Электротехнический-портал.рф

В статье сформулированы теоретические основы, позволяющие выбирать оптимальные режимы эксплуатации современных энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов – коэффициент загрузки. Загрузка впервые определяется для всего трансформаторного комплекса распределительной электросети. Критерием оптимальности загрузки является минимум удельной стоимости трансформации электроэнергии. Приведены данные расчетов, полученные на основе разработанного метода.

ВВЕДЕНИЕ

6 апреля 2020 года была утверждена «Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года», в которой определено: «(…)

1. 145. Главной задачей электроэнергетики … является повышение надежности и качества энергоснабжения потребителей до уровня, сопоставимого с лучшими зарубежными аналогами, с обеспечением экономической эффективности таких услуг. (…).».

В разделе «Пространственное и региональное развитие сферы энергетики» указывается, что « (…)

1. 177. Задачей электроэнергетики … является повышение эффективности электросетевого комплекса.
   1. 178. В комплекс ключевых мер, обеспечивающих решение поставленной задачи, входят:

а) повышение качества разработки схем и программ развития электроэнергетики, в том числе прогноза спроса на электрическую энергию и мощность на основании данных о реализации на территориях субъектов Российской Федерации инвестиционных проектов;

б) повышение эффективности, в том числе экономической, технологий передачи электрической энергии;

в) совершенствование системы оперативно-технологического управления в территориальных сетевых организациях;

г) переход на риск-ориентированное управление производственными активами в электросетевом комплексе на базе цифровых технологий;

…

1. 179. Показатели решения задачи представлены в таблице 12.

Таблица 12.

Показатели решения задачи электроэнергетики

Задача, пункт	Показатель	Значения показателя, год
		2018 (факт)	2024	2035
177	Уровень потерь электрической энергии в электрических сетях, не более, %	10,6	9,8	7,3

(…)»

В разделе 3.3. «Достижение технологической независимости ТЭК и повышение его конкурентоспособности» указано, что « (…) на основе анализа результатов пилотных проектов будут намечены меры по широкомасштабному распространению эффективных цифровых технологий в отраслях ТЭК (…)».

Как видно, для успешной реализации Стратегии, для скорейшей цифровизации электроэнергетики требуется серьезнейший фундамент, а именно: 1) современные диагностические системы; 2) аппаратно-программные комплексы по типу цифрового двойника на базе самого современного методологического и математического аппарата; 3) современное энергоэффективное оборудование, в том числе, энергоэффективные распределительные трансформаторы. Потенциал энергосбережения России на сегодняшний день, рассчитанный автором, представлен в таблице 1. В модели расчета предполагается, что все установленные распределительные трансформаторы одномоментно заменены на энергоэффективные касса энергоэффективности Х2К2. Средняя загрузка трансформаторов по России принята равной 0,7. В финансовом выражении полученный таким образом экономический эффект составляет ~ 13 миллиардов рублей в год. Для сравнения значительности этой суммы можно привести пример бюджета среднего российского города, например,  бюджет города Орёл на 2020 год составил 6 миллиардов рублей.

Максимально эффективное функционирование электрораспределительного комплекса требует дополнительной проработки и новых решений, в частности, по следующим проблемам:

1. Эффективное управление  структурой распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, прогнозирование ежегодной номенклатурной и количественной потребности в закупке новых силовых и распределительных трансформаторах.
2. Эффективное управление затратами на функционирование распределительных электросетей, в частности, минимизация удельной стоимости трансформации электроэнергии в рамках отдельных региональных распределительных компаний и в масштабах ЕЭС страны в целом.
3. Оптимальное управление режимами эксплуатации распределительного трансформаторного комплекса, в том числе, выбор оптимальной загрузки силовых и распределительных трансформаторов для обеспечения минимальной удельной стоимости трансформации электроэнергии.
4. Оптимальное управление энергоэффективностью распределительного  трансформаторного комплекса, в том числе нормирование потерь холостого хода и короткого замыкания всех силовых и распределительных трансформаторов в зависимости от  требований глобальной экологии и макроэкономических параметров, в частности, энергоемкости внутреннего валового продукта. Управление энергоэффективностью, в конечном счете, связывает все предыдущие проблемы.

 

Таблица 1. Потенциал энергосбережения в России (Источник: Расчеты автора)

Мощность, кВА	Штук	Рхх, Вт обычные	Суммарные потери, Вт. ОБЫЧНЫЕ трансформаторы	Рхх, Вт  энергоэфф. Х2	Суммарные потери, Вт. ЭНЕГОЭФФ. трансформаторы	Ркз, Вт  ОБЫЧНЫЕ	Суммарные потери КЗ, Вт ОБЫЧНЫЕ  трансформаторы	Ркз, Вт            э/эфф К2	Суммарные потери КЗ, Вт ЭНЕРГОЭФФ. трансформаторы
25	1399732	115	1410090017	115	1410090017	600	7356991392	600	7356991392
40	515895	155	700482842	155	700482842	880	3976934845	880	3976934845
63	287733	220	554519817,4	160	403287139,9	1280	3226297119	1270	3201091673
100	190142	270	449724320,4	217	361445101,9	1970	3281321893	1591	2650042199
160	137889	410	495240379,8	300	362371009,6	2650	3200943918	2136	2580081588
250	106049	530	492364879	425	394820893,5	3700	3437264249	2955	2745166448
400	84938	870	647331994,3	565	420393766,4	5600	4166734676	4182	3111657931
630	70080	1240	761239125	696	427276154,1	7600	4665659153	6136	3766905864
1000	59147	1600	829009994,8	957	495851603,2	10800	5595817465	9545	4945562750
1600	50821	2100	934906743,2	1478	657996269,8	16500	7345695840	15455	6880468437
2500	44304	2750	1067274725	2130	826652787,1	27000	10478697301	23182	8996931883
4000	39086	4000	1369581858	3600	1232623672	34400	11778403979	31000	10614259399
6300	34831	5400	1647647600	4900	1495087637	46500	14188076553	42000	12815036887
ИТОГО	3020649		11359414295,61		9188378893,26		82698838384,50		73641131296,43
		Суммарные потери в руб.	22 718 828 591,21 ₽	Суммарные потери в руб.	18 376 757 786,53 ₽	Суммарные потери в руб.	165 397 676 768,99 ₽	Суммарные потери в руб.	147 282 262 592,86 ₽
ОБЪЕМ ПОТЕРЬ В ФИНАНСОВОМ ВЫРАЖЕНИИ									103 763 690 208,02 ₽
ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА КЛАСС ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ Х2К2 В ФИНАНСОВОМ ВЫРАЖЕНИИ									13 218 623 750,99 ₽

 

 

Первая и четвертая проблемы подробно рассмотрены в статьях [1, 2]. Настоящая статья посвящена проблеме оптимального управления режимами эксплуатации, - оптимизации загрузки трансформатора в аспекте обеспечения энергоэффективности распределительного трансформаторного комплекса.

Вопросам оптимальности загрузки трансформаторов посвящена монография Радия Яковлевича Федосенко [3], вышедшая в 1963 году, все выводы которой актуальны и сегодня. Однако работа [3] не учитывала требования к энергоэффективности трансформаторов, потому как на тот период развития электроэнергетики вопросы энергосбережения не поднимались. Методологически выверенный подход к анализу энергоэффективности трансформаторов изложен в статье [4]. В данной работе всесторонне рассмотрено определение характеристик потерь распределительных трансформаторов в зависимости от их загрузки. Здесь отмечено также существенное отставание российских требований по энергоэффективности от европейских.

Отметим важнейший методологический аспект работы [4]. В ней  энергоэффективность трансформатора отождествляется с его коэффициентом полезного действия. И энергоэффективные характеристики потерь предлагается рассчитывать, исходя из максимума значения к.п.д. трансформатора и загрузки трансформатора. Однако общеизвестным фактом является то, что загрузка трансформатора, рассчитанная из условия максимума к.п.д., является крайне низкой – она составляет  ~ 0,3 … 0.4. При том, что конструкция трансформатора допускает перегрузку до 1,2, крайне низкая загрузка – это крайне неэффективное использование капитальных вложений, ведь трансформаторы -   достаточно дорогостоящее оборудование. Есть и другой, методический момент. Если  загрузку трансформатора можно задать на основании требований технологического процесса потребителя (будь то завод или частный коттедж), то значение к.п.д. трансформатора – это гипотетический показатель. Вряд ли он поддается нормированию применительно к энергоэффективным трансформаторам. На текущий момент мы можем оценить наибольший к.п.д., достигнутый при изготовлении трансформатора. Ведь, в конечном счете, это показатель характеризует совершенство машины с энергетической точки зрения и определяется уже после ее изготовления, и по результатам теоретических расчетов, а не прямых измерений. А на основании чего следует назначать к.п.д. еще более совершенных трансформаторов?

Автор предлагает новую парадигму энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов.

Энергоэффективность отдельного трансформатора или распределительного трансформаторного комплекса – это динамичное состояние, и оно определяется степенью согласованности конструктивных параметров отдельных трансформаторов и режимов эксплуатации этих трансформаторов. Режимы  эксплуатации, обеспечивающие энергоэффективность трансформаторного комплекса, должны выбираться из условия минимума удельной стоимости трансформации электроэнергии. Характеристики потерь энергоэффективных трансформаторов автор предложил определять на основе взаимосвязи суммарных потерь трансформаторного комплекса  с энергоемкостью валового внутреннего продукта [2]. Можно исходить и из других критериев, с которыми связано суммарное тепловыделение трансформаторного комплекса, например, с требованиями глобальной экологии. Таким образом, появляется возможность определить суммарную мощность потерь при работе трансформаторов, независимо от их загрузки. А затем уже, получив тем или иным способом требования к загрузки трансформаторов, можно «разделить» суммарные потери между потерями холостого хода и потерями короткого замыкания, так как потери кз зависят от загрузки трансформатора, а потери хх – нет.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА

ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В соответствии с новой парадигмой энергоэффективности трансформаторных комплексов и отдельных трансформаторов, режим эксплуатации трансформаторов, прежде всего, коэффициент загрузки, является функционалом от характеристик трансформаторов (в частности, их потерь) и затрат на эксплуатацию трансформатора. Экстремум этого функционала и определяет оптимальное значение коэффициента загрузки трансформаторов. В работе [5] таким функционалом названа удельная стоимость трансформации электроэнергии. Её минимум и определяет оптимальное значение коэффициента загрузки. В настоящей статье в качестве методической иллюстрации нового подхода рассматривается средний коэффициент загрузки. Хотя корректнее вести расчет максимума загрузки.

Таким образом, в отличие от работы [4], в предлагаемой авторской модели оптимизация характеристик потерь отделена от оптимизации режимов работы распределительных трансформаторов.

Ниже по результатам многочисленных расчетов удельной стоимости трансформации выявлены её зависимости от мощности от номинальной мощности трансформаторов, их мощности потерь и коэффициента загрузки.

Предварим анализ изменения удельной стоимости трансформации исследованием зависимости коэффициента полезного действия трансформаторов для стандартных (обычных) трансформаторов и энергоэффективных трансформаторов с потерями уровня Х2К2 по СТО 34.01-3.2-011-2017 от 12.04.2017г.

Результаты расчётов представлены в таблицах 2 и 3, а также на графиках рис.1 и рис. 2.

Рисунок 1. Коэффициент полезного действия обычных трансформаторов в зависимости от загрузки.

 

Таблица 2.

 

 

Таблица 3.

 

 

Рисунок 2. Коэффициент полезного действия энергоэффективных  трансформаторов в зависимости от загрузки.

 

 

Таблицы расчетов к.п.д. и графики для всего диапазона номинальных мощностей показывают, что на основе методологического подхода авторов работы оптимум загрузки составляет 0,3 … 0,4.

Очень важной является также закономерность, которую можно видеть из сравнения строк в обеих таблицах, выделенных зелёным цветом. Для трансформаторов номинальной мощностью 1000 кВА (равно как и для любой другой мощности) оптимум коэффициента загрузки для энергоэффективного трансформатора оказывается МЕНЬШЕ оптимума для трансформатора с обычными потерями. То есть, купив существенно более дорогой энергоэффективный трансформатор, потребитель должен будет нагружать его меньше, чем обычный трансформатор, который дешевле. С точки зрения экономики эксплуатации имеет место явное противоречие.

 

В соответствие с авторской парадигмой энергоэффективности трансформаторного комплекса, оптимальная загрузка должна будет определена, исходя из минимума удельной стоимости трансформации электроэнергии.

Базовой принята следующая формула для ее расчета (1)

 

Исходные данные и результаты расчета приведены в таблицах  4 и 5 , а также на рисунках 3 и 4.

Как видно из таблиц  4, 5 и из рисунков 3 и 4, минимум стоимости трансформации электроэнергии для энергоэффективных трансформаторов ожидаемо смещается в сторону больших загрузок по сравнению с обычными трансформаторами. Здесь нет противоречия, отмеченного выше для загрузки, найденной из условия максимума к.п.д. Оптимальные загрузки для обычных трансформаторов составляют 0,7 – 1,1. Однако для энергоэффективных трансформаторов эти значения составляют  уже 0,8 – 1,2.

 

 

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

ВЫВОДЫ

Новая авторская парадигма энергоэффективности позволяет определить экономически оптимальные режимы эксплуатации трансформаторов распределительного комплекса с учетом характеристик трансформаторов и особенностей условий эксплуатации (в частности, стоимости потерь в регионе эксплуатации). Применение предложенных методов расчета обеспечит дальнейшее совершенствование управлением эксплуатацией электроэнергетического оборудование, в частности, распределительных трансформаторов.

 

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. 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 https://www.elec.ru/articles/mal-transformator-da-energoeffektiven/(Дата обращения 24.04.2020)
2. Савинцев Ю.М. Разумная энергоэффективность – новый подход к нормированию потерь энергоэффективных распределительных трансформаторов [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/razumnaya-energoeffektivnost-novyj-podhod-k-normir/ (Дата обращения 24.04.2020)
3. Федосенко Р.Я. Трансформатор в местной распределительной сети / Радий Яковлевич Федосенко. – М. – Издательств Министерства коммунального хозяйства РСФСР. – 1963. – 87с.
4. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. - № 5 (34). – с. 20 – 31.

 

 

 

Таблица  4 . Исходные данные и удельная стоимость трансформации для обычных трансформаторов.

			Коэфф. загрузки	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2
Цена тр-ра, руб.	Мощность, кВА	Мощность потерь хх, Вт	Мощность кз, Вт
78000,00	25,00	115,00	600,00	5527,97	2827,06	1954,78	1539,67	1307,42	1166,61	1078,04	1022,12	987,98	969,07	961,25	961,74
87000,00	40,00	155,00	880,00	3979,94	2047,79	1429,43	1139,53	981,00	888,16	832,87	801,03	784,83	779,58	782,29	790,98
98000,00	63,00	220,00	1280,00	2980,74	1543,76	1088,50	878,67	767,01	704,43	669,91	652,91	647,60	650,48	659,30	672,58
105000,00	100,00	270,00	1970,00	2082,55	1093,05	786,22	650,07	582,18	548,43	534,18	532,12	538,19	549,95	565,84	584,84
139000,00	160,00	410,00	2650,00	1781,09	934,07	671,08	554,09	495,50	466,12	453,42	451,15	455,83	465,38	478,47	494,22
178000,00	250,00	530,00	3700,00	1465,35	771,57	557,60	463,57	417,53	395,48	387,14	387,36	393,30	403,24	416,08	431,11
220000,00	400,00	870,00	5600,00	1230,59	652,09	475,60	399,63	363,85	348,18	343,99	346,98	354,76	365,89	379,45	394,84
286000,00	630,00	1240,00	7600,00	1046,93	555,17	405,34	340,99	310,83	297,78	294,49	297,31	304,19	313,93	325,74	339,11
476000,00	1000,00	1600,00	10800,00	1013,24	535,00	388,20	324,27	293,47	279,25	274,50	275,66	280,77	288,65	298,53	309,92
767000,00	1600,00	2100,00	16500,00	967,08	510,64	370,54	309,52	280,14	266,57	262,05	263,17	268,05	275,58	285,02	295,89
1245000,00	2500,00	2750,00	27000,00	958,64	507,70	370,00	310,62	282,55	270,15	266,70	268,84	274,71	283,19	293,57	305,37
2192000,00	4000,00	4000,00	34400,00	1012,27	528,73	377,60	309,57	274,78	256,60	247,93	245,19	246,40	250,39	256,39	263,91
2871000,00	6300,00	5400,00	46500,00	846,67	442,73	316,71	260,16	231,41	216,55	209,63	207,67	209,02	212,69	218,04	224,66

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. График удельной  стоимости трансформации для обычных трансформаторов.

 

Таблица 5. Исходные данные и значения удельной стоимости трансформации для энергоэффективных трансформаторов

	Коэфф. Загрузки			0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2
Цена тр-ра, руб.	Мощность, кВА	Мощность потерь хх, Вт	Мощность кз, Вт
117000,00	25,00	115	600	7867,97	3997,06	2734,78	2124,67	1775,42	1556,61	1412,32	1314,62	1247,98	1203,07	1173,98	1156,74
130500,00	40,00	155	880	5611,19	2863,41	1973,18	1547,34	1307,25	1160,04	1065,90	1004,93	966,08	942,71	930,59	926,92
147000,00	63,00	160	1270	3980,27	2043,11	1420,94	1127,51	965,58	869,40	810,79	775,66	756,19	747,68	747,13	752,56
157500,00	100,00	217	1591	2770,56	1427,09	997,85	797,17	687,91	624,36	586,93	565,83	555,61	553,01	555,95	563,05
208500,00	160,00	300	2136	2306,58	1188,37	831,23	664,35	573,58	520,87	489,89	472,51	464,19	462,21	464,84	470,94
267000,00	250,00	425	2955	1920,55	991,34	695,41	557,79	483,51	440,89	416,37	403,15	397,47	397,07	400,51	406,82
330000,00	400,00	565	4182	1503,29	779,12	549,94	444,51	388,58	357,40	340,36	332,16	329,85	331,67	336,49	343,55
429000,00	630,00	696	6136	1232,05	641,62	456,19	372,00	328,32	304,88	293,02	288,38	288,57	292,14	298,16	306,02
714000,00	1000,00	957	9545	1255,39	652,78	463,06	376,56	331,35	306,78	294,01	288,62	288,14	291,10	296,56	303,90
1150500,00	1600,00	1478	15455	1257,36	654,06	464,25	377,80	332,70	308,28	295,67	290,44	290,14	293,28	298,92	306,45
1867500,00	2500,00	2130	23182	1286,02	667,38	471,99	382,43	335,18	309,10	295,12	288,69	287,30	289,44	294,14	300,77
3288000,00	4000,00	3600	31000	1404,26	722,50	504,29	401,98	346,03	313,25	293,71	282,46	276,72	274,85	275,78	278,83
4306500,00	6300,00	4900	42000	1173,30	604,17	422,25	337,13	290,72	263,68	247,71	238,64	234,19	232,96	234,08	236,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. График удельной стоимости трансформации для энергоэффективных трансформатор