Как посчитать годовые потери электроэнергии в трансформаторе

Содержание

• Формула потерь электроэнергии в трансформаторе
• Расчёт потерь электроэнергии в трансформаторе пошагово
• Пример: определить годовые потери электроэнергии в трансформаторе ТМ-630
• Как определить годовые потери энергии в трансформаторе по графику нагрузки
• Годовые потери электроэнергии в разных трансформаторах при одинаковой нагрузке
• Расчёт потерь мощности и электроэнергии в трансформаторах в счёте ОСР
• Вопросы и ответы

Годовые потери в трансформаторе складываются из двух частей. Потери холостого хода умножают на все часы, когда трансформатор под напряжением. Потери короткого замыкания (КЗ) умножают на квадрат коэффициента загрузки и только на часы работы под нагрузкой. Именно так записано в формуле (5) Методики Минэнерго 1998 года по определению потерь в трансформаторах: ΔW = ΔPхх·Tп + Kз²·ΔPк.з.·Tр. Возьмём ТМ-630, который за год передал 1,2 млн кВт·ч за 4000 ч работы. Его потери составляют около 14,9 тыс. кВт·ч, то есть 1,24 % потреблённой энергии. Более трети этой суммы (5256 кВт·ч) даёт холостой ход, который идёт даже в выходные.

Формула потерь электроэнергии в трансформаторе

Трансформатор теряет энергию в двух местах, и каждое считают по-своему. Сталь сердечника греется всё время, пока на обмотку высокого напряжения подано напряжение, независимо от нагрузки. Обмотки греются от тока, и этот нагрев растёт пропорционально квадрату загрузки. Отсюда формула для активной энергии за год:

ΔW = ΔPхх · Tп + Kз² · ΔPк.з. · Tр

• ΔPхх, кВт: потери холостого хода из паспорта или каталога;
• ΔPк.з., кВт: потери короткого замыкания при номинальной нагрузке, тоже из паспорта;
• Tп, ч: календарное время под напряжением, за год 8760 ч;
• Tр, ч: часы работы под нагрузкой, то есть сменность предприятия;
• Kз: коэффициент загрузки, отношение фактической мощности к номинальной.

Первые две величины берут из документов на аппарат, Tп и Tр — из графика работы, а Kз приходится считать по показаниям счётчика. Как именно, показано в следующем разделе.

Расчёт потерь электроэнергии в трансформаторе пошагово

Методика определяет Kз не по пиковой, а по средней нагрузке за расчётный период. Порядок такой:

1. Взять со счётчика потреблённую активную энергию WP, кВт·ч, и реактивную WQ, кВАр·ч.
2. Разделить каждую на часы работы Tр и получить средние мощности Pф = WP / Tр и Qф = WQ / Tр.
3. Если счётчика реактивной энергии нет, принять WQ = WP · tgφ, где tgφ равен 0,8 для промышленных и 0,6 для непромышленных потребителей.
4. Посчитать фактическую мощность Sф = √(Pф² + Qф²), кВА.
5. Разделить её на номинальную: Kз = Sф / Sн.
6. Подставить всё в формулу ΔW.

Чаще всего ошибаются с часами. Если вместо Tр подставить 8760, средняя мощность выйдет заниженной вдвое или втрое, а нагрузочная составляющая уменьшится ещё и в квадрате. Для предприятия с одной сменой правильный и ошибочный результаты могут отличаться в несколько раз.

Пример: определить годовые потери электроэнергии в трансформаторе ТМ-630

Условие: цех работает в две смены, 4000 ч в год, и потребил 1 200 000 кВт·ч активной энергии. Счётчика реактивной энергии нет, поэтому tgφ = 0,8. Трансформатор ТМ-630/10/0,4 имеет паспортные значения 0,6 кВт холостого хода и 6,5 кВт короткого замыкания по таблице характеристик ТМ.

Потери составляют 1,24 % потреблённой энергии. При условной цене 6 грн/кВт·ч это около 89,6 тыс. грн в год. Если цех перейдёт на одну смену с тем же годовым потреблением, Tр сократится вдвое, Kз вырастет, и нагрузочная составляющая удвоится. Так что тот же объём энергии, потреблённый за более короткое время, обходится дороже.

Как определить годовые потери энергии в трансформаторе по графику нагрузки

Расчёт по средней нагрузке удобен для ежемесячных счетов, но там, где нагрузка скачет, он даёт занижение. Причина математическая: среднее значение квадратов всегда больше квадрата среднего или равно ему. Цех, который полдня работает на 90 %, а полдня стоит, теряет в обмотках больше, чем показывает расчёт по средним 45 %.

Более точный результат дают два способа:

• Почасовые данные счётчика. Если учёт автоматизирован (автоматизированная система коммерческого учёта, АСКУЭ, или интеллектуальный счётчик), Kз считают для каждого часа, возводят в квадрат и суммируют. Это самый точный метод, потому что он не требует предположений о форме графика.
• Время наибольших потерь τ. В проектных расчётах, когда графика ещё нет, используют эмпирическую зависимость τ = (0,124 + Tmax / 10 000)² · 8760, где Tmax — это годовое число часов использования максимума нагрузки. Тогда нагрузочная составляющая равна ΔPк.з. · (Smax / Sн)² · τ.

Вот как τ зависит от режима работы объекта:

Для того же ТМ-630 с пиком 500 кВА и Tmax = 4000 ч этот способ даёт 15,1 тыс. кВт·ч в год, то есть почти совпадает с расчётом по Методике. Заметным расхождение станет на объектах с резкими пиками.

Годовые потери электроэнергии в разных трансформаторах при одинаковой нагрузке

Одна и та же нагрузка из примера (384 кВА, 4000 ч в год) на разных аппаратах даёт разный результат. Таблица посчитана по той же формуле по паспортным данным из каталога.

Из таблицы видны три закономерности:

• почти полностью загруженный ТМ-400 теряет больше всех, потому что нагрузочная составляющая растёт с квадратом Kз;
• у недогруженного ТМ-1000 холостой ход уже больше нагрузочной составляющей, а выигрыш по сравнению с ТМ-630 составляет лишь 2 тыс. кВт·ч в год, хотя сам аппарат тяжелее на 585 кг;
• сухой аппарат той же мощности теряет на 70 % больше, чем масляный ТМ, и почти вся разница приходится на холостой ход.

Поэтому выбор мощности с учётом нагрузки, cosφ и запаса 15–20 % влияет на ежегодные расходы не меньше, чем цена самого аппарата. Энергоэффективные серии, как например ТМЗ с отдельным рядом сниженных потерь от 630 до 2500 кВА, дают заметную экономию именно на холостом ходе. Сравнение сухих и масляных аппаратов при постоянной нагрузке 70 % круглый год приведено для 630, 1000 и 2500 кВА. Исходные данные там другие, поэтому и цифры больше.

Расчёт потерь мощности и электроэнергии в трансформаторах в счёте ОСР

Когда счётчик стоит на стороне 0,4 кВ, а граница балансовой принадлежности проходит на 10 кВ, счётчик потерь в трансформаторе не видит. Их добавляют к показаниям расчётом. Это прямо предусматривает Кодекс коммерческого учёта электрической энергии, утверждённый постановлением НКРЭКУ № 311:

• по п. 5.1.6, если узел учёта стоит не на коммерческой границе, объём электроэнергии определяют с учётом потерь между точкой измерения и точкой коммерческого учёта по методическим рекомендациям и согласованным алгоритмам;
• по п. 5.1.15, когда основным становится узел учёта оператора системы распределения (ОСР) и счётчик стоит не на границе балансового разграничения, ОСР должен предоставить потребителю алгоритм расчёта потерь.

Итак, алгоритм, по которому вам их начисляют, должен быть согласован и зафиксирован в договоре. Проверить счёт можно по формуле выше: подставить паспортные ΔPхх и ΔPк.з. своего аппарата, часы работы и показания счётчика. Методика 1998 года считает и реактивную составляющую: ΔWQ = ΔQхх · Tп + Kз² · ΔQк.з. · Tр, где ΔQхх = Sн · Iхх / 100, а ΔQк.з. = Sн · Uк / 100. Для этого нужны ток холостого хода Iхх и напряжение КЗ Uк из паспорта.

Вопросы и ответы