Виды потерь и КПД в трансформаторе

Содержание

• Как устроен трансформатор: обмотки и сердечник
• Виды потерь и КПД в трансформаторе
  • Формула расчёта эффективности
  • Потери в меди
  • Потери в сердечнике
  • Добавочные и диэлектрические потери
• Условие максимальной эффективности
• Измерение: опыты холостого хода и короткого замыкания
  • Расчёт эффективности по данным испытаний
• Магнитопровод: материал и конструкция
• Обмотки: сечение, схема, плотность тока
• Охлаждение, изоляция и обслуживание
• Загрузка и выбор мощности
• Типы трансформаторов: сухие и масляные
• Материалы обмоток и изоляции
• Реактивная мощность и коэффициент мощности
• Модернизация и замена старого трансформатора
• Частые ошибки эксплуатации
• Классы энергоэффективности и стандарты
• Частые вопросы
  • Являются ли трансформаторы эффективными на 100 %?
  • Почему эффективность трансформатора достигает 97 % и выше?
  • Какая загрузка даёт лучший результат?
• Что делать на практике

Повысить КПД трансформатора можно без замены всей подстанции. Достаточно найти, где энергия уходит впустую, и закрыть самые дорогие утечки. Мы разберём, из чего складывается расход энергии, как его измерить и какие решения дают реальную экономию.

Как устроен трансформатор: обмотки и сердечник

Принцип работы простой. Переменное напряжение на первичной обмотке создаёт магнитный поток. Сердечник из тонких листов направляет его к выходной катушке, где наводится напряжение. Магнитная связь между катушками и передаёт энергию без прямого контакта. Число витков задаёт коэффициент трансформации.

Основной поток замыкается по магнитопроводу, а часть уходит в воздух — это поле рассеяния. Чем лучше сердечник направляет поток, тем меньше потерь. Отсюда и главные точки приложения усилий: сердечник, обмотки и система охлаждения.

• входная катушка подключается к сети;
• вторичная обмотка питает нагрузку;
• сердечник замыкает магнитную цепь;
• бак, масло и радиаторы отводят тепло.

Виды потерь и КПД в трансформаторе

У трансформатора нет трущихся деталей, поэтому эффективность этой машины высока: от 95 до 99 % и выше. Но даже один процент на крупной подстанции превращается в тысячи киловатт-часов за год. Причём трансформатор включён круглосуточно, и каждая мелочь копится. Весь расход делится на две группы. Первая не зависит от нагрузки, вторая растёт вместе с нагрузкой. Эта простая картина лежит в основе любых приёмов улучшения.

• потери холостого хода: сердечник, величина постоянная;
• короткое замыкание: обмотки, зависят от нагрузки;
• добавочные потери: поле рассеяния, бак, крепёж;
• диэлектрические потери: изоляция и масло.

Формула расчёта эффективности

Коэффициент полезного действия показывает, какая доля потреблённой энергии доходит до нагрузки. Это частное от деления активной мощности на выходе на мощность на входе. Реактивная часть сюда не входит. Формула выглядит так: η = β·S·cosφ / (β·S·cosφ + Pхх + β²·Pкз). Здесь β — доля рабочего тока от номинального, S — полная мощность, Pхх — холостой ход, Pкз — короткое замыкание. Значения Pхх и Pкз берут из паспорта.

• β = 1 соответствует полной загрузке;
• cosφ нагрузки заметно влияет на итог;
• идеальный трансформатор без потерь существует только в теории.

Потери в меди

Ток нагревает первичную и вторичную обмотку, и часть энергии уходит в тепло по закону Джоуля. Расход пропорционален квадрату тока: нагрузка выросла вдвое, нагрев вырос вчетверо. Эти нагрузочные потери и называют потерями в меди. Отсюда два вывода. Перегруженный трансформатор греется сильно. Недогруженный почти не греет провода, зато продолжает перемагничивать сердечник, и об этом ниже.

• растут быстрее самой нагрузки;
• зависят от сопротивления провода;
• увеличиваются при нагреве самой обмотки.

Потери в сердечнике

Магнитный поток перемагничивает сердечник 100 раз в секунду при частоте 50 Гц. На это тратится энергия. Инженеры называют такой расход потерями в железе, потому что греется именно магнитопровод. Он состоит из двух частей: гистерезиса и вихревых токов. Первая связана с «трением» магнитных доменов. Вторая возникает в самих листах и греют их изнутри.

• перемагничивание зависит от материала и индукции;
• вихри в листах зависят от их толщины;
• напряжение сети задаёт индукцию, а с ней и нагрев.

Добавочные и диэлектрические потери

Поток рассеяния выходит за пределы магнитной системы и греет бак, ярмовые балки и стяжки. Конструкторы гасят их экранами и немагнитными вставками. Без этих мер бак нагревается заметно сильнее. Диэлектрические потери возникают в изоляции и трансформаторном масле. Пока материал сухой и чистый, они малы. Влага и старение быстро меняют картину, поэтому качество масла нужно проверять.

Условие максимальной эффективности

Показатель достигает пика, когда постоянная и переменная часть расхода совпадают: Pхх = β²·Pкз. Отсюда следует оптимальная загрузка β = √(Pхх / Pкз). У большинства масляных трансформаторов она лежит в диапазоне 0,4–0,6. Возьмём для примера трансформатор на 630 кВА с Pхх = 1,2 кВт и Pкз = 7,6 кВт при cosφ = 0,95. Оптимум составит около 0,4, и эффективность равна примерно 99,0 %. При полной нагрузке показатель падает до 98,6 %.

Если постоянные потери выше переменных, трансформатор недогружен. Если ниже — перегружен. Кривая пологая, поэтому строгое равенство соблюдать не нужно. Достаточно держать рабочую зону рядом с оптимумом.

Измерение: опыты холостого хода и короткого замыкания

Чтобы сократить объём потерь, их сначала замеряют. На практике используют два стандартных испытания трансформатора. Они дают паспортные значения и позволяют сравнивать трансформаторы между собой.

• холостой ход: вторичная цепь разомкнута, на первичную обмотку подано номинальное напряжение, замеряют ток холостого хода и потребление;
• короткое замыкание: вторичную цепь закорачивают, напряжение поднимают до номинального тока;
• первый опыт показывает потери в сердечнике, второй — потери в меди.

При холостом ходе почти вся энергия греет магнитопровод, ведь во вторичной цепи ток не идёт. В опыте короткого замыкания магнитный поток мал, и греются только провода. Поэтому каждое испытание «подсвечивает» свой источник. Сравнивайте результаты испытаний трансформатора с паспортом и прошлыми замерами. Рост Pхх намекает на межлистовые замыкания или повреждённую шихтовку. Рост Pкз выдаёт плохие контакты или деформацию катушек.

Расчёт эффективности по данным испытаний

Допустим, в паспорте трансформатора указаны Pхх = 1,2 кВт и Pкз = 7,6 кВт. При нагрузке 80 % и cosφ = 0,9 на выходе получается 453,6 кВт. Суммарный расход составит 1,2 + 0,64 · 7,6 ≈ 6,06 кВт, а результат — около 98,7 %.

• найдите β как отношение рабочей нагрузки к номинальной;
• подставьте паспортные значения в формулу;
• сравните результат с оптимумом и решите, нужна ли замена.

Магнитопровод: материал и конструкция

Здесь прячется основной резерв. Главный способ снизить уровень потерь холостого хода — качественная электротехническая сталь с малыми удельными потерями. Тонкие листы толщиной 0,18–0,30 мм с изоляционным покрытием подавляют этот эффект. Следующий шаг — аморфный материал. Его удельные показатели составляют 0,2–0,25 Вт/кг против 1,15 Вт/кг у текстурированного листа. Но у решения есть цена: материал дороже, а сечение магнитной системы приходится увеличивать.

Сравнение показывает: аморфный сердечник выигрывает там, где трансформатор большую часть времени загружен слабо. При полной нагрузке выгода исчезает.

• шихтовка листов с косым стыком вместо прямого;
• витой магнитопровод без разрывов потока;
• снижение индукции в стержне;
• лазерная обработка, снимающая внутренние напряжения.

Обмотки: сечение, схема, плотность тока

Чтобы урезать потери короткого замыкания, уменьшают сопротивление проводника. Увеличьте сечение, и нагрев упадёт. Медь проводит лучше алюминия, поэтому медные катушки при тех же габаритах греются слабее. Значение имеет и схема намотки. Транспозиция параллельных проводников выравнивает нагрузку между ними и убирает циркулирующий нагрев. Аккуратная укладка витков снижает поле рассеяния.

• щадящая плотность в проводе;
• транспонированный провод в мощных катушках;
• плотная ровная намотка без перекрещиваний;
• надёжные паяные или сварные контакты.

Есть и обратная сторона. Больше меди — выше цена и масса. Расчёт всегда сводится к компромиссу между стоимостью материала и стоимостью энергии за срок службы, обычно 25–30 лет.

Охлаждение, изоляция и обслуживание

Горячая обмотка сопротивляется сильнее: с ростом температуры сопротивление меди увеличивается. Значит, охлаждение влияет на эффективность напрямую. По правилу шести градусов, каждые лишние 6–8 °C вдвое сокращают срок службы изоляции. Чистые радиаторы, исправные вентиляторы и достаточный объём масла удерживают температуру в норме.

Изоляция требует внимания не меньше. Влага в трансформаторе повышает диэлектрические потери и ускоряет старение. Раз в несколько лет делайте анализ масла и измеряйте сопротивление изоляции.

• очищайте радиаторы и вентиляционные каналы;
• проверяйте уровень и состояние масла;
• подтягивайте контакты и стяжные элементы;
• прислушивайтесь к гулу: он часто выдаёт ослабшую шихтовку.

Загрузка и выбор мощности

Самый дешёвый способ повысить эффективность — подобрать трансформатор по нагрузке. Слишком мощный трансформатор работает с малым β и постоянно тратит энергию на холостой ход. Слишком слабый перегревается и теряет в обмотках. Перед покупкой соберите график нагрузки и найдите средние и пиковые значения. Для определения необходимой мощности пригодятся данные счётчиков за год.

• при стабильной нагрузке ориентируйтесь на β около 0,5–0,7;
• для сезонных потребителей рассмотрите два трансформатора меньшей мощности;
• неиспользуемую секцию отключайте;
• выравнивайте нагрузку по фазам.

Режим сети тоже влияет. Гармоники от преобразователей добавляют вихревой нагрев в сердечнике и катушках, поэтому для нелинейных потребителей берут трансформаторы с запасом.

Типы трансформаторов: сухие и масляные

Тип конструкции заметно влияет на итоговые цифры. Масляный трансформатор охлаждается лучше и при равной мощности обычно имеет меньше потерь. Сухой трансформатор безопаснее по пожарным требованиям, поэтому его ставят в зданиях, но платят за это чуть большим нагревом.

Для разных задач выпускают разные типы. Силовой трансформатор передаёт электрическую энергию между сетями, разделительный отделяет потребителя от питающей линии, сварочный даёт большой ток при низком напряжении. Общее правило одно: чем стабильнее нагрузка, тем проще подобрать выгодную конструкцию.

• силовые масляные: низкий расход, большие нагрузки;
• силовые сухие: безопасность, чуть больший нагрев;
• разделительные: малые габариты, упор на безопасность;
• сварочные: переменная нагрузка, сложный расчёт обмоток;
• тороидальные: компактный сердечник, малое поле рассеяния.

Материалы обмоток и изоляции

Материал провода задаёт сопротивление катушки. Медь проводит электрический ток лучше алюминия примерно в 1,6 раза, зато стоит дороже. Для трансформаторов с высокой загрузкой медь обычно выгоднее на длинной дистанции. Изоляционный материал тоже важен. Изоляционный картон, бумага и лак выдерживают нагрев и сохраняют диэлектрические свойства. Современные материалы класса нагревостойкости H позволяют поднять температуру без ускоренного старения.

• медь: меньше сопротивление, выше цена;
• алюминий: легче и дешевле, больше сечение;
• масло и бумага: надёжная классическая изоляция;
• эпоксидная смола: основа сухих трансформаторов.

Реактивная мощность и коэффициент мощности

Низкий cosφ заставляет сеть гнать лишний ток при той же отдаваемой энергии. Больше тока — больше нагрева в катушках и кабелях. Поэтому компенсация реактивной нагрузки конденсаторными установками уменьшает потери и разгружает трансформатор. Эффект заметен на предприятиях с двигателями и сварочными постами. Повышение cosφ с 0,7 до 0,95 уменьшает полный ток примерно на четверть, а нагрев обмоток почти вдвое. Это хороший повод заглянуть в счета за реактивную энергию.

• установите конденсаторные батареи;
• отключайте двигатели, простаивающие вхолостую;
• контролируйте cosφ по счётчику.

Модернизация и замена старого трансформатора

Старый трансформатор с холостым ходом в два-три раза выше современного стоит дороже, чем кажется. Такой трансформатор съедает энергию каждый час, даже если нагрузки нет. Замена на новый трансформатор окупается за несколько лет, а аморфный сердечник выгоден при слабой загрузке.

Оценка строится на простой логике: разница расхода в киловаттах умножается на часы и тариф. Прибавьте стоимость обслуживания и сравните с ценой нового изделия. Тем же образом оценивают и ремонт: перемотка обмоток иногда даёт повышение показателей без покупки.

• снимите паспортные и фактические данные;
• посчитайте годовой расход в киловатт-часах;
• сравните его с предложениями изготовителей;
• учтите срок службы и гарантию.

Частые ошибки эксплуатации

Чаще всего потери растут не из-за конструкции, а из-за привычек. Перегруз зимой, забытые под напряжением ответвления, пыльные радиаторы — каждый пункт добавляет киловатты к счёту. Исправить их проще, чем кажется. Иным образом проблему не решить: даже лучший сердечник не спасёт от плохих контактов. Проверяйте и стяжку магнитопровода, и затяжку выводов. Снижение потерь начинается с обычной профилактики.

• работа с перегрузом больше допустимого времени;
• неравномерная загрузка фаз;
• ослабшая стяжка сердечника и шум при работе;
• влажное масло и забитые радиаторы.

Классы энергоэффективности и стандарты

В Европе уровень потерь регулирует Регламент ЕС 548/2014: он ограничивает значения для распределительных и силовых трансформаторов, а второй этап требований действует с 2021 года. В России параметры задают национальные стандарты и технические условия изготовителя. При выборе смотрите на пару цифр в паспорте: Pхх и Pкз. Чем меньше обе цифры, тем дешевле содержание трансформатора. Но сравнивайте только трансформаторы, которые имеют одинаковую мощность и напряжение.

• запросите протокол испытаний;
• посчитайте стоимость потерь за весь срок службы;
• сопоставьте цену покупки с экономией на электроэнергии.

Частые вопросы

• Являются ли трансформаторы эффективными на 100 %?

Нет. Часть энергии неизбежно уходит в тепло, поэтому реальный трансформатор не достигает 100 %. Идеальный трансформатор без потерь остаётся теоретической моделью.

• Почему эффективность трансформатора достигает 97 % и выше?

Устройство простое: нет движущихся частей, трения и вентиляторного расхода. Остаются электрические и магнитные потери, а их научились сильно сокращать. У крупных силовых трансформаторов показатель превышает 99 %.

• Какая загрузка даёт лучший результат?

Обычно 40–60 % от номинала, но точное значение даёт формула √(Pхх / Pкз) по паспортным данным.

Что делать на практике

Начните с замера: сравните фактические значения с паспортными. Потом проверьте загрузку и состояние охлаждения. Если трансформатору больше 25 лет, замена на новый с низким расходом часто дешевле, чем годами платить за лишнюю энергию. Для подбора и определения необходимой мощности рекомендуем обращаться на завод «Арктика»: специалисты помогут выбрать трансформатор под вашу нагрузку.