Статья посвящена требованиям к энергоэффективности специальных трансформаторов: трансформаторов для электроснабжения погружных насосов в нефтедобыче, преобразовательных и печных трансформаторов. Рассмотрены возможности и практическая реализация конструктивных изменений, связанных с особенностями эксплуатации трансформаторов. Предложен подход к формированию требований к параметрам энергоэффективности специальных трансформаторов.
Введение
Повышение энергоэффективности различного электрооборудования является сегодня одним из основных трендов ускорения экономики страны. А одним из инструментов промышленной политики, нацеленной на повышение энергетической эффективности может стать установление минимальных стандартов энергетической эффективности на определенные виды оборудования. В силу своей технологической распространенности, наиболее важным можно считать вопросы повышения энергоэффективности силовых трансформаторов.
При этом энергоэффективность силовых трансформаторов не является самоцелью, а лишь показателем, характеризующим различные технологические процессы; является одним из признаков, который позволяет судить об инновационном контенте экономики страны. С другой стороны, энергоэффективность силовых трансформаторов можно считать целевым управляемым показателем, так как достичь роста экономики при ограниченных ресурсах в инновационном тренде развития не только дешевле, но иногда и невозможно достичь другим образом.
Однако решение проблемы повышения энергоэффективности трансформаторов нельзя уподоблять «тришкиному кафтану». В данном случае имеется в виду «кусочное» решение вопроса, когда нормативные документы касательно энергоэффективности силовых трансформаторов охватывают лишь часть трансформаторного оборудования, а весьма немалая часть этой группы электрооборудования осталась совершенно без внимания.
Так оказалось, что на специальные силовые трансформаторы, — преобразовательные, печные трансформаторы для различных типов электропечей в черной и цветной металлургии, на трансформаторы типа ТМПНГ (трехфазные масляные трансформаторы для погружных насосов, герметичные) для установок электроцентробежных погружных насосов (УЭЦН) в нефтедобыче, — требования энергоэффективности (в частности, отраслевого стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017), не распространяются.
Это выясняется, если тщательно проанализировать все нормативные документы, содержащие требования к энергоэффективности трансформаторов.
Так требования к потерям хх и кз в силовых трансформаторах I-III габарита, которые будут предъявляться в ближайшие годы (см. [1]), соответствуют стандарту СТО 34.01-3.2-011-2017. Но упомянутый (и единственный, кстати, пока стандарт в России, содержащий требования к энергоэффективности трансформаторов), распространяется только на распределительные трансформаторы.
Вообще в нормативных документах, касающихся силовых трансформаторов (речь идет прежде всего о ГОСТах), есть определенная дефинициальная путаница.
Обратимся к ГОСТу 14209-97, который, собственно, и ввел понятие «распределительный трансформатор». Цитата:
«В настоящем стандарте приняты следующие определения:
1.3.1 Распределительный трансформатор
Трехфазный трансформатор номинальной мощностью не более 2500 кВ⋅А или однофазный номинальной мощностью не более 833 кВ⋅А классов напряжения до 35 кВ включительно, то есть понижающий трансформатор с раздельными обмотками и напряжением распределительной сети, с охлаждением ON и без переключения ответвлений обмоток под нагрузкой».
Далее в ГОСТе 14209-97 вводятся понятия трансформатора средней мощности и трансформатора большой мощности:
Однако в ГОСТе 16110-82 «Трансформаторы силовые. Термины и определения» нет терминов распределительный трансформатор, трансформатор средней мощности и трансформатор большой мощности. Но четко определен термин «силовой трансформатор»:
1.2. Силовой трансформатор
Трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии.
Примечание. К силовым относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью 6,3 кВА и более, однофазные мощностью 5 кВА и более«.
А теперь цитата из основного для производителей силовых трансформаторов ГОСТ Р 52719-2007:
«... Стандарт не распространяется на трансформаторы малой мощности и специальные трансформаторы (преобразовательные, электропечные, тяговые, пусковые, сварочные и др.)...».
Как видно, государственные стандарты ГОСТ 14209-97, ГОСТ 16110-82, ГОСТ Р 52719-2007 и отраслевой стандарт СТО 34.01-3.2-2017 не согласованы между собой. Вследствие чего на общегосударственном уровне регулирования требований энергоэффективности превратилось в «тришкин кафтан». Далее показан размер «дыры» в требованиях энергоэффективности в части ассортиментного перечня силовых трансформаторов.
На базе математической модели [2] автор оценил количество трех наиболее многочисленных групп специальных трансформаторов, а именно: трансформаторов для УЭЦН в нефтедобыче, преобразовательных и печных трансформаторов, применяемых в металлургических отраслях (черная и цветная металлургия). Их общее количество в России составляет ориентировочно 380 тысяч штук суммарной мощностью 65,6 ГВА. При общем количестве установленных в России трансформаторов — 2,6 миллиона штук [1] суммарной мощностью 722,3 ГВА, указанные специальные трансформаторы составляют 14,5%.
Трансформаторы для электроснабжения УЭЦН
Особенности трансформаторов для электроснабжения установок погружных насосов связаны с условиями эксплуатации в местах нефтедобычи [3]. Трансформаторы ТМПНГ должны обеспечивать электроснабжение УЭЦН с асинхронными электродвигателями в условиях применения частно-регулируемого привода (ЧРП), в режиме повторно-кратковременной эксплуатации (число ударных толчков током по. ГОСТ Р 52719-2007), вентильными электродвигателями, электродвигателями повышенного напряжения.
Поэтому мощность трансформатора ТМПНГ выбирается, соответственно, исходя из мощности погружного электродвигателя (ПЭД), в соответствие с рекомендациями, представленными в таблице 1.
Таблица 1. Рекомендации по выбору мощности трансформатора для асинхронных ПЭД
| Мощность ПЭД, кВт | cos ϕ | КПД ПЭД | Минимальная требуемая мощность трансформатора, кВА | Рекомендуемая стандартизированная энергоэффективная мощность трансформатора, кВА |
| 40 | 0,85 | 0,845 | 63 | 80; 100* |
| 45 | 0,86 | 0,85 | 80 | 80; 100 |
| 50 | 0,86 | 0,845 | 80 | 100; 125 |
| 56 | 0,86 | 0,845 | 82 | 125; 160 |
| 63 | 0,85 | 0,85 | 100 | 125; 160 |
| 70 | 0,85 | 0,83 | 100 | 160; 200 |
| 80 | 0,83 | 0,85 | 125 | 160; 200 |
| 90 | 0,84 | 0,84 | 160 | 200; 315 |
| 100 | 0,85 | 0,84 | 160 | 200; 315 |
| 110 | 0,85 | 0,84 | 160 | 200; 315 |
| 125 | 0,83 | 0,835 | 200 | 315; 400 |
| 140 | 0,83 | 0,835 | 200 | 315; 400 |
| 160 | 0,83 | 0,835 | 250 | 400; 500 |
| 200 | 0,83 | 0,835 | 315 | 500; 630 |
| 315 | 0,83 | 0,835 | 500 | 630; 800 |
| 400 | 0,83 | 0,835 | 630 | 800; 1000 |
| 425 | 0,83 | 0,835 | 630 | 800; 1000 |
| 450 | 0,83 | 0,835 | 800 | 800; 1000 |
| 475 | 0,83 | 0,835 | 800 | 1000; 1600 |
| 500 | 0,83 | 0,835 | 800 | 1000; 1600 |
| 530 | 0,83 | 0,835 | 800 | 1000; 1600 |
| 560 | 0,83 | 0,835 | 1000 | 1000; 1600 |
Как видно из таблицы, ряд мощностей трансформаторов типа ТМПНГ довольно существенно отличается от ряда мощностей распределительных трансформаторов стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017.
Исходя из требований унификации и увеличения объема стандартизированных трансформаторов, на предприятиях нефтедобычи должно допускаться количество ступеней регулирования 25, 36, 50. Стандартным для трансформаторов ТМПНГ целесообразно установить количество ступеней регулирования равное 25.
Для трансформаторов, используемых на предприятиях нефтедобычи, исходя из требований безопасности, должна быть установлена схема и группа соединения обмоток трансформаторов ― Yн/Yн-0 с обязательным выводом нулевого провода по рабочему напряжению. Так как в местах эксплуатации, в местах расположения скважин и климатические, и другие факторы воздействия на все механизмы и оборудование нефтедобычи очень жесткие, то конструкция трансформатора должна соответствовать требованиям по стойкости к механическим внешним воздействующим факторам, установленным для группы механического исполнения М1 по ГОСТу 30361-99
В связи с объёмными финансовыми затратами, в том числе и на электроэнергию, при добыче нефти, особое внимание все компании этого сектора промышленности уделяют вопросам энергоэффективности. Так еще 10 лет назад рекомендовалось установить следующие значения мощности потерь холостого хода и мощности потерь короткого замыкания для трансформаторов, используемых в нефтедобывающих предприятиях (в условиях номинального режима) в соответствии с таблицами 2 и 3.
Таблица 2. Допустимые и оптимальные значения мощности потерь холостого хода, Вт
| Номинальная мощность трансформатора, кВА | 100 | 125 | 160 | 200 | 250 | 315 | 400 | 500 | 630 | 800 | 1000 |
| Допустимый уровень мощности потерь, НЕ БОЛЕЕ, Вт | 280 | 330 | 430 | 510 | 630 | 660 | 810 | 935 | 1030 | 1225 | 1400 |
| оптимальный уровень мощности потерь, НЕ БОЛЕЕ, Вт | 210 | 250 | 300 | 350 | 425 | 520 | 610 | 720 | 860 | 970 | 1100 |
| Номинальная мощность трансформатора, кВА | 100 | 125 | 160 | 200 | 250 | 315 | 400 | 500 | 630 | 800 | 1000 |
| Допустимый уровень мощности потерь, НЕ БОЛЕЕ, Вт | 1950 | 2190 | 2410 | 2900 | 3590 | 3700 | 5500 | 5890 | 6500 | 9500 | 10500 |
| Оптимальный уровень мощности потерь, НЕ БОЛЕЕ, Вт | 1475 | 1690 | 2000 | 2330 | 2750 | 3370 | 3850 | 4530 | 5400 | 7300 | 9500 |
Таблица 3. Допустимые и оптимальные значения мощности потерь короткого замыкания, Вт
| Номинальная мощность трансформатора, кВА | 100 | 125 | 160 | 200 | 250 | 315 | 400 | 500 | 630 | 800 | 1000 |
| Допустимый уровень мощности потерь, НЕ БОЛЕЕ, Вт | 1950 | 2190 | 2410 | 2900 | 3590 | 3700 | 5500 | 5890 | 6500 | 9500 | 10500 |
| Оптимальный уровень мощности потерь, НЕ БОЛЕЕ, Вт | 1475 | 1690 | 2000 | 2330 | 2750 | 3370 | 3850 | 4530 | 5400 | 7300 | 9500 |
Дополнительным требованием к трансформаторам типа ТМПНГ является то, что конструкция активной части трансформатора должна рассчитываться и проектироваться, исходя из условий, когда частота питающей сети может меняться в диапазоне 30-70 Гц. Стержни и ярма магнитопровода трансформатора должны быть рассчитаны, исходя из требования предотвращения резкого возрастания мощности потерь в режимах холостого хода и короткого замыкания при отклонениях частоты от номинальной.
Общий вид трансформаторов ТМПНГ приведен на рисунках 1 и 2.
Таблица 4. Габаритные и присоединительные размеры трансформаторов ТМПНГ
Тип трансформатора | Размеры, мм | |||||
Габаритные | Установочные | |||||
| L | В | Н | Н1 | L1 | В1 | |
| ТМПНГ-63 | 1075 | 660 | 1360 | 1264 | 500 | 480 |
| ТМПНГ-100 | 1125 | 570 | 1375 | 1280 | 550 | |
| ТМПНГ-160 | 1140 | 795 | 1260 | 1150 | 550 | |
| ТМПНГ-250 | 1140 | 820 | 1500 | 1411 | ||
| ТМПНГ-400 | 1442 | 940 | 1620 | 1524 | 660 | 660 |
Таблица 5. Массы трансформаторов ТМПНГ производства ООО «Трансформер»
| Тип трансформатора | Масса, кг | |
| Масла | Полная | |
| ТМПНГ-63 | 148 | 590 |
| ТМПНГ-100 | 195 | 739 |
| ТМПНГ-160 | 245 | 905 |
| ТМПНГ-250 | 273 | 1212 |
| ТМПНГ-400 | 354 | 1575 |
Трансформаторы для электроснабжения преобразовательных устройств
Генерация и транспортировка электрической энергии происходит на переменном трехфазном токе. Но очень многим промышленным потребителям требуется постоянный ток. Для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот используются различные преобразовательные устройства.
В состав преобразовательного устройства входят [4]:
- специальный преобразовательный силовой трансформатор;
- полупроводниковые вентили;
- уравнительные и сглаживающие реакторы;
- устройства управления вентилями или трансформатором;
- вспомогательные устройства для включения, отключения, охлаждения и защиты.
Преобразовательный силовой трансформатор служит для изменения значения напряжения сети и его согласования с входным напряжением преобразователя. С помощью преобразовательного трансформатора сеть постоянного тока изолируется от сети переменного тока, увеличивается число фаз вентильных обмоток для уменьшения величины пульсации выпрямленного напряжения и тока, улучшения формы сетевого тока.
Особенности комплекса оборудования преобразователя повлекло за собой изменение конструкции всех основных элементов трансформатора в сравнении со стандартными силовыми трансформаторами в распределительной сети. Так магнитопровод преобразовательного трансформатора может представлять собой:
- совокупность магнитопроводов трех однофазных трансформаторов;
- состоять из одного трехстержневого магнитопровода трехфазного трансформатора;
- образовывать смешанную магнитную систему, состоящую из двух и более трехфазных магнитопроводов.
Обмотки преобразовательного трансформатора имеют специальные названия: сетевая обмотка (эквивалент обмотки ВН) и вентильная обмотка (эквивалент обмотки НН). Сетевая обмотка присоединяется к сети переменного тока, вентильная обмотка, присоединяется к вентильным преобразователям. В преобразовательных силовых трёхфазных трансформаторах применяются две основные схемы соединения сетевых обмоток: звезда и треугольник. Схемы соединения вентильных обмоток чаще всего применяются двух видов:
- простая звезда, двойная звезда, простой зигзаг, двойной зигзаг и дважды двойной зигзаг; это так называемые разомкнутые (лучевые) схемы;
- треугольник, шестиугольник — это так называемые замкнутые схемы.
Воплощение всех перечисленных особенностей в реальных конструкциях преобразовательных трансформаторов приведено на рисунках 3 и 4.
Трансформаторы для электроснабжения электроплавильных печей
Существенно отличающиеся режимы работы, режимов и технических требований выделяют печные трансформаторы в самостоятельный класс силовых трансформаторов. их выделят следующие особенности:
- Электропитание печей, мощность которых может составлять до 100 MB-А, осуществляется напряжением от нескольких вольт до сотен вольт, поэтому токи в обмотке НН могут составлять десятки тысяч ампер.
- Напряжение питания электропечи изменяется в широком диапазоне. И эти изменения должны обеспечиваться трансформатором либо регулированием под нагрузкой с большим числом ступеней с небольшим шагом, либо регулированием без возбуждения (ПБВ) также с большим количеством ступеней.
- Реактивное сопротивление печного трансформатора должно быть меньше сопротивления сети и самой печи, чтобы существенно не снизить энергопотребление электропечной установки в целом, т. е. напряжение короткого замыкания трансформатора должно быть минимальным.
- Многочисленные зажигания и прерывания дуги (на электродах в дуговых электропечах) вызывают резкие изменения тока в обмотках НН трансформатора, что приводит к возникновению больших механических усилий и перенапряжениям в обмотках, которые должны учитываться в конструкции трансформаторов.
- Частые коммутации оперативными выключателями на стороне ВН трансформатора, особенно с вакуумными дугогасительными камерами, также являются источниками перенапряжений, в том числе резонансного характера в регулировочных обмотках трансформатора.
Трансформаторы для дуговых сталеплавильных печей
Указанные особенности наиболее сильно выражены у печных трансформаторов, которые предназначены для электроснабжения дуговых сталеплавильных печей.
На рисунке 1 показан типовой так называемый директивный график нагрузки дуговой сталеплавильной емкостью 5 т при плавке стали. Мощность печи и, соответственно, печного трансформатора в течение цикла плавки изменяется. Наибольшая мощность потребляется в период расплавления, когда дуга неустойчива, и для увеличения мощности необходимо повышать напряжение. Длительность этого периода составляет 50–60 % от общей продолжительности плавки (у мощных высокопроизводительных дуговых сталеплавильных печей длительность этого периода составляет 60-70%).
В период окисления и рафинирования (см. рис 1) мощность дуговой сталеплавильной печи необходимо понижать. Это достигается регулированием вторичного напряжения печного трансформатора либо устройством ПБВ (для трансформаторов дуговых печей емкостью до 12 т при мощности печного трансформатора до 8 MBА). Для печных трансформаторов больших мощностей используется устройство РПН.
Работа печного трансформатора сопровождается частыми отключениями дуги и отключениями технологического характера:
- регулярными, циклическими частотой 2–8 Гц в пределах 15–40% номинального тока нагрузки;
- нерегулярными частотой до 1 Гц, вызванными замыканиями электродов печи с шихтой, называемыми эксплуатационными короткими замыканиями.
Эксплуатационные короткие замыкания сопровождаются значительными механические воздействиями на обмотки трансформатора. Для обеспечения стойкости при этих воздействиях в цепь обмотки высокого напряжения печного трансформатора включается токоограничивающий реактор с регулируемой индуктивностью. Реактор встраивается в общий бак с трансформатором или устанавливается отдельно.
Кроме эксплуатационных коротких замыканий, печные трансформаторы подвергаются воздействию аварийных токов, вызванных короткими замыканиями на участках электросети между печью и выводами печного трансформатора. Чем ближе к выводам место короткого замыкания, тем больше аварийный ток. При замыканиях на выводах трансформатора ток короткого замыкания достигает наибольшего значения, так как ограничен только сопротивлением самого трансформатора и мощностью КЗ энергосистемы в точке подключения трансформатора.
Резко неравномерный график нагрузки печных трансформаторов для дуговых сталеплавильных печей делает нецелесообразным выбор его мощности по максимальной нагрузке в цикле плавки, так как в остальное время цикла трансформатор оставался бы недогруженным. Поэтому номинальную мощность печных трансформаторов обычно выбирают меньше максимальной, определяемой по графику нагрузки, допуская перегрузку в течение интервала расплавления.
Трансформаторы для руднотермических печей
Режим потребления мощности в руднотермических печах за цикл плавки остается практически неизменным, и поэтому эксплуатационные короткие замыкания почти полностью отсутствуют. Печные трансформаторы для таких печей не требуют дополнительных токоограничивающих сопротивлений (реакторов). Восстановительные процессы, происходящие в руднотермической печи, требуют низких напряжений и больших токов в обмотках НН печного трансформатора.
Это предъявляет специальные требования к конструкции обмоток и выводов НН трансформаторов. При переходе на другой сплав, сырые материалы и т. п. режимы работы печи меняются, т. е. требуется изменять в широких пределах параметры подводимого тока и напряжения. Глубина регулирования вторичного напряжения у большинства печных трансформаторов для руднотермических печей находится в пределах 1,54–2,0 (но может достигать и 4,5...5). Печные трансформаторы с РПН применяют обычно для руднотермических печей средней и большой мощности, у которых каждое отключение сопровождается колебаниями напряжения в питающей сети, и необходимо свести число включений и отключений печей к минимуму.
Применение РПН необходимо также в печах, где работа проводится с неподвижным электродом, и регулирование работы печи достигается изменением напряжения на электродах. Мощные руднотермические печи предъявляют к трансформаторам дополнительные требования, связанные с измерением вторичных токов. Дело в том, что конструкция короткой сети и значения токов, для которых отсутствуют измерительные трансформаторы, не позволяют производить измерения непосредственно на стороне НН печного трансформатора. В то же время измерение тока на стороне ВН не дает возможности правильно судить о токе НН. Объясняется это тем, что для большинства руднотермических печей необходима постоянная мощность НН на определенной части диапазона НН.
Вследствие этого, при колебаниях нагрузки, первичный ток трансформатора остается неизменным в пределах этого диапазона и не может служить для измерения тока НН. В этом случае печные трансформаторы должны проектироваться со схемными решениями, которые имели бы вспомогательные цепи со сравнительно небольшим током, изменяющимся строго пропорционально току НН на всех положениях переключающего устройства. Измерительные трансформаторы встраиваются в эти вспомогательные цепи.
Общий вид масляного и сухого печных трансформаторов приведены на рисунках 6, 7.
Заключение
В работе [6] приведены требования для масляных трансформаторов мощностью от 1 до 3150 кВА, напряжением до 36 кВ в соответствии с европейскими стандартом EN 50464-1 и Постановлением совета Европы № 548/2014 от 21 мая 2014 года. Данные требования вводятся в 2 этапа: с 1 июля 2015 г. и с 1 июля 2021 г.
По мнению автора эти требования должны также предъявляться к параметрам потерь специальных силовых трансформаторов.
Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам ООО «Трансформер» к.т.н. Печенкину В.И. и к.т.н. Стулову А.В. (г. Подольск), главному конструктору ООО «Трансформер» Трофимовичу И.А. за предоставленные материалы и за конструктивное обсуждение данной статьи.
Список литературы
- Савинцев Ю.М. Особенности конструкции масляных энергоэффективных трансформаторов. [Электронный ресурс]. (Дата обращения 28.08.2019).
- Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I — III габарит / Юрий Михайлович Савинцев. — [б.м.]: — Издательские решения, 2015. — 86 с.
- Савинцев Ю.М. Нефтяным скважинам — энергоэффективный трансформатор// Промышленные страницы Сибири. — 2011. — № 10 (58). — С. 46 — 48.
- Трансформаторы для преобразовательных установок. [Электронный ресурс]. (Дата обращения 28.08.2019).
- Трансформаторы для промышленных печей. [Электронный ресурс]. (Дата обращения 28.08.2019).
- Савинцев Ю.М. Главная парадигма повышения трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России. [Электронный ресурс]. (Дата обращения 28.08.2019).