Аннотация
Статья посвящена обоснованию экономической эффективности способов совершенствования конструкции распределительных трансформаторов в плане повышения их энергоэффективности. Рассмотрены взаимосвязи основных электротехнических характеристик и конструктивных параметров распределительных трансформаторов. На основании этих взаимосвязей получены аналитические зависимости изменения цены трансформатора при изменении характеристик потерь холостого хода и короткого замыкания. В качестве практического применения полученных зависимостей рассчитана окупаемость распределительных трансформаторов различных классов энергоэффективности.
Отраслевой стандарт ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6-10кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания») определяет 4 класса энергоэффективности для распределительных масляных трансформаторов соответствующих мощностей:
- 1 класс энергоэффективности — «стандартный» (выпускаемые трансформаторы), — 2 класс энергоэффективности — «энергоэффективный» (усовершенствованная технология). — 3 класс энергоэффективности — «высокий энергоэффективный» (передовая технология), — 4 класс энергоэффективности — «инновационный» (инновационная технология).
Указанным выше стандартом устанавливаются 4 категории уровня максимальных потерь в силовом трансформаторе 6-10 кВ (холостого хода (далее хх) — с индексом «Х», и короткого замыкания (далее кз) — с индексом «К»): 1, 2, 3 и 4 (4 класса энергоэффективности), приведенные в таблице 1 и таблице 2.
Таблица 1
| Мощность, кВА | Потери XX, Вт | |||||
| Класс энергоэффективности | ||||||
| X1 | X1 (допускается до 01.01.2019) | Х2 | Х2 (допускается до 01.01.2019) | Х3 | Х4 | |
| 63 | 175 | 210 | 160 | 128 | 104 | |
| 100 | 260 | 270 | 217 | 180 | 145 | |
| 160 | 375 | 400 | 300 | 260 | 210 | |
| 250 | 520 | - | 425 | 360 | 300 | |
| 400 | 750 | - | 565 | 610 | 520 | 430 |
| 630 | 1000 | - | 696 | 800 | 730 | 560 |
| 1000 | 1400 | - | 957 | 1100 | 940 | 770 |
| 1250 | 1500 | - | 1350 | 1150 | 950 | |
| 1600 | 1950 | - | 1478 | 1450 | 1200 | |
| 2500 | 2600 | - | 2130 | 2100 | 1750 | |
Таблица 2
| Мощность, кВА | Потери К3, Вт | |||
| Класс энергоэффективности | ||||
| К1 | К2 | К2 (допускается до 01.01.2019) | К3 | |
| 63 | 1280 | 1270 | 1031 | |
| 100 | 1970 | 1591 | 1475 | |
| 160 | 2900 | 2136 | 2350 | 2000 |
| 250 | 3700 | 2955 | 3250 | 2750 |
| 400 | 5400 | 4182 | 4600 | 3850 |
| 630 | 7600 | 6136 | 6750 | 5600 |
| 1000 | 10600 | 9545 | 10500 | 9000 |
| 1250 | 13500 | 13250 | 11000 | |
| 1600 | 16500 | 15455 | 14000 | |
| 2500 | 26500 | 23182 | 22000 | |
В зависимости от сочетания категорий «Х» и «К» возможны различные сочетания классов энергоэффективности, приведенные в таблице 3.
Таблица 3
| РХХ | РКЗ | К1 | К2 | К3 |
| X1 | Х1К1 | Х1К2 | Х1К3 | |
| Х2 | Х2К1 | Х2К2 | Х2К3 | |
| Х3 | Х3К1 | Х3К2 | Х3К3 | |
| Х4 | Х4К1 | Х4К2 | Х4К3 | |
Как отмечено в стандарте, класс энергоэффективности Х2К2 удовлетворяет требованиям к энергоэффективности, рекомендованным постановлением правительства Российской Федерации от 17.06.2015 № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности».
Однако, в стандарте однозначно не указано, как определяется класс энергоэффективности — указаны лишь сочетания классов энергоэффективности по потерям хх и потерям кз. Но, по-видимому, разработчики стандарта (это можно проследить по контексту изложения) имели в виду, что класс энергоэффективности, который должен быть обязательно нанесен на табличку (шильдик) трансформатора, определяется по наивысшему классу энергоэффективности в сочетании классов энергоэффективности потерь хх и кз. Т. е., для сочетания Х1К2 будет 2-й класс энергоэффективности («энергоэффективный» (усовершенствованная технология).
Сегодня основные трансформаторные заводы, как российские, так и в странах СНГ, выпускают линейки распределительных масляных трансформаторов с характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания в самых широких диапазонах значений. До введения стандарта понятие энергоэффективности для распределительных трансформаторов являлось крайне «размытым». По существу, каждый завод был волен «назначить» энергоэффективным трансформатор с достаточными произвольными характеристиками потерь.
Теперь перед производителями распределительных трансформаторов встала задача переработки конструкторской документации (КД) всех линеек выпускаемых трансформаторов в плане соответствия требованиями Стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017.
Однако переработка КД — это трудоемкий процесс, затратный в финансовом и временном отношениях. Прежде чем «запускать» процесс переработки необходимо оценить целесообразность переработки КД в аспекте изменения цены новых, доработанных в соответствии с Стандартом, трансформаторов.
Так как изменения конструкции призваны изменить характеристики потерь холостого хода и короткого замыкания, то необходимы математические модели, которые позволяют быстро и адекватно оценить изменение цены трансформатора при изменении характеристик потерь.
Основным при анализе изменения цены трансформатора является «цепочка» зависимостей «параметры потерь — основной конструктивный параметр β — масса магнитопровода Gст — масса обмоток Gо». Причем получены зависимости относительного изменения зависимого параметра от относительного изменения параметра изменяемого (например, относительное изменение параметра βi/ βo от относительного изменения потерь холостого хода. Pixx/Poxx).
«Цепочка» зависимостей «параметры потерь — основной конструктивный параметр β — масса магнитопровода Gст — масса обмоток Gо» в аналитическом виде для безразмерных величин получена на основе преобразований основных уравнений теории расчета трансформаторов, приведенных в фундаментальной монографии Павла. Михайловича Тихомирова [1].
Эти основные уравнения были преобразованы в соответствии с методами теории подобия и размерности [2]. В итоге получено четыре уравнения взаимосвязи относительных:
- βi/ βo = 2.5587 * (Pxxi/Pxxo) — 1.5456 (1)
- Goi/Go = −0.3954 * (βi/ βo) + 1.3954 (2)
- Gстi/Gсто = 0.3428 * (βi/ βo) + 0.6572 (3)
- Goi/Go = 0.8244 * (Pкзi/Pкзо)2 — 3.1089 * (Pкзi/Pкзо) + 3,3777 (4)
Зависимость (1) определяет относительное изменение основного конструктивного параметра в зависимости от относительного изменения характеристики потерь х. х. зависимости (2), (3), (4) определяют относительное изменение массы стали магнитопровода и относительное изменение массы обмоток в зависимости от изменения характеристик потерь х. х. и к. з.
Это эмпирические зависимости. Они дают возможность получить оценку изменения цены трансформатора (через изменение массы активной части) при необходимости изменения основных параметров, когда требуется модернизировать трансформаторы серии с учетом требований отраслевого стандарта по энергоэффективности СТО 34.01-3.2-011-2017.
В качестве базового было взято значение βo = 2, т. к. рекомендуемые значения β [1] находятся в диапазоне 1,2...2,6.. На основе уравнений (1) — (4) для относительных диапазонов изменения Pxxo/Pxxi = 0,7... 1,3 (что соответствует уменьшению потерь от базового значения на 30% и их увеличению на 30%) получен соответствующий диапазон изменения βi / βo (Рис.1)
Изменение основного параметра βi / βo в зависимости от изменения параметров потерь холостого хода
Аналогично получены диапазоны изменения относительных масс магнитопровода и обмоток при изменении величины βi / βo (Рис. 2 и Рис. 3), а также изменение относительной массы обмоток при изменении характеристик потерь короткого замыкания (Рис.4).
Изменение массы обмоток при изменении параметра βi / βo
Изменение массы магнитопровода в зависимости от изменения параметра βi / βo
Изменение относительной массы обмоток при изменении характеристики потерь короткого замыкания.
Стоимость активной части на основе зависимостей (1) — (3) будет изменяться по закону:
Сачi/Cачо = 0,1689 * (Pxxi/Pxxo) + 0.832 (5)
Уравнение (5) получено для алюминиевых обмоток и для соотношения цены электротехнической стали и обмоточного провода примерно 1:2.
Изменение стоимости активной части при изменении характеристик потерь холостого хода.
Как видно из графика на Рис. 5 стоимость материалов активной части при уменьшении характеристики потерь холостого хода на 20% уменьшается примерно на 3,5%, т. е. практически не меняется, что совпадает с оценками, данными в монографии [1].
При уменьшении характеристики потерь короткого замыкания на 20%, как видно из графика Рис. 4, масса обмоток возрастает на 40%, при этом стоимость активной части в целом возрастает примерно на 20%.
Полученные зависимости можно также применить для технико-экономического обоснования применения энергоэффективных трансформаторов. Зависимость (5) дает возможность оценить изменение цены при изменении характеристик потерь до уровня энергоэффективных. Далее в соответствии с приложением «Б» стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017 определяются приведенные затраты при эксплуатации трансформатора.
В соответствии со стандартом СТО 34.01-3.2-011-2017 закупка распределительных трансформаторов должна осуществляться с учетом оценки стоимости потерь электроэнергии на протяжении всего нормативного срока службы трансформатора. Упрощенно (для предварительной оценки) — по минимизации приведенных затрат при эксплуатации трансформатора, определяемых по упрощенной схеме (без учета методики расчета совокупной капитализированной стоимости) по формуле:
Зп = СТ/n + А * (N * Pxx + β2 * τ * Ркз), (6)
Где:
- Зп — приведенные к году эксплуатационные издержки, руб.;
- СТ — стоимость трансформатора, руб.;
- Рхх — потери холостого хода, кВт;
- Ркз — потери короткого замыкания, кВт;
- τ- число часов наибольших потерь мощности, час;
- β — коэффициент загрузки трансформатора, о. е.;
- А — тариф на компенсацию потерь электроэнергии руб./кВт·ч;
- n — число лет нормативного срока эксплуатации трансформатора;
- N — годовое число часов (8760).
Для трансформатора ТМГ-1000/10/0,4 с алюминиевыми обмотками с характеристиками:
- СТ = 445 000 руб.;
- Рхх = 1,6 кВт;
- Ркз = 10,8 кВт;
- Τ = 1976 час;
- β = 0,5 о. е.;
- А = 1,756 руб./кВт·ч;
- n = 30 лет;
- N = 8760 ч.
Приведенные годовые эксплуатационные издержки равны Зп =48 813 руб.
Стандарт СТО 34.01-3.2-011-2017 требует с 1 января 2019 года для трансформаторов мощностью 1000 кВА, чтобы характеристики потерь составляли для Х2К2 Рхх = 0,957 кВт и Ркз = 9,545 кВт увеличение стоимости активной части трансформатора, рассчитанное по формулам (4) и (5), составит 1,274. С достаточной степенью точностью можно принять это увеличение равным увеличению материальной себестоимости трансформатора. С учетом того, что материальная себестоимость трансформатора составляет примерно 60% от цены трансформатора, то увеличение цены трансформатора составит 16% и станет равным примерно 520 000 рублей.
Приведенные годовые эксплуатационные издержки для энергоэффективного трансформатора Х2К2 составят Зп = 40 334 руб.
Нетрудно рассчитать срок окупаемости дополнительных затрат на приобретение энергоэффективного трансформатора: он составляет около 9 лет, т. е. меньше трети всего нормативного срока эксплуатации.
Таким образом, разработанная математическая модель анализа изменения цен распределительных масляных трансформаторов позволяет с минимальными временными затратами оценить коммерческую целесообразность разработки новых серий трансформаторов с улучшенными характеристиками потерь холостого хода и кроткого замыкания.
На основании полученных данных об изменении цены можно также сразу рассчитать срок окупаемости трансформатора с улучшенными характеристиками потерь.
Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам завода «Трансформер» (г. Подольск) к. т. н. Печенкину В. И. и к. т. н. Стулову А. В. за предоставленные материалы и конструктивное обсуждение содержания и выводов данной статьи.
к. т. н Ю. М. Савинцев
Список литературы:
- Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. — 5-е изд. перераб. и доп.// Энергоатомиздат. — 1986. — 528с.
- Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике: 8-е изд., перераб. // Наука. — 1977. — 440с.
