Электротехнический-портал.рф

Новый подход к нормированию мощности потерь энергоэффективных распределительных трансформаторов

В статье сформулированы теоретические основы, позволяющие строго научно нормировать мощность потерь холостого хода и короткого замыкания, исходя из различных конечных целей применения современных энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов. В данном исследовании по обоснованию нормативов потерь впервые использована техноценологическая парадигма,  введенная в методологию технических наук  выдающимся советским и российским учёным, профессором, доктором технических наук Борисом Ивановичем Кудриным в 1976 году. В конечном итоге создана методика  расчёта мощности потерь хх и кз, нормированных на основе сокращения энергоемкости ВВП. Приведены данные расчетов, полученные на основе разработанного метода.

ВВЕДЕНИЕ

В 1976 году Борисом Ивановичем Кудриным в методологию технических наук была введена техноценологическая парадигма [1], которая позволила и позволяет решить, в частности, задачи по управлению эксплуатацией больших групп технических объектов. Одной из таких задач является проблема нормирования характеристик потерь энергии при эксплуатации электрооборудования, в том числе, при эксплуатации распределительных трансформаторов. Почему эта проблема так важна и актуальна? Потому что энергоэффективные трансформаторы, безусловно, должны иметь более высокую цену, чем трансформаторы со стандартными характеристиками потерь. И стоимость трансформации электроэнергии в случае их применения также будет выше. Поэтому важно, чтобы требуемые характеристики мощности потерь холостого хода и короткого замыкания (далее потери хх и потери кз) энергоэффективных трансформаторов были обоснованно лучше, а не произвольно хороши настолько, что стоимость приобретения стала непомерно высока, не оправдывая при этом желаемый эффект.

Характеристики мощности потерь хх и кз стандартных трансформаторов, указанные в ГОСТ 11920-85 и ГОСТ 12022-76, были получены на  основе многолетнего опыта эксплуатации и проектирования из требования сохранения диэлектрических свойств изоляции в течение установленного срока эксплуатации (25 лет), а именно: нагрев элементов конструкции трансформатора за счет потерь электроэнергии не должен превышать заданных нормированных величин, чтобы деструктивные процессы в изоляции за счет термического воздействия не привели к выходу ее (и трансформатора в целом) из строя.

Характеристики потерь хх и кз энергоэффективных трансформаторов, указанные в действующих нормативных документах (Постановление Правительства № 600 от 17.06.2015г. и отраслевой стандарт СТО 34.01-3.2-011-2017  от 12.04.2017г.) установлены от имеющейся базы: 1) существующих на текущий момент характеристик выпускаемых энергоэффективных трансформаторов; 2) существующих зарубежных стандартов на энергоэффективные трансформаторы.

Однако нормирование важнейших электротехнических показателей трансформаторов, - огромного количества важнейшего компонента электросетей, - требует более строгого научного подхода. Поскольку это уже вопрос и энергетической безопасности, и экономической жизнеспособности государства. Ведь можно производить и устанавливать для эксплуатации в электросетях трансформаторы с магнитопроводом из аморфной стали и обмотками из высокотемпературного проводника с рекордно низкими показателями мощности потерь хх и кз. Однако цена таких инноваций будет столь велика, что, во-первых: это будет разорительно для государства, так как только государству будут «по карману» такие супер инновационные трансформаторы; а во-вторых: зачем нужны именно такие низкие показатели мощности потерь силовых трансформаторов? Каким вообще должен быть уровень мощности потерь хх и кз распределительных трансформаторов? От какого критерия/показателя (экономического, технического и т.п.) нужно исходить при нормировании показателей мощности потерь?

Для достижения поставленной цели – обоснования нормирования показателей потерь распределительных трансформаторов, на протяжении 2019 года автором были проведены исследования и опубликованы результаты по различным аспектам специфики энергоэффективных распределительных трансформаторов. Так впервые исследованы и опубликованы данные:

1) о взаимосвязи ценовых и электротехнических характеристик энергоэффективных распределительных трансформаторов;

2) об особенностях конструкции распределительных масляных и сухих энергоэффективных трансформаторов;

3) об особенностях выбора поставщика энергоэффективных распределительных трансформаторов;

4) о сравнении электротехнических и массогабаритных характеристик обычных и энергоэффективных распределительных трансформаторов различных производителей;

5) об особенностях конструкции и параметрах энергоэффективности специальных силовых трансформаторов (преобразовательных, печных и т.д.);

6) об особенностях технической реализации мониторинга технического состояния энергоэффективных распределительных трансформаторов в связи с цифровизацией электросетей;

7) о математических моделях контроля выработки ресурса и эксплуатационной надежности энергоэффективных распределительных трансформаторов.

Материал пунктов 1) … 7) изложен в статьях [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]. Все эти частные вопросы интегрировались в опубликованные впервые общие положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов [13]. Настоящая статья является одним из практических приложений этой теории.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Для количественного определения мощности потерь хх и кз необходимо, прежде всего, определить, что следует понимать под энергоэффективным распределительным трансформатором. Также нужно сформировать два конструкта, которые составят в совокупности математическую модель энергоэффективности: 1) математическую модель, связывающие между собой мощности потерь хх и кз с различными параметрами распределительных трансформаторов (электротехническими, эксплуатационными, финансово-экономическими); 2) математическую модель, определяющую показатель (критерий), задавая который можно однозначно рассчитать значение мощности потерь хх и кз распределительного трансформатора любой мощности.

В парадигме новой теории энергоэффективность рассматривается как управляемое состояние распределительного трансформатора. При этом крайне важно установить, что же такое энергоэффективный трансформатор, в чем его содержательная сущность. В работах, посвященных теме энергоэффективности распределительных трансформаторов, в частности, в работе [14] автор прямо говорит, что на тот момент (2010г.) во всем мире не было четного представления о том, какой трансформатор считать энергоэффективным. Однозначное указание на то, какие трансформаторы считать энергоэффективными, содержится в Постановлении Правительства № 600 от 14.06.2017г. и в отраслевом стандарте ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017. Однако понятие энергоэффективного трансформатора дается в указанных нормативных документах через соответствие их параметров установленным численным значениям, а не через их содержательную сущность.

Условимся называть энергоэффективным такой распределительный трансформатор, который спроектирован для обеспечения максимального коэффициента полезного действия (максимальной энергоэффективности) при условии минимальной удельной стоимости трансформации электроэнергии в конкретной электрораспределительной сети.

Вид математических формул в модели энергоэффективности с достаточной очевидностью будет определяться выбранным критерием, заданное значение которого определит конкретные значения мощностей потерь хх и кз всей линейки мощностей распределительных трансформаторов. Далее будем называть рассчитанные таким образом мощности потерь хх и кз – энергоэффективными потерями, так как эти показатели являются частью содержательной сущности энергоэффективных трансформаторов, поскольку отражают управление энергоэффективностью в виде взаимосвязи параметров эксплуатации и конструкции.

Автором рассматривались два возможных глобальных критерия, на величину которых оказывают прямое воздействие потери в трансформаторах: 1) изменение средней температуры земной атмосферы; 2) изменение удельной энергоёмкости внутреннего валового продукта (ВВП). В описываемой ниже математической модели и методике расчёта показателей потерь хх и кх применен второй критерий, поскольку он позволяет получить значения потерь с существенно большей точностью, чем первый.

Математическая модель первого критерия была использована автором для оценки степени влияния потерь в распределительных трансформаторах на глобальное потепление климата нашей планеты. Приведенные ниже допущения позволили использовать простейшую формулу термодинамики для расчёта изменения средней температуры атмосферы Земли:

1. Модель теплового процесса в атмосфере над территорией России можно экстраполировать на остальную территорию нашей планеты.
2. Вся выделяемая распределительными трансформаторами в России за счет потерь тепловая энергия полностью расходуется на нагрев массы воздуха над территорией России. Процесс теплопередаче происходит при постоянном объеме воздуха.
3. Все распределительные трансформаторы работают с номинальной загрузкой в течение года.

При этих допущениях для расчета изменения температуры мы можем использовать формулу:

где

△Q – количество тепла, выделившееся в течение года за счет потерь в трансформаторах*;

с – удельная теплоемкость воздуха при постоянном объёме;

△m – масса атмосферы над территорией России;

△t -  изменение температуры массы атмосферы над территорией России.

Значения величин для расчёта приведены в таблице 1.

Таблица 1.

*количество трансформаторов в России мощностью 25 – 6300 кВА, принятых в расчете, определено автором расчетным путем и равно  2,6*10⁶ штук.

В результате расчета изменения температуры атмосферы примерно плюс 0,02 градуса. По данным различных источников увеличение средней температуры атмосферы планеты в год составляет от 0,3 до 1,7 градуса, или если усреднить эти значения – на 1 градус. С учетом очень большого числа других факторов, которые приводят к потеплению климата нашей планеты, «вклад» 2% - это существенно. Таким образом, применение энергоэффективных трансформаторов является глобально важной задачей. Но, как мы видим, модель изменения температуры атмосферы является грубой и приближенной. Поэтому, несмотря на то, что Парижское соглашение по климату от декабря 2015 года (которое пришло на смену Киотскому протоколу от декабря 1997 года)  в подпункте а) пункта 1 статьи 2 устанавливает точное ограничение прироста  глобальной средней температуры  - до 1,5 градуса Цельсия в год, применение этого критерия для расчета нормативов потерь хх и кз непрозрачно и непонятно для инвесторов. Это связано с неочевидностью, нетранспарентностью экономического/финансового «отклика»  от глобального улучшения климата на вложения в инновации, которые к нему приводят.

Очевидность и транспарентность финансового «отклика» на вложения в инновации изначально присуща энергоемкости валового внутреннего продукта в силу определения. Энергоемкость ВВП – это затраты энергии на производство единицы ВВП. Если мы за счет инноваций снижаем потери в распределительных трансформаторах как в одном из звеньев цепочки затрат энергии, то мы уменьшаем энергоемкость единицы ВВП. Для инвестора – это сокращение затрат на производство, снижение себестоимости, а значит, увеличение прибыли, т.е. инвестиционная привлекательность вложений. Для государственных структур применение энергоэффективных распределительных трансформаторов – это очевидный финансовый резерв. Потенциал энергосбережения в России в финансовом выражении представлен в таблице 2. В данной модели оценки предположено, что все установленные обычные трансформаторы одномоментно заменяются энергоэффективными трансформаторами уровня Х2К2 (по Стандарту СТО 34.01-3.2-011-2017). При расчётах загрузка распределительных трансформаторов в целом по стране принята равной 0,7.

Использование энергоемкости ВВП (ВРП) как критерия нормирования потерь хх и кз осуществляется по следующей методике.

1. Формируется перечень следующих исходных данных: 1) полный перечень эксплуатируемых в стране (регионе) распределительных трансформаторов с их характеристиками; 2) текущая энергоемкость ВВП (ВРП) и целевое значение снижение энергоемкости ВВП (ВРП) в год; 3) средний по стране (региону) коэффициент загрузки трансформаторов.
2. Через известную долю, которую «вносят» потери в энергоемкость ВВП (ВРП), рассчитывается подлежащее сокращению суммарное значение мощности потерь распределительных трансформаторов (по всей совокупности установленных в России или в отдельном регионе).
3. Рассчитывается удельное сокращение мощности потерь (сокращение мощности на 1 кВА мощности трансформатора).
4. Рассчитывается мощность потерь (суммарно хх и кз) для каждой номинальной мощности трансформатора.
5. Рассчитываются мощности потерь хх и кз для каждой номинальной мощности трансформатора (для загрузки, равной 1 – на основе статистических данных о соотношении мощностей потерь хх и кз; для конкретной загрузки, не равной 1, рассчитываются значения энергоэффективных потерь – значения, обеспечивающие максимальную энергоэффективность).

Как отмечалось выше, общее количество распределительных трансформаторов (включая трансформаторы мощностью 4000 кВА и 6300 кВА) было определено расчетным путем на основе техноценологической модели автора, описанной в [6]. Оно составляет ~ 2,6 миллиона штук. Данные о  распределении количества трансформаторов по мощностям приведены в таблице 3. Целевые значения снижения энергоемкости по различным сценариям указаны   «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» (утверждена Правительством 13 ноября 2009г.). Так прогнозная оценка инновационного сценария предполагает снижение энергоемкости ВВП на 61% за 25 лет (с 2005 года к 2030 году). Коэффициент загрузки трансформаторов примем равным 1 (единице).

Доля, «вносимая» потерями в распределительных трансформаторах (включая трансформаторы мощностью 4000 кВА и 6300 кВА) в энергоёмкость ВВП составляет по расчётам автора ~ 2,9%, или 1,55 т.у.т./млн. руб. для показателей в ценах 2005 года. Для тестовых расчетов был принято целевое значение сокращения энергоемкости ВВП в год на 7,5 т.у.т./млн.руб. Значения промежуточных показателей приведены в таблице 4.

Таблица 4. Значения промежуточных показателей для определения энергоэффективных потерь хх и кз.

Значения полученных энергоэффективных потерь хх и кз для каждой номинальной мощности всей линейки трансформаторов от 25 кВА до 6300 кВА приведены в таблице 5.

В таблицах 6, 7, 8 приведены соответственно значения потерь хх и кз энергоэффективных трансформаторов в соответствии с Постановлением Правительства № 600 от 17 июня 2015г., Стандартом СТО 34.01-3.2-011-2017 и постановлением Совета Европы № 548/2014  от 21 мая 2014г.

Как видно из сравнения результатов расчета по новой методике нормирования показателей потерь энергоэффективных трансформаторов, полученные данные могут не совпадать с показателями потерь нормативных документов, поскольку действующие требования получены несколько волюнтаристски. Если мы будем исходить из требований сокращения интуитивно понятного и логически прозрачного показателя, научного критерия энергоёмкости ВВП, мы увидим, что требования к энергоэффективности трансформаторов управляемы и должны обосновываться более гибко, чем это определено действующими нормативными документами.

Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам ООО «Трансформер» (г. Подольск) к.т.н. Печенкину В.И., к.т.н. Стулову А.В., главному конструктору ООО «Трансформер» (г. Подольск) Трофимовичу И.А. за предоставленные материалы и за конструктивное обсуждение данной статьи.

Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., независимый эксперт

По любым вопросам можно связаться с автором по адресу: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Список литературы

1. Кудрин Б.И. Два открытия: явление инвариантности структуры техноценозов и закон информационного отбора / Кудрин Б.И. – М. – Технетика, - 2009 г. – 82 С.
2. Савинцев Ю.М. Методология прогнозирования рыночного спроса на электрооборудование сетей электроснабжения на базе ценологической парадигмы [Электронный ресурс]. URL:  http://www.rusnauka.com/31_NG_2014/Tecnic/5_177867.doc.htm (Дата обращения 26.03.2020).
3. 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 26.03.2020).
4. Савинцев Ю.М. Базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/bazovyj-princip-povysheniya-energoeffektivnosti-tr/ (Дата обращения 26.03.2020).
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. Мал трансформатор, да энергоэффективен. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/mal-transformator-da-energoeffektiven/ (Дата обращения 28.03.2020)
7. Савинцев Ю.М. Сухие энергоэффективные трансформаторы: кто в тренде? // Энергетика и промышленность России. – 2019. - № 13-14 (369-370). – С. 40 – 41
8. Савинцев Ю.М. «Монетизация» энергоэффективности в трансформаторостроении // Энергетика и промышленность России. – 2019. - № 05 (361). – С. 40 – 41.
9. Савинцев Ю.М. Энергоэффективным трансформаторам – энергоэффективную защиту [Электронный ресурс]. URL:    https://www.elec.ru/articles/energoeffektivnym-transformatoram-effektivnuyu-zas/ (Дата обращения 28.03.2020)
10. Савинцев Ю.М. Специальным трансформаторам – неспециальные требования. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/analytics/specialnym-transformatoram-nespecialnye-trebovaniy/ (Дата обращения 28.03.2020)
11. Савинцев Ю.М. Оценка технического состояния энергоэффективных трансформаторов – базис цифровой парадигмы.  [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/analytics/ocenka-tehnicheskogo-sostoyaniya-energoeffektivnyh/ (Дата обращения 28.03.2020)
12. Савинцев Ю.М. Математическая модель эксплуатационной надежности энергоэффективных распределительных трансформаторов.   [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/matematicheskaya-model-ekspluatacionnoj-nadezhnost/ (Дата обращения 28.03.2020)
13. Савинцев Ю.М. Основные положения теории энергоэффективности силовых трансформаторов [Электронный ресурс]. URL: http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/668-основные-положения-теории-энергоэффективности-силовых-трансформаторов.html     (Дата обращения 26.03.2020).
14. Гура, К. Ю. Энергоэффективные распределительные трансформаторы [Текст] / К. Ю. Гура // Электрик. – 2010. – № 1-2. – С. 18-21.

Таблица 2. Потенциал энергосбережения в России

Таблица 3. Оценка количества распределительных трансформаторов, установленных в РФ (включая трансформаторы мощностью 4000 кВА и 6300 кВА)..

Таблица 5. Значения энергоэффективных потерь трансформаторам мощностью 25 кВА – 6300 кВА.

Таблица 6. Значения потерь хх и кз энергоэффективных силовых трансформаторов  в соответствии с Постановлением Правительства № 600 от 17 июня 2015 года.

Таблица 7. Значения потерь хх и кз энергоэффективных распределительных трансформаторов в соответствии со Стандартом  СТО 34.01-3.2-011-2017 от 12 апреля 2017 года

Таблица 8. Значения потерь энергоэффективных трансформаторов в соответствии с постановлением Совета Европы от 21 мая 2014 года.