Электротехнический-портал.рф

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).

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

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.

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

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.

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).