Эффективное использование силовых трансформаторов может снизить стоимость электроэнергии
В качестве примера ученые определили нагрузочную способность трансформатора в Томске и Гренобле.
Стоимость силового трансформатора может достигать нескольких сотен миллионов рублей, что делает его одним из самых дорогих элементов электрической сети. Поэтому энергетики стремятся использовать нагрузочную способность трансформаторов в полном объеме. Предложенный политехниками метод может помочь эксплуатировать трансформаторы ближе к их реальному тепловому пределу. Это позволит операторам управлять энергосистемой с большей пропускной способностью, сетевым компаниям отсрочить инвестиции на замену трансформаторов, а конечным потребителям пользоваться более дешевой электроэнергией.
«Номинальная мощность большинства типов трансформаторов рассчитана на температуру наружного воздуха +20 ℃. Однако температура наружного воздуха непостоянна и меняется в течение дня, месяца, года. Из-за этого фактическая допустимая нагрузка трансформатора может быть как выше, так и ниже его номинальной мощности. В обоих случаях допустимая нагрузка должна соответствовать четырем ограничениям: току трансформатора, температуре наиболее нагретой точки обмотки, температуре масла в верхней части трансформатора и термическому износу изоляции. Существующие методы оценки допустимой нагрузки не учитывают все эти ограничения одновременно, а также допустимую кратковременную перегрузку трансформаторов в нормальном режиме», — поясняет соавтор статьи, аспирант ТПУ и Университета Гренобль Альпы Ильдар Даминов.
Политехники предложили метод feasible region, благодаря которому по предельным значениям тока, температур обмотки и масла можно рассчитать всю область допустимых нагрузок. При этом, кроме паспортных данных, для ее определения достаточно знать только температуру воздуха. Это позволяет определять длительно допустимые нагрузки и допустимые кратковременные перегрузки трансформаторов с учетом практически всех возможных графиков нагрузок.
В качестве расчетного примера ученые определили нагрузочную способность трансформатора типа ONAF на основе результатов анализа температуры наружного воздуха в Томске и в Гренобле за последние 35 лет. Результаты показали, что в зависимости от температуры воздуха предельная нагрузка исследуемого трансформатора может превышать свою номинальную мощность в среднем от 15 до 45 % в Томске и от 5 до 41 % в Гренобле. При этом допустимая нагрузка трансформатора в Томске может превышать величину номинальной мощности 88,5 % времени (даже без учета допустимой кратковременной перегрузки), поскольку холодный сибирский климат позволяет эффективно отводить тепло от трансформаторов. В Гренобле этот показатель ниже и равен 79 %.
«Исследуемый нами трансформатор смоделирован на основе стандарта IEC 60076-7. Он использует достаточно универсальные тепловые характеристики, которые в целом соответствуют множеству типов трансформаторов. Поэтому результаты исследования можно применить к трансформаторам аналогичной конструкции», — говорит соавтор статьи, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Антон Прохоров.
В результате исследований ученые составили список рекомендаций по перегрузке трансформатора. Так, для трансформатора с температурой обмотки при нормальных условиях в 98 ℃ допустимо увеличивать нагрузку до 120 ℃ в течение 26 дней в году или до 140 ℃ — в течение двух дней. Трансформаторы же с нормальной температурой в 110 ℃ можно перегружать до 120 ℃ уже в течение 98 дней в году или до 140 ℃ — в течение 20 дней в году.