ELECTRIC, WITH AN EDGE
Las pérdidas del transformador de distribución representan el 40-45% de las pérdidas totales de todos los transformadores en el sistema de energía.
En el cálculo integral de la economía del sistema eléctrico, muchas compañías eléctricas intentan evaluar el rendimiento de los transformadores desde los aspectos de inversión, pérdida, confiabilidad y sensibilidad del sistema eléctrico.
En los últimos años, la crisis energética ha llamado la atención de la gente sobre la energía consumida en el proceso de producción y uso de la energía.
Para los sistemas de potencia, también se enfoca en reducir las pérdidas en las líneas de transmisión y sus equipos.
Las pérdidas máximas y las pérdidas promedio anuales de varios tipos de transformadores en una línea de transmisión representativa de 5000 MW se muestran en la Tabla 1.
Se puede ver en la Tabla 1 que aunque estas pérdidas solo representan el 20-25% de las pérdidas totales en el sistema de potencia, todavía son considerables y deben ser consideradas en el diseño de sistemas de potencia y transformadores.
En particular, la pérdida del transformador de distribución representa el 40-45% de la pérdida total de todos los transformadores del sistema, lo que llama la atención de la gente.
Debido a los crecientes costos de la energía, muchas compañías eléctricas intentan evaluar el rendimiento del transformador.
Tratan de examinar todos los datos con la mayor objetividad posible para poder pagar las pérdidas de energía del transformador y su precio, así como las características de confiabilidad, disponibilidad y sensibilidad.
Las compañías eléctricas están muy preocupadas por la economía general del sistema eléctrico.
Las pérdidas totales de los transformadores de distribución incluyen pérdidas activas (sin carga y con carga), pérdidas de potencia reactiva (sin carga y con carga) y pérdidas de regulación de voltaje.
Debido a que cada tipo de pérdida afecta la energía adicional y la energía general del sistema eléctrico, hay componentes de costo de energía general y energía adicional en cada pérdida, que se describirán más adelante en este documento.
Para calcular correctamente el costo de la pérdida, la energía adicional y el costo general de la energía deben analizarse por separado.
La ecuación para el costo total anual promedio de un transformador de distribución se enumera en forma simplificada de la siguiente manera:
Costo total anual promedio = (costo del transformador de distribución de la compañía eléctrica x tarifa de costo fijo promedio anual) + costo anual de energía adicional en vacío y pérdidas con carga + costo general anual de energía en vacío, con carga y pérdidas de regulación + sin carga y con carga pérdidas El costo anual de energía reactiva es el costo anual de pérdida de presión de la energía adicional.
La pérdida activa de un transformador de distribución se puede dividir en dos componentes: pérdida sin carga y pérdida con carga.
Las pérdidas sin carga incluyen pérdidas por corrientes de Foucault, pérdidas por histéresis, pérdidas I2R y pérdidas dieléctricas causadas por la corriente de excitación.
Debido a que la mayoría de estas pérdidas se deben a la pérdida de la lámina de acero al silicio del núcleo del transformador, la pérdida sin carga generalmente se denomina pérdida de hierro del transformador de distribución.
Las pérdidas de carga son pérdidas I2R en bobinas de transformadores de distribución, pérdidas por corrientes parásitas inducidas por flujo magnético errante en estructuras de transformadores de distribución y pérdidas similares que varían con la corriente de carga.
Sin embargo, a lo largo de los años, los términos “pérdida de carga” y “pérdida de cobre” se han usado indistintamente y se han aceptado generalmente en la práctica.
Muchos transformadores de distribución en los fabricantes de hoy están diseñados con bobinas de aluminio, y el término “pérdida de cobre” ya no es apropiado.
Las pérdidas de los transformadores de distribución afectan a las empresas de servicios públicos de dos maneras.
Primero, los kilovatios-hora gastados en pérdidas deben ser suministrados por la planta de energía, y el costo del combustible y otros costos de producción para generar estos vatios-hora secos deben variar con el transformador utilizado. Este componente a menudo se denomina costo general de energía o componente de costo de producción.
El segundo componente a menudo se denomina costo de energía adicional.
Es variable y representa los kilovatios-hora perdidos adicionales que debe proporcionar el equipo adicional, generalmente referido a las pérdidas máximas.
Aunque las pérdidas sin carga son esencialmente constantes durante la operación, hay picos de carga periódicos en los transformadores de distribución, por lo que el sistema de energía debe tener equipo adicional para suministrar kilovatios-hora adicionales.
El costo de energía anual adicional para pérdidas sin carga es:
Costo de energía adicional (cuando no hay carga) = pérdida de hierro x costo de inversión del sistema de energía x tasa de costo fijo anual promedio.
El costo general de la energía depende del costo incremental promedio de la energía suministrada por un generador con suficiente capacidad de carga.
Dado que las pérdidas de hierro son esencialmente constantes durante la operación y que la energía generalmente es suministrada por el generador principal más eficiente la mayor parte del tiempo, el costo de energía anual típico para pérdidas sin carga es:
Costo general de energía (sin carga) = pérdida de hierro * 8760 * costo de producción de energía que aumenta año tras año.
En los transformadores de distribución, la pérdida debida a la carga máxima puede ocurrir al mismo tiempo que la carga máxima es el valor máximo de la carga del sistema, o puede que no, pero el generador aún debe soportar el valor máximo de carga.
Esto lleva a la introducción de un nuevo término para calcular las pérdidas de carga máxima.
El factor de carga pico = la carga del transformador de distribución en el pico del sistema + la carga pico del transformador de distribución.
El factor de carga máxima de cada compañía eléctrica es diferente, y los valores del factor de carga máxima de varios tipos de transformadores de distribución generalmente se muestran en la Tabla 2.
El costo de energía anual adicional por pérdida de carga es:
Costo de energía adicional (cuando se carga) dos pérdidas de carga * (carga máxima anual del transformador x factor de carga máxima) 2 * costo de inversión del sistema * tasa de costo fijo anual promedio.
Cabe señalar que el componente adicional de energía de la pérdida de carga incluye los factores que influyen en varios aspectos de la pérdida de carga.
En este momento, es principalmente necesario considerar la pérdida del transformador de distribución en el pico del sistema, en lugar de la pérdida del transformador de distribución en el pico, porque el factor de carga pico se multiplica por la carga pico del transformador de distribución. y luego al cuadrado.
Use la curva de tiempo de carga para determinar un término conocido como “factor de carga”, que se define como:
Factor de carga = kilovatios-hora cargados durante el período de tiempo especificado + (horas en el período x carga máxima).
La carga promedio se expresa como un porcentaje de la carga máxima.
Debido a que uno está interesado en la cantidad de kilovatios-hora perdidos en un año, debe estudiar la curva de pérdida-tiempo, que se obtiene elevando al cuadrado la curva de carga-tiempo y luego promediando el área encerrada por la curva.
Esto lleva a otro término: factor de pérdida.
Se define como:
Factor de pérdida = kilovatios-hora perdidos en un período de tiempo específico + (horas de ese período * pérdida máxima).
Para describir correctamente la derivación de los coeficientes de pérdida, se requiere una gran cantidad de datos.
Gracias a las curvas de tiempo de carga reales medidas en varios tipos de transformadores, se ha realizado mucho trabajo de investigación.
Se ha derivado una fórmula general para la relación entre el factor de pérdida y el factor de carga, que es más fácil de determinar.
La fórmula en la aplicación es la siguiente:
Factor de pérdida=C*(factor de carga)+(1-C)*factor de carga)2.
donde C es una constante, normalmente C=0,15~0,30.
El costo de energía anual típico por pérdida de carga es:
Costo general de energía (cuando está cargado) = pérdida de carga * (carga máxima del transformador por año) 2 * 8760 * factor de pérdida anual del transformador de distribución x costo incremental de producción de energía.
Además, dado que es mejor usar el factor de pérdida real que atiende a una gran cantidad de usuarios, en lugar de solo el factor de pérdida del sistema de energía o del sistema de distribución.
Por lo tanto, el componente de energía general también incluye el efecto de los cambios de pérdida de carga.
Este factor de pérdida se aplica a las pérdidas pico en el pico del transformador.
La pérdida de potencia reactiva del transformador de distribución se divide en dos partes, a saber, la pérdida de potencia reactiva sin carga (o el componente de potencia reactiva KVA de la potencia de excitación) y la pérdida de potencia reactiva con carga l (pérdida I2*).
Las pérdidas de potencia reactiva sin carga y con carga de los transformadores de distribución generalmente son suministradas por capacitores fijos y variables respectivamente conectados al lado primario del transformador de distribución.
El costo anual de la pérdida de potencia reactiva sin carga es:
Costo de pérdida sin carga (potencia reactiva) = [(voltaje nominal del transformador) 2 * (corriente de magnetización del transformador) 2 – (pérdida de hierro) 2] 1/2 * costo de instalación de capacitores fijos * tasa fija anual promedio.
Cuando el sistema tiene una carga máxima, si se determina el costo de pérdida de potencia reactiva de carga, se debe considerar la relación correspondiente entre la carga del transformador y su carga máxima.
Para pérdidas de potencia reactiva, también se utilizará un término similar, factor de carga pico, para establecer la relación entre la carga pico del transformador de distribución y la carga del transformador de distribución en los picos del sistema.
Es decir, el factor de carga de la línea primaria en el valor pico = la carga del transformador en el valor pico de la línea primaria + la carga pico del transformador.
El costo anual de pérdida de potencia reactiva de carga en la carga máxima en la línea primaria es:
Costo de pérdida de carga (potencia reactiva) = [(voltaje nominal del transformador) 2 * (impedancia del transformador) 2 – (pérdida de carga) 2] 1/2 * (carga pico del transformador por año * factor de carga de la línea primaria en el pico) 2 * la instalación es posible Tasa de capacitor variable* Tasa de costo fijo anual promedio.
La regulación de tensión o caída de tensión del transformador de distribución afecta la energía adicional y la energía general del sistema, así como también afecta los equipos requeridos por el sistema y la utilidad neta obtenida de la regulación de tensión sensible y las características de regulación de tensión que satisfacen al usuario. .
Una forma de calcular la pérdida de regulación de presión es calcular el costo de regulación de presión (valor de ahorro) de la transformación cuando se agrega energía adicional cada año como:
Costo anual de energía adicional (regulación de voltaje) = (voltaje nominal del transformador x carga pico anual del transformador * factor de carga pico * factor de potencia de carga) * (valor de regulación de voltaje del transformador a carga nominal * carga pico anual del transformador * factor de carga pico * cambio de voltaje 1% kWh por cambio de carga) * tarifa de inversión del sistema x tasa de costo fijo promedio anual.
El término en el primer paréntesis de la fórmula representa la carga máxima del sistema, calculada en kilovatios.
El segundo término entre paréntesis representa la energía transformada o el equipo regulador agregado en el pico del sistema.
El costo anual de la regulación de voltaje para energía general, o la ganancia perdida debido a la conversión de regulación de voltaje en energía general, menos el costo de la energía consumida por la propia empresa eléctrica es:
Costo general de energía (regulación de voltaje) = (voltaje nominal del transformador * carga máxima del transformador por año * factor de potencia de carga * 8760) * (valor de regulación de voltaje del transformador a carga nominal * carga máxima del transformador por año) \ (kW de cambio de carga cuando cambia el voltaje 1% número * factor de pérdida anual del transformador) * (precio promedio de venta de la energía requerida por los usuarios – tasa de costo fijo promedio anual).
El primer paréntesis indica la energía general vendida al año.
Calculado en kilovatios hora. El segundo paréntesis indica el valor de regulación o dispositivo de regulación.
Los transformadores son equipos eléctricos estáticos, por lo que no existe pérdida mecánica en el proceso de transferencia de energía, por lo que su eficiencia es superior a la de las máquinas eléctricas rotativas.
En general, la eficiencia de los transformadores de potencia pequeños y medianos supera el 95% y la eficiencia de los transformadores de potencia a gran escala puede alcanzar más del 99%.
Las pérdidas generadas por el transformador incluyen principalmente pérdidas de hierro y pérdidas de cobre en los devanados primario y secundario.
La pérdida de hierro del transformador es la pérdida por histéresis y corriente de Foucault en el núcleo de hierro, que está determinada por la densidad de flujo magnético en el núcleo de hierro, la frecuencia de alternancia de flujo magnético y la calidad de la lámina de acero al silicio.
La pérdida de hierro del transformador es aproximadamente proporcional a la tensión de alimentación U21 aplicada al devanado primario y no tiene nada que ver con el tamaño de la carga.
Cuando el voltaje de la fuente de alimentación es constante, la pérdida de hierro del transformador básicamente no cambia, por lo que la pérdida de hierro también se denomina “pérdida constante”.
La pérdida de cobre básica en la pérdida de cobre del transformador es la pérdida I21Rk de la corriente en la resistencia de CC de los devanados primario y secundario.
La magnitud de la pérdida en el cobre del transformador es proporcional al cuadrado de la corriente de carga, por lo que se denomina “pérdida variable”.
La pérdida aproximada por hora es de unos 135KW. Sin carga, consume alrededor de 1.15*24*30=828kw por mes; a plena carga consume unos 10,3*24*30=7416 kWh.
Las pérdidas del transformador se dividen en dos partes:
1. La pérdida sin carga, principalmente la pérdida de hierro, consiste en la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes de Foucault.
2. La pérdida de carga, principalmente la pérdida de cobre, es proporcional al cuadrado de la corriente de carga. Por lo tanto, cuanto mayor sea la carga, mayor será la pérdida.
Se puede ver que no importa cuánta electricidad se use, su propia pérdida no puede ser 0.
La diferencia entre la electricidad medida por la empresa de suministro eléctrico y la electricidad de cada subcontador de su empresa (la pérdida que mencionó) existe principalmente de la siguiente manera:
1. Pérdida del transformador: pérdida sin carga (pérdida de hierro), que es fija y se puede verificar para obtener información; pérdida de carga (pérdida de cobre), que está relacionada con la carga y aumenta en proporción geométrica con la carga. De manera similar, la pérdida de cobre a plena carga también se puede obtener a partir de la información, y la pérdida específica de cobre se debe calcular aplicando la fórmula de acuerdo con la tasa de carga.
2. Error del dispositivo de medición de energía eléctrica: hay errores positivos y negativos en el dispositivo de medición de energía eléctrica (medidor de energía eléctrica, transformador de corriente, transformador de voltaje) de la empresa de suministro eléctrico. De igual manera, el dispositivo de medición de energía eléctrica de su empresa (medidor de energía eléctrica, transformador de corriente, transformador de tensión) también tiene errores Positivos y negativos.
3. Parte de la pérdida se generará en equipos eléctricos tales como barra colectora, disyuntor, seccionador, etc., pero es muy pequeña y básicamente se ignora.
La tasa de pérdida de los transformadores de distribución depende de la cantidad de electricidad utilizada.
La pérdida con carga del transformador de distribución debe ser un poco más del 1% y la pérdida sin carga es inferior al 1%.
Sin embargo, es necesario considerar si se trata de un tipo de ahorro de energía. Algunos transformadores de distribución antiguos tienen pérdidas mayores e incluso alcanzan el 3%.
Generalmente, los transformadores de distribución S9 se pueden usar más adelante. La pérdida mensual de un transformador de 200kw debería ser de alrededor de 800-1500 kWh, dependiendo de la tasa de utilización de su carga.
Los parámetros utilizados en la fórmula de cálculo de pérdidas tienen una influencia obvia en el resultado del cálculo del costo de pérdida del transformador de distribución.
Los parámetros seleccionados por diferentes compañías eléctricas para realizar estos cálculos no son los mismos.
Algunas consideraciones para la selección de estos parámetros se discuten a continuación:
Al considerar la interrelación entre el tamaño de un transformador de distribución y sus costos sin carga y con pérdida con carga, se encuentra que para los valores sin carga y con pérdida con carga de cada producto, existe un total mínimo anual promedio cuando diseño del transformador. cuestión de costo.
Debido al amplio rango de variación de la pérdida de parámetros, el diseño de un transformador puede ser beneficioso para el cálculo de una compañía eléctrica, pero puede ser desfavorable para el cálculo de otra compañía eléctrica.
Para transformadores de distribución del mismo diseño, la economía está relacionada con la producción en masa, lo que significa que no es económico para cada compañía eléctrica producir el transformador de distribución verdaderamente óptimo.
Todos los principales fabricantes de transformadores de distribución en China utilizan un núcleo enrollado como base para su diseño, lo que hace que el transformador de distribución en los Estados Unidos
Esto explica por qué el costo de los transformadores de distribución y los transformadores de potencia es muy diferente.
Aun así, el ingrediente más caro suele estar en el transformador de distribución.
La computadora no puede usar los parámetros en la fórmula para diseñar el transformador, pero el fabricante puede hacer las siguientes consideraciones: Si el uso requiere resistencia al cortocircuito, significa que la impedancia debe ser mayor;
Si se requiere la capacidad de carga, para asegurar este requisito, no se puede garantizar la menor tasa de pérdidas del transformador de distribución; si el uso requiere un funcionamiento con sobretensión, significa que la corriente de excitación es inferior a la tensión nominal.
Aunque los diseñadores se limitan a utilizar el núcleo de hierro bobinado, todavía existe un problema de selección de aplicaciones en el diseño.
A medida que la inversión en el sistema y los costos de energía continúan aumentando, sería beneficioso para muchas empresas de servicios públicos intentar evaluar el rendimiento del transformador de distribución y se esfuerzan por derivar métodos consistentes para los cálculos de pérdida del transformador de distribución.
Para garantizar un transformador de diseño óptimo compatible con el uso real, el sistema y los parámetros de costo deben seleccionarse cuidadosamente al aplicar la fórmula de cálculo.
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