Введение
Под потерями электроэнергии понимается процесс, при котором электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии и рассеивается, не совершая никакой нужной и полезной работы.
Одним из факторов, влияющих на потери электроэнергии при её передаче, является величина cos(φ) в сети. Отклонение этой величины от нормированной ведёт к излишним активным потерям в элементах сети, в том числе трансформаторах. Одним из эффективных способов коррекции cos(φ) и как следствие снижения потерь являются мероприятия по компенсации реактивной мощности.
Нагрузочные потери в элементах сети
Энергосистема является совокупностью различных элементов, таких как генераторы, силовые трансформаторы, линии, нагрузка и т.д. Каждый элемент с точки зрения электротехники представляет собой сопротивление, имеющее активную и реактивную составляющую. При этом при протекании тока через реактивную составляющую (индуктивную или емкостную), энергия периодически преобразуется из электрической энергии в энергию поля и обратно без рассеивания и потерь. Поэтому потери энергии непосредственно в реактивной составляющей сопротивления отсутствуют.
Основное же потребление и потери электроэнергии связанны с активной составляющей сопротивления всех элементов сети. Потребление полезной мощности связанно с активным сопротивлением нагрузки, а потери с активным сопротивлением других элементов сети.
При передаче и потреблении электроэнергии активная мощность, выделяющаяся на элементе равна:
где I – ток, протекающий по активной составляющей сопротивления элемента сети;
R – активная составляющая сопротивления элемента сети.
Т.к. сопротивление нагрузки на порядок больше сопротивления других элементов: трансформаторов и линий – то полный ток по большей части зависит именно от полного сопротивления нагрузки. Из рис. 1 видно, что через активное сопротивление передающих энергию элементов течет полный ток I , являющийся векторной суммой активной Iа и реактивной Iр составляющей тока нагрузки. Поэтому на элементах выделяется и рассеивается мощность, зависящая и от активного и от реактивного сопротивления нагрузки. Эта мощность именуется нагрузочными потерями. Таким образом, реактивная нагрузка оказывает непосредственное влияние на потери энергии в элементах сети.
Рис.1. Схема замещения для линии и нагрузки
В трёхфазных системах нагрузочные потери в элементе системы (трансформатор, линия) определяются как:
Полная мощность S, передаваемая по элементу, линейный ток Iл, фазный ток Iф, фазное Uф и линейное Uл напряжения связаны соотношением:
Исходя из вышеуказанных соотношений, получим:
В сети переменного тока отношение активной мощности P к полной мощности S выражается безразмерной величиной cos(φ). В свою очередь полная мощность с активной мощностью связанна соотношением:
Из соотношений (5), (6) получим:
Потери в силовом трансформаторе
Активные потери в силовом трансформаторе обусловлены сопротивлением его обмоток. При этом эти потери можно разделить на два типа:
- Условно постоянные потери – потери холостого хода, независящие от нагрузки.
- Нагрузочные потери, связанные с протеканием тока нагрузки через сопротивление обмоток.
Нагрузочные потери в силовом трансформаторе описываются выражением (7), где одной из влияющих величин является cos(φ). Поэтому для оценки влияния этой величины на потери в трансформаторе можно рассматривать именно нагрузочную составляющую потерь.
Силовой трансформатор обладает активным и реактивным сопротивлением, при их расчете нужно отталкиваться от схемы замещения трансформатора. Схемы замещения для различных видов трансформаторов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Схемы замещения и расчетные выражения для силовых трансформаторов
Из соотношения (7) и расчетных выражений в таблице 1 получим выражения для расчета потерь в силовом трансформаторе:
где P – активная мощность, передаваемая через трансформатор;
∆Pкз – потери короткого замыкания.
Для трёхобмоточного трансформатора мощность потерь находится для каждой ветви в схеме замещения отдельно.
Зависимость потерь активной мощности в трансформаторе от cos(φ) отображена на рис. 2. Вертикальная ось определяет процентное отношение потерь при заданном значении cos(φ) к потерям при cos(φ) = 0,6.
Рис.2 Зависимость потерь активной мощности в трансформаторе от значения cos(φ)
Пример расчета
В качестве примера приведем расчет потерь в силовом трансформаторе ТМГ-1000/10/0,4 при коэффициенте загрузки KЗ = 0,8 и cos(φ1) = 0,76. Так же проведем расчет при компенсации реактивной мощности до значения cos(φ2 ) = 0,98. ∆Pкз = 11500 Вт, Uл = 380 В.
При расчете сопротивления трансформатора приводим его к стороне низкого напряжения, поэтому используем при расчете номинальное напряжение вторичной обмотки.
Рассчитаем потери в трансформаторе при той же передаваемой мощности P = 608 кВт и скомпенсированном cos(φ2 ) = 0,98.
При данных начальных условиях и скомпенсированном cos(φ) наблюдается существенная разгрузка трансформатора до значения KЗ = 0,62 и снижение нагрузочных потерь на 40% процентов.
Выводы
Рассматривая потери мощности в силовом трансформаторе и влияние cos(φ) на них, аналитическим и графическим путем была показана зависимость данных величин друг от друга.
В свою очередь с экономической точки зрения компенсация реактивной мощности в сети приводит не только к уменьшению потерь в силовом трансформаторе, но так же позволяет достичь существенной его разгрузки. Разгрузка трансформатора позволяет увеличить его срок службы, а так же, при возможном росте количества потребителей и общей потребляемой мощности, избежать замены трансформатора на более мощный.
