Совершенствование методов определения технических потерь электроэнергии в силовых трансформаторах распределительных электрических сетей, с учетом взаимосвязи их параметров с величиной и характером нагрузки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Костинский Сергей Сергеевич

• Костинский Сергей Сергеевич
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Костинский Сергей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И ОБЗОР ТРЕБОВАНИЙ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

1.1 Предпосылки и обоснование необходимости модернизации распределительных электрических сетей в части обновления парка силовых трансформаторов

1.2 Обоснование целесообразности замены и установки новых силовых распределительных трансформаторов на основе критерия минимальной полной дисконтированной стоимости их владения с учетом капитализированных потерь

1.3 Силовые распределительные трансформаторы как объект, представляющий собой потенциал для повышения энергоэффективности передачи и распределения электрической энергии в распределительных электрических сетях

1.4 Обзор стандартов развитых и развивающихся стран, применяемых для повышения энергоэффективности силовых распределительных трансформаторов

1.4.1 Меры и стандарты, применяемые на территории

Европейского Союза

1.4.2 Меры и стандарты, применяемые на территории

Соединенных Штатов Америки

1.4.3 Меры и стандарты, применяемые на территории Канады

1.4.4 Меры и стандарты, применяемые на территории Австралии

1.4.5 Меры и стандарты, применяемые на территории Индии

1.4.6 Меры и стандарты, применяемые на территории Китайской

Народной Республики

1.4.7 Меры и стандарты, применяемые на территории Японии

1.4.8 Меры и стандарты, применяемые на территории

Российской Федерации

1.4.9 Обобщение рассмотренных подходов, используемых различными странами для оценки энергоэффективности силовых распределительных трансформаторов

1.5 Обзор и анализ подходов, используемых для снижения потерь ХХ и КЗ силовых распределительных трансформаторов, поставляемых на рынок Российской Федерации

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, СВЯЗАННЫХ

С ОЦЕНКОЙ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

2.1 Анализ нормативных документов, регламентирующих нормы, предъявляемые к качеству электрической энергии в части гармонических составляющих напряжения и силы тока

2.2 Обзор и результаты исследований гармонического состава тока электроприемников

2.2.1 Обзор и результаты исследований гармонического состава

тока бытовых осветительных электроприемников

2.2.2 Обзор и результаты исследований гармонического состава

тока электроприемников наружного освещения

2.2.3 Обзор и результаты исследований гармонического состава

тока бытовых и офисных электроприемников

2.2.4 Обзор и результаты исследований гармонического состава

тока частотно-регулируемых электроприводов

2.3 Результаты исследований гармонического состава тока в распределительных электрических сетях с номинальным напряжением 0,4 кВ

2.3.1 Результаты исследований гармонического состава тока в

системе электроснабжения многоквартирного жилого дома

2.3.2 Результаты исследований гармонического состава тока в

системе электроснабжения промышленного предприятия

2.3.3 Результаты исследований гармонического состава тока на

вводах 0,4 кВ ТП, эксплуатируемых в городских распределительных электрических сетях

2.4 Обзор и результаты исследований гармонического состава тока в распределительных электрических сетях с номинальным напряжением 6 кВ

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ОБЗОР И АНАЛИЗ СПОСОБОВ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ, В ТОМ ЧИСЛЕ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНЫХ И НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

3.1 Обоснование актуальности разработки нового подхода к расчету технических потерь в силовых трансформаторах, эксплуатируемых

в распределительных электрических сетях

3.2 Анализ структуры технических потерь и изменения значений мощности потерь холостого хода в процессе эксплуатации распределительных трансформаторов

3.3 Обзор и анализ способов расчета потерь активной мощности и электроэнергии в распределительных трансформаторах

3.4 Обзор и анализ способов расчета дополнительных потерь в распределительных трансформаторах, обусловленных несимметрией нагрузки

3.5 Обзор и анализ способов расчета дополнительных потерь в распределительных трансформаторах, обусловленных несинусоидальной нагрузкой

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИММЕТРИЧНОЙ Т-ОБРАЗНОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ СИЛОВОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

4.1 Анализ преимуществ и недостатков, применяемых схем замещения силовых двухобмоточных трансформаторов

4.2 Обзор и анализ тенденций развития конструкции силовых трансформаторов

4.3 Разработка методики определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения силового двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме

4.4 Апробация разработанной методики определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения силового двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме с использованием компьютерной модели системы электроснабжения

4.5 Программные средства для реализации методики определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения силового двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В СИЛОВЫХ ТРЕХФАЗНЫХ ДВУХОБМОТОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ, УЧИТЫВАЮЩЕГО ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ИХ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ С ВЕЛИЧИНОЙ И ХАРАКТЕРОМ НАГРУЗКИ

5.1 Разработка способа определения технических потерь в силовых трансформаторах, учитывающего взаимосвязь параметров Т-образной схемы замещения с последовательным соединением сопротивлений в ветви намагничивания с величиной и характером

нагрузки

5.2 Разработка способа определения технических потерь в силовых трансформаторах, учитывающего взаимосвязь параметров прямой Г-образной схемы замещения с последовательным соединением сопротивлений в ветви намагничивания с величиной и характером нагрузки

5.3 Метод условно-постоянных коэффициентов для определения комплексного значения технических потерь полной мощности в распределительном трансформаторе

5.4 Адаптация метода условно-постоянных коэффициентов с целью учета дополнительных потерь в распределительных трансформаторах от высших гармонических составляющих

5.5 Программные средства для реализации метода условно-постоянных коэффициентов, адаптированного для учета дополнительных потерь в распределительных трансформаторах от высших гармонических составляющих

5.6 Выводы по главе

ГЛАВА 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДА УСЛОВНО-ПОСТОЯННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗНАЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ

6.1 Описание физической модели системы электроснабжения, используемой для анализа симметричных и несимметричных режимов ее работы при активно-индуктивной нагрузке

6.2 Экспериментальная апробация разработанного метода условно-постоянных коэффициентов в случае симметричной активно-индуктивной нагрузки

6.3 Экспериментальная апробация разработанного метода условно-постоянных коэффициентов в случае несимметричной активно-индуктивной нагрузки

6.4 Усовершенствование физической модели системы электроснабжения с целью применения ее для исследования режимов работы при нелинейной активно-индуктивной нагрузке

6.5 Экспериментальная апробация разработанного метода условно-постоянных коэффициентов в случае несинусоидальной активно-индуктивной нагрузки

6.6 Аппаратное средство для реализации метода условно-постоянных коэффициентов

6.7 Апробация разработанных программных и аппаратных средств, применяемых для реализации метода условно постоянных коэффициентов, в действующих распределительных электрических сетях

6.8 Выводы по главе

ГЛАВА 7 ПРИМЕНЕНИЕ УСЛОВНО-ПОСТОЯННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВЫХ ТРЕХФАЗНЫХ ДВУХОБМОТОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

7.1 Величина КПД силового трансформатора как критерий для оценки энергоэффективности передачи электрической энергии в распределительных электрических сетях

7.2 Анализ допущений, принятых при разработке общепринятой формулы для расчета КПД силовых трансформаторов

7.3 Анализ научных публикаций об оценке факторов, влияющих на точность расчета КПД силовых трансформаторов

7.4 Методика расчета КПД силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов с использованием условно-постоянных коэффициентов

7.5 Описание компьютерной модели, применяемой для оценки разработанной методики расчета КПД силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов с использованием условно-постоянных коэффициентов

7.6 Обоснование преимущества применения разработанной методики расчета КПД с использованием условно-постоянных коэффициентов

7.7 Анализ применения разработанной методики расчета КПД с использованием условно-постоянных коэффициентов для силовых трансформаторов ¡-III габаритов

7.8 Алгоритм и программа для реализации методики расчета КПД с использованием условно-постоянных коэффициентов для оценки и прогнозирования энергоэффективности существующих и проектируемых трансформаторных подстанций распределительных электрических сетей

7.9 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Гистограммы уровней максимальных потерь распределительных трансформаторов, полученные на основе стандартов, принятых в развитых и развивающихся странах для повышения

их энергоэффективности

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Осциллограммы мгновенных значений силы

тока электроприемников

ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное) Суточные графики изменения напряжения, силы тока коэффициентов суммарных гармонических искажений напряжения и силы тока, измеренные в распределительных электрических сетях с номинальными напряжениями 0,4 и 6 кВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (справочное) Разработка способа определения технических потерь в силовых трансформаторах, учитывающего взаимосвязь параметров Т-образной схемы замещения с параллельным соединением проводимостей в ветви намагничивания с величиной и

характером нагрузки

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное) Разработка способа определения технических потерь в силовых трансформаторах, учитывающего взаимосвязь параметров прямой Г-образной схемы замещения с параллельным соединением проводимостей в ветви намагничивания с

величиной и характером нагрузки

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (справочное) Программные средства для реализации

метода условно-постоянных коэффициентов

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж (справочное) Блок-схема алгоритма реализации метода

условно-постоянных коэффициентов

ПРИЛОЖЕНИЕ З (справочное) Блок-схема алгоритма реализации метода условно-постоянных коэффициентов, адаптированного с целью учета дополнительных потерь в распределительных трансформаторах от высших

гармонических составляющих

ПРИЛОЖЕНИЕ И (справочное) Внешний вид элементов физической модели системы электроснабжения, разработанной в целях апробации метода условно-постоянных коэффициентов при различных величине и характере нагрузки

ПРИЛОЖЕНИЕ К (справочное) Результаты экспериментальной апробации метода условно-постоянных коэффициентов в случае несимметричной активно-индуктивной нагрузки при условно неизменном значении коэффициента мощности во всех трех фазах равном 0,6 и наличии

двухфазной симметрии

ПРИЛОЖЕНИЕ Л (справочное) Фрагмент протокола юстировки

ПРИЛОЖЕНИЕ М (справочное) Патенты на изобретения и свидетельства о

регистрации программ для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Н (справочное) Сведения о внедрениях

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов определения технических потерь электроэнергии в силовых трансформаторах распределительных электрических сетей, с учетом взаимосвязи их параметров с величиной и характером нагрузки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Важнейшей задачей при эксплуатации электроэнергетических систем является задача корректного определения энергетической эффективности и долгосрочного планирования показателей работы всей энергосистемы и отдельных ее составляющих. При этом главной проблемой в сфере низкой энергоэффективности электроэнергетики Российской Федерации являются потери, связанные с транспортировкой электрической энергии в электрических сетях [1 - 4]. В этой связи первостепенное значение приобретает точность определения фактических и нормативных потерь для линий электропередачи, силовых трансформаторов и иных объектов электросетевого хозяйства, поскольку это напрямую влияет на экономическую стабильность и успешность работы сетевых организаций, эксплуатирующих электрические сети [5].

В последнее время становится все более очевидным, что резкое обострение проблемы снижения потерь электроэнергии в электрических сетях требует активного поиска новых путей ее решения, связанных с совершенствованием подходов и мероприятий, направленных на выбор силового оборудования, используемого для транспортировки электрической энергии, которые будут основаны на более точных способах расчета потерь [6]. При этом следует учитывать, что разработка мер по повышению энергоэффективности эксплуатируемого в энергосистемах силового электрооборудования, является комплексной многофакторной задачей [7].

Распределительные электрические сети 6 (10) кВ занимают особое место в структуре ПАО «Россети», т.к. отличаются наибольшей протяженностью сетей и количеством установленного в них силового оборудования, включающего силовые трансформаторы. При этом износ трансформаторного оборудования к настоящему времени значителен, что свидетельствует о первостепенной необходимости его масштабной модернизации и обновления в обозримом будущем [8, 9]. При планировании

закупок нового оборудования для распределительных электрических сетей, в рамках реализации государственных и отраслевых программ энергосбережения, необходимо проводить комплексный расчёт потерь электроэнергии за весь предполагаемый срок его службы, включающий расчёт совокупной стоимости владения трансформаторным оборудованием, учитывающий как первоначальные капитальные вложения, так и последующие операционные расходы [10]. Это обусловлено тем, что в условиях постоянного роста тарифов на электроэнергию стоимость потерь в силовом трансформаторе за период его эксплуатации может превысить затраты на его приобретение. При этом следует учитывать, что в распределительных электрических сетях 6 (10) / 0,4 кВ наблюдается тенденция увеличения величины высших гармонических составляющих напряжения и силы тока, а также уровня несимметрии, что приводит к увеличению дополнительных потерь в линиях электропередачи и силовых трансформаторах, и должно быть учтено при их выборе, расчете режима их работы и дальнейшей эксплуатации [11].

Таким образом, разработка методов оценки энергоэффективности силовых трансформаторов, эксплуатируемых в составе распределительных электрических сетей на территории Российской Федерации, учитывающих взаимосвязь их параметров с величиной и характером нагрузки, а также связанные с этим теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку мероприятий по снижению потерь при транспортировке электрической энергии, заключающиеся в выборе оборудования оптимально встраиваемого в сеть с существующей нагрузкой и обеспечивающего при этом минимальную стоимость транспортировки электрической энергии, представляют собой своевременную актуальную научно-техническую задачу [12].

Степень разработанности темы исследования.

Необходимость разработки методов определения технических потерь мощности и электроэнергии в системах электроснабжения существует уже

многие десятилетия. Ряд авторов в России и за рубежом посвятили свои работы тематике разработки методов оценки потерь в элементах распределительных сетей, такие как: Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Герасименко А.А., Грачева Е.И., Кононов Ю.Г., Надтока И.И., Цырук С.А., Калинкина М.А., Бартоломей П.И., Бердин А.С., Воропай Н.И., Виноградов А.В., Горштейн В.М., Идельчик В.И., Казанцев В.Н., Кокин С.Е., Крумм Л.А., Моржин Ю.И., Паздерин А.В., Троицкий А.И., Лоскутов А.Б., Загорский Я.Т., Юндин М.А. и др., так и зарубежные (Баламетов А.Б., Короткевич М.А., Мамедьяров О.С., Поспелов Г.Е., Прихно Л.А., Фурсанов М.И., G. Andersson, S.H. Low, S.A. Kamel, Hu Wei, José Luis Rueda-Torres и др.). В последнее время все ощутимее для распределительных электрических сетей становится возросшее влияние несинусоидальных режимов их работы, являющихся источниками появления дополнительных потерь в элементах систем электроснабжения. В виду этого решение проблемы качества электрической энергии, а также обнаружение и снижение дополнительных потерь, обусловленных высшими гармоническими составляющими в электрических сетях не теряет своей значимости. Данной проблеме посвящено множество работ в отечественной и зарубежной литературе, авторами которых являются: Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Зыкин Ф.А., Майер В.Я., Шидловский А.К., Куренный Э.Г., Сычев Ю.А., Наумов И.В., Висящев А.Н., Карташев И.И., Черепанов В.В., Никифорова В.Н., Смирнов С.С., J. Arrillaga, Wilsun Xu, Добрусин Л.А., Иванов В.С., Курбацкий В.Г., Кучумов Л.А., Бердин А.С., Салтыков В.М., Бирюлин В.И., Куделина Д.В., Карташев И.И. и др. учёные.

Работами в области совершенствования методов расчета потерь в распределительных электрических сетях занимаются сотрудники АО «НТЦ ФСК ЕЭС», Национального исследовательского университета «МЭИ», Казанского государственного энергетического университета, Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II, Ивановского государственного энергетического университета, Северного

(Арктического) федерального университета, Северо-Кавказкого федерального университета и др. В течение последнего десятилетия в связи с развитием цифровых и телекоммуникационных технологий количество публикаций и изобретений по указанной тематике неуклонно растет. Исследования в указанной области широко освещены и представлены на всероссийских и международных конференциях, проводимых РНК СИГРЭ и IEEE, а также ведущими университетами.

Исследования выполнялись в рамках: гранта РФФИ «мол-а-вед» № 18-38-20188 «Разработка и исследование средств интеллектуального моделирования и синтеза траекторий технологических процессов электроэнергетических сетей»; научного направления «Развитие теории и практики создания интеллектуальных энергетических и электротехнических систем», утвержденного ученым советом ЮРГПУ (НПИ) от 26.10.2022 г. в части выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию инновационных технических решений для электроэнергетики страны; энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2050 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 12.04.2025 г. № 908-р в части улучшения технико-экономических показателей функционирования электросетевого хозяйства; реализации указа Президента Российской Федерации от 18.06.2024 г. № 529 «Об утверждении приоритетных направлений научно-технологического развития и перечня важнейших наукоемких технологий» в части приоритетного направления научно-технологического развития, связанного с высокоэффективной и ресурсосберегающей энергетикой, и критических технологий создания высокоэффективных систем генерации, распределения и хранения энергии.

Объектом исследования являются распределительные электрические сети напряжением 0,4 - 6 (10) кВ.

Предметом исследования являются методы, методики и алгоритмы программных и аппаратных средств для расчета и анализа технических

потерь активной мощности и электроэнергии в силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторах, эксплуатируемых в распределительных электрических сетях.

Целью диссертационной работы является снижение погрешности определения технических потерь в силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторах, эксплуатируемых в составе систем электроснабжения, за счет совершенствования методов и алгоритмов их расчета, обусловленного учетом взаимосвязи параметров их схем замещения с величиной и характером нагрузки.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

- выполнением анализа необходимости модернизации распределительных электрических сетей с обоснование целесообразности замены и установки новых силовых распределительных трансформаторов на основе критерия минимальной полной дисконтированной стоимости их владения с учетом капитализированных потерь, а также обзора стандартов развитых и развивающихся стран, применяемых для повышения энергоэффективности силовых распределительных трансформаторов;

- выполнением анализа отечественных и зарубежных нормативных документов, регламентирующих нормы, предъявляемые к качеству электрической энергии в части гармонических составляющих напряжения и силы тока, а также проведением экспериментальных исследований с последующим анализом гармонического состава тока отдельных электроприемников и ступеней распределения систем электроснабжения, включающих распределительные электрические сети с уровнями напряжения НН и СН;

- обоснованием актуальности разработки нового метода расчета технических потерь в силовых трансформаторах, эксплуатируемых в распределительных электрических сетях, на основе обзора и анализа существующих способов расчета потерь активной мощности и электроэнергии в распределительных трансформаторах, обусловленных в том числе питаемой от систем электроснабжения несимметричной и

несинусоидальной нагрузками, а также преимуществ и недостатков, применяемых схем замещения силовых двухобмоточных трансформаторов;

- разработкой методики определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения силового двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме без вывода из эксплуатации и ее апробации с использованием компьютерной модели системы электроснабжения, с последующей разработкой программных средства для ее реализации;

- разработкой способа определения комплексного значения технических потерь полной мощности в силовых трансформаторах, учитывающего взаимосвязь параметров Т-образной и Г-образной схем замещения с величиной и характером нагрузки, а также на его основе метода условно-постоянных коэффициентов и программного средства для его реализации;

- выполнением адаптация метода условно-постоянных коэффициентов с целью учета дополнительных потерь в распределительных трансформаторах от высших гармонических составляющих и программного средства для его реализации;

- разработкой физической модели системы электроснабжения, включающей в свой состав силовой трехфазный двухобмоточный трансформатор, с целью применения ее для исследования симметричных и несимметричных режимов работы при линейной и нелинейной активно -индуктивной нагрузке;

- проведением на разработанной физической модели экспериментальных исследований, направленных на оценку изменения величины относительной погрешности расчета технических потерь в силовом трехфазном двухобмоточном трансформаторе при использовании метода условно-постоянных коэффициентов, а также оценку ее корреляционной связи с рядом параметров: коэффициентом загрузки, коэффициентом мощности, коэффициентом неравномерности нагрузки фаз, коэффициентом суммарных гармонических искажений силы тока, с целью обоснования преимущества и области применения разработанного метода;

- разработкой аппаратного средства для реализации метода условно -постоянных коэффициентов и апробацией его и разработанных программных средств, в действующих распределительных электрических сетях;

- разработкой методики расчета КПД силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, использующей условно-постоянные коэффициенты, обоснованием преимущества ее применения для силовых трансформаторов 1-Ш габаритов с применением компьютерной модели системы электроснабжения, а также разработкой и апробацией алгоритма и программы для ее реализации с целью оценки и прогнозирования энергоэффективности существующих и проектируемых трансформаторных подстанций распределительных электрических сетей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан способ определения технических потерь в силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторах, эксплуатируемых в распределительных электрических сетях, отличающийся тем, что для его реализации используются условно-постоянные коэффициенты, которые позволяют учесть взаимосвязь параметров их схем замещения с величиной и характером нагрузки, что способствует снижению погрешности расчета потерь;

- разработан метод условно-постоянных коэффициентов для определения комплексного значения технических потерь полной мощности в распределительных трансформаторах и алгоритм его реализации, отличающиеся использованием в качестве исходных данных паспортных данных силового трехфазного двухобмоточного трансформатора и параметров его нагрузки, получаемых посредством мониторинга при их прямом измерении, что позволяет, не выводя силовое оборудование из эксплуатации, выявлять системы электроснабжения с повышенным уровнем технических потерь в режиме реального времени и способствует своевременной разработке мероприятий, направленных на повышение их энергоэффективности;

- разработан адаптированный метод условно-постоянных коэффициентов для определения комплексного значения технических потерь полной мощности в распределительных трансформаторах, учитывающий дополнительные потери, обусловленные наличием высших гармонических

составляющих в системе электроснабжения, генерируемых нагрузкой, потребляющей ток несинусоидальной формы, отличающийся использованием адаптированных условно-постоянных коэффициентов, учитывающих изменение реактивного и активного сопротивлений для соответствующей гармонической составляющей, что позволяет снизить погрешность их расчета (патент на изобретение № 2826221 РФ);

- разработаны алгоритм реализации адаптированного метода условно -постоянных коэффициентов и программные средства, отличающиеся использованием для расчета измеренных на вводе 0,4 кВ распределительного трансформатора значений напряжения, силы тока и активной мощности для каждой гармонической составляющей от 1-ой до 40-й для каждой из трех фаз, что позволяет выполнить оценку энергоэффективности силовых трансформаторов, эксплуатируемых в распределительных сетях или планируемых к установке на стадии проектирования, при выполнении работ по замене выработавших свой ресурс, с учетом дополнительных потерь, обусловленных наличием нелинейной нагрузки, в целях обеспечения экономичной транспортировки электроэнергии;

- впервые, при использовании разработанной физической модели системы электроснабжения, установлены и оценены корреляционные связи относительной погрешности расчета технических потерь в силовом трехфазном двухобмоточном трансформаторе при использовании метода условно-постоянных коэффициентов с рядом параметров: коэффициентом загрузки, коэффициентом мощности, коэффициентом неравномерности нагрузки фаз, коэффициентом суммарных гармонических искажений силы тока, что позволяет обосновать преимущество применения разработанного метода при симметричных и несимметричных режимах работы системы электроснабжения с линейной и нелинейной активно-индуктивной нагрузкой;

- разработаны методика и алгоритм определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения распределительных трансформаторов, отличающиеся использованием в качестве исходных данных регистрируемых в рабочем режиме массивов мгновенных значений тока и напряжения на выводах обмоток ВН и НН для одних и тех же

моментов времени, которые позволяют, не выводя распределительные трансформаторы из эксплуатации и тем самым сократив недоотпуск электроэнергии конечным потребителям и уменьшив убытки энергоснабжающей организации, определять параметры их схемы замещения с целью дальнейшего использования при реализации методов, направленных на снижение потерь электроэнергии при ее транспортировке и распределении (патент на изобретение № 2752825 РФ);

- на основе эмпирических данных выполнен анализ значений параметров качества электрической энергии, связанных с оценкой несинусоидальных режимов работы распределительных электрических сетей, отличающийся рассмотрением в целом системы электроснабжения по ступеням распределения электрической энергии (отдельные электроприемники, ввода жилого многоквартирного дома, ввода 0,4 кВ ТП, присоединения 6 кВ ПС), что позволяет выполнить оценку и анализ изменения параметров прикладной статистики и корреляционных связей применительно к величинам суммарных гармонических искажений и превалирующих гармонических составляющих напряжения и силы тока, а также их разницы по отдельным фазам и отличия в гармоническом составе в зависимости от питаемого объекта (бытовая или промышленная нагрузка);

- разработаны методика и алгоритм расчета КПД силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, отличающиеся использованием условно-постоянных коэффициентов и учетом особенностей нагрузки объекта электроснабжения, что позволяет учесть взаимосвязь параметров трансформатора с величиной и характером нагрузки, снизить погрешность расчета КПД, что, в свою очередь, способствует выбору из ограниченного множества силовых трансформаторов силового трансформатора, обеспечивающего экономическую квазиоптимальность, способствующую максимальной экономической энергоэффективности электроснабжения.

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке методики определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения распределительных трансформаторов в рабочем

режиме, использующей в качестве исходных данных регистрируемые массивы мгновенных значений тока и напряжения на выводах обмоток ВН и НН для одних и тех же моментов времени, метода условно-постоянных коэффициентов для определения комплексного значения технических потерь полной мощности в распределительных трансформаторах, использующего условно-постоянные коэффициенты и учитывающего взаимосвязь параметров их схем замещения с величиной и характером нагрузки, методики расчета КПД силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, использующей условно-постоянные коэффициенты и учитывающей особенности нагрузки объекта электроснабжения, адаптации метода условно-постоянных коэффициентов, связанной с учетом дополнительных потерь, обусловленных наличием высших гармонических составляющих в системе электроснабжения, генерируемых нелинейной электрической нагрузкой, установлении и оценке корреляционной связи относительной погрешности расчета технических потерь в силовом трехфазном двухобмоточном трансформаторе, при использовании метода условно-постоянных коэффициентов, с рядом параметров: коэффициентом загрузки, коэффициентом мощности, коэффициентом неравномерности нагрузки фаз, коэффициентом суммарных гармонических искажений силы тока. Практическая значимость работы.

Представленные в диссертационной работе методы, методики и алгоритмы позволяют создать программные и аппаратные средства, применение которых способствует разработке экономически обоснованных мероприятий, направленных на снижение потерь электроэнергии при ее транспортировке и распределении по системам электроснабжения.

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты позволяют рекомендовать к практическому применению:

- методику определения параметров симметричной Т-образной схемы замещения распределительных трансформаторов в рабочем режиме, т.е. не выводя их из эксплуатации, тем самым сократив недоотпуск электроэнергии конечным потребителям и уменьшив убытки энергоснабжающей

организации и использовать полученные значения в частности при реализации методов, направленных на снижение потерь электроэнергии при ее транспортировке и распределении;

- метод условно-постоянных коэффициентов для определения комплексного значения технических потерь полной мощности в распределительных трансформаторах, позволяющий учесть взаимосвязь параметров их схем замещения с величиной и характером нагрузки и снизить погрешность расчета потерь, и при этом, не выводя силовое оборудование из эксплуатации, выявлять системы электроснабжения с повышенным уровнем технических потерь в режиме реального времени, что будет способствовать своевременной разработке мероприятий, направленных на повышение их энергоэффективности;

- адаптированный метод условно-постоянных коэффициентов для определения комплексного значения технических потерь полной мощности в распределительных трансформаторах, позволяющий выполнить оценку энергоэффективности силовых трансформаторов, эксплуатируемых в распределительных сетях или планируемых к установке на стадии проектирования, при выполнении работ по замене выработавших свой ресурс, с учетом дополнительных потерь, обусловленных наличием нелинейной нагрузки, в целях обеспечения экономичной транспортировки электроэнергии;

- методику расчета КПД силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, использующую условно-постоянные коэффициенты и позволяющую учесть взаимосвязь параметров трансформатора с величиной и характером нагрузки, тем самым снизив погрешность расчета КПД, что способствует выбору из ограниченного множества силовых трансформаторов, силового трансформатора, обеспечивающего экономическую квазиоптимальность, способствующую максимальной экономической энергоэффективности электроснабжения.

Практическая значимость работы подтверждается актами внедрения результатов диссертационной работы:

- программа для ЭВМ «Программа оценки энергоэффективности силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторов, планируемых к установке на стадии проектирования или находящихся в эксплуатации, на основе условно-постоянных коэффициентов и сведений об их нагрузке» внедрена в производственную деятельность ПО «Центральные электрические сети» филиала ПАО «Россети Юг» - «Ростовэнерго», а также при проектировании распределительных электрических сетей в международную инжиниринговую компанию ООО «ГРИН Проектирование»;

- программа для ЭВМ «Программа расчета потерь активной электроэнергии в силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторах методом условно-постоянных коэффициентов, учитывающая потери, обусловленные влиянием несинусоидальной нагрузки» и патент РФ «Способ определения комплексного значения технических потерь полной мощности в силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторах, эксплуатируемых в городских и промышленных системах электроснабжения» внедрены при проектировании в инжиниринговой компании ООО «Ди Би Си Констракшн», а также в производственную деятельность ООО Научно-производственное предприятие «Электромаш»;

- счетчик потерь, функционирующий на основе программы для ЭВМ «Программа для управления работой устройства мониторинга параметров распределительной сети, необходимых для реализации метода условно постоянных коэффициентов, на базе 32-разрядного процессора с ядром ARM Cortex-M7 (УМПРС 1.0)» внедрен в производственную деятельность ООО Научно-производственное предприятие «Электромаш», а также филиала ПАО «Россети Кубань» Адыгейские электрические сети и ООО «Энергия»;

- метод условно-постоянных коэффициентов и программы для его реализации, а также патент «Способ определения параметров Т-образной схемы замещения однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем

режиме» и программа для ЭВМ «Расчет параметров Т-образной схемы замещения силовых двухобмоточных трансформаторов на основе массивов мгновенных значений входных и выходных силы тока и напряжения, регистрируемых в рабочем режиме без вывода их из эксплуатации (РПТ 1.0)» внедрены в учебный процесс кафедр «Электроснабжение и электропривод» и «Электрические станции и электроэнергетические системы» ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Энергосбережение в электрических сетях» и «Системы электроснабжения», а также при выполнении выпускных квалификационных работ (магистерских диссертаций) по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленность (профиль) «Цифровые системы электроснабжения».

Методология и методы диссертационного исследования.

Основу методологии работы составляют положения теоретической электротехники, методы математической обработки результатов компьютерного и физического моделирования, статистический анализ, а также натурные эксперименты. В ходе выполнения исследования применялись пакеты прикладных программ MathCAD, Multisim, Delphi, Arduino IDE, Statistica. Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена сравнением расчётных значений с данными натурных экспериментов, полученных на физической модели системы электроснабжения, а также с данными компьютерных моделей.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Костинский Сергей Сергеевич, 2026 год

- и ■

1 ■-

Ст - ]В-

1

■ 2 2н + 21

1_

Ст - ]Вт

+ 2

2н

^ т

(Г4)

Ст - ]Вт

Подставив в уравнение (Г.1) значения токов ветвей, можно убедиться в том, что баланс токов в узле 1 соблюдается.

Эквивалентное сопротивление одной фазы модуля ДТН будет равно:

1

7 _ 7 , Ст - ]Вт 2 э = 21 + ^

■ 22н ^ . ^

Ст - ]Вт

+ 2

2н

21 + 212 2н (Ст - ]Вт) + 2 2н 1 + 2 2н (Ст - ]Вт )

/

/

/

1

/

/

Соответственно формула для расчета полной эквивалентной комплексной проводимости одной фазы модуля ДТН примет вид:

у = 1 = 1 +72н (От ~ ]ВТ) (Г 5)

"Э 71 + 7172н (От - ]Бт)+ 72н ' '

Введем дополнительные обозначения для полной эквивалентной комплексной проводимости одной фазы модуля ДТН:

у = 1 + 7 2н (От - ]'Бт ) = а + 7Ь (Г6)

уЭ 71 + 7172н(От - ]Бт )+ 72н С + ' '

где а = 1 + г2 От + т^ От + х2 Бт + х'нБт;

Ь = х2От + хнОт - т2Бт - т^Бт;

с=т1+т2 + тн7 + (т1т2 + т1тн- х1х2- х1хн К+(т1х2+т1хн+т2 х1+тн х1 К ;

Л = х1 + х2 + хн + (т:х2 + тхх'н + т2хх + Тн7хх )От + (- т1т2/ - т1тн/ + х^2 + х^ )Вт.

С целью приведения знаменателя выражения (Г.6) к вещественному виду умножим числитель и знаменатель на выражение сопряженное знаменателю (Г.6), тогда выражение примет вид:

а • с + Ь • Л + ](а • Л + Ь • с)

у э =---. (Г'7)

с + Л

Выполним преобразования для выражения (Г.4) с целью приведения его знаменателя к тождественному виду со знаменателем выражения (Г.5) и в результате получим:

12 =--Г-Ц1-ч-Г. (Г'8)

71 + 717 2н (От - ]Бт )+ 7 2 н

Выражение для расчета квадрата модуля тока третьей ветви с учетом обозначений принятых для выражения (Г.6) и выражения (Г.8) будет иметь вид:

2 -2

= "—^ . (Г'9)

С + Л

Комплексное значение потерь полной мощности одной фазы силового трансформатора для схемы замещения, приведенной на рис. Г.1 [372]:

Д^т = и2 ■ уэ - '2 . (Г.10)

С учетом выражений (Г.7) и (Г.9) выражение (Г.10) примет вид:

д^ = 2Пг 2 ■[а ■ с + Ь ■ й - г/ + ] (а ■ й + Ь ■ с - )]. (Г.11)

Потери активной мощности одной фазы силового трансформатора для схемы замещения, приведенной на рис. Г.1:

ДРт [а ■ с + Ь ■ й - г/ ]. (Г.12)

с й

Потери реактивной мощности одной фазы силового трансформатора для схемы замещения, приведенной на рис. Г.1:

Д& =-тЬ! [а ■ й + Ь ■ с - хн ]. (Г.13)

с + й

В целях оценки влияния параметров нагрузки на потери в силовом трансформаторе дробное выражение в правой части равенства (Г.11) целесообразно представить так, чтобы сопротивления нагрузки были отделены от сопротивлений приведенной схемы замещения трансформатора.

В этом случае вещественная часть числителя а ■ с + Ь ■ й - г^ может быть представлена как сумма двух слагаемых:

- слагаемого, независимого от сопротивлений нагрузки, -

А = (22 )2 (гС + Г!Вт2 + Ст )+ 2г (г2 От + х2 Вт )+ Г! + ; (Г.14)

- слагаемого, зависимого от сопротивлений нагрузки, которое подменим трёхчленом -

В = В1(2Н )2 + В2 гн + В3 хн, (Г.15)

где коэффициенты у сопротивлений нагрузки

В1 = г^2 + В2) + Ст; (Г.16)

В2 = 2[Г1Г2/ (С2 + В2)+ Ст (г + Г2/)]; (Г17)

В3 = 2[г1х2 (С2 + Вт2 )+ ^Вт + х2 Ст ]. (Г.18)

Громоздкое выражение вещественной части числителя дроби в равенстве (Г.11) с учётом формул (Г.14), (Г.16) - (Г.18) принимает компактную форму:

А + В1&н )2 + В2гн + В3хн .

Мнимая часть а ■ й + Ь ■ с - х^ как и реальная часть числителя дробного выражения в правой части равенства (Г.11) также может быть представлена суммой двух слагаемых:

- слагаемого, независимого от сопротивлений нагрузки, -

А2 = (22)2 (х1Вт2 + х1Ст2 + Вт )+ 2 х1 (г2/Ст + х2 Вт )+ х1 + х2; (Г.19)

- слагаемого, зависимого от сопротивлений нагрузки, которое подменим трёхчленом -

О = А(2н )2 + ^2 гн + £>3 хн,

где коэффициенты у сопротивлений нагрузки

О = х1 (Ст2 + Вт2 )+ Вт;

02 = 2[г2/х1 (с2 + Вт2 )+ гЧ + х1Ст ];

03 = 2[х1х2 (с2 + Вт2 )+ Вт (х + х2 )].

(Г.20)

(Г21) (Г.22) (Г.23)

Громоздкое выражение мнимой части числителя дроби в равенстве (Г.11) с учётом формул (Г.19), (Г.21) - (Г.23) принимает компактную форму:

А2 + Д^)2 + О2гн + О3 хн.

Разделение сопротивлений нагрузки и прочих сопротивлений выполним и в знаменателе дроби правой части равенства (Г.11). Тогда алгебраическое выражение знаменателя может быть представлено как сумма двух слагаемых:

- слагаемого без сопротивлений нагрузки -

А3 = 22 + (22 )2 + 22 (22 )2 С2 + В2 ]+ 2 ■ 22 ■ (г/Ст + *2Вт) + + 2 ■ (г// + хх2) + 2 ■ (22)2 ■ (гОт + хВ);

- слагаемого, включающего в себя сопротивления нагрузки -

С = С1(2н )2 + С2гн + С3 хн, (Г.25)

(Г.24)

где коэффициенты у сопротивлений нагрузки

С = 1 + 7* (От2 + Вт2 )+ 2 • (гхОт + х1Бт ); (Г.26)

С2 = 2 • [^ • (От + тО2 + ТВт2) + Т1 + т2 + 2 • (^От + хВ)]; (Г.27) С3 = 2 • [г2 • (Вт + х2От2 + х2Бт2) + х1 + х2 + 2 • (т1х2От + х1х'2Бт)]. (Г.28)

Громоздкое выражение знаменателя дроби в правой части равенства (Г.11) с учётом формул (Г.24), (Г.26) - (Г.28) принимает компактную форму:

Аз + Сх(7н)2 + С2 Тн7 + Сз хн.

С учётом формул (Г.14), (Г.15), (Г.19), (Г.20), (Г.24) и (Г.25) из уравнения (Г.11) следует уравнение для расчета комплексного значения потерь полной мощности одной фазы силового трансформатора идентичное по своему виду выражению (5.46) [372].

Выполним проверку выражения (Г.11), полученного для Т-образной схемы замещения одной фазы приведенного двухобмоточного трехфазного трансформатора с параллельным соединением проводимостей ветви намагничивания, доказав его равенство выражению (5.28), полученному для Т-образной схемы замещения одной фазы приведенного двухобмоточного трехфазного трансформатора с последовательным соединением сопротивлений в ветви намагничивания. Для обеих схем замещения, приведенных на рис. 5.1 и рис. Г.1, должно выполняться условие эквивалентности.

Для последовательной схемы замещения ветви намагничивания (рис. 5.1) — = 1 • 7_1 +10 • 70, для параллельной схемы замещения ветви намагничивания — = 11 • 71 +10 / У 0, а так как токи и напряжения в обеих схемах одинаковы, то: У 0 = 1/ 7 0 и 7 0 = 1/ У 0, т.е. в любой электрической цепи полная проводимость есть величина, обратная полному сопротивлению.

Таким образом, формулы перехода от последовательной схемы замещения ветви намагничивания к параллельной, в соответствии со схемой приведенной на рис. Г.1, следующие:

Ст = • а Вт = . (Г 29)

(Жо|)2 ( 2 о|)2

Следовательно, подставив в формулу (Г.11) выражения для активной и реактивной проводимостей (Г.29), получим формулу (5.28). С этой целью подставим в формулы для расчета условно-постоянных коэффициентов (Г.14), (Г.16) - (Г.18), (Г.19), (Г.21) - (Г.23), (Г.24), (Г.26) - (Г.28) выражения для активной и реактивной проводимостей (Г.29). Тогда выражения для расчета условно-постоянных коэффициентов, полученные для Т-образной схемы замещения одной фазы приведенного двухобмоточного трехфазного трансформатора с параллельным соединением сопротивлений ветви намагничивания примут следующий вид [372]:

А = "¿Г [г (20 + (22 )2 + 2(г2го + х2хо ))+ 202 ■ г/ + (22 )2 го ];

2 о

В1 = (г1 + го ); В2 = т^т [г2 го + г1г2 + г1го ]; В3 = -§2 [гох2 + г1х2 + г1хо ];

2 о 2 о 2 о

А2 ^х(2о2 + (22)2 + 2(г^о + х2хо))+ 2о2 ■ х2 + (2'2)2хо]; 2 о

}1 = (х1 + хо ); О2 = [г2 хо + х1г2 + гох1 ]; О3 = [х2хо + х1 х2 + х1 хо ];

2 о 2 о 2 о

А3 = 72 2 о

21 ■ (2о + (22 )2 )+ 2о (22 )2 + 2 ■ 22 ■ (г/го + х2хо )+"

+ 2 ■ 2 о2

■ (г1г2 + х1 х2

)+ 2 ■ (22)2 ■ (гг + х1 хо)

С1 = ^г 2 + 212 + 2 ■ (г1г, + х1хо )]; 2 о

С2 = -^2 ^ 2 ^ (г2 + го )+ 2о2 (г1 + г2 )+ 2 ■ (г^го + г2^хо )]; 2 о

С3 = 722 ■ ■ (х2 + хо )+ 2о (х1 + х2 )+ 2 ■ (г1гох2 + х1 х2хо )].

Таким образом, разделив числитель и знаменатель выражения (Г.11) на выражение (1 / 202) получим его тождественность выражению (5.28), что и требовалось доказать.

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное) Разработка способа определения технических потерь в силовых трансформаторах, учитывающего взаимосвязь параметров прямой Г-образной схемы замещения с параллельным соединением проводимостей в ветви намагничивания с величиной и характером нагрузки

Прямая Г-образная схема замещения одной фазы силового трехфазного двухобмоточного трансформатора с параллельным соединением проводимостей От и Вт приведена на рис. Д.1.

7'

^н

1

2

Рисунок Д.1 - Прямая Г-образная схема замещения одной фазы силового трехфазного двухобмоточного трансформатора с параллельным соединением проводимостей Gт и Вт

Комплексное значение полной мощности нагрузки при Г-образной схеме замещения силового трансформатора равно произведению квадрата тока и комплексного значения полного сопротивления нагрузки, приведенных к обмотке ВН:

^ =

т/

I

• 2 /.

(Д.1)

Квадрат модуля приведенного тока нагрузки равен отношению квадрата модуля питающего трансформатор напряжения их к квадрату

2

модуля совокупного полного сопротивления трансформатора 2т и нагрузки

2 н, которое приведено к ВН:

г/

I

7 т I 7 н

2 '

(Д.2)

Введем обозначение 2^ = 2т + 2^. Учитывая равенство (Д.2) и

введенное обозначение, из выражения (Д.1) имеем:

2

^н =

2'

— тн

2 7 н

(Д.3)

где

2'

— тн

= Г + ^} + Х + ^н ^ = 2т + 2 ^ + 2 ■ ГГ^ + Хт)• (Д.4)

Полная мощность одной фазы модуля ДТН равна произведению

квадрата питающего напряжения и сопряженной его проводимости (У):

5 =

и

■ У

(Д.5)

Потери полной мощности в одной фазе силового трехфазного двухобмоточного трансформатора получим, если из полной мощности модуля ДТН вычтем полную мощность нагрузки:

А5т = 5 - 5н •

(Д.6)

С учетом равенств (Д.3) и (Д.5) уравнение (Д.6) примет вид:

А5т =

и1

г л

* 7/

У. 2н

2

/

(Д.7)

Эквивалентная проводимость У одной фазы модуля ДТН есть сумма проводимостей ветвей совокупного сопротивления одной фазы силового трансформатора и приведенного сопротивления нагрузки, ветви намагничивания с проводимостью _/£т и ветви имитирующей потери активной мощности в стали с проводимостью От.

2

2

*

2

2

тн

У =

2 т I 2 н

+ В + Ст

(Д.8)

Выполним ряд преобразований правой части формулы (Д.8)

2 т + 2 н

(гт + гн )- ](хт + хн ) (гт + гн/ У -(хт + хн )2

2

22

Здесь 2тн - сопротивление сопряженное с полным сопротивлением ветви, содержащей полное сопротивление одной фазы трансформатора и приведенное полное сопротивление нагрузки.

С учетом последнего равенства формула (Д.8) примет вид:

2

У = ~ тн + /Вт + Ст

_ 2 тн + /Вт2тн + Ст2тн _ гт + ги + Ст2тн + ./ (Вт2тн хт хн )

— т2 ~

2

тн

22

т2 _./

'т2 тн хт "н/ (Д 9)

Сопряженная эквивалентная проводимость одной фазы модуля ДТН:

* , / ^

* г + г

У = ст +

2,

+ /

хт + хн ^

г2

V тн

(Д10)

Таким образом, потери полной мощности в одной фазе силового трансформатора в соответствии с формулой (Д.7) с учетом равенства (Д.10)

ЛЯ

и

С +

т' 2 2 2 тн

+ /

с \

хт о

- Вт

V 2 тн

(Д.11)

Из формулы (Д.11) следует, что потери активной мощности в одной фазе силового трансформатора [372]

ЛЯ

т.ф

и

г

Ст + т

2,

2

(Д.12)

Таким образом, в режиме опыта КЗ, когда 2н ^ о

ЛР

т.ф. КЗ

и

г

Ст + ~32 2 2

а в режиме ХХ, когда 2н ^ да

ЛР

т.ф.ХХ

и

■ Ст.

1

*

тн

2

г.

т

2

2

Представим выражение (Д.11) в виде выражения (5.46), полученного ранее с целью определения соответствующих коэффициентов.

С этой целью знаменатель дроби у формулы (Д.11) представим в развернутом виде в соответствии с выражением (Д.4). Получаем выражения для соответствующих коэффициентов для знаменателя выражения (Д.11), отделенных от сопротивления нагрузки и идентичные полученным ранее:

А = ^т, С = 1, С2 = 2Гт, Сз = 2хт. (Д.13)

Вещественную часть числителя дроби выражения (Д.11) представим в развернутом виде:

От

(г тн )2+ г = От {гт2 } + 2гт ^ + 2 хт )+ гт •

Отсюда получаем выражения для соответствующих коэффициентов для вещественной части числителя выражения (Д.11), отделенных от сопротивления нагрузки и идентичных полученным ранее:

А = От Жт2 + Гт, В1 = От, В2 = 2От Гт, Вз = 2От Хт. (Д.14)

Мнимую часть числителя дроби выражения (Д.11) представим в развернутом виде:

Хт - Вт (гтн|) = Хт - Вт Жт2 + (гн У + 2ГтГн7 + 2Хтхн ).

Получаем выражения для соответствующих коэффициентов для мнимой части числителя выражения (Д.11), отделенных от сопротивления нагрузки и идентичных полученным ранее:

А2 = хт - Втгт2, А = -Вт, А = -2Втгт, £>3 = -2Втхт • (Д.15)

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (справочное) Программные средства для реализации метода условно-постоянных коэффициентов

Программа предназначена для решения задачи расчета потерь в распределительных трансформаторах при транспортировке электрической энергии и способствует повышению энергоэффективности передачи электрической энергии в распределительных сетях. В основе работы программы лежат вычисления условно-постоянных коэффициентов силового трехфазного двухобмоточного трансформатора, а для ее использования необходимы сведения о величине и характере нагрузки силового трансформатора, задаваемые в виде графиков изменения напряжения, силы тока и активной мощности. Интерфейс программы выполнен в виде отдельных окон с определенными функциями:

- окно выбора номинального напряжения обмотки ВН распределительного трансформатора, а также его производителя, марки и номинальной мощности, с автоматическим выбором из базы данных программы его паспортных данных, необходимых для расчета (рис. Е.1, а). В базе данных программы представлены следующие отечественные заводы изготовители, а также производители стран Евразийского экономического союза и Европейского союза: ЗАО «Биробиджанский завод силовых трансформаторов» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 25 до 6300 кВА, ТМГ от 25 до 1000 кВА, ТМЗ от 250 до 1600 кВА, ТМФ от 250 до 400 кВА, ТС(З)Л) от 25 до 3150 кВА); ООО «Трансформер-Урал» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 16 до 1000 кВА, ТМГ от 40 до 1600 кВА, ТМФ от 250 до 400 кВА, ТЛС с медными обмотками от 400 до 2500 кВА, ТЛС с нормальным уровнем потерь от 25 до 3150 кВА, ТЛС с пониженным уровнем шума от 400 до 2500 кВА); ОАО «Алтайский трансформаторный

завод» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 25 до 630 кВА, ТМГ от 25 до 630 кВ А, ТМэ от 160 до 630 кВ А, ТМГэ от 160 до 1000 кВ А); ЗАО «Группа компаний «Электрощит» - ТМ Самара» (марки силовых трансформаторов: ТМ(Г)(Ф) серия 11 от 25 до 2500 кВА, ТМ(Г) серия 12 от 25 до 2500 кВА, ТМГ серия 15 от 400 до 2500 кВА, ТЛС-СЭЩ от 25 до 100 кВА); ООО «Тольяттинский Трансформатор» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 1000 до 1600 кВ А, ТМГ от 40 до 1600 кВ А, ТМГ(2) от 250 до 1600 кВА, ТМГФ от 400 до 1600 кВА); ЗАО «Электрощит» - Москва (марки силовых трансформаторов: ТМ от 25 до 1600 кВА, ТМГ от 25 до 1600 кВА, ТМГ-12 от 100 до 1600 кВА, ТС(З)Л от 10 до 2500 кВ А); ОАО «Чебоксарский опытно-экспериментальный завод «Энергозапчасть» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 25 до 1600 кВА, ТМГ от 10 до 6300 кВ А, ТЛС от 10 до 6300 кВ А, ТСЗ от 10 до 2500 кВ А); ООО «Электротехническая компания «Русский трансформатор» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 25 до 2500 кВА, ТМГ от 40 до 1600 кВА, ТМЗ от 250 до 1600 кВ А, ТС(З)Л от 25 до 2500 кВ А); ОАО «Минский электротехнический завод имени В.И. Козлова» (марки силовых трансформаторов: ТМГ от 16 до 1250 кВА, ТМГ-11 от 250 до 1250 кВА, ТМГ-12 от 250 до 1250 кВ А, ТМГСУ от 25 до 250 кВ А); ОАО «Уфимский завод «Электроаппарат» (марки силовых трансформаторов: ТМ с алюминиевыми обмотками от 25 до 1000 кВА, ТМ с медными обмотками от 25 до 1600 кВА, ТМГ с алюминиевыми обмотками от 25 до 1250 кВА, ТМГ с пониженной себестоимостью от 25 до 1600 кВА, ТМГ с пониженными потерями от 100 до 1250 кВ А, ТМГ с медными обмотками от 100 до 1250 кВА, ТСЗ(Ф)(С) от 100 до 630 кВА, ТСЗПП с классом нагревостойкости изоляции Н от 25 до 630 кВ А); ООО «Рассказовский электротехнический завод» (марки силовых трансформаторов: ТС от 25 до 1000 кВА, ТСЗ от 25 до 1000 кВА); ОАО «Свердловский завод

трансформаторов тока» (марки силовых трансформаторов: ТМГ от 100 до 1000 кВА, ТЛС от 10 до 2500 кВА); ООО «Электрофизика» (марки силовых трансформаторов: ТС(З) с алюминиевыми обмотками от 100 до 4000 кВА, ТС(З) с медными обмотками от 100 до 3150 кВ А); АО «Кентаусский трансформаторный завод» (марки силовых трансформаторов: ТМ от 25 до 2500 кВА, ТМГ от 25 до 2500 кВА, ТМЗ от 250 до 2500 кВА); «ШЕБУ Б.р.а.» (марки силовых трансформаторов: ТСЛ с нормальным уровнем потерь от 100 до 3150 кВ А, ТСЛ с пониженным уровнем потерь от 100 до 3150 кВА); «Магпа1е йашЮгтаШп б.гЛ.» (марка силовых трансформаторов ТС(З)Л (ЮЯ-Т) от 160 до 3150 кВ А); «ОБЕ Б.р.а.» (марки силовых трансформаторов: ТСЛ со стандартным уровнем потерь от 50 до 5000 кВА, ТСЛ с пониженным уровнем потерь от 50 до 5000 кВ А). Также предусмотрен пользовательский ввод параметров распределительных трансформаторов: завод-изготовитель, марка, номинальная мощность, потери активной мощности в режиме опытов ХХ и КЗ, напряжение КЗ, ток ХХ;

- окно загрузки массивов действующих значений, полученных для каждой фазы, напряжения, силы тока и активной мощности, измеренных на стороне НН распределительного трансформатора и расчета параметров его Т-образной схемы замещения (рис. Е.1, б). В данном окне предусмотрена возможность построения графиков измеренных значений отдельно для каждой величины и фазы системы электроснабжения, а также отображение выбранных из базы данных в предыдущем окне номинальных параметров и рассчитанных параметров на Т-образной схемы замещения одной фазы силового трехфазного двухобмоточного трансформатора;

- окно расчета параметров нагрузки, условно-постоянных коэффициентов и потерь активной мощности и электроэнергии в силовом трансформаторе, эксплуатируемом в распределительной электрической сети (рис. Е.1, в), включающее в себя: блок расчета параметров нагрузки,

подключенной к силовому трансформатору и приведенных к обмотке ВН (с возможностью отображения значений активного и индуктивного сопротивлений нагрузки в виде таблицы и виде графиков для каждой фазы); блок расчета условно-постоянных коэффициентов и потерь активной мощности в распределительном трансформаторе (с возможностью отображения значений потерь активной мощности в виде таблицы и в виде графиков для каждой фазы и суммарных потерь по трем фазам, значений условно-постоянных коэффициентов, используемых для расчета потерь, отображение в виде таблицы массива вычисленных суммарных значений потерь активной мощности для трех фаз упорядоченных по возрастанию, и полученных на их основе параметров прикладной статистики: среднего, минимального, максимального и медианного значений); блок расчета потерь активной электроэнергии и параметров прикладной статистики используемых для оценки энергоэффективности рассматриваемых вариантов силовых трансформаторов по критерию минимизации потерь электроэнергии при ее транспортировке по распределительной электрической сети (с возможностью задания интервала измерений, стоимости одного киловатта активной электроэнергии, срока эксплуатации и стоимости распределительного трансформатора, и вычисления на их основе с возможностью отображения суммарных потерь активной электроэнергии за сутки, стоимости потерь за срок эксплуатации и процента стоимости потерь от стоимости распределительного трансформатора за срок эксплуатации). Также в данном окне есть функция сохранения основных параметров и вычисленных значений в файл, с целью выполнения сравнения различных вариантов силовых трансформаторов, при их эксплуатации в распределительных электрических сетях, и выбора наилучшего варианта с точки зрения энергоэффективности передачи электрической энергии.

Рисунок Е.1 - Внешний вид окон интерфейса программы для ЭВМ «Программа расчета потерь активной электроэнергии в силовых трехфазных двухобмоточных трансформаторах методом условно-постоянных коэффициентов с использованием Т-образной схемы замещения и сведений об их нагрузке»: а - окно выбора номинального напряжения обмотки ВН распределительного трансформатора, а также его производителя, марки и номинальной мощности с автоматическим выбором из базы данных программы его паспортных данных; б - окно загрузки массивов действующих значений, полученных для каждой фазы, напряжения, силы тока и активной мощности на стороне НН распределительного трансформатора и расчета параметров его Т-образной схемы замещения; в - окно расчета параметров нагрузки, условно-постоянных коэффициентов и потерь активной мощности и электроэнергии в силовом трансформаторе, эксплуатируемом в распределительной электрической сети

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж (справочное) Блок-схема алгоритма реализации метода условно-постоянных

коэффициентов

Начало

ДРхх, ДРкз, ^н, икз, Ixx, Цвн, Цнн

Ь = 1 ... 3

1н Ь, Ц Ь, Рн Ь

Гн Ь, Хн Ь, ^н Ь

/ / 7 / Гн Ь, Хн Ь, ^н Ь

▼

1

/1н

1

Гт, X

1

Г1 = Г2/

1

XI = Х2/

1 >

!он

1 >

rХХ, XХХ, ^ХХ

Х

Го, Хо

Ввод паспортных данных распределительного трансформатора, входящего в состав системы электроснабжения

Расчет номинального тока в обмотке ВН

Вычисление активного, индуктивного и полного сопротивлений обмоток распределительного трансформатора

Вычисление активного сопротивления обмотки ВН и приведенного активного сопротивления обмотки НН распределительного трансформатора

Вычисление индуктивного сопротивления рассеяния обмотки ВН и приведенного индуктивного сопротивления рассеяния обмотки НН распределительного трансформатора

Расчет номинального тока ХХ распределительного трансформатора

Вычисление совокупных активного, индуктивного и полного сопротивлений ветви намагничивания и ветви обмотки ВН распределительного трансформатора

Вычисление активного и индуктивного сопротивлений ветви намагничивания распределительного трансформатора

Вычисление коэффициента трансформации распределительного трансформатора

Ввод массивов измеренных для каждой из трех фаз с помощью измерительных приборов, установленных во вводной ячейке, питающей шины НН трансформаторной подстанции, к которой подключен конечный потребитель электрической энергии (нагрузка), активной мощности, силы тока и напряжения

Расчет активного, реактивного и полного сопротивлений нагрузки для каждой фазы, подключенной к выводам обмотки НН распределительного трансформатора

Расчет приведенных активного, реактивного и комплексного полного сопротивлений нагрузки каждой фазы, подключенной к выводам обмотки НН распределительного трансформатора

От вт =- Хо

(¿о!)2 т (¿о!)2

Вычисление значений проводимостей, используемых для перехода от последовательной схемы замещения ветви намагничивания к параллельной

к

т

Т-обра зная схема Да

замещения

С последовательным

1 ^^соединением г0, х0 ' 1

А и г г2+(г/)2+2(^2+х0х/)]+ г2 • г/ + (г/)2 г, А1 — (7/)2 (От2 + г^Вт2 + От )+ 2Г1 (О + х/Вт )+ Г1 + г/

В = (1 + п)

в1 — г1(от2 + вт2)+от

/В — 2Г/ + г1г2 + Г0Г1)

1

В3 — 2(г0 х/ + ^х/ + х0Г[)

1 >

А/ — х^2 + (г/)2 + 2(1-01/ + х0 х/)]+г02 • х/ + (г/)2 х

1 >

А — (х1 + х0)

т

В2 — 2[гГ (о/ + Вт2)+От (л + г/)

г

В,

■з = 2^/ (а/ + в/ )+^вт + х/от

т.

а2 — (г/ )2 (хв/ + х1ат2 + вт)+2х1 (О + х/вт)+х1 + х/

г

А = х1(ат2 + вт2)+вт

А2 = 2( + х1г2/ + г0х1)

г

А2 = 2[г2/х1(о/ + Вт2)+г/Вт + х1ат

Аз — 2( х х/ + х1 х/ + хо х1)

г

г

-С3 — 2 х1х/ (о^ + В^)+Вт (х1 + х//)

Аз — г2 -[го2 + (г/)2 ]+7о2(7./)2 + 2 • г2 • (гГ+хох/)+ + 2 • го2 • (г1г2 + х1х/) + 2 • (г2 )2 • (г0г1 + х0х1);

г

I

Аз — г2 + (г/)2 + г2^/)2 [а/+в/ ]+2 • г2 • (г/ат + х/ вт ) +

+ 2 • (г1г2/ + х1х//) + 2 • (г//)2 • (гО + х^.Вт);

С1 = го2 + г12 + 2 • (г0г1 + х0х1)

I

с1 — 1+г12 (ат2 + в/ )+2 • (г1ат+х1вт)

Е

С2 — 2• [г2 • (Г0 + г/) + г2^! + г/) + 2• (ггГ + х0х1г/)] С2 — 2 • г/ • (ат + г2/ат2 + г2/вт2)+г1 + г/ + 2 • (г1г2/ат + г/хв)]

1 1 >

С3 — 2 • г2 • (х0 + х//) + г0/(х1 + х/) + 2 • (г^х/ + х0х1х/) С3 — 2 • г,2 • (Вт + х/От2 + х/в/) + х1 + х/ + 2 • (г1х/От + х1х/Вт )]

А _ Гс^ 2 у2 т + Гт70

1

В _ Г0

1

В2 _ 2г0гт

1

Вз _ 2г0 Хт

А2 _ Х07 2 + Хт 70

\

А = х0

1

А2 _ 2 х0Гт

1

II 2 Х0 Хт

+

Л _ 7272 А3 _ 70 7 т

1

С = -7 2 70

1

С _ 2г72 с2 _ 2'т70

1

С3 _ 2 Хт 70

Ац — ^7т 7 тр + Г*т

1

В1 — -От

1

В2 — 2СЛ

1 >

Вз _ 2^тХт

1

А2 _ Хт — Вт 72

А _ -Вт

А2 _ - -2Вт Гт

Аз _ - 2Вт хт

Аз _ 7 2 7 т

1

С1 _ 1

1