К.Ю.Гуда
Сучасна концепція енергопостачання спирається на сформульовані в кінці XX століття інженерні ідеї, що включають принципи виробництва змінного струму, його споживання електроприводом, перетворення за допомогою трансформаторів, а також мережі високої та низької напруги з підключеними до них електроспоживачами. Ці основні принципи дозволили створити розвинені системи енергопостачання як у Європі, і у всьому світі.
Одна з центральних ланок у цій системі по праву належить трансформаторам, що перетворюють електроенергію за величиною напруги — спочатку підвищують напругу у місці виробництва електроенергії, а потім її знижують у місцях її споживання.
У цій статті розглядаються лише найпотужніші з трансформаторів, що зустрічаються в енергосисгемах, — так звані розподільні трансформатори, що забезпечують подачу електроенергії промисловим і побутовим споживачам. Причому під час розгляду цих трансформаторів основний акцент робиться на показнику їх енергоефективності, як одного з основних джерел масштабного енергозбереження.
Загальні відомості про втрати у розподільних трансформаторах. Втрати у розподільних трансформаторах становлять значну частину загальних втрат у системах передачі та розподілу енергії. Так, наприклад, проведений наприкінці XX століття аналіз роботи мереж передачі та розподілу енергії тихоокеанського узбережжя США показав, що втрати в розподільчих трансформаторах становлять більше 30%, у той час, як у трансформаторах підстанцій живлення втрачається тільки 2%. Аналогічна картина має місце у вітчизняних розподільних трансформаторах. Враховуючи значну кількість таких трансформаторів в енергосистемі та великий термін їхньої служби, такі трансформатори є значним резервом енергозбереження. Тому з точки зору енергозбереження підвищення ефективності розподільних трансформаторів всього на 0,1 % вже виправдане, оскільки такі трансформатори постійно перебувають під напругою і за їх цілодобової та цілорічної роботи економія від зниження втрат холостого ходу (х.х.) протягом 20…30 років виходить досить значним. Величина ж втрат в обмотках - втрата короткого замикання (к.з.) залежить від навантаження трансформатора, через що ці втрати називають також навантажувальними. Хоча заводи-виробники розподільних трансформаторів встановлюють проектні терміни експлуатації таких трансформаторів близько 25 років, багато хто з них безвідмовно працює набагато довше. Так, середньостатистично повоєнний європеїський розподільний трансформатор служив близько 30...40 років. Однією з причин такого довголіття є те, що компанії, в умовах тенденції зростання попиту, встановлювали надмірну кількість трансформаторів, через що багато хто тривалий час працював у режимах малих навантажень. У принципі, більшість із таких трансформаторів мають прийнятні технічні характеристики, за винятком показників енергоефективності, яким, на відміну від потужних трансформаторів, аж до початку 70-х років минулого століття не приділялося належної уваги.
Європейська та міжнародна практика визначення енергоефективності розподільних трансформаторів. У країнах Євросоюзу більшість вимог до розподільних трансформаторів визначається національними. (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL), міжнародними (ІSO, IEC), а також європейськими (EN, HD) стандартами. Основне завдання цих стандартів - забезпечення прийнятних вимог до характеристик таких трансформаторів, їх безпеки, безперебійності роботи протягом усього терміну служби, охорони навколишнього середовища. У зв'язку з необхідністю досягнення масштабного енергозбереження у всіх галузях народного господарства в технологічно розвинених країнах протягом кількох останніх десятиліть приділяється також велика увага вирішенню проблеми суттєвого підвищення енергоефективності таких трансформаторів, незважаючи на те, що до цього часу відсутнє чітке формулювання цього поняття. розподільних трансформаторів визначається стандартом HD428 «Трьохфазні розподільні трансформатори з робочою частотою 50 Гц від 50 до 2500 кВА з масляним охолодженням та максимальною напругою не вище 36 кВ».
Аналогічний стандарт, - стандарт HD538. Визначає рівень енергоефективності розподільних трансформаторів з охолодженням сухого типу. 
Відповідно до стандарту HD428 для розподільних трансформаторів з масляним охолодженням та максимальною напругою до 24 кВ основними параметрами ефективності є наведені в табл. 1 норми втрат короткого замикання (к.з.) та холостого ходу. Як видно з таблиці для масляних трансформаторів, допускається три рівні втрат к.з. (А, В і С) та три рівні втрат х.х. (А', В' та С'), які визначаються за спеціальною методикою з певним допуском на похибку. За невідповідності трансформатора під час випробувань рівню втрат, наведеному в табл.1, виробник або відбраковує його, або погоджує з покупцем величину грошової компенсації. І навпаки, якщо фактичні величини втрат великих трансформаторів значно перевищують вимоги відповідного рівня, виробник може отримати від покупця додаткову винагороду.
Таким чином, стандарт HD428 дозволяє вибрати три рівні навантаження (к.з.) і три рівні х.г. — від найменш ефективної комбінації А-А' до найбільш ефективної С-С, причому з теоретично можливих дев'яти комбінацій цей стандарт допускає вибір лише п'яти комбінацій, показаних на рис.1, де комбінація А-А' прийнята за основу порівняння (виділено червоною жирною лінією, наведені значення (у відсотках) обчислені від цієї основи). Про реально досяжний рівень зниження втрат у розподільчих трансформаторах можна судити на підставі такого характерного прикладу: для трансформатора номінальною потужністю 630 кВА різниця сумарних втрат (втрат к.з. і х.х.) між крайніми значеннями (комбінаціями рівнів втрат А-А' і З-С) становить близько 1,5 кВт.
Наведені у табл.1 значення втрат к.з. та х.х., п'ять комбінацій допустимих поєднань рівнів втрат (рис.1), а також аналізовані далі залежності втрат від навантаження трансформаторів є методологічною базою, на основі якої визначається енергоефективність масляних розподільних трансформаторів. Зазначимо, що фактичні втрати розподільних трансформаторів суттєво змінюються із зміною навантаження: у режимі х.х. мають місце лише втрати х.х., а при навантаженні до них додаються втрати к.з., як це видно на прикладі показаної на рис.2 залежності сумарних (а) та відносних, рівних 100% мінус ефективність (б), втрат від навантаження для трансформатора номінальною потужністю 400 кВ А напругою 24 кВ. На рис.2 позначені такі поєднання комбінацій рівнів втрат (рівнів енергоефективності): 1 - А-А '; 2 - А-С '; 3 - В-В '; 4 - С-В '; 5 - С-С'.
Наведений на рис.2,б графік залежності відносних втрат від навантаження показує, що мінімальні величини втрат припадають на навантаження, рівні приблизно 50% номінальної потужності. 
При цьому якщо трансформатори рівнів А-А' та В-В' мають різні оптимальні з точки зору зниження втрат діапазони навантаження, то трансформатори С-С' у будь-якому випадку мають величину втрат на 20…30% меншу, ніж трансформатори рівнів А-А' і В-В '.
Залежність відносних втрат повного навантаження в трансформаторі від номінальної потужності показана на рис.3, де цифрами 1-5 позначені такі ж комбінації рівнів втрат (рівнів енергоефективності), як і на рис.2. Ці залежності (за невеликим винятком) показують, що чим вище номінальна потужність трансформатора, тим менша втрата повного навантаження.
Оскільки загальна ефективність трансформатора безпосередньо залежить від навантаження, зробити висновок про енергоефективність того чи іншого розподільчого трансформатора можна тільки тоді, коли буде виконано підрахунок загальних втрат за певний період часу (за рік або весь період експлуатації), що є досить складним завданням.
Розглянемо тепер питання реально досяжні величини зниження втрат у масляних розподільних трансформаторах. На жаль, досі ще не розроблений єдиний міжнародно визнаний критерій, за яким той чи інший розподільний трансформатор можна було б однозначно вважати енергоефективним — навіть незважаючи на те, що масляні трансформатори рівня С-С' мають найнижчі втрати. Тому низка фахівців до енергоефективних відносять такі трансформатори:
1. З масляним охолодженням рівня С-С' за стандартом HD428.
2. Сухі трансформатори напругою до 24-36 кВ, що мають величину втрат на 20% меншу, ніж за стандартом HD53B.
Підставою для таких орієнтирів служить технічна можливість виготовлення вже в даний час трансформаторів з такими рівнями втрат практично всіма виробниками. До таких ознак відносять: застосування спеціальних видів обмоток, передових марок трансформаторних сталей в мaгнітопроводі, виготовлення магнітопроооду з аморфного заліза (AMDT) та ін.
Цілком очевидно, що ресурси зниження втрат у розподільчих трансформаторах ще далеко не вичерпані і можуть бути знижені і надалі, насамперед, шляхом застосування на трансформаторних заводах методів зниження втрат к.з. та х.х., наведених у табл.2.
Таким чином, існують досить великі потенційні резерви зниження втрат у розподільчих трансформаторах і, отже, підвищення їх енергоефективності. Однак для реалізації цих резервів потрібне прийняття низки непростих рішень, що стимулюють придбання споживачами дорожчих (хоч і швидко окупних) енергоефективних трансформаторів, а виробників — випуск таких трансформаторів, для організації якого будуть потрібні великі додаткові капіталовкладення на модернізацію виробництва. Серед можливих (хоча і важко реалізованих) рішень у Євросоюзі розглядаються такі:
Зазначимо, що в країнах Євросоюзу вже давно на тендерах із закупівлі трансформаторів, у тому числі й енергозберігаючих розподільних, використовується підхід до підрахунку ціни з урахуванням втрат за весь термін служби трансформатора (25 років), таким чином здійснюється перехід від матеріаломісткого до наукомісткого виробництва, що дозволяє випускати енергоефективне електроустаткування. Потенціал енергозбереження при використанні в Євросоюзі енергоефективних розподільних трансформаторів показаний на рис. 
де позначені наступні комбінації рівнів втрат:
1 -C-AMDT;
2 - A-AMDT;
3 - С-С'.
Останні дві комбінації відносяться до трансформаторів із магнітопроводом, виготовленим з аморфного заліза.
Мінські енергозберігаючі трансформатори серії ТМГ-12
Проаналізувавши європейський та міжнародний підхід до визначення енергоефективності розподільних трансформаторів, розглянемо характерний приклад створення енергозберігаючих трансформаторів на Мінському електротехнічному заводі. Мінським електротехнічним заводом розроблено нові масляні розподільні трансформатори серії ТМГ12, що відповідають європейському стандарту CENELEC і мають найнижчий рівень втрат х.г. та к.з. в порівнянні з серійно випускається в СНД. Аналоги цієї серії трансформаторів випускаються лише такими провідними світовими виробниками, як SIEMENS, ABB, AREVA. Загальний вигляд одного з енергозберігаючих розподільних трансформаторів серії ТМГ12 показано на рис.5.
Технічні характеристики трансформаторів серії ТМГ12 наведено у табл.3. Звернемо увагу на основні переваги розподільних трансформаторів серії ТМГ12 у порівнянні з тансформаторами ранніх серій.
Втрати х. та к.з. розподільних трансформаторів серії ТМГ12 знижено на 30% у порівнянні з трансформаторами інших серій за рахунок того, що:
Річна економія на втратах у трансформаторах серії ТМГ12 потужністю 630 кВ*А становить 6,7 тис. кВт-год, а трансформаторах ТМГ12 потужністю 1000 кВ-А — 5,4 тис. кВгч.
Різниця в ціні між трансформатором серії ТМГ12 порівняно з трансформаторами ранніх серій становить близько 10%. Термін окупності додаткових вкладень з урахуванням цієї різниці для трансформатора серії ТМГ12 потужністю 630 кВ-А становить менше 1 року, а для трансформаторів цієї серії потужністю 1000 кВ-А - менше 2 років.
Заміна 100 шт. Традиційних трансформаторів потужністю 630 і 1000 кВ-А трансформаторами серії ТМГ12 дозволяє заощадити кошти на встановлення трьох додаткових підстанцій потужністю 630 кВ-А.
Крім того, трансформатори серії ТМГ12 мають покращені шумові характеристики, що є їх важливою перевагою, що доповнює високі показники енергоефективності.
Всього коментарів: 0