Электротехнический-портал.рф

Статья посвящена проблеме анализа и оценки вариантов конструкции распределительных трансформаторов при повышении их энергоэффективности. Рассмотрены взаимосвязи основных электротехнических характеристик и конструктивных параметров распределительных трансформаторов. На основании этих взаимосвязей получены упрощенные аналитические зависимости изменения цены трансформатора при изменении потерь холостого хода и короткого замыкания.

КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Современные тенденции трансформаторостроения имеют явный тренд в направлении энергосберегающих технологий [1, 2]

Различные аспекты проблемы практического использования энергоэффективных распределительных трансформаторов, в том числе и взаимосвязь стоимости трансформатора с конкретными значениями потерь, рассмотрены в ряде публикаций специалистов как эксплуатирующих организаций, так и заводов-производителей эксплуатирующих организаций.

Стержнем методологии анализа этой проблемы и фундаментальным критерием энергетической эффективности трансформатора, как и для любого преобразователя энергии, является анализ коэффициента полезного действия [3], который в ряде работ прямо называется коэффициентом энергоэффективности.

Среди публикаций специалистов эксплуатирующих организаций выделяются публикации и доклады начальника Департамента энергосбережения и повышения энергетической эффективности ПАО «МРСК Центра» Якшиной Н.В., в частности публикация [4].

Наиболее глубоко и методологически полно основы проблемы практического использования энергоэффективных распределительных трансформаторов рассмотрена в статьях специалистов ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» [5] и МЭТЗ им. В.И. Козлова (в соавторстве с «Белэнергосетьпроект» и БНГУ) [6]. В работе [5] методологически выверенно решен вопрос формирования требований к потерям холостого хода и короткого замыкания распределительных трансформаторов на основе задаваемого коэффициента энергоэффективности с учетом оптимального коэффициента загрузки. Статья [6] посвящена определению оптимальных уровней потерь холостого хода и короткого замыкания при различных графиках загрузки на основе минимума приведенной стоимости распределительного трансформатора.

Статья [7] по сути также посвящена, с одной стороны, взаимосвязи загрузки трансформатора с потерями холостого хода и короткого замыкания («перекликается» с [5]), а с другой стороны, сравнению трансформаторов, эквивалентных по техническим характеристиками, по критерию полной стоимости владения трансформатором («перекликается с [6]). При этом подходы к оценке стоимости трансформации в работах [6] и [7] разнятся.  В работе [8] предлагается еще один подход к оценке, по сути, также стоимости трансформации электроэнергии.

ВВЕДЕНИЕ

Базисом в проблеме практического использования энергоэффективных распределительных трансформаторов являются требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания. До 2015 года в России не было стандартов и других нормативных документов, определяющих общие требования к энергоэффективным распределительным трансформаторам. Постановлением Правительства РФ от 16 июня 2015 года № 600 утвержден перечень объектов и технологий высокой энергетической эффективности, в который вошли и распределительные трансформаторы 6 (10)/0,4 кВ со сниженными потерями. Данный нормативный документ в апреле 2017 года дополнил Отраслевой стандарт ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6-10кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания»), в котором выделено 4 класса энергоэффективности для распределительных масляных трансформаторов соответствующих мощностей:

• 1 класс энергоэффективности - «стандартный» (выпускаемые трансформаторы),
• 2 класс энергоэффективности - «энергоэффективный» (усовершенствованная технология).
• 3 класс энергоэффективности - «высокий энергоэффективный» (передовая технология),
• 4 класс энергоэффективности - «инновационный» (инновационная технология).

Указанным выше   Стандартом также устанавливаются 4   категории уровня максимальных потерь в силовом трансформаторе 6-10 кВ холостого хода (далее хх) - с индексом «Х», и короткого замыкания (далее кз) - с индексом «К»):  1,  2,  3  и  4 (4 класса энергоэффективности), приведенные в таблице 1 и таблице 2.

В зависимости от сочетания категорий «Х» и «К» возможны различные сочетания классов энергоэффективности, приведенные в таблице 3.

Таблица 1.

Таблица 2.

Таблица 3.

Как отмечено в Стандарте, класс энергоэффективности Х2К2 удовлетворяет требованиям к энергоэффективности, рекомендованным   Постановлением   Правительства   Российской   Федерации   от 17.06.2015 № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности».

Однако, в стандарте однозначно не указано, как определяется класс энергоэффективности – указаны лишь сочетания классов энергоэффективности по потерям хх и потерям кз. Но, по-видимому, разработчики Стандарта (это можно проследить по контексту изложения) имели в виду, что класс энергоэффективности, который должен быть ОБЯЗАТЕЛЬНО нанесен на табличку (шильдик) трансформатора, определяется по наивысшему классу энергоэффективности в сочетании классов энергоэффективности потерь хх и кз. Т.е., для сочетания Х1К2 будет 2-й класс энергоэффективности («энергоэффективный» (усовершенствованная технология).

Сегодня основные трансформаторные заводы, как российские, так и в странах СНГ, выпускают линейки распределительных масляных трансформаторов с характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания в самых широких диапазонах значений. До введения Стандарта понятие энергоэффективности для распределительных трансформаторов являлось крайне «размытым». По существу, каждый завод был волен «назначить» энергоэффективным трансформатор с достаточными произвольными характеристиками потерь. С 1 января 2019 года «вольница» с «назначением» энергоэффективности закончилась.

Рассмотрению конкретных возможностей и путей повышения энергоэффективности распределительных трансформаторов будет посвящен отдельный цикл статей автора; одна из возможностей, - применение аморфной стали для изготовления магнитопровода, - рассмотрена авторами статьи [3]. Необходимо также указать на возможность использование новых марок анизотропной стали, выпускаемых Новолипецким металлургическим комбинатом - 1) NV23S-100L с удельными потерями 1 Вт/кг  при индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц; 2) NV27P-100L с удельными потерями 1,05 Вт/кг  при индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью статьи является получение упрощенных аналитических зависимостей цены распределительного трансформатора о его потерь холостого хода и короткого замыкания с использованием классической теории силовых трансформаторов [3, 9]. Данные зависимости необходимы при решении непростой задачи, которая встала перед производителями распределительных трансформаторов. Это задача переработки конструкторской документации (КД) всех линеек выпускаемых трансформаторов в плане соответствия требованиями Стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017. Однако переработка КД – это трудоемкий процесс, затратный в финансовом и временном отношениях. Прежде чем «запускать» процесс переработки необходимо оценить целесообразность переработки КД в аспекте изменения цены новых, доработанных в соответствии с Стандартом, трансформаторов.

Данные зависимости необходимы и заказчикам распределительных трансформаторов: как эксплуатирующим предприятиям, так и снабжающим организациям при сравнении вариантов приобретения оборудования у разных поставщиков.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Вопрос взаимосвязи цены распределительного трансформатора с потерями холостого хода и короткого замыкания рассматривался в работе [6] в рамках разработки модели определения оптимальных уровней потерь холостого хода и короткого замыкания. Однако при преобразовании полученных авторами [6] зависимостей в соответствии с методами теории подобия и размерностей, была установлена ограниченность их применения. Тем не менее, полученные авторами [6] результаты были использованы для сравнения с результатами, полученными в данной статье.

В настоящей статье в одну «цепочку» увязаны следующие параметры трансформатора:

1. Потери холостого хода Рхх и короткого замыкания Ркз.
2. Основной конструктивный параметр (отношение средней длины окружности канала между обмотками к высоте обмотки) β.
3. Масса обмоток Gо.
4. Масса магнитопровода Gст.
5. Масса активной части Gач.
6. Стоимость активной части трансформатора Сач.
7. Стоимость трансформатора Стр.

При этом «цепочка» зависимостей «параметры потерь (Рхх и Ркз) – основной конструктивный параметр (β) – масса магнитопровода (Gст) – масса обмоток (Gо)» в аналитическом виде получены аппроксимацией результатов расчета десяти различных вариантов трансформаторов нескольких мощностей по методике расчета, приведенной в фундаментальной монографии Павла Михайловича Тихомирова [9].

После этого полученные уравнения были преобразованы в соответствии с методами теории подобия и размерностей [10] и было выведено четыре уравнения, отражающих взаимосвязь относительных параметров трансформаторов, а именно: βi/ βo; Pxxi/Pxxo; Goi/Go ; Gстi/Gсто ; Pкзi/Pкзо.

Индекс «0» относится к параметрам трансформатора, характеристики которого приняты за базис сравниваемых вариантов. Индекс «i» относится к параметрам нового трансформатора.

βi/ βo  = 2.5587 * (Pxxi/Pxxo) – 1.5456                                      (1)

Goi/Go = -0.3954 * (βi/ βo)  + 1.3954                                         (2)

Gстi/Gсто = 0.3428 * (βi/ βo)  + 0.6572                                      (3)

Goi/Go = 0.8244 * (Pкзi/Pкзо)² – 3.1089 * (Pкзi/Pкзо) + 3,3777 (4)

Графическое представление зависимостей приведено на рисунках 1 - 4 (Конкретное значение функции заменено на у, конкретный аргумент заменен на х).

Область применения полученных зависимостей ограничена условиями применения методов теории подобия и размерностей: сравниваемые трансформаторы должны быть двухобмоточными, с плоским магнитопроводом, материал обмоток алюминий.

Рис. 1. Изменение βi / βo в зависимости от изменения потерь холостого хода. (По оси абсцисс отложено относительное изменение потерь холостого хода; по оси ординат отложено относительное изменение основного параметра)

Рис. 2. Изменение массы обмоток при изменении параметра βi / βo (По оси абсцисс отложено относительное изменение основного параметра; по оси ординат отложено изменение относительное изменение массы обмоток при изменении основного конструктивного параметра)

Рис. 3. Изменение массы магнитопровода в зависимости от изменения основного конструктивного параметра (По оси абсцисс отложено относительное изменение основного конструктивного параметра; по оси ординат отложено изменение массы магнитопровода при изменении основного конструктивного параметра)

Рис. 4. Изменение относительной массы обмоток при изменении характеристики потерь короткого замыкания.

Стоимость трансформатора определяется стоимостью активной части, которая определится как сумма стоимости обмоток и магнитопровода. Для определения изменения относительной цены активной части приняты дополнительно допущения о соотношении цен материалов обмотки и магнитопровода 3:1; соотношение масс обмоток и магнитопровода по статистике принято 0,28.

Относительное изменение стоимости активной части определяется по формуле

Сачi/Сачо = (Gстi/Gсто + 0,84*( (Gоi/Gоо)^хх + (Gоi/Gоо)^кз))/1,84                             (5)

Изменение цены трансформатора в целом определяется при допущении, что весовой коэффициент стоимости активной части в цене трансформатора по статистике равен примерно 0,3

Примечание. Дополнительные верхние индексы хх и кз указывают на изменение массы обмоток при изменении потерь холостого хода и короткого замыкания.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Для апробации полученных зависимостей было просчитано изменение цены энергоэффективных трансформаторов   по сравнению с реальным заводским изменением цен при улучшении потерь холостого хода и короткого замыкания (Таблица 1).

ВЫВОДЫ

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет рассчитать изменение цены распределительного масляного трансформатора при изменении его потерь холостого хода и короткого замыкания. Это, в свою очередь,  позволяет с минимальными временными затратами оценить коммерческую целесообразность разработки новых серий трансформаторов с улучшенными характеристиками потерь холостого хода и кроткого замыкания.

Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам завода «Трансформер» (г. Подольск) к.т.н. Печенкину В.И. и к.т.н. Стулову А.В. за предоставленные материалы и конструктивное обсуждение содержания и выводов данной статьи.

Список литературы

1. Стулов, А.В. Современные тенденции в проектировании силовых трансформаторов /А.В.Стулов, И.А. Трофимович, А. И. Тихонов //Тезисы докл. междунар. науч.- техн. конф. (XIX Бенардосовские чтения) / Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2017. – Т.3 – С.182-185.
2. Савинцев Ю.М. Новая фаза в развитии инновационного трансформаторостроения // Энергия единой сети. – 202019.- № 6 (42). – с. 56 – 64.
3. Дымков А.М. Расчет и конструирование трансформаторов: Учебник для техникумов // Высшая  школа. - 1971. - 264 с.
4. Якшина Н.В. Новый Стандарт ПАО «Россети» //Вести в электроэнергетике. – 2017. - № 3(89). – с. 38-42.
5. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. - № 5 (34). – с. 20 – 31.
6. Пекелис В.Г., Мышковец Е.В., Леус Ю.В. 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.
7. Тульчинская Я.И. Оценка эффективности применения трансформаторов с низким коэффициентом загрузки. // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2012. - №5. – с. 581 – 589.
8. Макаров С.В. Полная стоимость владения силовым трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. - № 1 (30). – с. 44 - 46.
9. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. – 5-е изд. перераб. и доп.// Энергоатомиздат. – 1986. - 528с.
10. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике: 8-е изд., перераб. // Наука. - 1977. - 440с.