечником из аморфной ленты. В 2012 году первой в России к выпуску силовых трансформаторов с аморфными сердечниками АТМГ приступила группа «Трансформер» [1].

Аморфная сталь само по себе очень хрупкая практический как стекло и поэтому требует особого отношения при его изготовлении, так же представляет из себя интерес из за очень низких потерь холостого хода. И поэтому важно проверить остаются ли они такими в течение времени, так же важно выполнить мероприятия по эффективности применения аморфных сплавов в сердечниках трансформаторов.

Аморфный трансформатор ТСЛА

Трансформаторы ТСЛА особо не отличаются от обычных сухих трансформаторов ни визуально, ни конструктивно. Сухие трансформаторы ТСЛА в зависимости от назначения бывают нескольких видов:

  • литая в вакууме «cast resin» класса «F» или «Н»;
  • высокотемпературная пропитка «preprag» класса F;
  • воздушно-барьерная класса «Н», стеклослюдинитовой, типа NOMEX® и аналоги;
  • комбинированная.
Внешний вид обмоток ТСЛА
Рисунок 1. Внешний вид обмоток ТСЛА

Внешне ТСЛА отличается в зависимости от назначения и типом изоляции. Они имеют стандартные технические параметры, поэтому они легко могут заменить другие марки (ТС, ТСЛ, ТЛС, ТСЗГЛ, ТСЗ, GDNN, T3R, TRIHAL, RESIBLOK, SCB и др.) без дополнительных затрат на проектирование[5].

Сравнивая характеристики намагничивания обычного и аморфного сплава видно что петля гистерезиса у аморфной стали меньше чем у кремнистой трансформаторной стали. Это значит что потери холостого хода меньше у аморфной стали на 70-80% по сравнению с обычным трансформатором [5].

Диаграмма сравнения площади ограниченная петлей гистерезиса
Рисунок 2. Диаграмма сравнения площади ограниченная петлей гистерезиса
Сравнения трансформаторов
Рисунок 3. Сравнения трансформаторов

Преимущества аморфных трансформаторов ТСЛА:

  • Трансформаторы ТСЛА потребляют электроэнергии меньше на 8-12 раз.
  • Если они оснащены принудительным дутьем по типу AF, то они могут выдержать перегрузки по току до 150% от номинальной нагрузки.
  • Материалы применяемые при изготовление трансформаторов ТСЛА экологический безопасны для окружающей среды.
  • Трансформаторы ТСЛА могут быть использованы в любых местах, таак же в местах мпссового использования людей, так как материалы из которого они сделаны не пожароопасны(класс пожаробезопасности F1).
Активная часть трансформатора
Рисунок 4. Активная часть трансформатора

Переход на напряжение 20 кВ

Переход на напряжение 20кВ осуществляется для того что бы уменьшить потери напряжения и использования меньшего количества цветных металлов.Применение 20 кВ позволит сократить число трансформаторных подстанции. Это означает уменьшение трансформируемой мощности от 5 до 7%. Также сократить использование цветного металла и увеличение дальности обслуживание ПС и возможность получить дальнейшие развитие для предприятия так же дополнительные резервы экономии электроэнергии и топлива[13].

Когда еще только энергетика развивалась, в сетях использовали напряжения на 2,3,6кВ. Но после 1917 года рост энергетики резко пошел верх и понадобился перейти на более высокое напряжение. Сейчас в таких сетях используют напряжение 6-10кВ[13].

Расчеты (МЭИ с 1950 по 1965 гг.) по переходу на напряжение 20 кВ показали, что нормальное напряжение многих промышленных предприятии близка к напряжению 20 кВ. Но даже после введения в государственный стандарт она не смогла получить дальнейшие применение из за того что не было оборудования которые могли бы использоваться для этого напряжения(кабели, трансформаторы и т.д.) [10].

Напряжение 20кВ даже при затруднениях с оборудованием можно получить путем временных мер, как, например:

  1. Для ГПП от трансформаторов 220-110/35кВ со схемой соединения обмоток «звезда с заземленным нулем — звезда» можно получать напряжение 220-110/20кВ, изменив схему соединения на «звезду с заземленным нулем — треугольник» [10].
  2. Для цеховых понизительных подстанций, применив для трансформаторов с напряжением 35/0,4кВ вместо схемы «звезда — звезда», схему «треугольник — звезда», можно получить цеховые трансформаторы с напряжением 20/0,4кВ [10].

Внедрение напряжения 20 кВ в городские сети

Применять в городских сетях напряжения 20 кВ становиться очень выгодно, в связи с тем что постоянно в городах увеличивается плотность нагрузки и требование к качеству электроэнергии становиться все строже. Внедрять сети с напряжением 20 кВ экономически целесообразно в случаях когда плотность тока выше 65 кВт/км2. Моделирование сетей сельских(6,10,35кВ) поселений показала что, сети 10кВ целесообразно использовать при плотности тока менее 60 кВт/км2, а 35 кВ целесообразно применять если зона применения больше 25 км [11].

Для внедрения напряжения 20 кВ нужно в первую очередь решить следующие задачи:

  • Подготовка нормативно-технической базы.
  • Подготовка технической документации с экономическим обоснованием концепции внедрения сетей с напряжением 20 кВ в рамках отдельно взятого города.
  • Реконструкция питающих подстанций 220/110 кВ.
  • Создание отечественного производства оборудовании на напряжение 20 кВ.

ТП, распредустройства, линии электропередач это составные части электросетей. Отечественные производители выпускают выпускают силовые трансформаторы для ГПП 110/20 и 220/20 кВ, но не с достаточно широким диапазоном мощностей, по сравнению с трансформаторной подстанцией на 110/6 и 110/10 кВ. Для реализации выпуска высоковольтного оборудования на 20 кВ, необходим опыт иностранных фирм производящих оборудования на такие напряжения. Само по себе компоновка и электрическая схема распределительных устройств на 20 кВ и 6, 10 кВ друг от друга не отличаются[12].

В распредустройства входят высоковольтные выключатели, разъединители, выключатели нагрузки, предохранители, разъединители и т.п. Номенклатура высоковольтных предохранителей на 20 кВ похожа номенклатурой предохранителей на 10 кВ, но стоят они больше чем предохранители на 10 кВ примерно на 20-30%.

При проектировании сети 20 кВ рекомендуется закладывать элегазовые или вакуумные высоковольтные выключатели.

Если реконструировать электрические сети 6-10 кВ на 20 кВ есть вариант выбрать трансформаторы на 20 кВ таким образом что бы их габариты не отличались от нынешних трансформаторов на 10 кВ, тогда можно воспользоваться зданиями уже существующих ПС и сэкономить при замене трансформаторов. Точно так же и со шкафами комплектного распределительного устройства, они отличаются лишь внутренней «начинкой»[12].

Для постепенного переходя на напряжение 20 кВ необходимо усовершенствовать сети 6 кВ, отработавших свой нормативный срок. Обычная реконструкция позволит лишь восстановить функционирование. Для того что бы добиться успеха в модернизации, необходимо постепенно переходит на напряжение 20 кВ, сначала заменить оборудование в сетях 6кВ а потом на 10 кВ. Такая модернизация позволить уйти от трехступенчатой системы передачи к двухступенчатой(от 110-35-6 к 110-20)[12].

Преимущества применения напряжения 20 кВ в отличие от 6(10)кВ:

  • Уменьшение технологических затрат энергии на её передачу на расстояние.
  • Увеличение пропускной способности электрической сети при одинаковых сечениях кабелей.
  • Возможность применения для размещения оборудования сетей 20 кВ старых помещений.
  • Сокращение общей протяженности сетей 0,4 кВ и уменьшение в них потерь путем повсеместного применения мачтовых КТП 20/0,4 кВ.
  • Увеличение надежности передачи электроэнергии конечному потребителю.
  • Возможность использовать старые ЛЭП 6(10) кВ.
  • Возможность создания резервной мощности для подключения новых потребителей в будущем.
  • Приближение параметров качества электроснабжения (SAIDI и SAIFI) к европейским стандартам.

Математическая модель на основании сравнения трансформаторов с магнитопроводами из электротехнической стали и магнитопроводами из аморфного сплава и напряжения 10,20,35кВ

Анализ сравнения трансформаторов с магнитопроводами из электротехнической стали и магнитопроводами из аморфного сплава

Каждый год потребление электроэнергии в России находится на уровне 1000 миллиардов кВт·ч [22], при этом общие потери электрической энергии в распределительных трансформаторах оцениваю в 75 миллиардов кВт·ч и примерно 50 % — это потери в магнитопроводах.

Затраты на возмещение потерь холостого хода оцениваются в 260 руб./кВт в год [23]. Таким образом, возмещая только потери хх в денежном выражении может составить 975 миллиардов руб/год. Кроме этого, эксплуатация распределительных трансформаторов также требует значительных материальных и трудовых затрат и любое снижение затрат дает существенную экономию.

Ежегодные затраты на обслуживание одного распределительного трансформатора с магнитопроводом из электротехнической стали составляют примерно 8 % от его первоначальной стоимости.

В современных условиях снижение затрат на производство и эксплуатацию распределительных трансформаторов — основная задача изготовителей, для решения которой необходимо, прежде всего, использовать в них современные конструкции магнитопровода [25].

Наиболее перспективный путь — это организация производства магнитопроводов распределительных трансформаторов из аморфных сплавов [26].

Применение магнитопроводов из аморфных сплавов, в распределительных трансформаторах, обеспечивает резкое, более чем пятикратное снижение потерь холостого хода по сравнению с магнитопроводами из электротехнической стали [23].

Энергоэффективные распредели тельные трансформаторы с магнитопроводами из нанокристаллических материалов, по данным энергетических компаний США и Японии, окупаются у покупателя примерно за три года [24].

Проведем расчет потерь холостого хода для трансформаторов с магнитопроводом из электротехнической стали и для трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава по формуле:

где Tpi –время работы трансформатора, ч, Ui–замеренное напряжение на высшей стороне трансформатора, кВ, Uном–номинальное напряжение высшей обмотки трансформатора, кВ.

Таблица 1. Электрические характеристики трансформаторов

Тип трансформатора

Номинальное напряжение трансформатора, кВт

Потери электроэнергии в силовых трансформаторах, кВт

ВН

НН

ХХ

КЗ

ТМГ-250-6,10/0,4

10

0,4

530

3900

ТМГ-400-6,10/0,4

715

6150

ТМГ-630-6,10/0,4

960

8350

АТМГ-250-6,10,20/0,4

10

128

1617

АТМГ-400-6,10,20/0,4

161

4457

АТМГ-630-6,10,20/0,4

238

6353

Таблица 2. Потери холостого хода для силовых трансформаторов

Мощность трехфазного трансформатора 10 кВ

Потери ХХ в магнитопроводе из трансформаторной стали

Потери ХХ в магнитопроводе из аморфного сплава

Сранительное снижение потнрь

250 кВА

5118,68кВтч

1236,21кВтч

75,8%

400 кВА

6905,39кВтч

1554,92кВтч

77,4%

630 кВА

9271,58кВтч

2298,58кВтч

75,3%

Как видно из таблицы использование в магнитопроводах аморфных материалов, вместо традиционной трансформаторной стали позволит уменьшить потери холостого хода в 4-5 раз.

При процентном соотношении:

  • в трансформаторах мощностью 250 кВА — на 75,8%;
  • в трансформаторах мощностью 400 кВА — на 77,4%;
  • в трансформаторах мощностью 630 кВА — на 75,3%.

Кроме снижения потерь холостого хода также уменьшается значение тока намагничивания. В результате при снижении потерь холостого хода и снижении тока намагничивания в трансформаторах:

  • снижается температура и увеличивается его срок службы;
  • в несколько раз снижаются затраты при передаче электроэнергии потребителю;
  • Так же уменьшается потребление энергии, и в результате этого уменьшается объем сжигание топлива и выброса вредных веществ в атмосферу[6–8].

Оценка эффективности передачи электроэнергии по воздушным линиям 10 — 35 кВ

Один из путей повышения качество электроэнергии это переход на напряжения 20 кВ. Переход на 20 кВ приведет к снижению потерь по сравнению с 6-10 кВ, но увеличиться затраты на оборудование. При серийном производстве стоимость по сравнению с 6 кВ увеличиться на 10 -20%. А недостатком 35 кВ это большие затраты на оборудование и увеличит стоимость схемы электроснабжения. При использовании 20 кВ городское электроснабжение перейдет на более высокий уровень. Пропускная способность линии увеличится 2-3 раза и сократятся количество ТП[21].

Исследование выполняется для отдельных участков ВЛ без ответвлений длиной до одного километра. Принимается тот факт, что линия выполнена на железобетонных опорах находящихся на определенном расстоянии друг от друга с закрепленными на подвесы полимерными изоляторами[21].

Проводится исследование по изучению затрат на передачу электрической энергии по ВЛ 10-35 кВ. Так же проводится анализ расчета максимальной длины линии разрешенной потере напряжения, утраты мощности и электрической энергии на ВЛ с различными номинальными напряжениями.

Исследование выполняется путем сопостовления дисконтированных затрат.

Исследование(рис. 5) показала, что применять ВЛ на 20 кВ выгоднее чем 10 кВ. Это связано с тем, что и там и там применяются одинаковые опоры, а линии для 20 кВ используются меньшего сечения для передачи той же мощности. А стоимость повышается лишь потому, что для 20 кВ используются лишь дорогие изоляторы. Уже с мощности 100 кВА применение напряжения 20 кВ экономический выгодно чем 10 кВ, а до 600 кВА чем 35 кВ. В расчетах не были рассмотрены стоимость оборудования ПС они дороже 2-3 раза поэтому выводы в полном объемы надо делать с учетом стоимости оборудования ПС.

Зависимость дисконтированных затрат на 1 км воздушной линии от передаваемой мощности и напряжения.
Рисунок 5. Зависимость дисконтированных затрат на 1 км воздушной линии от передаваемой мощности и напряжения.

Таким образом замена магнитопровода трансформаторов из обычного сплава на аморфный потери в процентном соотношении уменьшатся:

  • в трансформаторах мощностью 250 кВА — на 75,8%;
  • в трансформаторах мощностью 400 кВА — на 77,4%;
  • в трансформаторах мощностью 630 кВА — на 7

А замена напряжения 10-35 кВ на 20 кВ приведет к снижению потерь на линиях, увеличиться дальность обслуживания, и т.п.

Преимущества применения напряжения 20 кВ в отличие от 6(10)кВ:

  • Уменьшение технологических затрат энергии на её передачу на расстояние.
  • Увеличение пропускной способности электрической сети при одинаковых сечениях кабелей.
  • Возможность применения для размещения оборудования сетей 20 кВ старых помещений.
  • Сокращение общей протяженности сетей 0,4 кВ и уменьшение в них потерь путем повсеместного применения мачтовых КТП 20/0,4 кВ.
  • Увеличение надежности передачи электроэнергии конечному потребителю.
  • Возможность использовать старые ЛЭП 6(10) кВ.
  • Возможность создания резервной мощности для подключения новых потребителей в будущем.

Список литературы

  1. Хавроничев С.В., Сошинов А.Г., Галущак В.С., Копейкина Т.В.Современные тенденции применения аморфных сплавов в магнитопроводах силовых трансформаторов.
  2. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований [Электронный ресурс] URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7986(дата обращения 19.11.2018).
  3. Электрощитмонтаж [Электронный ресурс] URL: http://www.elshm.ru/news/112/(дата обращения 19.11.2018).
  4. Статья: Силовые «аморфные» трансформаторы. Будущее в настоящем [Электронный ресурс] URL: http://transformator.ru/press_center/the_press/2012/silovye-amorfnye-transformatory-budushchee-v-nastoyashchem/(дата обращения 19.11.2018).
  5. Сухие трансформаторы ТСЛА [Электронный ресурс] URL: http://rostradecom.ru/wp-content/uploads/2017/04/КаталогАморфнТСЛА-трансформаторы.v1.pdf(дата обращения 19.11.2018).
  6. Энергетика оборудование докуметация [Электронный ресурс] URL: http://forca.ru/stati/podstancii/amorfnye-splavy-i-ekonomiya.html (дата обращения 15.12.2018).
  7. Сделано у нас [Электронный ресурс] URL:, https://sdelanounas.ru/blogs/20614/(дата обращения 15.12.2018).
  8. Магнитопровод [Электронный ресурс] URL:, https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитопровод(дата обращения 15.12.2018).
  9. Перспективы применения трансформаторов с аморфным сердечником в современных электроэнергетических системах [Электронный ресурс] URL:,http://www.rusnauka.com/42_NIEK_2016/Tecnic/5_219078.doc.htm (дата обращения 15.12.2018).
  10. О применении напряжения 20кВ [Электронный ресурс] URL:,https://helpiks.org/6-22859.html (дата обращения 16.12.2018).
  11. Применение класса напряжения 20 кв [Электронный ресурс] URL:,http://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/Conference/RM/2016/RM16/pages/Articles/Energetika/11/2.pdf (дата обращения 15.11.2018).
  12. ЭДС инжиниринг[Электронный ресурс] URL:, http://eds-ltd.com.ua/perehod-elektrosetey-6-10-kv-na-napryazhenie-20-kv/ (дата обращения 15.11.2018).
  13. ЭДС инжиниринг [Электронный ресурс] URL: http://eds-ltd.com.ua/perehod-raspredelitelnyih-setey-6-10-kv-na-napryazhenie-20-kv/(дата обращения 14.10.2018).
  14. Трансформатор: основные понятия, история развития и их классификация [Электронный ресурс] URL: https://studwood.ru/962421/tovarovedenie/transformator_osnovnye_ponyatiya_istoriya_razvitiya_klassifikatsiya(дата обращения 21.10.2018).
  15. Трансформер [Электронный ресурс] URL: http://transformator.ru/production/transformatory-tmg/tmg-amorfnye/(дата обращения 21.10.2018).
  16. Сиссе Альсени, Фризен В. Э. Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург, Аморфные сплавы в магнитопроводах силовых трансформаторов для источника питания индукционной установки
  17. Аморфные сплавы и экономия // Энергетика, оборудование, документация[Электронный ресурс]. URL: http://forca.ru/stati/podstancii/ amorfnye-splavy-iekonomiya.html(дата обращения( 20.11.2018).
  18. Магнитопроводы из аморфных сплавов // Каталог продукции ОАО«Ашинский металлургический завод» [Электронный ресурс]. URL:http://www.amet.ru/buyers/product/amorf (дата обращения 20.11.2018).
  19. Аморфный сплав[Электронный ресурс], URL:http://forca.ru/stati/podstancii/amorfnye-splavy-i-ekonomiya.html (дата обращения 19.12.2018).
  20. Правила устройств электроустановок (ПУЭ) [Электронный ресурс], URL: https://www.elec.ru/library/direction/pue.html (дата обращения 20.11.2018).
  21. Современные тенденции применения аморфных сплавов в магнитопроводах силовых трансформаторов используемых в ТПП (20/0,4 кВ) [Электронный ресурс], URL: https://novainfo.ru/article/15213
  22. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.
  23. В.А. Бормосов, М.Н. Костоусова, А.Ф. Петренко, Н.Е. Смольская. Перспективы и состояние разработок распределительных трансформаторов массовых серий.
  24. Энергосбережение в Европе: применение энергоэффективных распределительных трансформаторов. Публикация Европейского института меди. Проект № STR -1678-98-ВЕ. Энергосбережение №6/2003.
  25. Карасев В.В., Филиппов А.Е. Перспективы применения трансформаторов с магнитопроводами из аморфной стали, ТРАВЭК-1994.
  26. Карасев В.В., Макаров В.А., Филиппов А.Е., Маркин В.В. Электромагнитные характеристики нового нанокристаллического сплава 5БДСР и возможности его применения в электромагнитных устройствах Электротехника № 4, 1994,с. 51-5
  27. Хавроничев С. В., Сошинов А. Г., Галущак В. С., Копейкина Т. В.Современные тенденции применения аморфных сплавов в магнитопроводах силовых трансформаторов// Международный журнал фундаментальных исследований. 2015 № 12-4. C. 607–610.