Общая характеристика

Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Широкое распространение трансформаторов обусловлено, в частности, тем, что электроэнергия передается и распределяется при более высоком уровне напряжения, чем уровень, необходимый для питания промышленного оборудования, что позволяет снизить потери при передаче.

Как правило, трансформатор является статическим устройством, состоящим из сердечника, набранного из ферромагнитных пластин, а также первичной и вторичной обмоток, расположенных с противоположных сторон сердечника. Важнейшей характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, который определяется как отношение выходного напряжения к входному - V₂/V₁ (рис.).

Рисунок. Схема трансформатора

Потери в трансформаторах подразделяются на два основных типа - «потери в стали» (т.е. в сердечнике) и «потери в меди» (т.е. в обмотках). Потери в стали вызываются гистерезисом и вихревыми токами в ферромагнитных пластинах сердечника; их величина пропорциональна V² и составляет примерно 0,2-0,5 % номинальной мощности трансформатора P_n (P2). Потери в меди связаны с сопротивлением медных обмоток и выделением джоулева тепла в них; величина этих потерь пропорциональна I², и составляет примерно 1-3% номинальной мощности P_n (при стопроцентной загрузке трансформатора).

При эксплуатации трансформатора в реальных условиях средний коэффициент загрузки х всегда меньше 100 % (P_эфф = xP_n). Можно показать, что зависимость между КПД трансформатора и коэффициентом загрузки имеет вид, показанный на рис. 3.24 (для трансформатора мощностью 250 кВА). В данном случае КПД достигает максимума при величине коэффициента загрузки около 40%.

Рисунок. Уровень потерь и КПД трансформатора в зависимости от коэффициента загрузки

Независимо от мощности конкретного трансформатора, зависимость КПД от коэффициента загрузки имеет максимум, находящийся в среднем на уровне 45% от номинальной загрузки.

Эта особенность позволяет рассмотреть следующие варианты повышения эффективности для трансформаторной подстанции:

• если общая мощность, потребляемая нагрузкой, ниже уровня 40-50% P_n, в качестве меры энергосбережения целесообразно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы довести загрузку остальных до оптимальной величины;
• в противоположной ситуации (общая мощность, потребляемая нагрузкой, превышает 75% P_n), достичь оптимального КПД трансформаторов можно лишь посредством установки дополнительных мощностей;
• при замене трансформаторов, исчерпавших ресурс, или модернизации трансформаторных подстанций предпочтительной является установка трансформаторов с пониженным уровнем потерь, что позволяет снизить потери на 20-60%.

Экологические преимущества

Сокращение потребления вторичных энергоресурсов.

Производственная информация

Как правило, на трансформаторных подстанциях имеется избыток установленных мощностей, вследствие чего средний фактор загрузки относительно низок. Этот избыток мощностей традиционно поддерживается для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу в случае выхода из строя одного или нескольких трансформаторов.

Применимость

Критерии оптимизации применимы ко всем трансформаторным подстанциям. Согласно оценкам, оптимизация загрузки возможна в 25% случаев.

Величина трансформаторных мощностей, заново устанавливаемых или обновляемых в промышленности ежегодно, оценивается в 5% общей установленной мощности. В этих случаях может рассматриваться возможность установки трансформаторов с пониженным уровнем потерь.

Экономические аспекты

В случае установки трансформаторов с пониженным уровнем потерь или замены ими используемых в настоящее время низкоэффективных трансформаторов срок окупаемости, как правило, является относительно коротким, принимая во внимание значительное время работы трансформаторов (ч/год).

Мотивы внедрения

Основными мотивами являются энергосбережение и снижение затрат.