Новая методология выбора мощности силового трансформатора

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:

• k_норм — нормативный показатель;
• С_тр — стоимость трансформатора, [руб.];
• С_квтч — стоимость электроэнергии, [руб./кВт·час];
• Т_р=8000 — время использования максимума нагрузки в год, [час];
• P₀ — потери холостого хода, [кВт];
• P_н — нагрузочные потери, [кВт];
• k_з — коэффициент загрузки;
• S_н — 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 2

График 3

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.