Распределительные трансформаторы

К.Ю.Гуда
Современная концепция энергоснабжения опирается на сформулированные в конце XX 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 величине напряжения — сначала повышаю­щим напряжение в месте производства электроэнергии, а затем его понижающим в местах ее потребления.
В этой статьи рассматриваются только самые ма­ломощные из встречающихся в энергосисгемах трансфор­маторов — так называемые распределительные трансфор­маторы, обеспечивающие подачу электроэнергии промы­шленным и бытовым потребителям. Причем при рассмот­рении этих трансформаторов основной упор делается на показателе их энергоэффективности,как одного из основ­ных источников масштабного энергосбережения.
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 XX века анализ работы сетей передачи и распределения энергии 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, среднестатистически послевоенный европеискиий 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. 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 есропсйскими (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 хозяйство 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 четкая формулировка этого понятия.Уровень энергоэффективности масляных распредели­тельных трансформаторов определяется стандартом HD428 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2500 кВА с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ».
Аналогичный стандарт, — стандарт HD538. определяет уровень энергоэффективности распределительных транс­форматоров с охлаждением сухого типа. нормы потерь короткого замыкания распределительных трансформаторовСогласно стандарту HD428 для распределительных трансформаторов с масляным охлаждением и максималь­ным напряжением до 24 кВ основными параметрами эффективности являются приведенные в табл. 1 нормы потерь короткого замыкания (к.з.) и хо­лостого хода.  Как видно из таблицы 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.уровнинагрузки распределительного трансформатораТаким 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 красной 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.
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 только 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. диапазоны нагрузки распределительных трансформаторовПри 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’.
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.зависимость потерьтрансформатора от мощностиПоскольку 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 инои 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.   С масляным охлаждением уровня С—С’ по стандар­ту HD428.
  2.   Сухие трансформаторы напряжением до 24—36 кВ, имеющие величину потерь на 20% меньшую, чем по стан­дарту HD53B.
Основанием для таких ориентиров служит техничес­кая возможность изготовления уже в настоящее время трансформаторов с такими уровнями потерь практически всеми производителями.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 мнитопроводе, изготовление магнитопрооода 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.
 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. Добровольное соглашение, либо Директива ЕС, ус­танавливающая разрешенные уровни применения рас­пределительных трансформаторов.
  2. Включение требований об обязательных минималь­ных критериях энергоэф’Ъективности 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.

  потери в распределительных трансформаторахпотери в распределительных трансформаторахОтметим, 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 , где обозначены следующие комбинации уровней потерь:
  1 —C-AMDT;
  2  — A-AMDT;
  3  — С-С’.
Последние две комбинации относятся к трансформа­торам с магнитопроводом, изготовленным из аморфного железа.
   Минские энергосберегающие трансформаторы серии ТМГ-12
Проанализировав европейский и международный подход к определению энергоэффективности распреде­лительных трансформаторов, рассмотрим характерный пример создания энергосберегающих трансформаторов на Минском электротехническом заводе. 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 одного из энергосберегающих распреде­лительных трансформаторов серии ТМГ12 показан на рис.5.трансформатор тмг Технические характеристики трансформаторов се­рии ТМГ12 приведены в табл.3.   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 Staplap 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 кВ*А составляет 6,7 тыс. кВт-ч, а в трансформаторах ТМГ12 мощностью 1000 кВ-А — 5,4 тыс. кВгч.

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 кВ-А составляет менее 1 года, а для трансформаторов этой же серии мощностью 1000 кВ-А — менее 2 лет.

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

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

К списку статей

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Иконка левого меню
Иконка в правом меню