Понятие мощности трансформатора
Трансформатор переменного тока не производит электрическую энергию, а лишь преобразовывает ее по величине. Поэтому его мощность полностью зависит от ее величины нагрузки (тока потребления) вторичной цепи. При наличии нескольких потребителей должна учитываться суммарная нагрузка, которая может быть подключена одновременно. Для цепей переменного тока учитывается активный и реактивный характер потребления.
Активная
Данная составляющая часть характеристики определяется как среднее значение мгновенной за определенный период времени. Для цепей синусоидального переменного тока в качестве отрезка времени используется значение периода колебания:
T=1/f,
где f – частота.
Активная часть зависит от характера нагрузки, то есть от сдвига фаз между током и напряжением и определяется по формуле:
P=i∙U∙cosϕ,
где ϕ – угол сдвига фаз.
Активная составляющая устройств переменного тока выражается в Ваттах, как и для цепей постоянного тока.
Реактивная
Реактивная нагрузка отличается от активной тем, что в течение одного периода колебаний напряжения электрическая энергия реально не потребляется, но возвращается назад. В результате того, что к питающему устройству подключены устройства с большой емкостью или индуктивностью (электродвигатели), между током и напряжением возникает сдвиг фаз.
Реактивная составляющая потребления определяется выражением:
Q= i∙U∙sinϕ
Единица измерения – вар (вольт-ампер реактивный).
Полная
Полная мощность трансформатора учитывает всю потребленную и возвращенную энергию и находится из выражения:
S= i∙U
Все составляющие связаны соотношением:
S2=P2+Q2.
Единица измерения – ВА (вольт-ампер).
Полная мощность равняется активной только в случае полностью активной нагрузки.
Номинальная
Номинальная мощность трансформатора учитывает возможность работы конструкции с учетом подключения потребителей разного характера, то есть аналогична полной. При этом гарантируется исправная работа устройства весь заявленный срок службы при оговоренных условиях эксплуатации.
Номинальная мощность, как и полная, учитывает активный и реактивный характер потребления, которое может изменяться во время эксплуатации.
Выражается в вольт-амперах.
Какой бывает нагрузка
Нагрузка бывает резистивной, при которой практически вся мощность затрачивается на работу электроприбора. Например, чтобы нагрелся электрочайник, ТЭНы, расположенные внутри него, при прохождении тока, забирают ровно столько электроэнергии, сколько указано в характеристике. Резистивная мощность электроприборов указывается в кВт.
При индуктивной нагрузке, некоторая часть электроэнергии расходуется на создание электромагнитного поля. Например, в двигателях. Поэтому вычислить досконально, сколько именно нужно электроэнергии для вращения двигателя, затратно.
Также существует и такое понятие как смешанная нагрузка. Здесь присутствует одновременно несколько типов нагрузок. Большинство современных электроприборов работает именно по такой схеме.
Методика расчета мощностей трансформатора
При расчете силового трансформатора питающей подстанции учитывается среднесуточная нагрузка и длительность периода максимальной потребления. При этом должно учитываться соотношение:
Sном≥∑Pмакс
Режим пикового потребления также должен учитывать время воздействия, поскольку при кратковременных всплесках (до 1 часа), устройство будет работать в недогруженном режиме, что экономически не выгодно.
В таких случаях нужно брать в расчет перегрузочную способность конструкции, которая зависит от конструктивных особенностей, температуры окружающего воздуха и условий охлаждения. Это диктуется условиями допустимого нагрева составляющих элементов (обмоток, коммутирующих цепей).
Понятие коэффициента загрузки определяет отношение среднесуточного и максимального потребления электрической энергии. Коэффициент загрузки всегда меньше единицы. Его величина связана с требованиями к надежности электроснабжения. Чем меньше требуемая надежность, тем больше коэффициент может приближаться к единице.
Основные российские и зарубежные заводы-производители силовых и распределительных трансформаторов
В работах [3, 4] дан анализ состояния российского рынка силовых и распределительных трансформаторов (25 кВА — 6300 кВА) в части потребности в этих трансформаторах и приведены основные заводы-производители России и СНГ. Прогноз потребности и сведения о заводах приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Данные об основных заводах-производителях сухих и масляных трансформаторов I–III габарита в Росси и СНГ
| № п/п | Наименование юридического лица производителя, город, руководитель | Примерный объем производства, штук в год (в 2022 году) | Ассортиментный перечень распределительных трансформаторов |
| 1 | ООО «Трансформер» Решетников Иван Валерьевич 142104, Московская область, город Подольск, Большая Серпуховская улица, дом 43 корпус 101, пристройка 840 помещение 1 2015 | 1400 | Сухие и масляные трансформаторы всех типов |
| 2 | Электрощит Самара 443048, Самарская область, город Самара, территория ОАО Электрощит 2003 Управляющая организация НАО «СЭЩ Холдинг» Шатунин Владимир Витальевич 443048, Самарская область, город Самара, территория ОАО «Электрощит» 2019 | Нет данных | Сухие и масляные трансформаторы всех типов |
| 3 | АО «ЭЛЕКТРОЩИТ» Григорьев Антон Валерьевич 142324, Московская область, город Чехов, деревня Люторецкое, Производственная улица, владение 1 2002 | 1100 | Масляные трансформаторы и сухие трансформаторы с литой изоляцией |
| 4 | ООО «Тольяттинский трансформатор» Чистяков Владимир Сергеевич 445035, Самарская область, город Тольятти | 1300 (только трансформаторы типа ТМГ) | Масляные трансформаторы |
| 5 | ООО «СВЭЛ-Силовые трансформаторы» 620010, Свердловская область, город Екатеринбург Управляющая организация АО «ГРУППА «СвердловЭлектро» Кишко Алексей Юрьевич 620010, Свердловская область, город Екатеринбург | Нет данных | Сухие трансформаторы с литой изоляцией |
| 6 | ОАО «Алтайский трансформаторный завод» Карлов Александр Александрович 656016, Алтайский край, город Барнаул, Павловский тракт, 28 2002 | 10 000 | Масляные трансформаторы |
| 7 | ООО «Электрофизика» Волков Алексей Евгеньевич 196641, город Санкт-Петербург, поселок Металлострой | 1 000 | Сухие трансформаторы с воздушно-барьерной изоляцией |
| 8 | МЭТЗ им. В. И. Козлова Радевич Александр Михайлович ул. Уральская, 4, каб. 502 220037, г. Минск Республика Беларусь 1956 | 24 000 | Масляные и сухие трансформаторы всех типов |
| 9 | АО «Кентауский трансформаторный завод» Кожабаев Хайрулла Байдильдаевич Республика Казахстан, Туркестанская область, г. Кентау, ул. И. Кожабаева 2 1959 (выкуплен частным собственником в 1997 году) | 10 000 (объём экспорта в страны СНГ) | Масляные и сухие трансформаторы всех типов |
| 10 | ТОО «Уральский трансформаторный завод» Сауранбаев Акжол Нартаевич Республика Казахстан, г. Уральск ул. Есенжанова 42/6Н1 2014 | 9 000 (объём экспорта в страны СНГ) | Масляные трансформаторы и сухие с литой изоляцией |
| 11 | ООО ПК «СлавЭнерго» Козлов Владимир Александрович 150031, Ярославская область, город Ярославль | Менее 1000 штук в год | Сухие трансформаторы с литой и воздушно-барьерной изоляцией |
| 12 | ООО « Бутылкин Александр Борисович 623750, Свердловская область, Режевской район, город Реж | Менее 1000 штук в год | Масляные трансформаторы |
| 13 | ООО «Феррома» Линев Дмитрий Сергеевич 187330, Ленинградская область, Кировский район, город Отрадное | Менее 1000 штук в год | Сухие трансформаторы с литой изоляцией |
| 14 | ООО «Завод Электромашина» Буторов Александр Павлович 650044, Кемеровская Область — Кузбасс область, город Кемерово | Менее 1000 штук в год | Сухие трансформаторы с литой и воздушно-барьерной изоляцией |
| 15 | ООО «Курганский завод силовых трансформаторов» Мостовских Сергей Александрович 640007, Курганская область, город Курган | Менее 1000 штук в год | Масляные и сухие трансформаторы с литой изоляцией |
| 16 | ООО «Проектэлектротехника» 429122, Чувашская Республика — Чувашия, город Шумерля Управляющая организация ООО «Корпорация «Проект-Техника» 125362, город Москва Бекбулатов Игорь Ахмедович | Менее 1000 штук в год | Сухие трансформаторы с литой изоляцией |
Таблица 2. Прогноз потребного количества масляных и сухих трансформаторов на 2021-2022 годы.
| Мощность трансформатора, кВА | Общая потребность, штук | Потребность в масляных трансформаторах, штук | Потребность в сухих трансформаторах, штук |
| 25 | 34881 | 27905 | 6976 |
| 40 | 12856 | 10285 | 2571 |
| 63 | 7170 | 5736 | 1434 |
| 100 | 4738 | 3790 | 948 |
| 160 | 3436 | 2749 | 687 |
| 250 | 2643 | 2114 | 529 |
| 400 | 2117 | 1694 | 423 |
| 630 | 1746 | 1397 | 349 |
| 1000 | 1474 | 1179 | 295 |
| 1600 | 1266 | 1013 | 253 |
| 2500 | 1104 | 883 | 221 |
| 4000 | 974 | 779 | 195 |
| 6300 | 868 | 694 | 175 |
| Суммарно | 75274 | 60218 | 15056 |
Однако кроме перечисленных в таблице 1 заводов, в России функционирует много небольших предприятий, которые выполняют сборку трансформаторов из зарубежных комплектующих. Комплектующие закупаются чаще всего в Италии, Германии, Турции, Южной Корее и Китае. Многие небольшие трансформаторные заводы частично сами изготавливают основные компоненты трансформаторов (обмотки, магнитопроводы, баки), частично закупают у крупных заводов.
На трансформаторном рынке РФ присутствуют также зарубежные производители силовых и распределительных трансформаторов. Помимо известных брендов, таких как ABB, Schneider Electric, Siemens, большим спросом пользуются также трансформаторы менее известных производителей из Италии, Чехии, Турции. Основная часть зарубежных поставщиков представлена на ресурсах, указанных в ссылках [5 — 11].
Необходимо обратить внимание, что, несмотря на общий в целом теоретический и методологический аппарат проектирования трансформаторов, в каждой стране, на каждом предприятии сложились свои инженерные школы, свои нюансы в производстве трансформаторов. Источник этих различий кроется, в частности, в различных стандартах, в различных условиях эксплуатации трансформаторов в разных странах, в различных уровнях конструкторской и технологической дисциплины предприятий разных стран. Это всё в конечном итоге приводит к тому, что зарубежное трансформаторное оборудование не всегда исправно работает при эксплуатации в нашей стране.
При таком разнообразии производителей трансформаторов на рынке необходим инструментарий, позволяющий сравнивать трансформаторы равной мощности между собой с целью выбора наилучшего варианта, как в техническом плане, так и в стоимостном.
Примеры реальных расчетов
В качестве примера можно выбрать питающую подстанцию жилого района. Нагрузка подстанции является III категории, поэтому коэффициент загрузки допустимо выбирать из большего значения – 0.9-0.95.
Характер потребления тока бытового сектора зависит от времени суток и сезона, но с учетом высокого коэффициента загрузки допустимо учитывать среднее значение потребляемой мощности. Для повышения надежности работы в период максимального потребления рекомендуется использование маслонаполненных трансформаторов, которые отличаются большой перегрузочной способностью в течение длительного периода времени (30% перегрузки в течение 2-х часов).
Таблицы
Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год
Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год
Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год
Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год
Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные обычные трансформаторы), тыс. руб.
Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.
Срок окупаемости (масляные энергоэффективные по сравнению с масляными обычными), лет.
Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие обычные трансформаторы), тыс. руб.
Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.
Срок окупаемости (сухие энергоэффективные по сравнению с сухими обычными), лет.
Эскиз конструкции трансформатора
Конструкция мощного силового трансформатора состоит из нескольких частей:
- Остов.
- Выемная часть.
В состав выемной части входит, собственно сердечник и обмотки с активной частью, которая включает переключатели с приводами, вводы высокого и низкого напряжений, предохранительные устройства.
Остов – основная составляющая конструкции активной части. В состав остова входит магнитная система (сердечник) со всеми обмотками, а также конструктивные элементы для крепления и соединения обмоток и частей магнитной системы.
Компенсация
Учитывая, что при резонансе токов реактивная мощность равняется 0:
Q = QL — QC = ULI – UCI
Для того чтобы улучшить качество работы определенного устройства применяются специальные приборы, минимизирующие воздействие потерь на сеть. В частности, это ИБП. В данном приборе не нуждаются электрические потребители со встроенным аккумулятором (к примеру, ноутбуки или портативные устройства), но для большинства остальных источник бесперебойного питания является необходимым.
При установке такого источника можно не только установить негативные последствия потерь, но и уменьшить траты на оплату электричества. Специалисты доказали, что в среднем, ИБП поможет экономить от 20 % до 50 %. Почему это происходит:
- Значительно уменьшается нагрузка силовых трансформаторов;
- Провода меньше нагреваются, это не только положительно влияет на их работу, но и повышает безопасность;
- У сигнальных и радиоустройств уменьшаются помехи;
- На порядок уменьшаются гармоники в электрической сети.
