Энергоэффективные распределительные трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

Автор : К.Ю. Гура
6948
Энергоэффективные распределительные трансформаторы
Современная концепция энергоснабжения опирается на сформулированные в конце прошлого века инженерные идеи, включающие в себя принципы производства переменного тока, его потребления электроприводом, преобразования с помощью трансформаторов, а также сети высокого и низкого напряжения с подключенными к ним электропотребителями. Эти основные принципы позволили создать развитые системы энергоснабжения как в Европе, так и во всем мире.

Одно из центральных звеньев в этой системе по праву принадлежит трансформаторам, преобразующим электроэнергию по напряжению - сначала повышающим напряжение в месте производства электроэнергии, а затем его понижающим в местах ее потребления.

В этой статье рассматриваются только самые малые из встречающихся в энергосистемах трансформаторов - так называемые распределительные трансформаторы, обеспечивающие подачу электроэнергии промышленным и бытовым потребителям. Причем при рассмотрении этих трансформаторов основной упор делается на показатели их энергоэффективности как одного из основных источников масштабного энергосбережения [1-3].

Общие сведения о потерях в распределительных трансформаторах

Потери в распределительных трансформаторах составляют значительную часть общих потерь в системах передачи и распределения энергии. Так, например, проведенный в конце прошлого века анализ работы сетей передачи и распределения энергии северо-западного тихоокеанского побережья США показал, что потери в распределительных трансформаторах составляют более 30%, в то время как в трансформаторах питающих подстанций теряется только 2%. Аналогичная картина имеет место и в отечественных распределительных трансформаторах. Учитывая значительное количество таких трансформаторов в энергосистеме и большой срок их службы, такие трансформаторы представляют собой значительный резерв энергосбережения. Поэтому с точки зрения энергосбережения повышение эффективности распределительных трансформаторов всего на 0,1% уже оправдано, поскольку такие трансформаторы постоянно находятся под напряжением и при их круглосуточной и круглогодичной работе экономия от снижения потерь «холостого хода» (х.х.) в течение 20…30 лет получается довольно значительной. Величина же потерь в обмотках - потерь короткого замыкания (к.з.) зависит от нагрузки трансформатора, из-за чего эти потери называют также нагрузочными.

Хотя заводы-изготовители распределительных трансформаторов устанавливают проектные сроки эксплуатации таких трансформаторов около 25 лет, многие из них безотказно работают гораздо дольше. Так, среднестатистический послевоенный европейский распределительный трансформатор служил около 30...40 лет. Одной из причин такого долголетия является то, что компании, в условиях тенденции роста спроса, устанавливали избыточное количество трансформаторов, из-за чего многие из них длительное время работали в режимах малых нагрузок [1]. В принципе, большинство из таких трансформаторов имеет приемлемые технические характеристики, за исключением показателей энергоэффективности, которым, в отличие от мощных трансформаторов, вплоть до начала 70-х годов прошлого века не уделялось должного внимания.

Европейская и международная практика определения энергоэффективности распределительных трансформаторов

В странах Евросоюза большинство требований к распределительным трансформаторам определяется национальными (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL), международными (ISO, IEC), а также европейскими (EN, HD) стандартами. Основная задача этих стандартов - обеспечение приемлемых требований к характеристикам таких трансформаторов, их безопасности, бесперебойности работы в течение всего срока службы, охране окружающей среды. В связи с необходимостью достижения масштабного энергосбережения во всех отраслях народного хозяйства в технологически развитых странах в течение нескольких последних десятилетий уделяется также большое внимание решению проблемы существенного повышения энергоэффективности таких трансформаторов, несмотря на то, что до настоящего времени отсутствует четкое определение этого понятия.

Уровень энергоэффективности масляных распределительных трансформаторов определяется стандартом HD428 Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2500 кВ·А с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ. Аналогичный стандарт, - стандарт HD538 определяет уровень энергоэффективности распределительных трансформаторов с охлаждением сухого типа.

Согласно стандарту HD428 для распределительных трансформаторов с масляным охлаждением и максимальным напряжением до 24 кВ основными параметрами (показателями) эффективности являются приведенные в табл.1 нормы потерь короткого замыкания (к.з.) и «холостого хода» (х.х.).

Таблица 1

Номинальная мощность,
кВА

Допустимые уровни потерь короткого замыкания, Вт

Допустимые уровни потерь «холостого хода», Вт

А

В

С

А'

В'

С'

50

1100

1350

875

150

145

125

100

1750

2150

1475

320

260

210

160

2350

3100

2000

460

375

300

250

3250

4200

2750

650

530

425

400

4600

6000

3850

930

750

610

630

6500

8400

5400

1300

1 030

860

1000

10500

13000

9500

1700

1400

1100

1600

17000

20000

14000

2600

2200

1700

2500

26500

32000

22000

3800

3200

2500

Как видно из табл.1, для масляных трансформаторов допускается три уровня потерь к.з. (А, В и С) и три уровня потерь х.х. (А', В' и С'), которые определяются по специальной методике с определенным допуском на погрешность. При несоответствии трансформатора во время испытаний уровню потерь, приведенному в табл.1, производитель либо отбраковывает его, либо согласовывает с покупателем величину денежной компенсации. И наоборот, если фактические величины потерь крупных трансформаторов существенно превышают требования соответствующего уровня, производитель может получить от покупателя дополнительное вознаграждение.

Таким образом, стандарт HD428 позволяет выбрать три уровня нагрузки (к.з.) и три уровня х.х. - от наименее эффективной комбинации А-А' до наиболее эффективной С-С', причем из теоретически возможных девяти комбинаций этот стандарт допускает выбор только пяти комбинаций, показанных на рис.1, где комбинация А-А' принята за основу сравнения (выделено жирной линией, приведенные значения (в процентах) вычислены от этой основы). О реально достижимом уровне снижения потерь в распределительных трансформаторах можно судить на основании такого характерного примера: для трансформатора номинальной мощностью 630 кВА разность суммарных потерь (потерь к.з. и х.х.) между крайними значениями (комбинациями уровней потерь А-А' и С-С') составляет около 1,5 кВт.

Рис.1

Приведенные в табл.1 значения потерь к.з. и х.х., пять комбинаций допустимых сочетаний уровней потерь (рис.1), а также рассматриваемые далее зависимости потерь от нагрузки трансформаторов являются методологической базой, на основе которой определяется энергоэффективность масляных распределительных трансформаторов.

Отметим, что фактические потери распределительных трансформаторов существенно изменяются с изменением нагрузки: в режиме х.х. имеют место потери х.х., а при нагрузке к ним добавляются потери к.з., как это видно на примере показанной на рис.2 зависимости суммарных (а) и относительных, равных 100% минус эффективность (б), потерь от нагрузки для трансформатора номинальной мощностью 400 кВ·А напряжением 24 кВ. На рис.2 обозначены такие сочетания комбинаций уровней потерь (уровней энергоэффективности): 1 - А-А'; 2 - А-С'; 3 - В-В'; 4 - С-В'; 5 - С-С'.

Приведенный на рис.2,б график зависимости относительных потерь от нагрузки наглядно показывает, что минимальные величины потерь приходятся на нагрузки, равные примерно 50% номинальной мощности. При этом если трансформаторы уровней А-А' и В-В' имеют различные оптимальные с точки зрения снижения потерь диапазоны нагрузки, то трансформаторы С-С' в любом случае имеют величину потерь на 20...30% меньшую, чем трансформаторы уровней А-А' и В-В'.

Рис.2

Зависимость относительных потерь полной нагрузки в трансформаторе от номинальной мощности показана на рис.3, где цифрами 1-5 обозначены такие же сочетания комбинаций уровней потерь (уровней энергоэффективности), как и на рис.2. Эти зависимости (за небольшим исключением) показывают, что чем выше номинальная мощность трансформатора, тем меньше потери полной нагрузки.

Рис.3

Поскольку общая эффективность трансформатора напрямую зависит от нагрузки, сделать заключение об энергоэффективности того или иного распределительного трансформатора можно только тогда, когда будет выполнен подсчет общих потерь за определенный период времени (за год или весь период эксплуатации), что является довольно сложной задачей.

Рассмотрим теперь вопрос о реально достижимых величинах снижения потерь в масляных распределительных трансформаторах. К сожалению, до настоящего времени еще не разработан единый международно признанный критерий, по которому тот или иной распределительный трансформатор можно было бы однозначно считать энергоэффективным - даже несмотря на то, что масляные трансформаторы уровня С-С' имеют самые низкие потери. Поэтому ряд специалистов к энергоэффективным относят такие трансформаторы [1]:

  1. С масляным охлаждением уровня С-С' по стандарту HD428.
  2. Сухие трансформаторы напряжением до 24 кВ, имеющие величину потерь на 20% меньшую, чем по стандарту HD538.
  3. Сухие трансформаторы напряжением до 36 кВ с потерями, на 20% меньшими, чем по стандарту HD538.

Основанием для таких ориентиров служит техническая возможность изготовления уже в настоящее время трансформаторов с такими уровнями потерь практически всеми производителями.

Второй способ оценки энергоэффективности трансформаторов заключается в оценке качественного состава текущих продаж, как это сделано в США. Суть этого способа сводится к тому, что любой трансформатор с энергоэффективностью, равной или лучшей, чем у 35% самых продаваемых моделей, признается энрегоэффективным.

Третьим возможным способом оценки энергоэффективности могут служить отдельные технические признаки трансформаторов, которые хотя непосредственно не связаны с эффективностью, но все же с ней ассоциируются. К числу таких признаков относят: применение специальных видов обмоток, передовых марок трансформаторных сталей в магнитопроводе, изготовление магнитопровода из аморфного железа (AMDT) и др.

Совершенно очевидно, что ресурсы снижения потерь в распределительных трансформаторах еще далеко не исчерпаны и могут быть снижены и в дальнейшем, в первую очередь, путем применения на трансформаторных заводах методов снижения потерь к.з. и х.х., приведенных в табл.2.

Таблица 2

Наименование потерь

Метод снижения потерь

Трудности реализации метода снижения потерь

Потери к.з.

Увеличение значений сечения проводника обмотки, что ведет к снижению сопротивления и, следовательно, потерь

Затраты (цены) и габариты трансформатора значительно и притом непропорционально увеличиваются (хотя рост габаритов частично компенсируется меньшим тепловыделением и, соответственно, меньшими размерами охлаждающих конструкций)

Применение материалов, имеющих повышенную электропроводность, вплоть до сверхпроводников

Данные технологии еще недостаточно развиты, сверхдороги и поэтому используются преимущественно в трансформаторах большой мощности

Потери х.х.

Увеличение сечения агнитопровода, что ведет к снижению потерь х.х.

Затраты (цены) и габариты трансформатора непропорционально увеличиваются

Применения специальных марок трансформаторной стали, имеющих наибольшее сопротивление и пониженные потери на гистерезис

Специальные марки трансформаторной стали относительно дороги и поэтому используются преимущественно в трансформаторах большой мощности

Применение аморфных металлов в магнитопроводе, что позволяет снизить потери х.х. на 70...80% по сравнению с потерями в трансформаторах традиционной конструкции

Данные технологии в настоящее время получают все большее развитие и востребованы на рынке распределительных трансформаторов

Таким образом, существуют достаточно большие потенциальные резервы снижения потерь в распределительных трансформаторах и, следовательно, повышения уровня их энергоэффективности. Однако для реализации этих резервов требуется принятие ряда непростых решений, стимулирующих приобретение потребителями более дорогих (хотя и быстро окупаемых) энергоэффективных трансформаторов, а производителей - выпуск таких трансформаторов, для организации которого потребуются большие дополнительные капиталовложения на модернизацию производства. Среди возможных (хотя и трудно реализуемых) решений в Евросоюзе рассматриваются такие [1]:

  1. Добровольное соглашение, либо Директива ЕС, устанавливающая разрешенные уровни применения распределительных трансформаторов.
  2. Включение требований об обязательных минимальных критериях энергоэффективности распределительных трансформаторов при формировании национальных стандартов, что при отсутствии четких единых критериев понятия «энергоэффективный трансформатор» будет трудно осуществить.
  3. Применение скидок (субсидирования), налоговых льгот и т.п. при покупке энергоэффективных трансформаторов, что сдерживается отсутствием четкого определения понятия «энергоэффективный трансформатор».
  4. Применение простой системы потребительской маркировки, иллюстрирующей степень эффективности трансформатора при различных нагрузках и др.

Отметим, что в странах Евросоюза уже давно на тендерах по закупке трансформаторов, в том числе и энергосберегающих распределительных, используется подход к подсчету цены с учетом потерь за весь срок службы трансформатора (25 лет), таким образом осуществляется переход от материалоемкого к наукоемкому производству, позволяющему выпускать энергоэффективное электрооборудование.

Потенциал энергосбережения при использовании в Евросоюзе энергоэффективных распределительных трансформаторов показан на рис.4 [1], где обозначены следующие комбинации уровней потерь:

1 - С-С';
2 - А-AMDT;
3 - C-AMDT.

Последние две комбинации относятся к трансформаторам с магнитопроводом, изготовленным из аморфного железа.

Рис.4

Минские энергосберегающие трансформаторы серии ТМГ12

Проанализировав европейский и международный подход к определению энергоэффективности распределительных трансформаторов, рассмотрим характерный пример создания энергосберегающих трансформаторов на Минском электротехническом заводе [2, 3].

Минским электротехническим заводом разработаны новые масляные распределительные трансформаторы серии ТМГ12, соответствующие европейскому стандарту CENELEC и имеющие самый низкий уровень потерь х.х. и к.з. по сравнению с серийно выпускаемыми в СНГ. Аналоги данной серии трансформаторов выпускаются только такими ведущими мировыми производителями, как SIEMENS, ABB, AREVA.

Общий вид энергосберегающего распределительного трансформатора мощностью 1600 кВА серии ТМГ12 показан на рис.5.

Рис.5

Обратим внимание на основные преимущества распределительных трансформаторов серии ТМГ12 по сравнению с тансформаторами более ранних серий.

Потери х.х. и к.з. распределительных трансформаторов серии ТМГ12 снижены на 30% по сравнению с трансформаторами других серий за счет того, что:

1. Магнитопроводы трансформаторов изготовляются из специальных сортов высококачественных кремнистых сталей, имеющих наибольшее сопротивление и пониженные потери на гистерезис.

2. Для изготовления трансформаторов используется большее количество материала, который оптимально распределен между массой магнитопровода и обмотки.

3. Магнитопровод изготовляется по наиболее передовой технологии Stap-lap и состоит из пластин с косыми стыками, без отверстий в активной стали.

4. Толщина пластин не превышает 0,3 мм, а сами пластины покрывают лаком для изоляции одна от другой.

5. Сборка трансформатора осуществляется высококвалифицированным персоналом на оборудовании ведущих мировых производителей, что исключает любые возможные механические повреждения стали и обеспечивает минимизацию потерь.

Годовая экономия на потерях в трансформаторах серии ТМГ12 мощностью 630 кВА составляет 6,7 тыс. кВтч, а в трансформаторах ТМГ12 мощностью 1000 кВА - 5,4 тыс. кВтч.

Разница в цене между трансформатором серии ТМГ12 по сравнению с трансформаторами более ранних серий составляет около 10%. Срок окупаемости дополнительных вложений с учетом этой разницы для трансформатора серии ТМГ12 мощностью 630 кВА составляет менее 1 года, а для трансформаторов этой же серии мощностью 1000 кВА - менее 2 лет.

Замена 100 шт. обычных трансформаторов мощностью 630 и 1000 кВА трансформаторами серии ТМГ12 позволяет сэкономить средства на установку трех дополнительных подстанций мощностью 630 кВА.

Кроме того, трансформаторы серии ТМГ12 имеют улучшенные шумовые характеристики, что также является их важным преимуществом, дополняющим высокие показатели энергоэффективности.

Технические характеристики трансформаторов серии ТМГ12 приведены в табл.3 [2].

Таблица 3

Тип трансформатора

Ном. мощность, кВА

Ном. напря- жение, кВ

Потери, Вт

Напря- жение к.з., %

Размеры, мм

Macса,кг

ВН

НН

к.з.

х.х.

масла

полная

ТМГ12-400/10-УI(ХЛ1) 400 6; 10;
15
0,4 610 4600 4,5 1350х850х1635
325 1370
ТМГ12-630/10-УI(ХЛ1) 630 6; 6,3
10; 10,5

0,4 800 6750 5,5 1390х1000х1710 440 1870
ТМГ12-1000/10-УI(ХЛ1) 1000 6; 6,3
10; 10,5
0,4 1100 10500 5,5 1600х1000х1970 720 2820
ТМГ12-1250/10-УI(ХЛ1) 1250 6; 10;
15
0,4 1350 13250 6,0 1800х1100х2100 860 3630

Литература

  1. Энергосбережение в Европе: применение энергоэффективных распределительных трансформаторов // Энергосбережение. – 2003. – №6; 2004. – №1
  2. Силовые трансформаторы. Каталог Минского электротехнического завода им. В.И. Козлова
  3. Базаров Д.В. Трансформаторы ТМГ12 для энергосбережения // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2009. – №4
Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus