CC BY
1
DOI: 10.47026/1810-1909-2023-2-138-150
УДК 620.9 ББК 39.462.28
М.Г. ПОПОВ, Д.Е. ПЕТРУШИН, О.А. ВАСИЛЬЕВА
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВЫХ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ
Ключевые слова: силовое электрооборудование, автотрансформаторы, энергоэффективность, энергосбережение, система охлаждения.
Вопросы внедрения эффективных мероприятий по снижению потерь при эксплуатации силового электрооборудования представляют особый практический интерес для электросетевых и промышленных предприятий. Известно, что в номинальных (и близких к ним) режимах силовые трансформаторы обладают достаточно высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Однако из-за конструктивных особенностей автотрансформаторов их КПД в значительной мере зависит от распределения нагрузки между обмотками среднего и низкого напряжения. С учетом этой особенности целью настоящего исследования является расчетное обоснование новых способов повышения энергоэффективности силовых автотрансформаторов 330 кВ. Методология исследования заключается в получении расчетных характеристик потерь в силовых автотрансформаторах номинальной мощностью 125 МВА и оценке влияния на величину КПД загрузки их обмоток. В разделе результаты исследований выполнен их анализ и определено оптимальное соотношение нагрузок обмоток среднего и низшего напряжений. Также в работе исследован и в результате расчетов обоснован способ повышения энергоэффективности автотрансформаторов при оптимизации функционирования их системы охлаждения с целью снижения эксплуатационных потерь на электроприводы насосов и вентиляторов систем принудительного охлаждения. В выводах изложены наиболее значимые практические результаты по повышению энергоэффективности автотрансформаторов марки АТДЦТН-125000/220/110-У1, установленных на ПС 330 кВ Лоухи. Установлено, что при энергоэффективном распределении мощности между обмотками среднего и низшего напряжения снижение потерь может составить до 133 кВт. Оптимизация энергопотребления в системе принудительного охлаждения АТДЦТН-125000/220/110-У1 характеризуется снижением эксплуатационных потерь мощности около 48 кВт. Предложенные в работе методы и математические модели подготовлены для их апробации в полевых условиях опытной эксплуатации на ПС 330 кВ Лоухи.
Актуальность и постановка задачи исследований. В современных условиях функционирования к электроэнергетическим системам предъявляются строгие требования к их надежности, безопасности и качеству производства и транспортировки электроэнергии. В целом эти требования могут быть отражены обобщенными технико-экономическими характеристиками и показателями, улучшение которых связано с внедрением различного рода мероприятий. К существенно важным из них относят меры по повышению энергоэффективности эксплуатируемого в энергосистемах силового электрооборудования, выбор которых является следствием решения многофакторной задачи из-за большого разнообразия предлагаемых способов. В настоящей работе авторы ограничились исследованием задачи повышения энергоэффективности силового трансформаторного оборудования. С учетом этого целью исследования,
выполненного в рамках настоящей статьи, является расчетное обоснование новых способов повышения коэффициента полезного действия (КПД) силовых автотрансформаторов 330 кВ.
Методология исследования заключается в получении расчетных характеристик потерь в силовых автотрансформаторах АТДЦТН-125000/220/110-У1 и оценке влияния на величину их КПД загрузки их обмоток и снижения энергопотребления в их системах принудительного охлаждения.
Как известно, электромагнитное преобразование энергии в силовых трансформаторах сопровождается различного рода потерями. Существенная часть потерь электроэнергии отождествляется с выделением теплоты и повышением температуры в активных и конструктивных элементах трансформатора (его магнитопроводе, обмотках и др.). При этом происходит более интенсивное старение изоляции [16], для исключения этого в нормативных документах установлены эксплуатационные ограничения (табл. 1) по допустимому превышению температуры обмоток. Для исключения перегрева современные трансформаторы оснащаются системами принудительного охлаждения1.
Таблица 1
Допустимые превышения температуры окружающей среды2
Элемент Превышение температуры, °С
Обмотки 65
Наружные поверхности магнитопровода и конструктивных частей 75
Масло в верхних слоях: при герметизированном исполнении 60
в остальных случаях 55
Следует отметить, что в некоторых публикациях [2, 4, 5-8, 10-11, 15] уже отмечалась зависимость величины потерь от положения РПН [9] и исследовались вопросы снижения потерь за счёт компенсации реактивной составляющей [8, 11], достаточно подробно рассматривались вопросы идентификации электромагнитных ^-параметров [4, 15] и распределения токов в обмотках автотрансформаторов в целях определения особенностей функционирования устройств РЗА [6], а также отмечалась зависимость потерь в обмотках от распределения нагрузок [2]. В работах [5, 10, 12] показано, что неучет реальной температуры и, как следствие, реальной температурной зависимости сопротивлений расчетных схем замещения трансформаторов при расчетных исследованиях электроэнергетических режимов приводит к значительным погрешностям в определении потокораспределения и уровня напряжения в электросетях.
Актуальность настоящего исследования заключается в предлагаемом авторами способе повышения коэффициента полезного действия (КПД) автотрансформатора при перераспределении нагрузок между его обмотками среднего
1 ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1986.
2 ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия (с Поправкой, с Изменением № 1).
и низкого напряжения в совокупности с оптимизацией режима работы системы охлаждения автотрансформатора. В этой связи в первой части исследования предлагаются к обсуждению расчетные результаты определения наибольшего КПД автотрансформаторов марки АТДЦТН-125000/220/110-У1 и оценка влияния на него соотношения нагрузок в сети среднего и низкого напряжений. Во второй части изложения результатов исследований обоснован способ повышения энергоэффективности автотрансформаторов за счет снижения затрат на эксплуатацию их систем принудительного охлаждения.
Результаты исследований по оценке влияния распределения нагрузки между обмотками силовых автотрансформаторов на повышение их КПД. Расчетные исследования по оценке потерь мощности трехобмоточных автотрансформаторов АТДЦТН-125000/220/110-У1 (номинальной мощностью Sном = 125 МВА, с номинальными напряжениями обмоток UH0M = 230/121/10 кВ), установленных на ПС 330 кВ Лоухи, производились при вариации активно-индуктивной нагрузки в электросети высшего, среднего и низшего напряжений. Активные потери автотрансформатора в режиме холостого хода согласно [9] составляют ДР хх = 34 кВт (в режиме короткого замыкания: ДР в-с = 277 кВт; ДР в-н = 210 кВт; ДР С-н = 220 кВт).
Номинальные активные потери в обмотках автотрансформатора рассчитывались по известным формулам, используемым для определения электромагнитных параметров многолучевой схемы замещения [1]. Расчетные величины активных потерь, указанные в табл. 2 с учетом номинального значения коэффициента выгодности а, определяются по следующим выражениям:
APDU АР,
АРП
1 В-Н С-Н
'в-с 1 2 2
ДР„ =-^-
АРтг =
2
АРВ-С Н АРС-Н а2 АРв-н а2
2
АРв-н а2 , АРС-Н а2 -АРВ-С
АРС =-^-^; (1)
н 2 а = 1 -- 1
k
л в-с
где АРв', АРс', АРн' - потери обмоток высшего, среднего и низшего напряжения соответственно, Вт; £в-с - витковый коэффициент трансформации обмоток высшего и среднего напряжений, o.e.
Оценка влияния загрузки обмоток среднего и низшего напряжения на величину КПД производилась с использованием формул
ц = Sc cos Фс + Sн cos Фн _ 100%;
Sc cos фс + SH cos фн + АРМ + АРХХ ' (2)
APM = APB
SD
s
\ ном у
-APn
s
\ ном у
■ АРтг
Su
S
\ ном у
где Sb, Sc, Sh - величины полной мощности в сети высшего, среднего, низшего напряжений, MBA; AP м - суммарные потери в меди, кВт.
Таблица 2
Расчет параметров автотрансформатора при а = 0,474
Параметры Обмотки напряжения
высшего среднего низшего
Номинальные потери в меди, кВт 133,5 143,5 76,5
Расчётные значения номинальных потерь в меди, кВт 116,2 160,8 818,8
Из анализа выражений (1) и (2) следует, что коэффициент полезного действия при указанной ранее постановке задачи представляет собой многомерную функцию r\(X) = f (Sb, cos фв, Sc, cos фс, Sh, cos фн, kв-с). На рис. 1, а-в показан характер изменения КПД y\(X) при вариации четырех (Sc, Sh, cos фс, cos фн) из семи параметров.
Из совместного анализа представленных на рис. 1 характеристик КПД следует, что наибольшее значение КПД имеет место при незначительных загрузках (около 12%, или около 7,5 МВА, табл. 3) обмотки низшего напряжения. Загрузка обмоток высшего и среднего напряжений составляет около 46 МВА и 38 МВА (табл. 3). При этом снижение реактивной составляющей нагрузки дает несущественный прирост величины КПД - от 99,789% (при cos ф = 0,7, табл. 4) до 99,852 % (при cosф = 1,0, табл. 4). Следует также отметить, что сопоставимое влияние (около 0,1%) на снижение потерь оказывает перераспределение величин мощности между обмотками среднего и низшего напряжений автотрансформатора.
Тем не менее такому несущественному приросту КПД в относительных, приведенных к номинальной мощности 125 МВА единицах (процентах), соответствует сокращение потерь на величину до 133 кВт. С учетом годового графика нагрузки работы автотрансформаторов на ПС 330 кВ Лоухи такое незначительное сокращение потерь характеризуется весомой экономией электроэнергии.
Наибольшее значение КПД может быть найдено с помощью численных методов исходя из условия равенства нулю полного дифференциала скалярной функции r\(X) и отрицательных значений дифференциала второго порядка:
n=7
(
d4(X) = X
k=1..n
n=7 f
n(X) = I
k, j =1..n
dX„
д2 ц
dX dX
= 0;
-dXkdX]
(3)
< 0.
Этому численному решению, полученному в среде МАТЬАВ, соответствует характеристика энергоэффективности автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110-У1, показанная пунктирной линией на рис. 2.
. 100% SH _»_33% SH • 12% SH —^0% SH S , MBA
a
- 100% SH -»-33% SH 12% SH —t—0% SH MBA
б
-^-100%sn —nws,, —»—0% Sn MBA
в
Рис. 1. Характеристики изменения КПД при вариации величины (Sch, Shh) и характера (eos9c = cos9h) нагрузки в сети среднего и низшего напряжений автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110 на ПС 330 кВ Лоухи: а - при cos фс = cos фн = 0,7; б - при cos фс = cos фн = 0,85; в - при cos фс = cos фн = 1,0
Таблица 3
Загрузка обмоток автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110, соответствующая наибольшему значению его КПД
Параметры Обмотки напряжения
высшего среднего низшего
Полная мощность, кВА 46041,1 38484,8 7556,2
Загрузка,% 36,8 30,8 12,8
Таблица 4
Значения максимально возможных КПД при различных коэффициентах мощности
Параметры Коэф< шциент мощности
со8ф = 0,7 со8ф = 0,85 С08ф = 1
КПД в точке максимума, % 99,789 99,826 99,852
SH> 60
MBA Л
50
40 30 20 10
20 40 60 80 100 120
S , MBA
Рис. 2. Проекции многомерной функции КПД r|(X) и характеристика энергоэффективности АТДЦТН-125000/220/110 при вариации нагрузки в сети СН и НН
Найденные параметры режима работы исследуемого трансформатора являются достаточно близкими относительно их среднесрочных эксплуатационных значений загрузки автотрансформаторов ПС 330 кВ Лоухи.
Результаты исследований энергосберегающего подхода в управлении системами охлаждения для повышения энергоэффективности трансформаторов. В современных условиях эксплуатации силовых трансформаторов с целью определения допустимости их режимов работы необходимо производить контроль температуры. Довольно часто для предотвращения недопустимых перегрузок трансформаторов в устройствах релейной защиты используются математические модели или обобщенные характеристики теплового нагрева силового электрооборудования. В этих случаях контроль температуры осуществляется косвенным, расчетным способом [6]. Кроме этого применяются дополнительные подсистемы диагностики с независимой контрольно-измерительной аппаратурой. Эти измерительно-информационные подсистемы используются для управления электроприводом систем принудительного охлаждения.
Оптимизация режимов работы систем охлаждения с целью снижения тепловых потерь в трансформаторах открывает дополнительные возможности для повышения их энергоэффективности и энергосбережения в целом. Такая постановка задачи не является тривиальной, поскольку для снижения температуры потребуется увеличение производительности системы охлаждения и, соответственно, увеличение энергопотребления электроприводом вентиляторов и циркуляционным насосом.
Напомним, что без учета температурной зависимости суммарные активные потери в номинальном режиме могут быть рассчитаны с использованием (2). Их величина, полученная по второму выражению в (2), равна около ЛРм ~ 460,9 кВт.
Величина мощности, расходуемая на нагрев трансформатора Ртгр с учетом зависимости потерь от температуры обмоток t06M, определяется по выражению:
Рнагр = АРМ(1 + у(tобм -20)) + АРХХ, (4)
где у - температурный коэффициент, 1/К.
Суммарная активная мощность РЭКсп для компенсации тепловых потерь и для энергопотребления электродвигателями системы охлаждения с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) исследуемого автотрансформатора марки АТДЦТН-125000/220/110-У1, рассчитывается по формуле:
Р = Р + Р + Р (5)
эксп нагр д ц ' \ '
где Рд, Рц - мощность, потребляемая электроприводом вентиляторов и циркуляционного насоса системы охлаждения автотрансформатора, Вт.
Мощность, потребляемая вентиляторами, определяется по формуле
р, = ( ^ ^ .JL, (6)
(t06M - 5 - tOC ) • СВ Р • Пб
где toc - температура окружающей среды, °С; св - теплоёмкость воздуха, равная согласно [13], 1,008 кДж/кг-К; H - давление на выходе, принимаемое равным согласно [13], 250 Па; ^ в - КПД осевых вентиляторов, принимаемый в соответствии с [14] равным 0,7 o.e. (70%); р - плотность воздуха, кг/м3, представленная в [3] функциональной зависимостью от температуры окружающей среды:
р = 105120С - 0,0048toc +1,2929.
Выражение для расчета потребляемой циркуляционным насосом мощности имеет вид
Р = Р^ -1000 , g±, (7)
(t0ÖM _ 5 _ tOC )(t0ÖM _ 5) ' См Л ц
где g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; h - расчётный напор циркуляционного насоса, равный 8 м; ^ н - КПД циркуляционного насоса, равный 0,7 o.e. (70%); cM - теплоёмкость масла, кДж/кг-К, определяемое как
cM = 0,0059t обм +1,549.
Исходя из совместного анализа выражений (6) и (7) следует, что суммарное энергопотребление (Рд + Рц) электродвигателями системы охлаждения
с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители будет иметь обратнозависимую от температуры обмоток ¿0бм характеристику. Такое заключение является справедливым ввиду малости коэффициента-сомножителя в вышеприведенной зависимости для теплоёмкости масла. При этом в соответствии с выражениями (6) и (7) характеристика Рд + Рц = f/обм) будет иметь разрыв в области температур, превышающих на 5°С температуру окружающей среды toc.
Анализ выражений (4)-(7) для эксплуатационных затрат (РЭКсп) показал, что эта функция также будет терпеть разрыв вблизи области температур окружающей среды. При этом данная функциональная зависимость (рис. 3) будет обладать существенным, важным с точки зрения энергосбережения и снижения затрат свойством - наличие строго определенного минимума при постоянстве (некотором значении) температуры окружающей среды.
Р ,1000
эксп
кВт 900 800 700 600 500 -40
"30 -20-.0'0- .. ...-----80 ,00 '20
10 20^-__________60 80 t_,0C
30
t ,°с
40 0
20
40
60
об м
Р ,1000
эксп кВт
900 -800 700 600500
0
100 „ 120 t , С
обм
Рис. 3. Функция суммарных потерь мощности Рэксп = /(^бм, &>с) (а) и ее ортогональная проекция Рэксп = /(^бм) (б) автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110
Решая аналогичную ранее описанной в (3) задачу в пространстве параметров температуры обмоток г 0бм и температуры окружающей среды г ос:
дР дР
(Р (г г ) - ЭКСП (г | эксп & . о.
аГэксп ^обм > 1ОС ) ~ ^ ш обм ^ ^ ш ОС ^ % обм ^ ОС
д2 Р д 2 Р д 2 Р
(2Р (г - ,г) = —^(г+-(г , (гг,г +——¿^пр <о,
эксп V обм > ОС ^ > обм обм ОС ОС >
5 г обм ^ обм^ ОС 5 г ОС
находят характеристики энергоэффективной эксплуатации силового трансформатора, которые изображены на рис. 4.
а б
Рис. 4. Максимальные величины снижения потерь в автотрансформаторе при оптимизации режима работы системы охлаждения: а - снижение величины потерь при изменении температуры окружающей среды; б - снижение величины потерь при изменении температуры обмоток.
Расчетные значения характеристик энергоэффективной эксплуатации автотрансформатора АТДЦТН-125000/220/110-У1 указаны в табл. 5.
Таблица 5
Оптимальные температуры обмоток и возможное снижение мощности потерь
Температура, 0С Снижение активных потерь (ЛРм+ЛРхх), кВт Увеличение потребления, кВт Суммарное снижение мощности потерь (Рпотер), кВт
окружающей среды (¿ос) обмоток (¿обм) вентиляторов (Р) циркуляционного насоса (Рц)
-40 17,3 13,19 0,23 9,26 3,9
-30 19,9 27,01 0,59 16,02 10,7
-20 23,7 36,99 1,06 17,83 18,4
-10 28,6 45,85 1,62 17,73 26,8
0 34,2 53,47 2,35 16,62 34,9
10 40 61,01 3,34 15,97 42
20 46,2 67,82 4,76 15,36 47,9
30 53,6 72,3 6,2 14,4 52
40 62,5 74,3 7,26 12,64 54,6
Из анализа рис. 4 и данных табл. 5 следует, что при нормальной температуре окружающей среды (20°С, табл. 5) минимум характеристики энергоэффективной эксплуатации автотрансформатора соответствует температуре обмоток около 46,2°С. Для ее достижения повышение потребляемой мощности электродвигателями системы принудительного охлаждения автотрансформатора составляет около 20 кВт. При этом снижение эксплуатационных потерь мощности составляет около 48 кВт по сравнению с максимально допустимым по температуре обмоток (t0бм = tос + 65 = 85°С:) режимом работы автотрансформаторов.
Выводы. 1. На основе расчетных исследований определено распределение мощности между обмотками среднего и низшего напряжения автотрансформатора, которое соответствует наибольшему значению его КПД. Установлено, что при такой загрузке обмоток автотрансформатора сокращение потерь может составить до 133 кВт. Найденные параметры режима работы автотрансформаторов являются достижимыми, поскольку находятся вблизи области их среднесрочных эксплуатационных величин.
2. Найдены расчетные характеристики энергоэффективной эксплуатации автотрансформаторов марки АТДЦТН-125000/220/110-У1, установленных на ПС 330 кВ Лоухи.
Установлено, что оптимизация энергопотребления электроприводом системы принудительного охлаждения АТДЦТН-125000/220/110-У1 характеризуется снижением эксплуатационных потерь мощности составляет около 48 кВт.
3. Предложенные в работе методы и математические модели реализованы в среде MATLAB и подготовлены для их апробации в полевых условиях опытной эксплуатации автоматизированной подсистемы повышения энергоэффективности силовых автотрансформаторов на ПС 330 кВ Лоухи.
Литература
1. Ананичева С.С., Шелюг С.Н. Электроэнергетические системы и сети. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2019. 296 с.
2. Безъязычный B.C., Костинский С.С., Троицкий А.И. Исследование режимов работы силовых двухобмоточных трансформаторов распределительных сетей методом условно постоянных коэффициентов в зависимости от их нагрузки // Кибернетика энергетических систем: сб. материалов XLI Междунар. науч.-техн. конф. (15-17 октября 2019 г.). Новочеркасск: Изд-во ЮРГПУ (НИИ), 2020. С. 89-93.
3. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова A.B. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ // Справочник / под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. СПб.: СПбГАХПТ, 1999. 320 с.
4. Ванин В.К., Горячевский КС., Забоин В.Н. Идентификация параметров силовых трансформаторов в адаптивных средствах их защиты и автоматики // Известия НТЦ Единой энергетической системы. 2018. № 2(79). С. 118-130.
5. Ермаков В.Ф. Блок-схема интеллектуальных микропроцессорных систем сбора данных для проведения энергоаудита в электрических сетях систем электроснабжения // Результаты исследований - 2017: материалы III Национальной конф. профессорско-преподавательского состава и научных работников (25-26 мая 2017 г.). Новочеркасск: Изд-во ЮРГПУ (НИИ), 2017. С. 56-58.
1 ГОСТ Р 52719-2007 Трансформаторы силовые. Общие технические условия (с Поправкой, с Изменением № 1).
6. Засыпкин A.C. Повышение технического совершенства релейной защиты мощных трансформаторов энергосистем: дис. ... д-ра техн. наук. Т. 2. Приложения. Новочеркасск, 1983. 223 с.
7. Засыпкин A.C. Сопротивления трансформаторов, регулируемых под нагрузкой // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2020. Т. 63, № 4. С. 63-69.
8. ИвакинВ.Н., Ковалев В.Д., Магницкий A.A. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. 2017. № 5. С. 20-29.
9. Комплектующие и запчасти к силовым трансформаторам. ООО «Лидер-энерго» [Электронный ресурс]: сайт. URL: https://lider-energo.ru (дата обращения: 25.01.2023).
10. Меркурьев Г.В., Цирель Я.А. Расчеты режимов работы трансформаторов: учеб. пособие / Центр подготовки кадров энергетики. СПб., 2004. 38 с.
11. Могиленко A.B. Новые требования к трансформаторам // Энергетика и промышленность России. 2015. № 12(272). С. 37.
12. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2005. 152 с.
13. Петрушин Д.Е., Савельев Р.К., Корякин Д.Д. Определение оптимального режима работы системы охлаждения силового автотрансформатора // Завалишинские чтения '16. Молодежная секция. СПб.: Изд-во ГУАП, 2016. С. 121-125.
14. Петрушин Д.Е., Савченко H.H., Беляков Ю.С. Расчет потерь в силовом автотрансформаторе, определение оптимального режима работы // Материалы 66-й Всерос. (с междунар. участием) науч. конф. обучающихся и молодых ученых. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2014. С. 464-465.
15. Попов М.Г., Ванин В.К., Забоин В.Н., Гуревич Э.И. Идентификация параметров силового электрооборудования в адаптивных средствах защиты и противоаварийной автоматики // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т. 61, № 6. С. 68-76.
16. Серебряков A.C., ОсокинВ.Л., Семенов Д.А., ЖужинМ.С. Техника высоких напряжений. Изоляция электрических установок высокого напряжения // под общ. ред. A.C. Серебрякова. Старый Оскол: ООО «Тонкие наукоемкие технологии», 2021. 448 с.
ПОПОВ МАКСИМ ГЕОРГИЕВИЧ - доктор технических наук, профессор Высшей школы высоковольтной энергетики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Россия, Санкт-Петербург; профессор кафедры энергообеспечения предприятий и энергосбережения, Петрозаводский государственный университет, Россия, Петрозаводск ([email protected]; https://orcid.org/0000-0003-1621-9755).
ПЕТРУШИН ДЕНИС ЕВГЕНЬЕВИЧ - главный специалист, Служба электрических режимов, Филиал АО «СО ЕЭС» Карельское РДУ; старший преподаватель кафедры энергообеспечения предприятий и энергосбережения, Петрозаводский государственный университет, Россия, Петрозаводск ([email protected]; https://orcid.org/0000-0002-3272-8210).
ВАСИЛЬЕВА ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА - кандидат технических наук, доцент Высшей школы высоковольтной энергетики, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Россия, Санкт-Петербург ([email protected]).
Maksim G. POPOV, Denis E. PETRUSHIN, Olga A. VASILYEVA
INCREASING THE EFFICIENCY OF POWER AUTOTRANSFORMERS
Key words: power equipment, autotransformers, energy efficiency, energy saving, cooling system.
The issues of implementing effective measures to reduce losses during the operation of power electrical equipment are ofparticular practical interest for electric grid and industrial enterprises. It is known that power transformers have a fairly high coefficient ofperformance (COP) in nominal (and close to them) modes. The efficiency of autotransformers largely depends on the distribution of the load between the medium and low voltage windings due to design features. With this in mind, the purpose of this study is the calculation
substantiation of new ways to improve the energy efficiency of 330 kV power autotransformers. The research methodology consists in obtaining the calculated characteristics of losses in power autotransformers with a rated power of 125 MVA and assessing the impact on the efficiency of loading their windings. In the Result of Research section, design characteristics analysis is made and the optimal ratio of the loads of medium and low voltage windings is determined. Also, the paper explored and, as a result of calculations, justified a method for increasing the energy efficiency of autotransformers. The effect of reducing operating losses on the electric drives of pumps and fans of forced cooling systems was achieved by optimizing their operation. Conclusions outline the most significant practical results for improving the energy efficiency of autotransformers of the ATDTSTN-125000/220/110-U1 brand installed at the 330 kV Loukhi substation. It has been established that with energy-efficient power distribution between medium and low voltage windings, losses can be reduced by up to 133 kW. Optimization of energy consumption in the forced cooling system ATDCTN-125000/220/110-U1 is characterized by reduction in operational power losses of about 48 kW. The methods and mathematical models proposed in the study have been prepared for their approbation in the field conditions of trial operation at the 330 kV Loukhi substation.
References
1. Ananicheva S.S., Shelyug S.N. Elektroenergeticheskie sistemy i seti [Electric power systems and networks]. Ekaterinburg, Ural University Publ., 2019, 296 p.
2. Bez"yazychnyi V.S., Kostinskii S.S., Troitskii A.I. Issledovanie rezhimov raboty silovykh dvukhobmotochnykh transformatorov raspredelitel'nykh setei metodom uslovno postoyannykh koeffitsientov v zavisimosti ot ikh nagruzki [Investigation of operating modes of power double-winding transformers of distribution networks by the method of conditionally constant coefficients depending on their load]. In: Kibernetika energeticheskikh sistem: sb. materialovXLIMezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of the XLI Int. Sci. and Techn. Conf. «Cybernetics of energy systems»]. Novocherkassk: SURPU (NPI) Publ., 2020, pp. 89-93.
3. Bogdanov S.N., ed., Bogdanov S.N., Burtsev S.I., Ivanov O.P., Kupriyanova A.V. Kholodil'-naya tekhnika. Konditsionirovanie vozdukha. Svoistva veshchestv. 4-e izd. [Refrigeration equipment. Air conditioning. Properties of substances. 4th ed.]. St. Petersburg, 1999, 320 p.
4. Vanin V.K., Goryachevskii K.S., Zaboin V.N. Identifikatsiya parametrov silovykh transfor-matorov v adaptivnykh sredstvakh ikh zashchity i avtomatiki [Identification of parameters of power transformers in adaptive means of their protection and automation]. Izvestiya NTTs Edinoi energe-ticheskoi sistemy, 2018, no. 2(79), pp. 118-130.
5. Ermakov V.F. Blok-skhema intellektual'nykh mikroprotsessornykh sistem sbora dannykh dlya provedeniya energoaudita v elektricheskikh setyakh sistem elektrosnabzheniya [Block diagram of intelligent microprocessor data acquisition systems for energy audit in electrical networks of power supply systems]. In: Rezul'taty issledovanii - 2017: materialy III Natsional'noi konf. professorsko-prepodavatel'skogo sostava i nauch. rabotnikov [Proc. of III National Conf. «Research Results -2017»]. Novocherkassk: SURPU (NPI) Publ., 2017, pp. 56-58.
6. Zasypkin A.S. Povyshenie tekhnicheskogo sovershenstva releinoi zashchity moshchnykh transformatorov energosistem: dis. ... d-ra tekh. Nauk. T. 2. Prilozheniya: [Improving the technical perfection of relay protection of high-power transformers of power systems: Doct. Diss. Vol. 2: Application]. Novocherkassk, 1983, 223 p.
7. Zasypkin A.S. Soprotivleniya transformatorov, reguliruemykh pod nagruzkoi [Resistance of transformers regulated under load]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika, 2020, vol. 63, no 4. pp. 63-69.
8. Ivakin V.N., Kovalev V.D., Magnitskii A.A. Normirovanie energoeffektivnosti raspredelitel'nykh transformatorov [Rationing of energy efficiency of distribution transformers]. Energiya edinoi seti, 2017, no 5, pp. 20-29.
9. Komplektuyushchie i zapchasti k silovym transformatoram. OOO «Lider-energo» [Accessories and spare parts for power transformers. Leader-Energo LLC]. Available at: https://lider-energo.ru.
10. Merkur'ev G.V., Tsirel' Ya.A. Raschety rezhimov raboty transformatorov [Calculations of operating modes of transformers]. St. Petersburg, 2004, 38 p.
11. Mogilenko A.V. Novye trebovaniya k transformatoram [New requirements for transformers]. Energetika ipromysh-lennost'Rossii, 2015, no. 12(272), p. 37.
12. Osipov D.S. Uchet nagreva tokovedushchikh chastei v raschetakh poter' moshchnosti i elektroenergii pri nesinusoidal'nykh rezhimakh sistem elektrosnabzheniya: dis. ... kand. techn. nauk [Taking into account the heating of current-carrying parts in the calculations of power and electricity losses in non-sinusoidal modes of power supply systems: Cand. Diss.]. Omsk, 2005, 152 p.
13. Petrushin D.E., Savel'ev R.K., Koryakin D.D. Opredelenie optimal'nogo rezhima raboty sistemy okhlazhdeniya silovogo avtotransformatora [Determination of the optimal mode of operation of the cooling system of the power autotransformer]. In: Zavalishinskie chteniya '16. Molodezhnaya sektsiya [Zavalishinsky readings '16. Youth section]. St. Peterburg: SUAI Publ., 2016, pp. 121-125.
14. Petrushin D.E., Savchenko N.N., Belyakov Yu.S. Raschetpoter' v silovom avtotransformatore, opredelenie optimal'nogo rezhima raboty [Calculation of losses in a power autotransformer, determination of the optimal operating mode]. In: Materialy 66-i Vseros. (s mezhdunar. uchastiem) nauch. konf. obuchayushchikhsya i molodykh uchenykh [Proc. of the 66th Rus. (with International Participation) Sci. Conf. of students and young scientists]. Petrozavodsk: PetrSU Publ., 2014, pp. 464-465.
15. Popov M.G., Vanin V.K., Zaboin V.N., Gurevich E.I. Identifkatsiya parametrov silovogo elektrooborudovaniya v adaptivnykh sredstvakh zashchity i protivoavariinoi avtomatiki [Identification of parameters of power electrical equipment in adaptive means of protection and emergency automation]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika, 2018, vol. 61, no 6, pp. 68-76.
16. Serebryakov A.S., ed., Serebryakov A.S., Osokin V.L., Semenov D.A., Zhuzhin M.S. Tekhnika vysokikh naprya-zhenii. Izolyatsiya elektricheskikh ustanovok vysokogo napryazheniya [High voltage technique. Isolation of high voltage electrical installations]. Staryi Oskol, 2021, 448 p.
MAKSIM G. POPOV - Doctor of Technical Sciences, Professor of the Higher School of High-Voltage Energy, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Russia, St. Petersburg; Professor, Department of Energy Supply of Enterprises and Energy Saving, Petrozavodsk State University, Russia, Petrozavodsk ([email protected]; https://orcid.org/0000-0003-1621-9755).
DENIS E. PETRUSHIN - Chief Specialist, Electrical Modes Service, Karelian Regional Dispatching Office, a Branch of System Operator of the United Power System; Senior Lecturer, Department of Energy Supply of Enterprises and Energy Saving, Petrozavodsk State University Russia, Petrozavodsk ([email protected]; https://orcid.org/0000-0002-3272-8210).
OLGA A. VASILYEVA - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Higher School of High-Voltage Energy, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Russia, St. Petersburg ([email protected]).
Формат цитирования: Попов М.Г., ПетрушинД.Е., Васильева O.A. Повышение энергоэффективности силовых автотрансформаторов // Вестник Чувашского университета. - 2023. -№ 2. - С. 138-150. DOI: 10.47026/1810-1909-2023-2-138-150.
