Электротехнический-портал.рф

Статья посвящена обоснованию стратегии повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций за счет внедрения в электросетевой комплекс России энергосберегающих (энергоэффективных) силовых трансформаторов. Сформулирована главная парадигма повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения. Приведена оценка потенциала энергосбережения в России. Представлены данные суммарных потерь электрической энергии в распределительных силовых трансформаторах, установленных в России (в натуральном и денежном выражении). Приводится краткий обзор опыта внедрения энергоэффективных трансформаторов за рубежом. Сформулированы предложения по нормативному, организационно-техническому и методическому обеспечению широкого внедрения энергосберегающих (энергоэффективных) трансформаторов.

Введение

При рассмотрении стратегии повышения энергетической эффективности любого процесса следует помнить, что энергетическая эффективность, как одна из ключевых категорий любой экономической системы, обладает мультипликативным эффектом, а именно: чем выше энергоэффективность в начальных секторах технологической цепочки, тем эффективнее вся цепь в совокупности. Наибольшее значение имеют характеристики энергоэффективности в топливно-энергетическом комплексе, в частности, в электросетевом комплексе. Ведь в конечном счете, потерянная электроэнергия – это потерянная продукция, неоказанные услуги и т. д. Поэтому одно из звеньев электросетевого комплекса, – трансформаторная подстанция вместе с установленными силовыми трансформаторами, - должно стать предметом пристального анализа при выработке и внедрении стратегии повышения энергоэффективности при транспортировке и распределении электрической энергии.

Целью настоящей статьи является обоснование стратегии повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций за счет внедрения в эксплуатацию в электросетевом комплексе России энергосберегающих (энергоэффективных) силовых трансформаторов, а также определение нормативной базы, всех основных этапов, мероприятий и инструментов.

1. Обоснование главной парадигмы повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций.

Рассмотрение любого аспекта энергоэффективности необходимо начать с определения терминов. Федеральный закон от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ определяет энергоэффективность следующим образом: «энергетическая эффективность - характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю». Приведенное выше определение — это, по сути, определение коэффициента полезного действия (кпд). Но применительно к трансформаторам значение кпд напрямую не используется. В практике проектирования трансформаторов эквивалентом кпд принята совокупность потерь холостого хода (хх) и короткого замыкания (кз). В Постановлении Правительства РФ от 17.06.2015 N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» в разделе «II.27. Трансформаторы электрические силовые» нормированы именно указанные выше показатели. Таким образом энергоэффективность трансформаторной подстанции будем определять потерями хх и кз.

В соответствии с выводами работы [1] максимум коэффициента энергоэффективности (равнозначные термины: энергоэффективность, кпд) достигается при вполне определённой загрузке (авторы работы [1] используют термин «нагрузка») трансформатора заданной мощности. Так как оптимальные потери хх и кз однозначно связаны через максимум коэффициента энергоэффективности, то повышение энергоэффективности трансформаторных подстанций – это не просто уменьшение потерь хх и кз трансформаторов, а обеспечение определенных сочетаний минимальных потерь хх и кз пи заданной нагрузке.

В этом заключается главная парадигма повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций: ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ ПРИ ЗАДАННОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ НАГРУЗКИ ДОЛЖНО БЫТЬ ОБЕСПЕЧЕНО СОВЕРШЕННО ОПРЕДЕЛЕННОЕ СООТНОШЕНИЕ ПОТЕРЬ ХХ И КЗ В УСТАНАВЛИВАЕМОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ.

Обоснование главной парадигмы внедрения энергоэффективных трансформаторов содержится в ряде работ российских и зарубежных специалистов, опубликованных как более 50 лет назад, так и в последние годы. Вопросам рациональной эксплуатации трансформаторов в электрических сетях посвящена замечательная работа Федосенко Р. Я. [2], опубликованная в 1963 году. В этой монографии определены пределы экономически эффективной загрузки трансформатора заданной мощности, имеющего заданные потери хх и кз, т.е. решена прямая задача рациональной эксплуатации трансформаторной подстанции: определение рациональной загрузки трансформатора при заданных характеристиках потерь хх и кз.

Обратной же задачей рациональной эксплуатации трансформаторной подстанции является ЗАДАЧА РАСЧЕТА ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСФОРМАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЗАДАННОЙ НАГРУЗКЕ. Решение этой задачи рассматривается в работах белорусских специалистов Пекелиса В.Г., Мышковца Е.В., Леуса Ю.В. [3], российских специалистов: топ-менеджера МРСК «Центра» Якшиной Н. В. [4] и специалистов ХК «Электрозавод» Ивакина В.Н., Ковалева В.Д., Магницкого А.А. [1]. Автор настоящей статьи в работе [5] обобщил выводы работ [1, 2, 3, 4] и предложил методику расчёта потерь хх и кз энергоэффективного трансформатора на основе определения оптимальной загрузки по заданному коэффициенту энергоэффективности. Коэффициент энергоэффективности при этом рассчитывается на основе показателей потерь хх и кз, заданных для силовых трансформаторов в Постановлении Правительства РФ от 17.06.2015 N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности». Значения коэффициентов энергоэффективности силовых трансформаторов, полученные из указанного документы, приведены в Таблице 1. Графически эта зависимость представлена на рис. 1

Таблица 1. Значения коэффициентов энергоэффективности силовых трансформаторов

Рисунок 1. Изменение коэффициента энергоэффективности силового трансформатора в зависимости от его мощности

2. Потенциал энергосбережения. Оценка экономического эффекта от внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов I – III габарита.

Значения потерь хх и кз современных российских силовых трансформаторов приведены в работе [6]. На сегодняшний день общее количество трансформаторов I – III габарита, эксплуатируемых в России, составляет примерно 2,6 миллиона штук (по оценке в соответствии с ценологической моделью Савинцева Ю.М. [7]). Примерно 2 миллиона штук (77%) – это трансформаторы I-го габарита, мощностью до 100 кВА включительно. При росте электропотребления в России на уровне примерно 10 миллиардов кВт*час за год потребность в распределительных трансформаторах насчитывает ориентировочно 54 000 – 73 000 штук (с учетом потребности для замен от 1% до 2% от общего количества установленных трансформаторов).

Обобщенная картина потенциала энергосбережения в России со структурированием по мощностям трансформаторов представлена в таблице 2. Суммарные потери в трансформаторах мощностью 25 кВА – 6300 кВА при загрузке 100% в финансовом выражении (в предположении, что стоимость электроэнергии в среднем составляет 5 руб./кВт*час), могут составить ~ 400 млрд. руб. в год. Это составляет 2,2 % объема расходов госбюджета РФ на 2019 год. При замене всех установленных трансформаторов на энергосберегающие класса энергоэффективности Х2К2 ежегодная экономия на потерях может равняться ~ 50 млрд руб. Это равно примерно 0,25 % доходов госбюджета на 2019 год. Для «осязаемости» этого числа можно привести пример бюджета города Мурманск – он составляет на 2019 год 14 млрд руб. То есть экономия на потерях может составить больше трёх объемов бюджета таких городов как Мурманск.

Таблица 2. Потенциал энергосбережения в России по трансформаторам мощностью 25 кВА – 6300 кВА.

3. Практика внедрения энергоэффективных трансформаторов за рубежом.

В странах ЕС действует три уровня стандартов:

- международные стандарты (ISO, IEC);

- европейские стандарты и нормы (EN, HD);

- национальные стандарты (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL).

Сегодня энергоэффективность европейских силовых масляных трансформаторов определяет стандарт EN 50464-1, разработанный CENELEC и введенный в действие в 2007 г. (он является развитием стандарта HD 428, принятого еще в 1990г.). В этом стандарте устанавливается пять уровней потерь хх и четыре уровня потерь кз (таблицы 3 и 4). При этом стандарт EN 50464-1 не устанавливает ограничений по сочетанию уровней потерь хх и кз.

В 2014 году 21 мая Постановление Совета Европы № 548/2014 установило новые требования к максимальным уровням потерь хх и кз распределительных трансформаторов. В табл. 5 приведены требования для масляных трансформаторов мощностью от 1 до 3150 кВА, напряжением до 36 кВ. Данные требования вводятся в 2 этапа: с 1 июля 2015 г. и с 1 июля 2021 г.

Таблица 3. Потери хх в соответствии с EN 50464 -1.

Таблица 4. Потери кз в соответствии с EN 50464 -1.

Таблица 5. Максимальные значения потерь хх и кз в соответствии с постановлением Совета Европы № 548/2014 от 21 мая 2014 г.

Существуют следующие инструменты внедрения энергоэффективного оборудования, применяемые в мировой практике:

• Принудительные мероприятия – законодательно закрепленные нормы и инициативы, внедряемые «сверху». Эти решения наиболее популярны в странах Европы, где законопослушное население и производители поддерживают обязательные государственные программы.
• Стимулирующие мероприятия - подразумевают воздействие на производителя. В странах, активно использующих этот метод, в ход идут инструменты финансового стимулирования, а также PR-инструменты. Просчитать экономическую эффективность подобных решений сложнее, нежели в случае с государственной программой, однако средний уровень энергосбережения в рамках указанных стран достаточно высок.
• Просветительские методы - подразумевают воздействие на непосредственного потребителя, формирование новой потребительской культуры, основанной на бережном природопользовании и сознательном выборе энергосберегающих технологий. В свою очередь, потребительский спрос определяет предложение –производители внедряют «зеленые» решения, чтобы соответствовать пожеланиям покупателей.

4. Существующая нормативная база по внедрению энергоэффективного оборудования в России.

В нашей стране на текущий момент применение энергоэффективных силовых трансформаторов регламентируется практически только двумя нормативными документами:

• Постановление Правительства РФ от 17.06.2015 N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности», раздел «II.27. Трансформаторы электрические силовые»;
• Стандарт ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания»

При использовании энергоэффективного оборудования, в т. ч. энергоэффективных силовых трансформаторов, Постановлением предусмотрены следующие преференции:

1)     Инвестиционный налоговый кредит.

2)     Право налогоплательщиков применять к основной норме амортизации специальный коэффициент, но не выше 2.

3)     Освобождение от налогообложения организаций в отношении вновь вводимых объектов, имеющих высокую энергетическую эффективность, в течение трех лет со дня постановки такого имущества.

В практическом плане при государственной поддержке сегодня более энергично стали осуществляться НИОКР и другие проекты по созданию энергоэффективных трансформаторов.  Причем речь идет уже не об отдельных проектах отдельных заводов, а об объединении по типу консорциума крупнейших производителей разных отраслей.

Так в конце 2018 года, 5 декабря на полях Международного электроэнергетического форума "Электрические сети" состоялось подписание Меморандума о развитии сотрудничества на территории Евразийского экономического союза (ЕАЭС) в сфере производства и применения евразийских энергоэффективных трансформаторов из высокопроницаемой электротехнической стали (ВЭС). Участниками проекта выступили производители Армении, Беларуси и России. Меморандум заключили ОАО "Армэлектромаш" (Республика Армения), ОАО "МЭТЗ им. В.И. Козлова" (Республика Беларусь), Новолипецкий металлургический комбинат (Российская Федерация), ОАО Холдинговая компания "ЭЛЕКТРОЗАВОД" (Российская Федерация), ОАО "Тольяттинский трансформатор" (Российская Федерация), ОАО "Алтайский трансформаторный завод" (Российская Федерация).

5. Предложения по основным элементам стратегии внедрения энергоэффективных трансформаторов в электросетевой комплекс России.

В настоящее время широкое внедрение энергосберегающих трансформаторов сдерживается отсутствием единой стратегии, включающей в себя комплекс нормативных документов, организационно-технических мероприятий и методического обеспечения. Укрупненно предлагаются следующие компоненты стратегии.

• Предложения по формированию нормативной базы.

Предлагается внести изменения в несколько стандартов, касающихся силовых трансформаторов, а именно:  в ГОСТ Р 52719 и в ГОСТ Р 54827. В эти документы необходимо внести все требования, касающиеся определения потерь хх и кз энергоэффективных трансформаторов.

• Предложения по организационно-техническим мероприятиям.

Необходимо разработать и на государственном уровне законодательно утвердить порядок осуществления замены всех не соответствующих требованиям силовых трансформаторов.  В этом документе должен быть прописан порядок мониторинга и критерии оценки технического состояния силовых трансформаторов. Необходимо также определить требования к техническим средствам мониторинга технического состояния трансформаторов.

• Предложения по методическому обеспечению.

Необходимо разработать и на государственном уровне принять единую для всех заказчиков «Методику выбора поставщика энергоэффективных трансформаторов».  Основы такой Методики заложены в работах [5, 8, 9].

Заключение.

Огромным потенциалом повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций обусловлена актуальность скорейшей разработки и реализации стратегии внедрения энергосберегающих трансформаторов в электросетевой комплекс России..

Основные положения стратегии, сформулированные в данной статье, могут быть положены в основу госпрограммы или нацпроекта по повышению энергоэффективности отечественных трансформаторных подстанций.

Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам завода «Трансформер» (г. Подольск) к.т.н. Печенкину В.И. и к.т.н. Стулову А.В., главному научному сотруднику НТЦ ФСК ЕЭС проф. д.т.н. Воротницкому В.Э.  за предоставленные материалы и принципиальное, конструктивное обсуждение положений и выводов данной статьи.

Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., независимый эксперт. Адрес для связи: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Список литературы.

1. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. - № 5 (34). – с. 20 – 31.
2. Федосенко Р.Я. Трансформатор в местной распределительной сети / Радий Яковлевич Федосенко. – М. – Издательств Министерства коммунального хозяйства РСФСР. – 1963. – 87с.
3. 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.
4. Якшина Н.В. Целесообразность применения трансформаторов со сниженным электропотреблением // Энергоэксперт. – 2015. – С. 4 – 8.
5. Савинцев Ю.М. Надежный поставщик – ключ к безаварийности и энергоэффективности // Энергетика и промышленность России. – 2019. - № 09 (365). – С. 40 – 41.
6. Савинцев Ю.М. Анализ основных характеристик обычных и энергоэффективных распределительных трансформаторов основных заводов. [Электронный ресурс]. URL: http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/658-анализ-основных-характеристик-обычных-и-энергоэффективных-распределительных-трансформаторов-основных-заводов.html (Дата обращения 28.06.2019).
7. Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I – III габарит / Юрий Михайлович Савинцев. – [б.м.]: - Издательские решения, 2015. – 86 с.
8. Савинцев Ю.М. Мал трансформатор, да энергоэффективен. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/mal-transformator-da-energoeffektiven/ (Дата обращения 28.06.2019)
9. Савинцев Ю.М. Сухие энергоэффективные трансформаторы: кто в тренде? // Энергетика и промышленность России. – 2019. - № 13-14 (369-370). – С. 40 – 41