Промышленное оборудование

Новая методология выбора мощности силового трансформатора

31 декабря 2020 г. в 12:44

В распределительных электросетях нашей страны эксплуатируется примерно 3 миллиона силовых трансформаторов I-III габарита мощностью 25-6300 кВА класса напряжения 6, 10, 20 и 35 кВ [1]. При этом, по разным оценкам, [2] доля трансформаторного оборудования со сроком эксплуатации 30 лет составляет 55 %. Это потребует ежегодных замен нескольких десятков тысяч штук трансформаторов. Одновременно количество вновь подключаемых трансформаторов указанных выше габаритов в 2021-2022 годах может также составить несколько десятков тысяч штук [3]. И в каждом случае замены трансформатора на существующем объекте или при установке трансформатора для электроснабжения нового объекта требуется, прежде всего, решить вопрос о мощности трансформатора и об оптимальных режимах его эксплуатации.

Поэтому при проектировании сетей электроснабжения и при их эксплуатации всегда актуальна задача выбора оптимальной мощности силовых трансформаторов и оптимальных режимов нагрузки. Важность этой задачи многократно возросла в условиях цифровизации электроэнергетики и в связи с требованиями повышения энергоэффективности электросетевого комплекса. По мнению авторов работы [4] «...цифровизация с использованием методов непрерывного проектирования предоставляет средства оптимизации и повышения эффективности электросетевого комплекса». В этот тренд вписывается повсеместное внедрение энергоэффективного трансформаторного оборудования. Инновационное переформатирование электроэнергетики требует новых математических моделей, новых методологий для достижения новых целей.

Существующая методология выбора мощности и оптимальных режимов эксплуатации силовых (распределительных) трансформаторов

Основными нормативными документами по выбору мощности силовых (распределительных) трансформаторов для электроснабжения объектов/потребителей являются:

  • НТП ЭПП-94. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования (разделы 6.3 — 6.4).
  • ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.
  • СТО 56947007-29.180.074-2011. Типовые технические требования к силовым трансформаторам 6-35 кВ для распределительных электрических сетей (пункты 5.1- 5.5).

Указанные документы определяют алгоритм выбора мощности как последовательность следующих шагов: 1) расчет суммарных нагрузок (мощностей электроприемников); 2) определение нескольких значений мощности трансформатора (не более трех) по допускаемой перегрузке; 3) экономический расчет выбранных вариантов и выбор наилучшего.

В основу классической методологии выбора мощности силового трансформатора в описанном алгоритме, как указано в работах [5, 6] положено определение допустимых нагрузок трансформатора, полученных при расчете тепловых переходных процессов. Усовершенствование, предложенное в работе [6], состоит в том, что номинальная мощность трансформатора выбирается по критерию минимума стоимости трансформации электроэнергии с учетом требований ГОСТ 14209-85 по нагрузочной способности и с учетом срока службы трансформатора, которое обусловлено тепловой деградацией изоляции. Методики экономической оценки выбранных вариантов силового/ распределительного трансформатора были узаконены только в отраслевом стандарте СТО 34.01-3.2-011-2017. Указаны два варианта: 1) минимизация приведенных затрат при эксплуатации трансформатора; 2) оценка совокупной капитализированной стоимости в соответствии с [7]. Стоит отметить, что методика, изложенная в главе 4 работы [7] сложна для практического применения, по признанию самих авторов.

Непригодность существующих нормативных документов по выбору мощности силовых/ распределительных трансформаторов для новых условий функционирования электросетевого комплекса нашей страны заключается в том, все они, во-первых: создавались для трансформаторов с характеристиками, нормированными ГОСТами времен СССР (например, ГОСТ 12022-76); во-вторых: предписываемый выбор, по существу, является не оптимизацией, а грубой подгонкой приблизительно подходящего трансформатора под условия эксплуатации. Инновационные энергоэффективные трансформаторы, как будет показано ниже, не вписываются в рекомендации действующих нормативно-технических документов. Более того, новая парадигма функционирования электросетей — это парадигма адаптивного управления, в том числе и энергоэффективностью передачи электроэнергии.

Многолетние исследования автора настоящей статьи проблемы энергоэффективности силовых трансформаторов позволили сформулировать следующий тезис: энергоэффективность является управляемым состоянием трансформаторного комплекса [8]. Данный тезис заставляет по-новому поставить проблему выбора силового трансформатора для электроснабжения нового объекта (или трансформатора для замены на существующем объекте). Новая постановка проблемы заключается в том, что условия эксплуатации должны диктовать характеристики потерь трансформатора. И в отраслевой литературе в последние годы появилось много публикаций по выбору параметров инновационных энергоэффективных трансформаторов [9-16].

В работе [9] дается оценка эффективности замены обычного трансформатора на энергоэффективный трансформатор большей мощности, но с меньшей загрузкой. Меньшая загрузка энергоэффективного трансформатора при этом проверяется на оптимальность по соотношению потерь холостого хода и короткого замыкания, как это сделано в работе [10]. Также сравнивается экономическая эффективность трансформатора с малой загрузкой и обычного трансформатора с большой загрузкой по критерию совокупной стоимости владения. Автор статьи Тульчинская утверждает, что подобная замена экономически выгодна и также повышает надежность электроснабжения за счет большей перегрузочной способности и большего срока службы изоляции.

Алгоритмы принятия решений и технико-экономическое обоснование замены старых трансформаторов рассмотрены в работах специалистов ОАО «МРСК Северо-Запада» к. т. н. С. П. Высогорец и Д. И. Никонова [11], а также сотрудников Казанского государственного энергетического университета И. А. Хатановой и А. А. Елизаровой [12].

В работе белорусских специалистов [13] впервые получено, по существу, решение задачи управления энергоэффективностью трансформаторных комплексов; авторы выявили и исследовали взаимосвязь приведенных эксплуатационных затрат с параметрами эксплуатации трансформаторов до 1600 кВА и характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания. На основе этих взаимосвязей выведены аналитические зависимости для расчета потерь от режимов загрузки при условии минимума приведенных эксплуатационных затрат.

Начальник управления энергосбережения и повышения энергоэффективности филиала «МСК Центра» — «Белгородэнерго» Н. В. Якшина в работе [14] всесторонне анализирует целесообразность применения энергоэффективных инновационных трансформаторов.

Автор настоящей статьи в статьях [15-16] впервые рассмотрел проблему обоснования и нормирования характеристик потерь энергоэффективных трансформаторов.

При этом все указанные работы в той или иной степени восходят к работе Р. Я. Федосенко [17]. В этой без преувеличения классической работе всесторонне рассмотрены различные аспекты рациональной эксплуатации трансформаторов в распределительной сети.

Основные положения новой методологии выбора силового трансформатора для распределительной сети

Краткий обзор работ, приведенный выше, содержит в себе основные контуры новой методологии выбора силового трансформатора для распределительной сети. Главный момент при этом — максимальный учет особенностей нагрузки объекта электроснабжения и обеспечение максимальной экономической эффективности электроснабжения. Существующая методология — выбор из ограниченного множества стандартизованных неоптимальных трансформаторов и их проверка на экономическую квазиоптимальность. В наступающей цифровой эре нет места таким решениям. В новых цифровых сетях электроснабжения силовой трансформатор должен иметь оптимальные для данного объекта электроснабжения параметры: мощность, характеристики потерь. Он должен оптимально встраиваться в сеть с существующей нагрузкой, обеспечивая минимальную стоимость трансформации электроэнергии.

Для выбора трансформатора в новых условиях необходимо изучить взаимосвязь финансовых показателей трансформации электроэнергии, параметров трансформатора (мощность, характеристики потерь) и условий эксплуатации (загрузка трансформатора). Как указано в работе [7], эта взаимосвязь очень сложна. Поэтому пока отсутствуют аналитические зависимости для решения задачи выбора оптимального трансформатора за один шаг алгоритма.

Однако получив в результате математического моделирования диапазоны оптимальных режимов работы трансформатора для минимальных стоимостей трансформации электроэнергии в определенных диапазонах потерь, можно получить новые рекомендации для формирования нового содержания нормативных документов, указанных выше. Но это будет вариант для отдельных потребителей, не имеющих возможности осуществить компьютерный выбор оптимального трансформатора для своего электроснабжения. Крупные потребители, электросетевые организации будут формировать требования к потерям своих трансформаторам, исходя из реальной потребности в электроэнергии технологического оборудования.

Анализ данных математического моделирования различных условий эксплуатации обычных и энергоэффективных трансформаторов

Ниже представлен анализ данных математического моделирования различных условий эксплуатации масляных и сухих трансформаторов мощностью 25-2500 кВА.

Рассматривались по два варианта каждого типа трансформаторов: обычный (со стандартными характеристиками потерь) и инновационный (с магнитопроводом из аморфной стали).

Для диапазона изменения коэффициента загрузки от 0,1 до 1,4 рассчитывались следующие показатели:

Удельная стоимость трансформации определяется по формуле:

где:

  • kнорм — нормативный показатель;
  • Стр — стоимость трансформатора, [руб.];
  • Сквтч — стоимость электроэнергии, [руб./кВт·час];
  • Тр=8000 — время использования максимума нагрузки в год, [час];
  • P0 — потери холостого хода, [кВт];
  • Pн — нагрузочные потери, [кВт];
  • kз — коэффициент загрузки;
  • Sн — номинальная мощность трансформатора, [кВА].

Совокупная дисконтированная стоимость владения трансформатором за 30 лет эксплуатации определяется по формуле:

где:

для срока службы трансформатора n=30 лет и процентной ставки ЦБ РФ 0,0425=16,78.

Срок окупаемости находится по следующей формуле:

Символ Δ обозначает разницу в потерях холостого хода, нагрузочных потерях, в ценах трансформаторов.

В расчетах годовое время использование максимума нагрузки было принято равным 8000 часов (как для предприятий химической промышленности в соответствии с данными работы [18]). Стоимость электрической энергии принята 2 руб./кВт·час (как в работе [14] Н. В. Якшиной).

Результаты представлены в таблицах 1-10 и на графиках рис. 1-4. Графики на рисунках продлены за пределы реальных нагрузок для того, чтобы проиллюстрировать графическое представление зависимостей.

Таблицы

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (масляные энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие обычные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Удельная стоимость трансформации электроэнергии (сухие энергоэффективные трансформаторы), руб./кВт·час/год

Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные обычные трансформаторы), тыс. руб.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (масляные энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.

Срок окупаемости (масляные энергоэффективные по сравнению с масляными обычными), лет.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие обычные трансформаторы), тыс. руб.

Совокупная дисконтированная стоимость владения (сухие энергоэффективные трансформаторы), тыс. руб.

Срок окупаемости (сухие энергоэффективные по сравнению с сухими обычными), лет.

Графики

График 1

График 1

График 2

График 2

График 3

График 3

График 4

График 4

Заключение

Анализ результатов моделирования различных режимов эксплуатации обычных и энергоэффективных трансформаторов показывает, как было отмечено в начале данной статьи, несоответствие экономически выгодных режимов эксплуатации рекомендациям нормативных документов по выбору силовых трансформаторов для распределительных электросетей даже для обычных трансформаторов (0,8... 0,9 для масляных; 1,2...1,3 для сухих). Для энергоэффективных трансформаторов оптимальные режимы нагрузки выходят за пределы допустимых значений. Сроки окупаемости для загрузок, близких к номинальным, составляют 5... 10 лет в зависимости от мощности трансформатора.

Автор: кандидат технических наук, независимый эксперт Юрий Михайлович Савинцев.

Ю. М. Савинцев также выражает искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные материалы (технические и другие данные).

Список литературы

  1. Ю. М. Савинцев «Новый подход к нормированию мощности потерь энергоэффективных распределительных трансформаторов» [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  2. П. В. Илюшин, Д. И. Догадкин «Пути повышения надежности работы и снижения затрат на эксплуатацию силовых трансформаторов 6-220 кВ в распределительных сетях» // «ЭнергоЭксперт». — 2012. — № 5. — с. 74-79.
  3. Ю. М. Савинцев «Анализ рынка распределительных трансформаторов России в 2020 году». [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  4. Е. П. Грабчак, Е. А. Медведева, И. Г. Васильева «Как сделать цифровизацию успешной» // «Энергетическая политика». — 2018. — Вып. 5. — с. 25-29.
  5. М. И. Фурсанов, И. И. Дуль «Выбор номинальной мощности силовых трансформаторов». [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  6. М. И. Фурсанов, И. И. Дуль «Совершенствование методов выбора номинальной мощности силовых трансформаторов по критерию экономической эффективности». [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  7. С. Д. Лизунов, А. К. Лоханин «Силовые трансформаторы. Справочная книга». — М.: «Энергоиздат», 2004. — 616 с.
  8. Ю. М. Савинцев «Энергоэффективность распределительного трансформатора — это управляемое состояние». [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.06.2020.
  9. Я. И. Тульчинская «Оценка эффективности применения трансформаторов с низким коэффициентом загрузки». [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  10. В. Н. Ивакин, В. Д. Ковалев, А. А. Магницкий «Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов» // «Энергия единой сети». — 2017. — № 5 (34). — с. 20-31.
  11. С. П. Высогорец, Д. И. Никонов «Силовые трансформаторы. Технические решения для повышения энергоэффективности сети». [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  12. И. А. Хатанова, А. А. Елизарова «Технико-экономическое обоснование замены трансформаторов» // «Проблемы энергетики». — 2007. -№ 11-12. — с. 50-57.
  13. В. Г. Пекелис, Е. В. Мышковец, Ю. В. Леус «Определение оптимальных уровней потерь холостого хода и короткого замыкания для различных режимных условий работы трансформаторов мощностью до 1600 кВА» // «ЭЛЕКТРО». — 2003. — № 1. — с. 42-46.
  14. Н. В. Якшина «Целесообразность применения трансформаторов со сниженным электропотреблением» // «Энергоэксперт». — 2015. — с. 4-8.
  15. Ю. М. Савинцев «Новый подход к нормированию мощности потерь энергоэффективных распределительных трансформаторов» [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  16. Ю. М. Савинцев «Основные положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов» [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.12.2020.
  17. Р. Я. Федосенко «Трансформатор в местной распределительной сети» М. — Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР. — 1963. — 87 с.
  18. А. А. Герасименко, В. Т. Федин «Передача и распределение электрической энергии». — Красноярск. — Издательские проекты. — 2006. — 720 с.

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: ООО "УралСнаб" Трансформаторы и трансформаторные подстанции

Подстанции Предназначены для приема, преобразования и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением до 10кВ. Комплектная трансформаторная подстанция проходного (тупикового)типа наружной установки в дальнейшем именуемые КТП, мощностью от 25кВ.А до 630 кВ.А на напряжение 6,10 кВ, с кабельным или воздушным вводом на стороне высшего напряжения , с кабельным или воздушным выводом на стороне низшего напряжения и предназначенна для приема, преобразования и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока, получаемой со стороны высшего напряжения для нужд народного хозяйства и поставки на экспорт в страны с умеренным климатом. КТПНТ предназначена для приема, преобразования и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением до 10 кВ. Применяется для электроснабжения потребителей нефтяного транспорта. КТПНТ выполняется в климатическом исполнении У категории 3 по ГОСТ 15150-69. Данное изделие предназначено для работы в следующих условиях: температура окружающего воздуха от минус 45°С до плюс 40°С; относительная влажность окружающего воздуха 80% при плюс 20°С; высота над уровнем моря не более 1000 м. Подробная информация на сайте компании или по телефону.
Кашин Игорь · ООО"УралСнаб" · 27 апреля · Россия · Пермский край
ООО "УралСнаб" Трансформаторы и трансформаторные подстанции

ПРОДАМ: ООО"УралСнаб" Трансформаторы и трансформаторные подстанции

Подстанции Предназначены для приема, преобразования и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением до 10кВ. Комплектная трансформаторная подстанция проходного (тупикового)типа наружной установки в дальнейшем именуемые КТП, мощностью от 25кВ.А до 630 кВ.А на напряжение 6,10 кВ, с кабельным или воздушным вводом на стороне высшего напряжения , с кабельным или воздушным выводом на стороне низшего напряжения и предназначенна для приема, преобразования и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока, получаемой со стороны высшего напряжения для нужд народного хозяйства и поставки на экспорт в страны с умеренным климатом. КТПНТ предназначена для приема, преобразования и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением до 10 кВ. Применяется для электроснабжения потребителей нефтяного транспорта. КТПНТ выполняется в климатическом исполнении У категории 3 по ГОСТ 15150-69. Данное изделие предназначено для работы в следующих условиях: температура окружающего воздуха от минус 45°С до плюс 40°С; относительная влажность окружающего воздуха 80% при плюс 20°С; высота над уровнем моря не более 1000 м. Подробная информация на сайте компании или по телефону.
Кашин Игорь · УралСнаб · 27 апреля · Россия · Пермский край
ООО"УралСнаб" Трансформаторы и трансформаторные подстанции

ПРОДАМ: Трансформатор ОСМ1-1.6 кВт (16721руб)

220/24 220/36 380/24 380/36 Трансформаторы производства Минского электротехнического завода им.В.И.Козлова (Беларусь, г. Минск) (однофазные, сухие, многоцелевого назначения) мощностью от 0,063 до 4кВа, напряжения первичной обмотки от 115 до 660 В, вторичных обмоток от 12 до 260 В, предназначены для питания цепей управления,местного освещения, сигнализации и автоматики. Трансформаторы соответствуют требованиям ГОСТ 19294-84. Виды климатического исполнения-УЗ, УХЛЗ и ТЗ по ГОСТ 15150-69. Трансформаторы устойчивы к воздействию ударных нагрузок с ускорением до 8g и вибрационных нагрузок в диапазоне частот 10-60 Гц с максимальным ускорением 2g и рассчитаны на установку в закрытых помещениях на высоте над уровнем моря не более 1000 м. Трансформаторы мощностью 1,6; 2,5 и 4,0 кВ*А устанавливаются на горизонтальной плоскости, а мощностью до 1,0 кВ*А включительно - как на горизонтальной, так и на вертикальной плоскостях. Класс нагревостойкости изоляции для трансформаторов мощностью 0,063 - 2,5 кВ*А климатических исполнений У и УХЛ - Е, для трансформаторов климатического исполнения Т и трансформаторов мощностью 4,0 кВ*А исполнения У-В по ГОСТ8865-93. К товару прилагаются сертифак соответствия, паспорт, этикетка.
Афанасьева Наталия · Транскофф · 11 мая · Россия · г Санкт-Петербург
Трансформатор ОСМ1-1.6 кВт (16721руб)

ПРОДАМ: ОСМ1-0, 063, ОСМ1-0.16, ОСМ1-0.25, ОСМ1-0.4, ОСМ1-0.63 до 25 кВА, ОСОВ, ЯТП трансформатор малой мощности

Продам трансформатор ОСМ1 мощностью от 63 Вт до 10 кВт, напряжение на первичной обмотке 220(380, 400, 415, 500 или 660), на вторичной — от 12 до 380 В: ОСМ1-0,063 1780= руб. ОСМ1-0,1 2150= ОСМ1-0,16 3020= ОСМ1-0,25 3960= ОСМ1-0,4 5940= ОСМ1-0,63 7270= ОСМ1-1,0 11540= ОСМ1-1,6 17190= ОСМ1-2,5 22690= ОСМ-4,0 40650= ОСМ-5,0 45850= ОСМ-6,3 50920= ОСМ-8,0 75870= ОС-10 72300= ОС-16 88850= ОС-20 96400= ОС-25 106350= ОС-30 119200= ОСО-0,25 2520= ОСЗ-1,0, … ОСЗ-45, ОСЗ-63, ОСЗ-80, ОСЗ-100, ОСЗ-160, ОСЗ-200 Крышки на колодки для ОСМ1 (для IP20) 30= руб. А также в продаже ЯТП; ОСОВ, ОСВМ, ОСЗ и др. ООО «ОТК» (Итсар), г. Москва, ул. Рябиновая, д. 69, стр, 5, оф. 26, См. прайс на http://itsar.biz Оказываем экспедиторские услуги по Москве до транспортной компании.
Филимоненко Ирина · ОТК · 24 апреля · Россия · г Москва
ОСМ1-0, 063, ОСМ1-0.16, ОСМ1-0.25, ОСМ1-0.4, ОСМ1-0.63 до 25 кВА, ОСОВ, ЯТП трансформатор малой мощности

ПРОДАМ: Тупиковые КТП/Т-25÷630 кВА

Подстанции трансформаторные комплектные тупиковые — КТП/Т, мощностью от 25 до 630 кВА, напряжением ВН 6 или 10 кВ, напряжением НН 0,4 кВ, предназначены для приема, преобразования, распределения и учета электрической энергии трехфазного переменного тока, частотой 50 Гц в системах с глухозаземленной нейтралью трансформатора на стороне низшего напряжения. КТП предназначены для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, отдельных населенных пунктов и небольших промышленных объектов. КТП подключается к ЛЭП посредством разъединителя РЛНДз-10/400 с приводом (для КТП с воздушными вводами), который поставляется комплектно с подстанцией и устанавливается на ближайшей опоре. Возможна установка дополнительно камер КСО 304 для КТП с воздушными вводами. Для подстанций мощностью до 250 кВА на вводе ВН устанавливается РВЗ, мощностью от 400 кВА на вводе ВН устанавливается ВНА. Подстанции обеспечивают активный или активно-реактивный учет электроэнергии. По требованию заказчика возможна установка счетчиков любой модификации. В КТП имеется внутреннее освещение и фидер уличного освещения, который включается автоматически по сигналу встроенного фотореле. По требованию заказчика возможно исполнение КТП без фидера уличного освещения. КТП имеет электрические и механические блокировки, обеспечивающие безопасную работу обслуживающего персонала. КТП предназначены для работы в следующих условиях: — на открытом воздухе при температуре окружающей среды от минус 40 до плюс 40°С; — высота установки над уровнем моря — 1000 м, не более; — тип атмосферы (промышленная) по ГОСТ 15150-69; — окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая пыли в концентрациях, снижающих параметры КТП. В КТП предусмотрены следующие виды защит: — от междуфазных коротких замыканий; — от атмосферных перенапряжений; — от перегрузки и коротких замыканий линий 0,4кВ; — от коротких замыканий цепей освещения; — газовая защита трансформатора. На стороне НН установлены: вводной рубильник и автоматические...
Власов Руслан · ЭЛЕКТРОЩИТ · 13 мая · Россия · Московская обл
Тупиковые КТП/Т-25÷630 кВА
ООО «КМ-профиль» — российский производитель кабеленесущих систем и электромонтажных изделий для прокладки кабеля, провода, магистральных, телекоммуникационных линий и других инженерных сетей. Компания выпускает свои изделия под брендом «Системы КМ».