Электротехнический-портал.рф

...для студентов ВУЗов электротехнических специальностей и инженеров

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Статьи, обзоры Нормирование энергоэффективности сухих трансформаторов
Воскресенье, 31 Мая 2020 13:55

Нормирование энергоэффективности сухих трансформаторов

Оцените материал
(1 Голосовать)

В статье сформулированы новые подходы к обоснованию уровня потерь современных сухих энергоэффективных распределительных трансформаторов. Автор развивает применение техноценологической парадигмы,  примененной ранее к нормированию потерь распределительных масляных трансформаторов. Приведены данные расчетов нормативных характеристик потерь современных сухих энергоэффективных распределительных трансформаторов, полученные на основе разработанного метода.


ВВЕДЕНИЕ

По оценкам автора, доля сухих трансформаторов в общем количестве силовых и распределительных трансформаторов составляет примерно 20%. Это число получено на основе анализа продаж заводов, выпускающих данный вид оборудования. Сопоставлению масляных и сухих трансформаторов в части достоинств  и недостатков посвящено достаточно много работ [1-8]. Настоящая статья посвящена развитию подхода в нормированию характеристик потерь, который изложен впервые в работе [9] применительно в масляным силовым и распределительным трансформаторам.

Актуальность проблемы нормирования характеристик потерь для сухих трансформаторов является еще более важной, поскольку этот тип конструкции более дорогой. В статье [9] приведены среднерыночные цены и видно, что инвестиции в данный вид оборудования примерно в два раза выше на единицу мощности по сравнению с масляными трансформаторами. При более высокой энергоэффективности инвестиции также потребуются большего объема.

Поэтому, как неоднократно приходилось подчеркивать автору в различных выступлениях и докладах по тематике энергоэффективности, характеристики потерь холостого хода и короткого замыкания энергоэффективных трансформаторов должны быть обоснованы. Можно изготовить трансформатор с уникально низкими потерями хх и кз, например, с магнитопроводом из аморфной стали и с обмотками из материала с высокотемпературной сверхпроводимостью. Но первый вопрос заключается в том, в течение какого срока окупятся вложения в такой трансформатор? Второй вопрос: насколько реально будут востребованы такие низкие характеристики потерь? Чем обоснована такая низкая величина потерь? Вопрос сродни обоснованности строительства между Москвой и Санкт-Петербургом сверхскоростной трассы - высокоскоростной системы Hyperloop. Как заключили эксперты: строить дорого, нецелесообразно, а пользоваться смогут только богатые. Похожая ситуация видится в части суперэнергоэффективных трансформаторов. Почти 15-тилетний опыт работы в области энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов привел автора к парадигме «разумности» при нормировании характеристик потерь. Так сегодня очень популярны в различных презентациях энергоэффективного оборудования трансформаторы с магнитопроводом из аморфной стали. Потери хх у трансформатора мощностью 1000 кВА составляют величину, в 5 раз меньшую потерь хх обычного трансформатора. Цена такого трансформатора (масляного) в два раза превышает цену стандартного трансформатора. Срок окупаемости по оценкам автора составляет порядка 8 лет. Настоящая статья не ставит целью оценку инвестиционной привлекательности инновационной продукции. Но, по-видимому, включать в требование стандарта такие значения потерь вряд ли стоит.

Многолетнее изучение автором проблемы нормирования потерь хх и кз для энергоэффективных трансформаторов выявили отсутствие теоретических и методологических основ решения этой проблемы. В работе [9] автор предложил теоретические основы и разработал методологический аппарат нормирования характеристик потерь энергоэффективных трансформаторов. В основу положена ценологическая парадигма профессора Б.И. Кудрина [10]. На ее базисе созданы математическая модель структуры комплекса силовых/распределительных трансформаторов [11] и математическая модель энергоэффективности этого комплекса [9, 12]. Используя макроэкономические и глобальные экологические критерии, эти модели позволяют строго научно определить нормативы для характеристик потерь хх и кз.

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТЕРЬ СОВРЕМЕННЫХ СУХИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

И ТРЕБОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ЗАРУБЕЖНЫХ СТАНДАРТОВ

К СУХИМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫМ ТРАНСФОРМАТОРАМ

Основой, точкой отсчета при нормировании характеристик потерь сухих силовых и распределительных трансформаторов являются характеристики потерь хх и кз современных стандартных трансформаторов (см. таблицу 1).

 

Таблица 1. Характеристики потерь стандартных сухих распределительных трансформаторов (мощности 25 кВА – 400 кВА).

 

Мощность  трансформатора

кВА

25

40

63

100

160

250

400

Напряжение ВН

В

 

 

10 000 /6 000

 

 

Напряжение НН

В

 

 

690/660/400/ 230

 

 

Схема и группа соединения

 

D/Yn-11 Y/Yn-0

D/Yn-11 Y/Yn-0

D/Yn-11 Y/Yn-0

D/Yn-11 Y/Yn-0

D/Yn-11 Y/Yn-0

D/Yn-11 Y/Yn-0

D/Yn-11 Y/Yn-0

Потери холостого хода (Рхх)

Вт.

195

230

290

380

510

620

1100

Ток холостого хода

%

4,0

3,0

3,0

1,5

1,5

1,0

1,0

Потери короткого замыкания (Ркз)

кВт.

450

700

1350

2000

2700

3650

5800

Напряжение короткого замыкания.

%

4,0

4,0

4,0

6,0

6,0

6,0

6,0

продолжение Таблицы 1 (мощности 630 кВА – 2500 кВА).

Мощность  трансформатора

кВА

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

Напряжение ВН

В

 

 

10 000 /6 000

 

 

Напряжение НН

В

 

 

690/660/400/ 230

 

 

Схема и группа  соединения

 

 

 

 

D/Yn-11

Y/Yn-0

 

 

Потери холостого хода (Рхх)

Вт.

1400

1000

1800

1740

1500

2100

2200

2800

2900

3600

Ток холостого хода

%

0,8

0,8

0,8

0,8

0,6

0,6

0,6

Потери короткого замыкания (Ркз)

Вт.

7100

7600

7600

8900

9000

11400

12000

11000

15500

19500

Напряжение короткого замыкания.

%

6,0

8,0

6,0

6,0

8,0

6,0

8,0

6,0

6,0

6,0

 

В силу конструктивных особенностей сухих трансформаторов их потери хх оказываются больше, чем у масляных трансформаторов равной мощности. Поэтому энергоэффективности трансформаторов этого типа необходимо уделять большое внимание.

Но, по не вполне понятной причине, энергоэффективность сухих распределительных трансформаторов вообще не отражена в нормативных документах по энергоэффективности в нашей стране.  В странах ЕС параметры энергосберегающих сухих распределительных трансформаторов регулирует документ HD538 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 100 до 2 500 кВА с охлаждением сухого типа и максимальным напряжением не выше 36» кВ. Он устанавливают следующие ограничения на потери хх и кз (Таблица  2).

 

Таблица 2. Потери холостого хода и короткого замыкания по документу гармонизации ЕЭС HD538.

Мощность, кВА

100

160

250

400

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

3150

Потери хх, Вт

280

350

520

750

1100

1300

1550

1800

2200

2600

3100

3800

Потери кз, Вт 75°C

1575

2275

2975

3950

6200

7000

7875

9625

11375

14000

16625

19250

Потери кз, Вт 120°C

1800

2600

3400

4500

7100

8000

9000

11000

13000

16000

19000

22000

Ток хх, %

1

0,9

0,8

0,8

0,8

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,4

0,4

Напряжение кз, %

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

 

 

 

 

 

Интерес представляют данные по сухим энергоэффективным трансформаторам, взятые из каталога одного из китайских заводов. В Китае уже несколько лет назад запрещены к использованию трансформаторы с характеристиками потерь, которые у нас считаются стандартными. По китайской классификации – это уровень S9. В таблице 3 приведены значения, в частности, потерь сухих трансформаторов первого класса энергоэффективности, типа SCB13.

Даже по сравнению с европейским документом по гармонизации HD538 значения потерь сухих трансформаторов в Китае являются существенно более жесткими.

Но насколько целесообразны требования зарубежных стандартов по энергоэффективным трансформаторам? Чем они обоснованы?

Далее  представлены математические модели и методология, позволяющие нормировать также характеристики потерь сухих энергоэффективных трансформаторов.

Таблица 3. Трансформаторы сухие типа SCB13, первый класс энергоэффективности, с магнитопроводом из анизотропной стали, с медными обмотками

Мощность, кВА

ВН, кВ

НН, кВ

Pxx, Вт

Ркз, Вт

Ток хх, %

Напряжение кз, %

Габариты, мм

Масса, кг

100

290

1330

1.5

1035×1250×980

450

125

340

1560

1.3

1060×1280×1000

500

160

385

1800

1.3

4.0

1120×1320×1050

680

200

445

2130

1.1

1135×1330×1105

770

250

6

515

2330

1.1

1170×1330×1165

900

315

635

2940

1.0

1185×1360×1225

1010

400

6.3

705

3370

1.0

1210×1380×1300

1205

600

6.6

0.4

835

4130

1.0

1245×1400×1380

1400

630

10

965

4970

0.85

1295×1410×1355

1515

630

10.5

935

5050

0.85

1295×1410×1355

1515

800

11

1090

5890

0.85

1375×1450×1480

1880

1000

1270

6880

0.85

6.0

1430×1480×1525

2170

1250

1500

8190

0.85

1480×1500×1570

2525

1600

1760

9940

0.85

1500×1520×1710

2980

2000

2190

12200

0.7

1570×1550×1735

3480

2500

2590

14500

0.7

1625×1600×1825

4080

1600

1760

11000

0.85

1500×1520×1710

2980

2000

2190

13500

0.7

8.0

1570×1550×1735

3480

2500

2590

15900

0.7

1625×1600×1825

4080

 

НОРМИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СУХИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Для формирование модели, на основе которой можно осуществить нормирование энергоэффективности (как отмечалось автором в ряде работ [9, 11 12]) требуется рассматривать не один отдельный или несколько трансформаторов, а весь комплекс силовых/распределительных трансформаторов, обеспечивающих электроснабжение на обширной территории, вплоть до территории страны или группы стран. И фундаментальным для всех последующих выводов является понятие ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ.

С количественной стороны, «Энергетическая эффективность - характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции…». Таково определение энергоэффективности по 261-ФЗ.

С содержательной стороны, энергоэффективность – это управляемое состояние большой, организованной для каких-либо целей, совокупности устройств, которое характеризует способность этой совокупности изменять (уменьшать, сокращать) удельные затраты на функционирование данной совокупности устройств. Это авторская концептуальная трактовка энергоэффективности, положенная в основу разрабатываемой теории энергоэффективности силовых и распределительных трансформаторов.

Нормирование потерь хх и кз сухих энергоэффективных силовых/распределительных трансформаторов осуществляется по методике, описанной в [9].

Для адекватного сравнения с результатами нормирования потерь масляных энергоэффективных трансформаторов, приняты следующие исходные данные и упрощения для моделирования:

  1. В тестовых расчетах для упрощения модели предполагается, что все установленные трансформаторы – сухие. В методике, изложенной в работе [9] также принято, что все трансформаторы являются масляными. Можно усложнить модель и рассмотреть всю совокупность трансформаторов, состоящей из двух групп: 80% масляные и 20% сухие.  На результаты расчетов это повлияет не существенно.
  2. Как и в работе [9], целевое сокращение энергоемкости ВВП принято равным 0,08 т.у.т./млн.руб.

Полный перечень исходных данных приведен в таблице 4.

Таблица 4. Исходные данные для расчета нормативных потерь хх и кз энергоэффективных сухих силовых/распределительных трансформаторов.

Показатель

Значение

Общее количество распределительных трансформаторов в РФ, штук,

3 020 649

Суммарная трансформаторная мощность, МВА,

846 472

Суммарные потери (при загрузке, равной 1), кВт,

10 737 243

Целевое значение сокращения энергоёмкости ВВП, т.у.т./млн.руб.,

 

0,08

Значение суммарной доли подлежащих сокращению потерь, кВт*час,

21 375 000 000

Значение суммарной мощности подлежащих сокращению потерь, кВт,

2 440 000

Удельное значение сокращаемых потерь, кВт/кВА,

0,002882

Доля потерь хх в общей мощности потерь,

0,12726

Доля потерь кз в общей мощности потерь,

0,87274

 

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

Для сопоставления с действующими нормативами энергоэффективности трансформаторов 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 сухих энергоэффективных трансформаторов, полученные данные ожидаемо не совпадают с показателями потерь нормативных документов. Так полученные значения потерь хх и кз для трансформатора мощностью 1000 кВА составляют, соответственно, 1270 Вт и 6500 Вт; стандартные значения  -  1600 Вт и 8900 Вт. Нормативный документ Постановление № 600 требует для этой мощности трансформаторов значений потерь хх 1100 Вт и потерь кз 10500 Вт. Требования европейского стандарта составляют для потерь хх  1550 Вт и для потерь кз  9000 Вт.

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 руководству и ведущим специалистам ООО «Трансформер» за многочисленные предоставленные технические и другие данные о распределительных трансформаторах  и за конструктивное обсуждение тезисов 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. Савинцев Ю.М. Инновационный сухой трансформатор – реальная энергоэффективность. // Промышленные страницы Сибири. – 2020. - № 4-5  (148-149). – С. 66 – 69.
  2. Сухие силовые трансформаторы 6–35 кВ. Критерии выбора    [Электронный ресурс]. URL:    http://news.elteh.ru/arh/2011/67/08.php (Дата обращения 18.05.2020)
  3. Сухие силовые трансформаторы. Выбор, устройство, характеристики  [Электронный ресурс]. URL:  трансформаторов.     https://eti.su/articles/visokovoltnaya-tehnika/visokovoltnaya-tehnika_327.html (Дата обращения 18.05.2020)
  4. Кравченко А., Метельский В.   Сухие и энергосберегающие трансформаторы   [Электронный ресурс]. URL:  http://electrician.com.ua/posts/1198 (Дата обращения 18.05.2020)
  5. Михеев Г.М., Ефремов Л. Г., Иванов Д. Е. Способы повышения энергоэффективности силовых трансформаторов   [Электронный ресурс]. URL:  https://cyberleninka.ru/article/n/sposoby-povysheniya-energoeffektivnosti-silovyh-transformatorov (Дата обращения 18.05.2020)
  6. Особенности конструкции, преимущества и недостатки сухих трансформаторов  [Электронный ресурс]. URL:  https://www.kesch.ru/info/articles/osobennosti-konstruktsii-preimushchestva-i-nedostatki-sukhikh-transformatorov/ (Дата обращения 18.05.2020)
  7. Стандарты потерь в трансформаторах  [Электронный ресурс]. URL:  https://silovoytransformator.ru/stati/standarty-poter-v-transformatorah.htm (Дата обращения 18.05.2020)
  8. Васильев С. Будущее за сухими трансформаторами. [Электронный ресурс]. URL:  http://news.elteh.ru/arh/2002/15/08.php (Дата обращения 18.05.2020)
  9. Савинцев Ю.М. Энергоэффективность распределительного трансформатора — это управляемое состояние. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/energoeffektivnost-raspredelitelnogo-transformator/ (Дата обращения 18.05.2020)
  10. Кудрин Б.И. Два открытия: явление инвариантности структуры техноценозов и закон информационного отбора / Кудрин Б.И. – М. – Технетика, - 2009 г. – 82 С.
  11. 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 18.05.2020).
  12. 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 18.05.2020).
Auto Copied
Прочитано 75 раз Последнее изменение Вторник, 02 Июня 2020 14:22

Основное меню

Авторизация


© 2020 Электротехнический портал. Все права защищены.

Яндекс.Метрика