Энергоэффективность распределительного трансформатора — это управляемое состояние

  • 487
  • Поделиться
  • Пожаловаться

В статье сформулированы теоретические основы, позволяющие выбирать оптимальные режимы эксплуатации современных энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов — коэффициент загрузки. Загрузка впервые определяется для всего трансформаторного комплекса распределительной электросети. Критерием оптимальности загрузки является минимум удельной стоимости трансформации электроэнергии. Приведены данные расчетов, полученные на основе разработанного метода.

Введение

6 апреля 2020 года была утверждена «Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года», в которой определено: «(...) Главной задачей электроэнергетики ... является повышение надежности и качества энергоснабжения потребителей до уровня, сопоставимого с лучшими зарубежными аналогами, с обеспечением экономической эффективности таких услуг. (...).».

Кроме того, в разделе «Пространственное и региональное развитие сферы энергетики» указывается, что " (...) Задачей электроэнергетики ... является повышение эффективности электросетевого комплекса.

В комплекс ключевых мер, обеспечивающих решение поставленной задачи, входят:

  • а) повышение качества разработки схем и программ развития электроэнергетики, в том числе прогноза спроса на электрическую энергию и мощность на основании данных о реализации на территориях субъектов Российской Федерации инвестиционных проектов;
  • б) повышение эффективности, в том числе экономической, технологий передачи электрической энергии ... «

В разделе 3.3. «Достижение технологической независимости ТЭК и повышение его конкурентоспособности» сказано, что " (...) на основе анализа результатов пилотных проектов будут намечены меры по широкомасштабному распространению эффективных цифровых технологий в отраслях ТЭК (...)«.

Как видно, для успешной реализации стратегии, для скорейшей цифровизации электроэнергетики требуется серьезнейший фундамент, а именно:

  1. современные диагностические системы;
  2. аппаратно-программные комплексы по типу цифрового двойника на базе самого современного методологического и математического аппарата;
  3. современное энергоэффективное оборудование, в том числе, энергоэффективные распределительные трансформаторы.

Потенциал энергосбережения России на сегодняшний день, рассчитанный автором, представлен в таблице 1. В модели расчета предполагается, что все установленные распределительные трансформаторы одномоментно заменены на энергоэффективные класса энергоэффективности Х2К2. Средняя загрузка трансформаторов по России принята равной 0,7. В финансовом выражении, полученный таким образом экономический эффект составляет ~13 миллиардов рублей в год. Для сравнения значительности этой суммы можно привести пример бюджета среднего российского города, например, бюджет города Орёл на 2020 год составил 6 миллиардов рублей. Несмотря на то, что суммарные потери в распределительном трансформаторном комплексе (только в трансформаторах) составляют ~1 % от передаваемой мощности, потенциал энергосберегающих мероприятий достаточно велик.

Однако максимально эффективное функционирование распределительных электросетей требует дополнительной проработки и новых решений, в частности, по следующим проблемам:

  • Эффективное управление структурой распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, прогнозирование ежегодной номенклатурной и количественной потребности в закупке новых силовых и распределительных трансформаторов.
  • Эффективное управление затратами на функционирование распределительных электросетей, в частности, минимизация удельной стоимости трансформации электроэнергии в рамках отдельных региональных распределительных компаний и в масштабах ЕЭС страны в целом.
  • Оптимальное управление режимами эксплуатации распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, выбор оптимальной загрузки силовых и распределительных трансформаторов для обеспечения минимальной удельной стоимости трансформации электроэнергии.
  • Оптимальное управление энергоэффективностью распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, нормирование потерь холостого хода и короткого замыкания всех силовых и распределительных трансформаторов в зависимости от требований глобальной экологии и макроэкономических параметров, в частности, энергоемкости внутреннего валового продукта. Управление энергоэффективностью, в конечном счете, связывает все предыдущие проблемы.

    Таблица 1. Потенциал энергосбережения в России (источник: расчеты автора)
    Мощность, кВА Штук >Рхх, Вт обычные Суммарные потери, Вт. обычные трансформаторы Рхх, Вт энергоэфф. Х2 Суммарные потери, Вт. Энергоэфф. трансформаторы> Ркз, Вт обычные Суммарные потери КЗ, Вт обычные трансформаторы Ркз, Вт э/эфф К2 Суммарные потери КЗ, Вт Энергоэфф. трансформаторы
    25 1399732 115 1410090017 115 1410090017 600 7356991392 600 7356991392
    40 515895 155 700482842 155 700482842> 880 3976934845> 880 3976934845
    63 287733 220 554519817,4 160 403287139,9 1280 3226297119 1270 3201091673
    100 190142> 270 449724320,4 217 361445101,9 1970 3281321893 1591 2650042199
    160 137889 410> 495240379,8 300 362371009,6 2650 3200943918 2136 2580081588
    250 106049 30 492364879> 425 394820893,5 3700 3437264249> 2955 2745166448
    400 84938 870 647331994,3 565 420393766,4 5600 4166734676 4182 3111657931
    630 70080 1240 761239125 696 427276154,1 7600 4665659153> 6136 3766905864
    1000 59147 1600 829009994,8 957 495851603,2 10800 5595817465> 9545 4945562750
    1600 50821 2100 934906743,2 1478 657996269,8 16500 7345695840 15455 6880468437
    2500 44304 2750 1067274725 2130 826652787,1 27000 10478697301 23182 8996931883
    4000 39086 4000 1369581858 3600 1232623672 34400 11778403979 31000 10614259399
    6300 34831 5400 1647647600 4900 1495087637> 46500 14188076553 42000 12815036887
    Итого 3020649 11359414295,61 9188378893,26 82698838384,50 73641131296,43
    Суммарные потери в руб. 2 718 828 591,21 Суммарные потери в руб. 18 376 757 786,53 Суммарные потери в руб. 165 397 676 768,99 Суммарные потери в руб. 47 282 262 592,86
    Объём потерь в финансовом выражении 103 763 690 208,02 ₽
    Потенциал энергосбережения при переходе на класс энергоэффективности Х2К2 в финансовом выражении 13 218 623 750,99 ₽

    Первая и четвертая проблемы подробно рассмотрены в статьях [1, 2]. Настоящая статья посвящена проблеме оптимального управления режимами эксплуатации — оптимизации загрузки трансформатора в аспекте обеспечения энергоэффективности распределительного трансформаторного комплекса.

    Вопросам оптимальности загрузки трансформаторов посвящена монография Радия Яковлевича Федосенко [3], вышедшая в 1963 году, все выводы которой актуальны и сегодня. Однако она не учитывала требования к энергоэффективности трансформаторов, потому как на тот период развития электроэнергетики вопросы энергосбережения не поднимались. Методологически выверенный подход к анализу энергоэффективности трансформаторов изложен в статье [4]. В данной работе всесторонне рассмотрено определение характеристик потерь распределительных трансформаторов в зависимости от их загрузки. Здесь отмечено также существенное отставание российских требований по энергоэффективности от европейских.

    Отметим важнейший методологический аспект работы [4]. В ней энергоэффективность трансформатора отождествляется с его коэффициентом полезного действия. И энергоэффективные характеристики потерь предлагается рассчитывать, исходя из максимума значения КПД трансформатора и его загрузки. Однако общеизвестным фактом является то, что загрузка трансформатора, рассчитанная из условия максимума КПД, является крайне низкой: она составляет ~0,3...0.4. При том, что конструкция трансформатора допускает перегрузку до 1,2, крайне низкая загрузка — это крайне неэффективное использование капитальных вложений, ведь трансформаторы — достаточно дорогостоящее оборудование.

    Есть и другой методический момент. Если загрузку трансформатора можно задать на основании требований технологического процесса потребителя (будь то завод или частный коттедж), то значение КПД трансформатора — это гипотетический показатель. Вряд ли он поддается нормированию применительно к энергоэффективным трансформаторам. На текущий момент мы можем оценить наибольший КПД, достигнутый при изготовлении трансформатора. Ведь, в конечном счете, этот показатель характеризует совершенство машины с энергетической точки зрения, определяется уже после ее изготовления и по результатам теоретических расчетов, а не прямых измерений. А на основании чего следует назначать КПД еще более совершенных трансформаторов?

    Автор предлагает новую парадигму энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов.

    Энергоэффективность отдельного трансформатора или распределительного трансформаторного комплекса — это динамичное состояние и оно определяется степенью согласованности конструктивных параметров отдельных трансформаторов и режимов их эксплуатации. Режимы эксплуатации, обеспечивающие энергоэффективность трансформаторного комплекса, должны выбираться из условия минимума удельной стоимости трансформации электроэнергии. Характеристики потерь энергоэффективных трансформаторов автор предложил определять на основе взаимосвязи суммарных потерь трансформаторного комплекса с энергоемкостью валового внутреннего продукта [2].

    Можно исходить и из других критериев, с которыми связано суммарное тепловыделение трансформаторного комплекса, например, с требованиями глобальной экологии. Таким образом, появляется возможность определить суммарную мощность потерь при работе трансформаторов, независимо от их загрузки. А затем уже, получив тем или иным способом требования к загрузки трансформаторов, можно «разделить» суммарные потери между потерями холостого хода и потерями короткого замыкания, так как потери КЗ зависят от загрузки трансформатора, а потери ХХ — нет.

    Теоретические основы выбора оптимальных режимов эксплуатации

    В соответствии с новой парадигмой энергоэффективности трансформаторных комплексов и отдельных трансформаторов, режим эксплуатации трансформаторов, прежде всего, коэффициент загрузки, является функционалом от характеристик трансформаторов (в частности, их потерь) и затрат на эксплуатацию трансформатора. Экстремум этого функционала и определяет оптимальное значение коэффициента загрузки трансформаторов. В работе [5] таким функционалом названа удельная стоимость трансформации электроэнергии. Её минимум и определяет оптимальное значение коэффициента загрузки. В настоящей статье в качестве методической иллюстрации нового подхода рассматривается средний коэффициент загрузки. Хотя корректнее вести расчет максимума загрузки.

    Таким образом, в отличие от работы [4], в предлагаемой авторской модели оптимизация характеристик потерь отделена от оптимизации режимов работы распределительных трансформаторов.

    Ниже по результатам многочисленных расчетов удельной стоимости трансформации выявлены её зависимости от мощности от номинальной мощности трансформаторов, их мощности потерь и коэффициента загрузки.

    Предварим анализ изменения удельной стоимости трансформации исследованием зависимости коэффициента полезного действия трансформаторов для стандартных (обычных) трансформаторов и энергоэффективных трансформаторов с потерями уровня Х2К2 по СТО 34.01-3.2-011-2017 от 12.04.2017г.

    Результаты расчётов представлены в таблицах 2 и 3, а также на графиках рис.1 и рис. 2.

    Рисунок 1. Коэффициент полезного действия обычных трансформаторов в зависимости от загрузки.

    Рис. 1

    Таблица 2.

    Таблица 2

    Таблица 3.

    Таблица 3

    Рисунок 2. Коэффициент полезного действия энергоэффективных трансформаторов в зависимости от загрузки.

    Рис. 2

    Таблицы расчетов КПД и графики для всего диапазона номинальных мощностей показывают, что на основе методологического подхода авторов работы оптимум загрузки составляет 0,3...0,4.

    Очень важной является также закономерность, которую можно видеть из сравнения строк в обеих таблицах, выделенных зелёным цветом. Для трансформаторов номинальной мощностью 1000 кВА (равно как и для любой другой мощности) оптимум коэффициента загрузки для энергоэффективного трансформатора оказывается меньше оптимума для трансформатора с обычными потерями. То есть, купив существенно более дорогой энергоэффективный трансформатор, потребитель должен будет нагружать его меньше, чем обычный трансформатор, который дешевле. С точки зрения экономики эксплуатации имеет место явное противоречие.

    В соответствии с авторской парадигмой энергоэффективности трансформаторного комплекса, оптимальная загрузка должна будет определена, исходя из минимума удельной стоимости трансформации электроэнергии.

    Базовой принята следующая формула для ее расчета:

    где:

    • Цтруд — удельная стоимость трансформации электроэнергии;
    • Цтр — стоимость трансформатора, руб.;
    • Цпотерь — стоимость потерь, руб./квт⋅час;
    • pxx — мощность потерь хх, кВт;
    • α — коэффициент загрузки трансформаторов;
    • pкз — мощность потерь кз, Квт;
    • Sтр — номинальная мощность трансформатора, кВА.

    Исходные данные и результаты расчета приведены в таблицах 4 и 5 , а также на рисунках 3 и 4.

    Как видно из таблиц 4, 5 и из рисунков 3 и 4, минимум стоимости трансформации электроэнергии для энергоэффективных трансформаторов ожидаемо смещается в сторону больших загрузок по сравнению с обычными трансформаторами. Здесь нет противоречия, отмеченного выше для загрузки, найденной из условия максимума КПД. Оптимальные загрузки для обычных трансформаторов могут составлять 0,7-1,1. Однако для энергоэффективных трансформаторов эти значения могут составлять уже 0,8-1,2. Так как значения загрузки, превышающие 1, свидетельствуют о нахождении оптимума в перегрузочном режиме, то это свидетельствует о необходимости изменения параметров трансформаторов. Полученные данные могут являться основой для принятия соответствующих управленческих решений.

    Выводы

    Новая авторская парадигма энергоэффективности позволяет определить экономически оптимальные режимы эксплуатации трансформаторов распределительного комплекса с учетом характеристик трансформаторов и особенностей условий эксплуатации (в частности, стоимости потерь в регионе эксплуатации). Применение предложенных методов расчета обеспечит дальнейшее совершенствование управлением эксплуатацией электроэнергетического оборудование, в частности, распределительных трансформаторов.

    Выражаю искреннюю благодарность руководству и ведущим специалистам ООО «Трансформер» за многочисленные предоставленные технические и другие данные о распределительных трансформаторах и за конструктивное обсуждение тезисов статьи.

    Список литературы

    • Савинцев Ю. М. Основные положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов [Электронный ресурс]. Дата обращения 24.04.2020.
    • Савинцев Ю. М. Разумная энергоэффективность — новый подход к нормированию потерь энергоэффективных распределительных трансформаторов [Электронный ресурс]. Дата обращения 24.04.2020.
    • Федосенко Р. Я. «Трансформатор в местной распределительной сети». Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР. — 1963 год. Стр. 87.
    • Ивакин В. Н., Ковалев В. Д., Магницкий А. А. "Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов"/"Энергия единой сети". 2017 год. № 5 (34). Стр. 20 — 31.

    Автор: кандидат технических наук Савинцев Ю. М.

      Лента публикаций