Як порахувати річні втрати електроенергії в трансформаторі

Зміст

• Формула втрат електроенергії у трансформаторі
• Розрахунок втрат електроенергії у трансформаторі покроково
• Приклад: визначити річні втрати електроенергії у трансформаторі ТМ-630
• Як визначити річні втрати енергії у трансформаторі за графіком навантаження
• Річні втрати електроенергії в різних трансформаторах при однаковому навантаженні
• Розрахунок втрат потужності та електроенергії у трансформаторах у рахунку ОСР
• Питання та відповіді

Річні втрати в трансформаторі складаються з двох частин. Втрати холостого ходу множать на всі години, коли трансформатор під напругою. Втрати короткого замикання (КЗ) множать на квадрат коефіцієнта завантаження і лише на години роботи під навантаженням. Саме так записано у формулі (5) Методики Міненерго 1998 року з визначення втрат у трансформаторах: ΔW = ΔPхх·Tп + Kз²·ΔPк.з.·Tр. Візьмемо ТМ-630, який за рік передав 1,2 млн кВт·год за 4000 год роботи. Його втрати становлять близько 14,9 тис. кВт·год, тобто 1,24 % спожитої енергії. Понад третину цієї суми (5256 кВт·год) дає холостий хід, який іде навіть у вихідні.

Формула втрат електроенергії у трансформаторі

Трансформатор втрачає енергію у двох місцях, і кожне рахують по-своєму. Сталь осердя гріється весь час, поки на обмотку високої напруги подано напругу, незалежно від навантаження. Обмотки гріються від струму, і цей нагрів росте пропорційно квадрату завантаження. Звідси формула для активної енергії за рік:

ΔW = ΔPхх · Tп + Kз² · ΔPк.з. · Tр

• ΔPхх, кВт: втрати холостого ходу з паспорта або каталогу;
• ΔPк.з., кВт: втрати короткого замикання при номінальному навантаженні, теж з паспорта;
• Tп, год: календарний час під напругою, за рік 8760 год;
• Tр, год: години роботи під навантаженням, тобто змінність підприємства;
• Kз: коефіцієнт завантаження, відношення фактичної потужності до номінальної.

Перші дві величини беруть із документів на апарат, Tп і Tр із графіка роботи, а Kз доводиться рахувати з показів лічильника. Як саме, показано в наступному розділі.

Розрахунок втрат електроенергії у трансформаторі покроково

Методика визначає Kз не за піковим, а за середнім навантаженням за розрахунковий період. Порядок такий:

1. Взяти з лічильника спожиту активну енергію WP, кВт·год, і реактивну WQ, кВАр·год.
2. Поділити кожну на години роботи Tр і отримати середні потужності Pф = WP / Tр та Qф = WQ / Tр.
3. Якщо лічильника реактивної енергії немає, прийняти WQ = WP · tgφ, де tgφ дорівнює 0,8 для промислових і 0,6 для непромислових споживачів.
4. Порахувати фактичну потужність Sф = √(Pф² + Qф²), кВА.
5. Поділити її на номінальну: Kз = Sф / Sн.
6. Підставити все у формулу ΔW.

Найчастіше помиляються з годинами. Якщо замість Tр підставити 8760, середня потужність вийде заниженою вдвічі чи втричі, а навантажувальна складова зменшиться ще й у квадраті. Для підприємства з однією зміною правильний і помилковий результати можуть відрізнятися в кілька разів.

Приклад: визначити річні втрати електроенергії у трансформаторі ТМ-630

Умова: цех працює у дві зміни, 4000 год на рік, і спожив 1 200 000 кВт·год активної енергії. Лічильника реактивної енергії немає, тож tgφ = 0,8. Трансформатор ТМ-630/10/0,4 має паспортні значення 0,6 кВт холостого ходу та 6,5 кВт короткого замикання за таблицею характеристик ТМ.

Втрати становлять 1,24 % спожитої енергії. За умовної ціни 6 грн/кВт·год це близько 89,6 тис. грн на рік. Якщо цех перейде на одну зміну з тим самим річним споживанням, Tр скоротиться вдвічі, Kз зросте, і навантажувальна складова подвоїться. Тож той самий обсяг енергії, спожитий за коротший час, обходиться дорожче.

Як визначити річні втрати енергії у трансформаторі за графіком навантаження

Розрахунок за середнім навантаженням зручний для щомісячних рахунків, але там, де навантаження стрибає, він дає заниження. Причина математична: середнє значення квадратів завжди більше за квадрат середнього або дорівнює йому. Цех, який півдня працює на 90 %, а півдня стоїть, втрачає в обмотках більше, ніж показує розрахунок за середніми 45 %.

Точніший результат дають два способи:

• Погодинні дані лічильника. Якщо облік автоматизований (автоматизована система комерційного обліку, АСКОЕ, або інтелектуальний лічильник), Kз рахують для кожної години, підносять до квадрата й підсумовують. Це найточніший метод, бо він не потребує припущень про форму графіка.
• Час найбільших втрат τ. У проєктних розрахунках, коли графіка ще немає, використовують емпіричну залежність τ = (0,124 + Tmax / 10 000)² · 8760, де Tmax це річна кількість годин використання максимуму навантаження. Тоді навантажувальна складова дорівнює ΔPк.з. · (Smax / Sн)² · τ.

Ось як τ залежить від режиму роботи об’єкта:

Для того самого ТМ-630 з піком 500 кВА і Tmax = 4000 год цей спосіб дає 15,1 тис. кВт·год на рік, тобто майже збігається з розрахунком за Методикою. Помітною розбіжність стане на об’єктах із різкими піками.

Річні втрати електроенергії в різних трансформаторах при однаковому навантаженні

Одне й те саме навантаження з прикладу (384 кВА, 4000 год на рік) на різних апаратах дає різний результат. Таблицю пораховано за тією самою формулою за паспортними даними з каталогу.

Із таблиці видно три закономірності:

• майже повністю завантажений ТМ-400 втрачає найбільше, бо навантажувальна складова росте з квадратом Kз;
• у недовантаженого ТМ-1000 холостий хід уже більший за навантажувальну складову, а виграш порівняно з ТМ-630 становить лише 2 тис. кВт·год на рік, хоча сам апарат важчий на 585 кг;
• сухий апарат тієї самої потужності втрачає на 70 % більше за масляний ТМ, і майже вся різниця припадає на холостий хід.

Тому вибір потужності з урахуванням навантаження, cosφ і запасу 15–20 % впливає на щорічні витрати не менше, ніж ціна самого апарата. Енергоефективні серії, як-от ТМЗ з окремим рядом знижених втрат від 630 до 2500 кВА, дають помітну економію саме на холостому ході. Порівняння сухих і масляних апаратів при сталому навантаженні 70 % цілий рік наведено для 630, 1000 і 2500 кВА. Вихідні дані там інші, тому й цифри більші.

Розрахунок втрат потужності та електроенергії у трансформаторах у рахунку ОСР

Коли лічильник стоїть на боці 0,4 кВ, а межа балансової належності проходить на 10 кВ, лічильник втрат у трансформаторі не бачить. Їх додають до показів розрахунком. Це прямо передбачає Кодекс комерційного обліку електричної енергії, затверджений постановою НКРЕКП № 311:

• за п. 5.1.6, якщо вузол обліку стоїть не на комерційній межі, обсяг електроенергії визначають з урахуванням втрат між точкою вимірювання і точкою комерційного обліку за методичними рекомендаціями та погодженими алгоритмами;
• за п. 5.1.15, коли основним стає вузол обліку оператора системи розподілу (ОСР) і лічильник стоїть не на межі балансового розмежування, ОСР має надати споживачу алгоритм розрахунку втрат.

Отже, алгоритм, за яким вам їх нараховують, має бути погоджений і зафіксований у договорі. Перевірити рахунок можна за формулою вище: підставити паспортні ΔPхх і ΔPк.з. свого апарата, години роботи й покази лічильника. Методика 1998 року рахує й реактивну складову: ΔWQ = ΔQхх · Tп + Kз² · ΔQк.з. · Tр, де ΔQхх = Sн · Iхх / 100, а ΔQк.з. = Sн · Uк / 100. Для цього потрібні струм холостого ходу Iхх і напруга КЗ Uк з паспорта.

Питання та відповіді