Энергоэффективность в трансформаторостроении — время пришло​

  • 2717
  • Поделиться
  • Пожаловаться

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

Рис. 1
Рис. 1

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

Рис. 2
Рис. 2

Изменение массы магнитопровода в зависимости от изменения параметра βi / βo

Рис. 3
Рис. 3

Изменение относительной массы обмоток при изменении характеристики потерь короткого замыкания.

рис. 4
рис. 4

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.

Рис. 5
Рис. 5

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:

  1. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. — 5-е изд. перераб. и доп.// Энергоатомиздат. — 1986. — 528с.
  2. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике: 8-е изд., перераб. // Наука. — 1977. — 440с.

Источник: ГК «Русский трансформатор»

Лента публикаций