В настоящей статье рассмотрена ситуация в России на рынке силовых трансформаторов в ракурсе инновационного энергоэффективного оборудования. Аргументированно и логично показано наступление этапа широкого внедрения новых подходов в покупке и в производстве силового трансформаторного оборудования. Приведены классификация и конкретные характеристики инновационных энергоэффективных трансформаторов, изготавливаемых новым игроком на трансформаторном рынке — ЭТК «Золотой Треугольник».
изготавливаемые новым игроком на трансформаторном рынке — ЭТК «Золотой Треугольник»
Для внедрения инновационной продукции в любой отрасли промышленности, в бытовой сфере должны созреть, выражаясь математическим языком, необходимые и достаточные условия. Под необходимыми условиями следует понимать наличие потребности у покупателей в новой, инновационной продукции. Достаточные условия — это возможность продавцов/поставщиков/производителей удовлетворить эту потребность.
Анализ инновационного прорыва следует предварить дискурсом о сегодняшнем состоянии российского рынка силовых трансформаторов. Подробно вопрос освещен в [1, 2]. Кратко это состояние характеризуется несколькими словами: крайне консервативный в плане инновационной трансформаторной продукции.
И консерватизм присущ обоим субъектам рынка: как заказчикам/покупателям, так и поставщикам/производителям. Заказчики своими требованиями, по сути, исключают возможность предложения инновационной продукции. Производители же лишь создают видимость инновационности, выдавая за инновации модернизированное оборудование. Хотя определение инновации формулируется так: «внедренное новшество, обеспечивающее качественный рост эффективности процессов или продукции, востребованное рынком».
Консерватизм покупателя проявляется в абсолютно минимизационной парадигме закупок. Большинство покупателей при покупке трансформаторного оборудования руководствуются лишь двумя критериями: минимальная цена и минимальные сроки поставки.
А ведь очевидно. Что высококачественная модель будет заведомо дороже своего менее качественного аналога. Так, трансформатор, бывший в употреблении или восстановленный, может быть на 50% дешевле нового. Но по цене и качество! Совестливые поставщики гарантийный срок на «бэушные» трансформаторы даже более года не устанавливают! Организаторы же тендеров зачастую устанавливают уже начальную/максимальную цену контракта, ориентируясь именно на стоимость «бэушной» продукции. Аналогичная ситуация с требованиями по срокам поставки. Горь-ко-иронично поставщики/участники тендера часто обозначают сроки поставки термином «вчера». И ведь не могут не знать уважаемые заказчики, что из-за сложностей с оборотными средствами материалы и комплектующие завод-производитель должен будет заказать у своих поставщиков (здесь речь не идет о поставках со склада). Нереальные, слишком сжатые сроки поставки влекут за собой вынужденные нарушения технологической дисциплины при производстве и как следствие, более низкое качество поставляемой продукции. Инновационная продукция требует профессионального формирования ценово-сроковых параметров тендеров.
Консерватизм производителя выражается в том, что в силу финансовых и других причин заводы лишь имитируют инновационную деятельность. Если проанализировать ассортиментные линейки основных заводов за последние годы, то не появилось ни одного подлинно инновационного образца силовых трансформаторов.
Но прорыв на то он и прорыв. Накопился уже огромный потенциал, который обеспечит преодоление консерватизма, сковывающего российский рынок силовых трансформаторов, и широкое использование реально инновационных силовых трансформаторов. Необходимые условия внедрения инновационных энергоэффективных трансформаторов созданы как за рубежом, так и в нашей стране.
В Европе внедрение и широкое распространение инновационной энергоэффективной трансформаторной продукции определяется двумя основными нормативными актами, которые регламентируют потери энергии при использовании трансформаторов. Это Европейский Стандарт EN 50464-1, который заменил собой согласованный документ HD428 для трансформаторов с масляным охлаждением, и действующий согласованный документ HD538 для трансформаторов сухого типа. Несмотря на то, что обязательных стандартов в Европе не существует, имеется порядок организации закупок (внутренние стандарты предприятий электроснабжения), который тщательно соблюдается в Бельгии, Нидерландах, Люксембурге, Австрии, Швейцарии и во всех странах Скандинавии. В этих странах большинство электрораспределительных компаний, покупают трансформаторы, соответствующие стандартам HD 428 и 50464. Сочетание потерь сфокусировано на низких потерях при холостом ходе трансформаторов при малых номинальных мощностях и низких потерях под нагрузкой при высоких номинальных мощностях. За пределами Европы стандарты эффективности выражаются в пересчете на электрический КПД под определенной нагрузкой или в пересчете на максимальные значения потерь под нагрузкой и в режиме холостого хода. В Австралии «пересчитали» американские нормы КПД при частоте 60 Гц стандарта NEMA TP-1, до 50 Гц, а так-же линейно интерполированы КПД для мощностей, отличающихся от тех, которые используются в США. В Китае требования стандартов к энергоэффективности трансформаторов обновляются с 1999 года. За почти 20 лет произошло последовательное усиление норм от серии трансформаторов S7, затем S9, до разрешенной сегодня серии S11, устанавливающей допустимый уровень потерь под нагрузкой и в режиме холостого хода немного ниже европейского уровня. Следующий шаг — это замена стандарта серии S11 на более жесткий стандарт серии S13 и выше, где нормы потерь станут еще ниже.
В России также предпринимаются последовательные реальные шаги по внедрению инновационного энергоэффективного трансформаторного оборудования. За 8,5 лет, прошедшие с принятия Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…», положившего начало новейшей государственной политике энергоэффективности, произошли значительные изменения. Можно утверждать, что энергосбережение состоялось как тренд деятельности не только отдельных промышленных предприятий России, но целых отраслей. Начал складываться рынок энергоэффективного оборудования. Появились профессиональные игроки, которым выгодно вкладывать средства и усилия в бизнес, связанный с энергосбережением.
А в апреле 2017 года принят отраслевой стандарт организации ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА «Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания». В этом документе практически реализованы предложения, высказанные автором 8 лет назад в статье [3]. Дословно тогда автор писал: «Что необходимо предпринять для успешного продвижения в России энергоэффективных трансформаторов? 1) Скорректировать нормативные документы по силовым трансформаторам. По крайней мере в два документа необходимо внести радикальные изменения. ГОСТ Р 52719-2007 необходимо распространить на все выпускаемые изделия, а не только на разработанные после 2008 года.ГОСТ 11920-85 требуется переработать с тем, чтобы ужесточить требования по потерям х.х. и к.з., — эти потери должны быть равными аналогичным в нормативных документах ЕС. 2) Централизованно снабдить всех потенциальных потребителей трансформаторной продукции методикой расчета капитализации потерь; в этом случае каждый покупатель будет сам решать для себя: или сэкономить сейчас и расплачиваться за некачественное оборудование многие годы эксплуатации, или затратить сейчас большую сумму, но обеспечить себе экономию в течение всего срока эксплуатации. 3) Немедленно ввести в паспорта на трансформаторы раздел, в котором будет указан конкретный класс энергоэффективности, подтвержденный соответствующими протоколами приемо-сдаточных испытаний».
В отраслевом стандарте СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА «Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания» устанавливаются 4 категории уровня максимальных потерь в силовом трансформаторе 6–10 кВ (холостого хода — индексом «Х», и короткого замыкания — с индексом «К»): 1, 2, 3 и 4.
Установлено 4 класса энергоэффективности:
- «стандартный» (выпускаемые трансформаторы);
- «энергоэффективный» (усовершенствованная технология);
- «высокий энергоэффективный» (передовая технология);
- «инновационный» (инновационная технология);
В Правилах приемки и испытаний при вводе в эксплуатацию ДЗО ПАО «Россети» новых силовых трансформаторов мощностью от 63 до 2500 кВА классов напряжения 6–10 кВ, помимо испытаний, предусмотренных РД 34.45-51.300-97 «Объемы и нормы испытаний электрооборудования», рекомендовано включать в состав испытаний измерения потерь холостого хода для силовых трансформаторов 6–10 кВ мощностью до 1000 кВА и измерения потерь короткого замыкания для силовых трансформаторов 6–10 кВ мощностью от 63 до 2500 кВА (с целью контроля соответствия фактических значений потерь холостого хода и потерь короткого замыкания требуемому классу энергоэффективности).
Таким образом, с апреля прошлого года в РФ крупнейший покупатель распределительных трансформаторов дал сигнал всем производителям и поставщикам о начале новой фазы на российском рынке силовых трансформаторов — фазы инновационного энергоэффективного оборудования. А 19 апреля 2018 года подписано Распоряжение Правительства РФ от 19.04.2018 №703-р «Об утверждении комплексного плана мероприятий по повышению энергетической эффективности экономики РФ». Этот документ обеспечит реализацию мероприятий по внедрению во все отрасли экономики России, в частности, и инновационных энергоэффективных силовых трансформаторов.
Таким образом, необходимые условия для широкого распространения инновационного энергоэффективного трансформаторного оборудования в России сформировались.
Достаточные условия внедрения инновационных энергоэффективных трансформаторов — это появление новых производителей, которые серийно, а не отдельными образцами, производят инновационные энергоэффективные трансформаторы (в полном соответствии с СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА «Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания»).
Таким предприятием является компания-производитель распределительных трансформаторов ЭТК «Золотой Треугольник». Это новый игрок на трансформаторном рынке. И она предлагает сегодня не просто отдельную позицию, а спектр линеек инновационных энергоэффективных распределительных трансформаторов. Далее приведен сравнительный анализ энергоэффективности серийно выпускаемых инновационных трансформаторов ЭТК «Золотой Треугольник» с серийной продукцией традиционных поставщиков.
Распределительные трансформаторы мощностью 25–2500 кВА напряжением 6–10 кВ являются наиболее массовой линейкой производимых и эксплуатируемых трансформаторов в нашей стране и за рубежом. По данным работы [4] общее количество распределительных трансформаторов в России составляет более чем 3 млн шт. Ежегодное потребление электроэнергии в России находится на уровне 1000 миллиардов кВт*часов. При этом общие потери электроэнергии в распределительных трансформаторах оцениваются в 75 млрд кВт·ч. При тарифе на компенсацию потерь порядка 2 руб./квт*час стоимость потерь в год составит 150 млрд рублей.
При передаче энергии из первичной обмотки во вторичную возникают электрические потери мощности. Потери в трансформаторе можно разделить на потери холостого хода Ро — это потери, которые присутствуют в трансформаторе, подключенном к сети, всегда независимо от загрузки, и потери короткого замыкания Рk — это потери, зависящие от загрузки трансформатора. В общих потерях электроэнергии Рk и Ро участвуют одинаково. По европейскому стандарту EN 50464-1:2007 выделяются классы энергопотребления трансформаторов, представленные в Таблице 1.
В настоящее время в России и странах СНГ серийно выпускаются трансформаторы с классом потерь D и энергосберегающие трансформаторы классом потерь С. Трансформаторы, находящиеся в эксплуатации у сетевых компаний и конечных потребителей, соответствуют только классу потерь Е. Рассмотрим характеристики и преимущества инновационного энергоэффективного трансформатора ЭТК «Золотой Треугольник», соответствующие уровню потерь класса энергоэффективности выше европейского класса А, на уровне А/1,5 … А/2 (рис. 1).
Уменьшение потерь Ро связано с изменением конструкции и материала магнитопровода. Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов — это применение магнитопровода из аморфных (нанокристаллических) сплавов.
Второй способ уменьшения Ро — изменение конструкции магнитопровода. Еще один инновационный вариант конструкции приведен на рис. 2.
Инновационное пространственное расположение обмоток на магнитопроводе не в одной плоскости, а по осям треугольной призмы, обеспечивает сокращение массы магнитопровода на 25% по сравнению с традиционным расположением осей обмоток в одной плоскости. Это, в свою очередь, приводит к сокращению массы трансформатора. Важным следствием пространственного расположения стержней и обмоток магнитопровода является более высокая перегрузочная способность трансформатора, вследствие образования вентиляционного канала между обмотками. Витая конструкция магнитопровода исключает искажения магнитного потока, позволяет снизить потери холостого хода на 25–35% по сравнению с традиционной конструкцией магнитопровода. Кроме того, уровень шума при работе трансформатора с инновационным объемным магнитопроводом удалось уменьшить до 41 децибела. И, наконец, трансформатор с объемным витым магнитопроводом имеет меньший объем за счет сокращения одного из линейных размеров.
Внешний вид сухого и масляного инновационных трансформаторов приведен на рис. 3.
Выпускаются с объемным магнитопроводом и пространственным расположением стержней и обмоток
Уменьшение мощности потерь короткого замыкания Рк (потери в обмотках) — это инновации в конструкции обмоток силового трансформатора. В первую очередь нужно использовать фольговую обмотку. Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Это позволит увеличить сечение и уменьшить габариты обмотки НН, что в свою очередь позволит уменьшить длину провода ВН. Кроме того, обмотки из фольги обладают определенными преимуществами: улучшается охлаждение обмотки благодаря более равномерному распределению температуры по всему сечению катушки; уменьшаются осевые усилия при К.З., так как обеспечивается сбалансированность МДС обмоток по высоте.
Сравним КПД различных трансформаторов одной мощности, например, 250 кВА. Сравнение будем производить для различных коэффициентов загрузки. Результаты сравнения представлены на рис. 4.
Из рис. 4 хорошо видно, что максимум КПД достигается при загрузке 30–40%. Преимущество инновационного энергоэффективного трансформатора над серийными по КПД составляет около 1%, это очень серьезная разница. Характеристика инновационного энергоэффективного трансформатора более линейна. Это значит, что инновационный энергоэффективный трансформатор обладает низкими потерями и при минимальной загрузке, и при перегрузке. Обладая, тем самым, преимуществом по сравнению с аналогами.
Авторы СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА «Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания» записали в документе следующий пункт: «6.2.3. В связи с тем, что серия трансформаторов с классом энергоэффективности Х3К3 Х4К3 в настоящее время не разработана, и требуется время на подготовку производителей к выпуску данных трансформаторов, требования к потерям в трансформаторах по уровню Х4К3 вступают в силу через 3 года с даты утверждения настоящего Стандарта».
Инновационная энергоэффективная трансформаторная продукция ЭТК «Золотой Треугольник», поставляемая на российский рынок с 2018 года, свидетельствует о том, что п. 6.2.3 важнейшего документа СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6–10 кВ мощностью 63–2500 кВА «Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания» можно смело объявить утратившим силу.
Литература:
- Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов России. Часть I. I-III габарит.-[б.м.]: Издательские решения, 2016. - 88 с.
- Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов России. Часть I. IV-VIII габарит.-[б.м.]: Издательские решения, 2016. - 104 с.
- Савинцев Ю.М., Карамутдинов Р.Н., Боков В.А. Энергоэффективные распределительные трансформа-торы: проблемы и надежды// ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ: ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ. 2010. № 7. С. 11–19.
- Электроэнергетика. Транспорт, надежность и учет: сборник статей / Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. – 113 с.
