В статье сформулированы новые подходы к обоснованию уровня потерь современных сухих энергоэффективных распределительных трансформаторов. Автор развивает применение техноценологической парадигмы, примененной ранее к нормированию потерь распределительных масляных трансформаторов. Приведены данные расчетов нормативных характеристик потерь современных сухих энергоэффективных распределительных трансформаторов, полученные на основе разработанного метода.
Введение
Исторически первыми начали применяться именно сухие трансформаторы. Однако, когда в конце 1880-х годов Д. Свинберн предложил масляное охлаждение, началась эпоха масляных трансформаторов. На текущий момент по оценкам автора, доля сухих трансформаторов в общем количестве силовых и распределительных трансформаторов составляет примерно 20%. Это число получено на основе анализа продаж заводов, выпускающих данный вид оборудования. Сопоставлению масляных и сухих трансформаторов в части достоинств и недостатков посвящено достаточно много работ [1-8]. Примеры конструкций сухих трансформаторов представлены на рисунках 1 и 2. На рисунке 1 приведен трансформатор с литой изоляцией, на рисунке 2 — с воздушно-барьерной изоляцией. Настоящая статья посвящена развитию подхода в нормированию характеристик потерь, который изложен впервые в работе [9] применительно в масляным силовым и распределительным трансформаторам.
Актуальность проблемы нормирования характеристик потерь для сухих трансформаторов является еще более важной, поскольку этот тип конструкции более дорогой. В статье [9] приведены среднерыночные цены и видно, что инвестиции в данный вид оборудования примерно в два раза выше на единицу мощности по сравнению с масляными трансформаторами. При более высокой энергоэффективности инвестиции также потребуются большего объема.
Поэтому, как неоднократно приходилось подчеркивать автору в различных выступлениях и докладах по тематике энергоэффективности, характеристики потерь холостого хода и короткого замыкания энергоэффективных трансформаторов должны быть обоснованы. Можно изготовить трансформатор с уникально низкими потерями хх и кз, например, с магнитопроводом из аморфной стали и с обмотками из материала с высокотемпературной сверхпроводимостью. Но первый вопрос заключается в том, в течение какого срока окупятся вложения в такой трансформатор? Второй вопрос: насколько реально будут востребованы такие низкие характеристики потерь? Чем обоснована такая низкая величина потерь?
Вопрос сродни обоснованности строительства между Москвой и Санкт-Петербургом сверхскоростной трассы — высокоскоростной системы Hyperloop. Как заключили эксперты: строить дорого, нецелесообразно, а пользоваться смогут только богатые.
Похожая ситуация видится в части супер энергоэффективных трансформаторов. Почти 15-тилетний опыт работы в области энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов привел автора к парадигме «разумности» при нормировании характеристик потерь. Так, сегодня очень популярны в различных презентациях энергоэффективного оборудования трансформаторы с магнитопроводом из аморфной стали. Потери хх у трансформатора мощностью 1000 кВА составляют величину, в 5 раз меньшую потерь хх обычного трансформатора. Цена такого трансформатора (масляного) в два раза превышает цену стандартного трансформатора. Срок окупаемости по оценкам автора составляет порядка 8 лет. Настоящая статья не ставит целью оценку инвестиционной привлекательности инновационной продукции. Но, по-видимому, включать в требование стандарта такие значения потерь вряд ли стоит.
Многолетнее изучение автором проблемы нормирования потерь хх и кз для энергоэффективных трансформаторов выявили отсутствие теоретических и методологических основ решения этой проблемы.
В работе [9] автор предложил теоретические основы и разработал методологический аппарат нормирования характеристик потерь энергоэффективных трансформаторов. В основу положена ценологическая парадигма профессора Б. И. Кудрина [10]. На ее базисе созданы математическая модель структуры комплекса силовых/распределительных трансформаторов [11] и математическая модель энергоэффективности этого комплекса [9, 12]. Используя макроэкономические и глобальные экологические критерии, эти модели позволяют строго научно определить нормативы для характеристик потерь хх и кз.
Характеристики потерь современных сухих трансформаторов и требования некоторых зарубежных стандартов к сухим энергоэффективным трансформаторам
Основой точкой отсчета при нормировании характеристик потерь сухих силовых и распределительных трансформаторов являются характеристики потерь хх и кз современных стандартных трансформаторов (см. таблицу 1).
| Таблица 1. Характеристики потерь стандартных сухих распределительных трансформаторов (мощности 25-400 кВА) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мощность трансформатора | кВА | 25 | 40 | 63 | 100 | 160 | 250 | 400 |
| Напряжение ВН | В | 10 000 /6 000 | ||||||
| Напряжение НН | В | 690/660/400/ 230 | ||||||
| Схема и группа соединения | D/Yn-11 Y/Yn-0 | D/Yn-11 Y/Yn-0 | D/Yn-11 Y/Yn-0 | D/Yn-11 Y/Yn-0 | D/Yn-11 Y/Yn-0 | D/Yn-11 Y/Yn-0 | D/Yn-11 Y/Yn-0 | |
| Потери холостого хода (Рхх) | Вт. | 195 | 230 | 290 | 380 | 510 | 620 | 1100 |
| Ток холостого хода | % | 4,0 | 3,0 | 3,0 | 1,5 | 1,5 | 1,0 | 1,0 |
| Потери короткого замыкания (Ркз) | кВт. | 450 | 700 | 1350 | 2000 | 2700 | 3650 | 5800 |
| Напряжение короткого замыкания. | % | 4,0 | 4,0 | 4,0 | 6,0 | 6,0 | 6,0 | 6,0 |
Продолжение таблицы 1
| Характеристики потерь стандартных сухих распределительных трансформаторов (мощности 630-2500 кВА) | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мощность трансформатора | кВА | 630 | 800 | 1000 | 1250 | 1600 | 2000 | 2500 | |||
| Напряжение ВН | В | 10 000 /6 000 | |||||||||
| Напряжение НН | В | 690/660/400/ 230 | |||||||||
| Схема и группа соединения | D/Yn-11 Y/Yn-0 | ||||||||||
| Потери холостого хода (Рхх) | Вт. | 1400 | 1000 | 1800 | 1740 | 1500 | 2100 | 2200 | 2800 | 2900 | 3600 |
| Ток холостого хода | % | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | |||
| Потери короткого замыкания (Ркз) | Вт. | 7100 | 7600 | 7600 | 8900 | 9000 | 11400 | 12000 | 11000 | 15500 | 19500 |
| Напряжение короткого замыкания. | % | 6,0 | 8,0 | 6,0 | 6,0 | 8,0 | 6,0 | 8,0 | 6,0 | 6,0 | 6,0 |
В силу конструктивных особенностей сухих трансформаторов их потери хх оказываются больше, чем у масляных трансформаторов равной мощности. Поэтому энергоэффективности трансформаторов этого типа необходимо также уделять большое внимание.
Но по не вполне понятной причине, энергоэффективность сухих распределительных трансформаторов вообще не отражена в нормативных документах по энергоэффективности в РФ. В странах ЕС параметры энергосберегающих сухих распределительных трансформаторов регулирует документ HD538 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 100 до 2 500 кВА с охлаждением сухого типа и максимальным напряжением не выше 36 кВ». Он устанавливают следующие ограничения на потери хх и кз (таблица 2).
| Таблица 2. Потери холостого хода и короткого замыкания по документу гармонизации ЕЭС HD538 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мощность, кВА | 100 | 160 | 250 | 400 | 630 | 800 | 1000 | 1250 | 1600 | 2000 | 2500 | 3150 |
| Потери хх, Вт | 280 | 350 | 520 | 750 | 1100 | 1300 | 1550 | 1800 | 2200 | 2600 | 3100 | 3800 |
| Потери кз, Вт 75 °C | 1575 | 2275 | 2975 | 3950 | 6200 | 7000 | 7875 | 9625 | 11375 | 14000 | 16625 | 19250 |
| Потери кз, Вт 120 °C | 1800 | 2600 | 3400 | 4500 | 7100 | 8000 | 9000 | 11000 | 13000 | 16000 | 19000 | 22000 |
| Ток хх, % | 1 | 0,9 | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,4 | 0,4 |
| Напряжение кз, % | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
Интерес представляют данные по сухим энергоэффективным трансформаторам, взятые из каталога одного из китайских заводов. В Китае уже несколько лет назад запрещены к использованию трансформаторы с характеристиками потерь, которые у нас считаются стандартными. По китайской классификации — это уровень S9. В таблице 3 приведены значения, в частности, потерь сухих трансформаторов первого класса энергоэффективности, типа SCB13.
Даже по сравнению с европейским документом по гармонизации HD538 значения потерь сухих трансформаторов в Китае являются существенно более жесткими.
Но насколько целесообразны требования зарубежных стандартов по энергоэффективным трансформаторам? Чем они обоснованы?
Далее представлены математические модели и методология, позволяющие нормировать также характеристики потерь сухих энергоэффективных трансформаторов.
| Таблица 3. Трансформаторы сухие типа SCB13, первый класс энергоэффективности, с магнитопроводом из анизотропной стали, с медными обмотками | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мощность, кВА | ВН, кВ | НН, кВ | Pxx, Вт | Ркз, Вт | Ток хх, % | Напряжение кз, % | Габариты, мм | Масса, кг |
| 100 | 290 | 1330 | 1.5 | 1035×1250×980 | 450 | |||
| 125 | 340 | 1560 | 1.3 | 1060×1280×1000 | 500 | |||
| 160 | 385 | 1800 | 1.3 | 4.0 | 1120×1320×1050 | 680 | ||
| 200 | 445 | 2130 | 1.1 | 1135×1330×1105 | 770 | |||
| 250 | 6 | 515 | 2330 | 1.1 | 1170×1330×1165 | 900 | ||
| 315 | 635 | 2940 | 1.0 | 1185×1360×1225 | 1010 | |||
| 400 | 6.3 | 705 | 3370 | 1.0 | 1210×1380×1300 | 1205 | ||
| 600 | 6.6 | 0.4 | 835 | 4130 | 1.0 | 1245×1400×1380 | 1400 | |
| 630 | 10 | 965 | 4970 | 0.85 | 1295×1410×1355 | 1515 | ||
| 630 | 10.5 | 935 | 5050 | 0.85 | 1295×1410×1355 | 1515 | ||
| 800 | 11 | 1090 | 5890 | 0.85 | 1375×1450×1480 | 1880 | ||
| 1000 | 1270 | 6880 | 0.85 | 6.0 | 1430×1480×1525 | 2170 | ||
| 1250 | 1500 | 8190 | 0.85 | 1480×1500×1570 | 2525 | |||
| 1600 | 1760 | 9940 | 0.85 | 1500×1520×1710 | 2980 | |||
| 2000 | 2190 | 12200 | 0.7 | 1570×1550×1735 | 3480 | |||
| 2500 | 2590 | 14500 | 0.7 | 1625×1600×1825 | 4080 | |||
| 1600 | 1760 | 11000 | 0.85 | 1500×1520×1710 | 2980 | |||
| 2000 | 2190 | 13500 | 0.7 | 8.0 | 1570×1550×1735 | 3480 | ||
| 2500 | 2590 | 15900 | 0.7 | 1625×1600×1825 | 4080 | |||
Нормирование энергоэффективности сухих распределительных трансформаторов
Для формирование модели, на основе которой можно осуществить нормирование энергоэффективности (как отмечалось автором в ряде работ [9, 11 12]) требуется рассматривать не один отдельный или несколько трансформаторов, а весь комплекс силовых/распределительных трансформаторов, обеспечивающих электроснабжение на обширной территории, вплоть до территории страны или группы стран. И фундаментальным для всех последующих выводов является понятие «энергоэффективность».
- С количественной стороны, «Энергетическая эффективность — это характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции...». Таково определение энергоэффективности по 261-ФЗ.
- С содержательной стороны, энергоэффективность — это управляемое состояние большой, организованной для каких-либо целей, совокупности устройств, которое характеризует способность этой совокупности изменять (уменьшать, сокращать) удельные затраты на функционирование данной совокупности устройств. Это авторская концептуальная трактовка энергоэффективности, положенная в основу разрабатываемой теории энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов.
Нормирование потерь хх и кз сухих энергоэффективных силовых/распределительных трансформаторов осуществляется по методике, описанной в [9].
Для адекватного сравнения с результатами нормирования потерь масляных энергоэффективных трансформаторов, приняты следующие исходные данные и упрощения для моделирования:
- В тестовых расчетах для упрощения модели предполагается, что все установленные трансформаторы — сухие. В методике, изложенной в работе [9] также принято, что все трансформаторы являются масляными. Можно усложнить модель и рассмотреть всю совокупность трансформаторов, состоящей из двух групп: 80 % масляные и 20 — сухие. На результаты расчетов это повлияет не существенно.
- Как и в работе [9], целевое сокращение энергоемкости ВВП принято равным 0,08 т.у.т./млн.руб.
Полный перечень исходных данных приведен в таблице 4.
| Таблица 4. Исходные данные для расчета нормативных потерь хх и кз энергоэффективных сухих силовых/распределительных трансформаторов. | |
|---|---|
| Показатель | Значение |
| Общее количество распределительных трансформаторов в РФ, штук, NΣ | 3 020 649 |
| Суммарная трансформаторная мощность, МВА, SΣ | 846 472 |
| Суммарные потери (при загрузке, равной 1), кВт, PΣ | 10 737 243 |
| Целевое значение сокращения энергоёмкости ВВП, т.у.т./млн.руб., ΔЭ | 0,08 |
| Значение суммарной доли подлежащих сокращению потерь, кВт*час, ΔWΣ | 21 375 000 000 |
| Значение суммарной мощности подлежащих сокращению потерь, кВт, ΔPΣ | 2 440 000 |
| Удельное значение сокращаемых потерь, кВт/кВА, ΔPуд | 0,002882 |
| Доля потерь Kхх в общей мощности потерь, | 0,12726 |
| Доля потерь Kкз в общей мощности потерь, | 0,87274 |
Значения полученных энергоэффективных потерь хх и кз для каждой номинальной мощности всей линейки сухих трансформаторов от 25 до 6300 кВА приведены в таблице 5.
| Таблица 5. Расчетные энергоэффективные нормативные потери для сухих трансформаторов мощностью 25-6300 кВА | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Мощность сухого трансформатора, кВА | Требуемое сокращение удельной мощности суммарных потерь сухих тр-ров, Вт | Расчётная нормативная удельная мощность потерь хх, Э-ЭФ. сухих тр-ров, Вт | Удельная мощность потерь хх обычных сухих тр-ров, Вт | Расчётная нормативная удельная мощность потерь кз, Э-ЭФФ. сухих тр-ров, Вт | Удельная мощность потерь кз обычных сухих тр-ров, Вт | Коэффициент энергоёмкости (КПД) э-эфф. сухих тр-ров | Коэффициент энергоэффективности (КПД) обычных сухих трансформаторов |
| 25 | 0,0721 | 173,2 | 195 | 399,7 | 450 | 0,9763 | 0,9742 |
| 40 | 0,1153 | 201,5 | 230 | 613,2 | 700 | 0,9799 | 0,9768 |
| 63 | 0,1816 | 257,9 | 290 | 1200,5 | 1350 | 0,9801 | 0,9740 |
| 100 | 0,2883 | 334,0 | 380 | 1757,8 | 2000 | 0,9826 | 0,9762 |
| 160 | 0,4612 | 436,7 | 510 | 2312,1 | 2700 | 0,9853 | 0,9799 |
| 250 | 0,7206 | 515,4 | 620 | 3034,0 | 3650 | 0,9880 | 0,9829 |
| 400 | 1,1530 | 916,2 | 1100 | 4830,8 | 5800 | 0,9874 | 0,9828 |
| 630 | 1,8160 | 1100,9 | 1240 | 5583,1 | 7100 | 0,9906 | 0,9868 |
| 1000 | 2,8826 | 1268,6 | 1600 | 6488,8 | 8900 | 0,9925 | 0,9895 |
| 1600 | 4,6121 | 1864,2 | 2100 | 7323,7 | 11000 | 0,9940 | 0,9918 |
| 2500 | 7,2064 | 2476,9 | 2750 | 13416,7 | 19500 | 0,9941 | 0,9911 |
| 4000 | 11,5302 | 2798,9 | 4000 | 24070,9 | 34400 | 0,9941 | 0,9904 |
| 6300 | 18,1601 | 3510,5 | 5400 | 30229,4 | 46500 | 0,9950 | 0,9918 |
Для сопоставления с действующими нормативами энергоэффективности трансформаторов в таблицах 6, 7, 8 приведены соответственно значения потерь хх и кз энергоэффективных трансформаторов в соответствии с постановлением правительства № 600 от 17 июня 2015 г., стандартом СТО 34.01-3.2-011-2017 и постановлением совета Европы № 548/2014 от 21 мая 2014 г.
Как видно из сравнения результатов расчета по новой методике нормирования показателей потерь сухих энергоэффективных трансформаторов, полученные данные ожидаемо не совпадают с показателями потерь нормативных документов. Так полученные значения потерь хх и кз для трансформатора мощностью 1000 кВА составляют, соответственно, 1270 Вт и 6500 Вт; стандартные значения — 1600 и 8900 Вт. Нормативный документ «Постановление № 600» требует для этой мощности трансформаторов значений потерь хх 1100 Вт и потерь кз 10500 Вт. Требования европейского стандарта составляют для потерь хх 1550 Вт и для потерь кз 9000 Вт.
Если мы будем исходить из требований сокращения интуитивно понятного и логически прозрачного показателя, научного критерия энергоёмкости ВВП, мы увидим, что требования к энергоэффективности трансформаторов управляемы и должны обосновываться более гибко, чем это определено действующими нормативными документами.
Автор выражает искреннюю благодарность руководству и ведущим специалистам ООО «Трансформер» за многочисленные предоставленные технические и другие данные о распределительных трансформаторах, а также за конструктивное обсуждение тезисов статьи.
Список литературы
- Савинцев Ю. М. «Инновационный сухой трансформатор — реальная энергоэффективность». // «Промышленные страницы Сибири». 2020 год. № 4-5 (148-149). Стр. 66-69.
- «Сухие силовые трансформаторы 6-35 кВ. Критерии выбора». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- «Сухие силовые трансформаторы. Выбор, устройство, характеристики». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- Кравченко А., Метельский В. «Сухие и энергосберегающие трансформаторы». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- Михеев Г. М., Ефремов Л. Г., Иванов Д. Е. «Способы повышения энергоэффективности силовых трансформаторов». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- «Особенности конструкции, преимущества и недостатки сухих трансформаторов». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- «Стандарты потерь в трансформаторах». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- Васильев С. «Будущее за сухими трансформаторами». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- Савинцев Ю.М. «Энергоэффективность распределительного трансформатора — это управляемое состояние». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- Кудрин Б. И. «Два открытия: явление инвариантности структуры техноценозов и закон информационного отбора». / «Технетика». 2009 г. Стр. 82.
- Савинцев Ю. М. «Методология прогнозирования рыночного спроса на электрооборудование сетей электроснабжения на базе ценологической парадигмы». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
- Савинцев Ю. М. «Основные положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов». [Электронный ресурс]. Дата обращения 18.05.2020.
Автор: независимый эксперт, кандидат технических наук Юрий Михайлович Савинцев.
