К.Ю.Гуда
Современная концепция энергоснабжения опирается на сформулированные в конце XX века инженерные идеи, включающие в себя принципы производства переменного тока, его потребления электроприводом, преобразования с помощью трансформаторов, а также сети высокого и низкого напряжения с подключенными к ним электропотребителями. Эти основные принципы позволили создать развитые системы энергоснабжения как в Европе, так и во всем мире.
Одно из центральных звеньев в этой системе по праву принадлежит трансформаторам, преобразующим электроэнергию по величине напряжения — сначала повышающим напряжение в месте производства электроэнергии, а затем его понижающим в местах ее потребления.
В этой статьи рассматриваются только самые маломощные из встречающихся в энергосисгемах трансформаторов — так называемые распределительные трансформаторы, обеспечивающие подачу электроэнергии промышленным и бытовым потребителям. Причем при рассмотрении этих трансформаторов основной упор делается на показателе их энергоэффективности,как одного из основных источников масштабного энергосбережения.
Общие сведения о потерях в распределительных трансформаторах. Потери в распределительных трансформаторах составляют значительную часть общих потерь в системах передачи и распределения энергии. Так, например, проведенный в конце XX века анализ работы сетей передачи и распределения энергии тихоокеанского побережья США показал, что потери в распределительных трансформаторах составляют более 30%, в то время, как в трансформаторах питающих подстанций теряется только 2%. Аналогичная картина имеет место и в отечественных распределительных трансформаторах. Учитывая значительное количество таких трансформаторов в энергосистеме и большой срок их службы, такие трансформаторы представляют собой значительный резерв энергосбережения. Поэтому с точки зрения энергосбережения повышение эффективности распределительных трансформаторов всего на 0,1 % уже оправдано, поскольку такие трансформаторы постоянно находятся под напряжением и при их круглосуточной и круглогодичной работе экономия от снижения потерь холостого хода (х.х.) в течение 20…30 лет получается довольно значительной. Величина же потерь в обмотках — потерь короткого замыкания (к.з.) зависит от нагрузки трансформатора, из-за чего эти потери называют также нагрузочными. Хотя заводы-изготовители распределительных трансформаторов устанавливают проектные сроки эксплуатации таких трансформаторов около 25 лет, многие из них безотказно работают гораздо дольше. Так, среднестатистически послевоенный европеискиий распределительный трансформатор служил около 30…40 лет. Одной из причин такого долголетия является то, что компании, в условиях тенденции роста спроса, устанавливали избыточное количество трансформаторов, из-за чего многие из них длительное время работали в режимах малых нагрузок. В принципе, большинство из таких трансформаторов имеет приемлемые технические характеристики, за исключением показателей энергоэффективности, которым, в отличие от мощных трансформаторов, вплоть до начала 70-х годов прошлого века не уделялось должного внимания.
Европейская и международная практика определения энергоэффективности распределительных трансформаторов. В странах Евросоюза большинство требований к распределительным трансформаторам определяется национальными (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL), международными (ISO, IEC), а также есропсйскими (EN, HD) стандартами. Основная задача этих стандартов — обеспечение приемлемых требований к характеристикам таких трансформаторов,их безопасности, бесперебойности работы в течение всего срока службы, охране окружающей среды. В связи с необходимостью достижения масштабного энергосбережения во всех отраслях народного хозяйство в технологически развитых странах в течение нескольких последних десятилетий уделяется также большое внимание решению проблемы существенного повышения энергоэффективности таких трансформаторов, несмотря на то, что до настоящего времени отсутствует четкая формулировка этого понятия.Уровень энергоэффективности масляных распределительных трансформаторов определяется стандартом HD428 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2500 кВА с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ».
Аналогичный стандарт, — стандарт HD538. определяет уровень энергоэффективности распределительных трансформаторов с охлаждением сухого типа. Согласно стандарту HD428 для распределительных трансформаторов с масляным охлаждением и максимальным напряжением до 24 кВ основными параметрами эффективности являются приведенные в табл. 1 нормы потерь короткого замыкания (к.з.) и холостого хода. Как видно из таблицы для масляных трансформаторов допускается три уровня потерь к.з. (А, В и С) и три уровня потерь х.х. (А’, В’ и С’), которые определяются по специальной методике с определенным допуском на погрешность. При несоответствии трансформатора во время испытаний уровню потерь, приведенному в табл.1, производитель либо отбраковывает его, либо согласовывает с покупателем величину денежной компенсации. И наоборот, если фактические величины потерь крупных трансформаторов существенно превышают требования соответствующего уровня, производитель может получить от покупателя дополнительное вознаграждение.Таким образом, стандарт HD428 позволяет выбрать три уровня нагрузки (к.з.) и три уровня х.х. — от наименее эффективной комбинации А-А’ до наиболее эффективной С-С, причем из теоретически возможных девяти комбинаций этот стандарт допускает выбор только пяти комбинаций, показанных на рис.1, где комбинация А-А’ принята за основу сравнения (выделено красной жирной линией, приведенные значения (в процентах) вычислены от этой основы). О реально достижимом уровне снижения потерь в распределительных трансформаторах можно судить на основании такого характерного примера: для трансформатора номинальной мощностью 630 кВА разность суммарных потерь (потерь к.з. и х.х.) между крайними значениями (комбинациями уровней потерь А-А’ и С-С) составляет около 1,5 кВт.
Приведенные в табл.1 значения потерь к.з. и х.х., пять комбинаций допустимых сочетаний уровней потерь (рис.1), а также рассматриваемые далее зависимости потерь от нагрузки трансформаторов являются методологической базой, на основе которой определяется энергоэффективность масляных распределительных трансформаторов. Отметим, что фактические потери распределительных трансформаторов существенно изменяются с изменением нагрузки: в режиме х.х. имеют место только потери х.х., а при нагрузке к ним добавляются потери к.з., как это видно на примере показанной на рис.2 зависимости суммарных (а) и относительных, равных 100% минус эффективность (б), потерь от нагрузки для трансформатора номинальной мощностью 400 кВ*А напряжением 24 кВ. На рис.2 обозначены такие сочетания комбинаций уровней потерь (уровней энергоэффективности): 1 — А-А’; 2 — А-С’; 3 — В-В’; 4 — С-В’; 5 — С-С’.
Приведенный на рис.2,б график зависимости относительных потерь от нагрузки наглядно показывает, что минимальные величины потерь приходятся на нагрузки, равные примерно 50% номинальной мощности. При этом если трансформаторы уровней А-А’ и В-В’ имеют различные оптимальные с точки зрения снижения потерь диапазоны нагрузки, то трансформаторы С-С’ в любом случае имеют величину потерь на 20…30% меньшую, чем трансформаторы уровней А-А’ и В—В’.
Зависимость относительных потерь полной нагрузки в трансформаторе от номинальной мощности показана на рис.3, где цифрами 1-5 обозначены такие же сочетания комбинаций уровней потерь (уровней энергоэффективности), как и на рис.2. Эти зависимости (за небольшим исключением) показывают, что чем выше номинальная мощность трансформатора, тем меньше потери полной нагрузки.Поскольку общая эффективность трансформатора напрямую зависит от нагрузки, сделать заключение об энергоэффективности того или иного распределительного трансформатора можно только тогда, когда будет выполнен подсчет общих потерь за определенный период времени (за год или весь период эксплуатации), что является довольно сложной задачей.
Рассмотрим теперь вопрос о реально достижимых величинах снижения потерь в масляных распределительных трансформаторах. К сожалению, до настоящего времени еще не разработан единый международно признанный критерий, по которому тот или инои распределительный трансформатор можно было бы однозначно считать энергоэффективным — даже несмотря на то, что масляные трансформаторы уровня С-С’ имеют самые низкие потери. Поэтому ряд специалистов к энергоэффективным относят такие трансформаторы:
1. С масляным охлаждением уровня С—С’ по стандарту HD428.
2. Сухие трансформаторы напряжением до 24—36 кВ, имеющие величину потерь на 20% меньшую, чем по стандарту HD53B.
Основанием для таких ориентиров служит техническая возможность изготовления уже в настоящее время трансформаторов с такими уровнями потерь практически всеми производителями.Третьим возможным способом оценки энергоэффективности могут служить отдельные технические признаки трансформаторов, которые хотя непосредственно не связаны с эффективностью, но все же с ней ассоциируются. К числу таких признаков относят: применение специальных видов обмоток, передовых марок трансформаторных сталей в мaгнитопроводе, изготовление магнитопрооода из аморфного железа (AMDT) и др.
Совершенно очевидно, что ресурсы снижения потерь в распределительных трансформаторах еще далеко не исчерпаны и могут быть снижены и в дальнейшем, в первую очередь, путем применения на трансформаторных заводах методов снижения потерь к.з. и х.х., приведенных в табл.2.
Таким образом, существуют достаточно большие потенциальные резервы снижения потерь в распределительных трансформаторах и, следовательно, повышения уровня их энергоэффективности. Однако для реализации этих резервов требуется принятие ряда непростых решений, стимулирующих приобретение потребителями более дорогих (хотя и быстро окупаемых) энергоэффективных трансформаторов, а производителей — выпуск таких трансформаторов, для организации которого потребуются большие дополнительные капиталовложения на модернизацию производства. Среди возможных (хотя и трудно реализуемых) решений в Евросоюзе рассматриваются такие:
Отметим, что в странах Евросоюза уже давно на тендерах по закупке трансформаторов, в том числе и энергосберегающих распределительных, используется подход к подсчету цены с учетом потерь за весь срок службы трансформатора (25 лет), таким образом осуществляется переход от материалоемкого к наукоемкому производству, позволяющему выпускать энергоэффективное электрооборудование. Потенциал энергосбережения при использовании в Евросоюзе энергоэффективных распределительных трансформаторов показан на рис.4 , где обозначены следующие комбинации уровней потерь:
1 —C-AMDT;
2 — A-AMDT;
3 — С-С’.
Последние две комбинации относятся к трансформаторам с магнитопроводом, изготовленным из аморфного железа.
Минские энергосберегающие трансформаторы серии ТМГ-12
Проанализировав европейский и международный подход к определению энергоэффективности распределительных трансформаторов, рассмотрим характерный пример создания энергосберегающих трансформаторов на Минском электротехническом заводе. Минским электротехническим заводом разработаны новые масляные распределительные трансформаторы серии ТМГ12, соответствующие европейскому стандарту CENELEC и имеющие самый низкий уровень потерь х.х. и к.з. по сравнению с серийно выпускаемыми в СНГ. Аналоги данной серии трансформаторов выпускаются только такими ведущими мировыми производителями, как SIEMENS, ABB, AREVA. Общий вид одного из энергосберегающих распределительных трансформаторов серии ТМГ12 показан на рис.5. Технические характеристики трансформаторов серии ТМГ12 приведены в табл.3. Обратим внимание на основные преимущества распределительных трансформаторов серии ТМГ12 по сравнению с тансформаторами более ранних серий.
Потери х.х. и к.з. распределительных трансформаторов серии ТМГ12 снижены на 30% по сравнению с трансформаторами других серий за счет того, что:
Годовая экономия на потерях в трансформаторах серии ТМГ12 мощностью 630 кВ*А составляет 6,7 тыс. кВт-ч, а в трансформаторах ТМГ12 мощностью 1000 кВ-А — 5,4 тыс. кВгч.
Разница в цене между трансформатором серии ТМГ12 по сравнению с трансформаторами более ранних серий составляет около 10%. Срок окупаемости дополнительных вложений с учетом этой разницы для трансформатора серии ТМГ12 мощностью 630 кВ-А составляет менее 1 года, а для трансформаторов этой же серии мощностью 1000 кВ-А — менее 2 лет.
Замена 100 шт. обычных трансформаторов мощностью 630 и 1000 кВ-А трансформаторами серии ТМГ12 позволяет сэкономить средства на установку трех дополнительных подстанций мощностью 630 кВ-А.
Кроме того, трансформаторы серии ТМГ12 имеют улучшенные шумовые характеристики, что также является их важным преимуществом, дополняющим высокие показатели энергоэффективности.
Всего комментариев: 0