Сегодня воскресенье 23 января 2022 г. 06:52
сделать стартовой в избранное
О проекте
Контакты
Форум
Размещение рекламы
   
 
 
Логин Пароль  
 
 
запомнить на этом компьютере
регистрация  |  если забыли пароль
 
 
№153октябрь 2020Энергетика и электротехника
Парадигма повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения России
Статья посвящена обоснованию стратегии повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций за счёт внедрения в электросетевой комплекс России энергосберегающих (энергоэффективных) силовых трансформаторов. Сформулирован базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в сетях электроснабжения. Приведена оценка потенциала энергосбережения в России. Представлены данные суммарных потерь электрической энергии в распределительных силовых трансформаторах, установленных в России, в натуральном и денежном выражении. Приводится краткий обзор опыта внедрения энергоэффективных трансформаторов за рубежом. Сформулированы предложения по нормативному, организационно-техническому и методическому обеспечению широкого внедрения энергосберегающих (энергоэффективных) трансформаторов.

Фото: pixabay.com/WikimediaImages

Введение

При рассмотрении стратегии повышения энергетической эффективности любого процесса следует помнить, что энергетическая эффективность как одна из ключевых категорий любой экономической системы обладает мультипликативным эффектом, а именно: чем выше энергоэффективность в начальных секторах технологической цепочки, тем эффективнее вся цепь в совокупности. Наибольшее значение имеют характеристики энергоэффективности в топливно-энергетическом комплексе, в частности, в электросетевом комплексе. Ведь в конечном счёте, потерянная электроэнергия — это потерянная продукция, не оказанные услуги и т. д. Поэтому одно из звеньев электросетевого комплекса — трансформаторная подстанция вместе с установленными силовыми трансформаторами — должно стать предметом пристального анализа при выработке и внедрении стратегии повышения энергоэффективности при транспортировке и распределении электрической энергии.

Целью настоящей статьи является обоснование базового принципа повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций за счёт внедрения в эксплуатацию в электросетевом комплексе России энергосберегающих (энергоэффективных) силовых трансформаторов, а также определение нормативной базы, всех основных этапов, мероприятий и инструментов.

1. Обоснование базового принципа повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций.

Рассмотрение любого аспекта энергоэффективности необходимо начать с определения терминов. Федеральный закон от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ определяет энергоэффективность следующим образом: «энергетическая эффективность — характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведённым в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю». Приведённое выше определение — это, по сути, определение коэффициента полезного действия (КПД). Но применительно к трансформаторам значение КПД напрямую не используется. В практике проектирования трансформаторов эквивалентом КПД принята совокупность потерь холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). В Постановлении Правительства РФ от 17.06.2015 N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» в разделе «II.27. Трансформаторы электрические силовые» нормированы именно указанные выше показатели. Таким образом энергоэффективность трансформаторной подстанции будем определять потерями ХХ и КЗ.

Среди последних работ российских специалистов, касающихся энергоэффективных трансформаторов, следует отметить статью [1], посвящённую нормированию их энергоэффективности. Хотя данная статья заканчивается анализом преимуществ силовых трансформаторов с магнитопроводом из аморфной стали, авторы, по сути, в основной части обосновывают базовый принцип повышения энергоэффективности при трансформации электроэнергии. В соответствии с выводами работы [1], максимум коэффициента энергоэффективности достигается при вполне определённой нагрузке трансформатора заданной мощности. А так как оптимальные потери ХХ и КЗ однозначно связаны через максимум коэффициента энергоэффективности, то повышение энергоэффективности трансформаторных подстанций — это не просто уменьшение потерь ХХ и КЗ трансформаторов, а обеспечение определённых сочетаний минимальных потерь ХХ и КЗ при заданной нагрузке.

В этом и заключается базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций, осуществляющих трансформацию электроэнергии: для обеспечения максимальной энергоэффективности трансформаторной подстанции при заданном коэффициенте нагрузки должно быть обеспечено совершенно определённое соотношение потерь ХХ и КЗ в устанавливаемом трансформаторе.

При решении задач повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций можно выделить прямую и обратную задачи.

Прямая задача заключается в расчёте оптимальной загрузки трансформатора при известных потерях ХХ и КЗ. Такая задача всегда решается оперативным персоналом электросетей при распределении нагрузки между трансформаторными подстанциями электросети. Можно получить значение коэффициента загрузки поиском экстремума выражения зависимости для стоимости трансформации электроэнергии (как правило, за год), как это сделано в работе [2.] Полученный в этом случае коэффициент загрузки является оптимальным с точки зрения стоимости трансформации электроэнергии, — экономически оптимальным коэффициентом загрузки, обусловленным как стоимостью трансформатора и его обслуживания, так и его конструкцией. Если вычислять оптимальный коэффициент загрузки поиском экстремума выражения для коэффициента энергоэффективности (см. работу [1]), то мы получим технически (конструкционно) оптимальный коэффициент загрузки, характеризующий условие передачи через трансформатор максимума электроэнергии, обусловленный только конструкцией трансформатора.

Обратной же задачей рациональной эксплуатации трансформаторной подстанции является задача расчёта потерь холостого хода и короткого замыкания, обеспечивающих энергоэффективность трансформации электроэнергии при заданной нагрузке. Обратная задача повышения энергоэффективности трансформатора должна решаться, когда при проектировании электроснабжения объекта загрузка трансформаторов либо заранее известна, либо будет изменяться со временем. Такая ситуация, в частности, характерна для проведения замены выработавших ресурс трансформаторов. Или, наоборот, при организации электроснабжения строящегося жилого микрорайона. Необходимость решения именно обратной задачи обоснована в работах [3, 4].

Рассмотрим более подробно выводы работ [1, 2, 3, 4].В  В монографии [2] определены пределы экономически эффективной загрузки трансформатора заданной мощности, имеющего заданные потери ХХ и КЗ.

Рис. 1. Удельные затраты на трансформацию электроэнергии

Удельные затраты на трансформацию электроэнергии для трансформаторов разных мощностей приведены на рисунке 1 при изменении загрузки трансформатора (графики заимствованы из [2]). Числовые данные соответствуют ценовым данным 1963 года, но качественный характер кривых соответствует объективной реальности. Точки пересечения кривых соответствуют необходимости замены трансформатора на большую мощность. По оси абсцисс отложена загрузка трансформатора в кВА, по оси ординат — удельная стоимость трансформации в руб./кВА*год.

В Это пример решения прямой задачи повышения энергоэффективности трансформаторной подстанции: определение рациональной загрузки трансформатора при заданных характеристиках потерь ХХ и КЗ.
 
Решение обратной задачи повышения энергоэффективности трансформаторной подстанции рассматривается в работах белорусских специалистов Пекелиса В. Г., Мышковца Е. В., Леуса Ю. В. [3], российских специалистов: топ-менеджера МРСК «Центра» Якшиной Н. В. [4] и специалистов ХК «Электрозавод» Ивакина В. Н., Ковалева В. Д., Магницкого А. А. [1].

Рисунок 2. Зависимость коэффициента энергоэффективности трансформатора мощностью 100 кВА от загрузки

В статье [3], опубликованной в 2003 году, выделено три группы потребителей в зависимости от времени максимальных потерь (1-я — 920 часов в год; 2-я — 2405 часов в год; 3-я — 5248 часов в год) или в зависимости от времени максимальной нагрузки (1-я — от 1000 до 3000 часов в год; 2-я — от 3000 до 5000 часов в год; 3-я — от 5000 до 8000 часов в год). Для трансформатора мощностью 400 кВА для каждой из этих групп получены одинаковые значения потерь ХХ 439,5 Вт, но разные значения потерь КЗ — 3430 Вт; 3061 Вт; 2605 Вт. И сделан общий вывод о целесообразности выпуска трансформатора одной и той же номинальной мощности в нескольких (не более трёх) модификациях.

Автор статьи [4] прямо указывает: «Потенциал энергосбережения в различных условиях различен. Например, в строящемся микрорайоне индивидуального жилищного строительства, где энергопотребление выйдет на проектируемый уровень через 5–7 лет, особенно актуальны трансформаторы с минимальными потерями холостого хода, а в сетях энергоснабжения действующего промышленного предприятия нужно минимизировать именно нагрузочные потери. Поэтому в ближайшем будущем сетевым компаниям потребуется широкая номенклатура энергосберегающих трансформаторов с различными вариациями».

Авторы статьи [1] на основе анализа коэффициента энергоэффективности трансформатора мощностью 100 кВА (рисунок 2) рассчитали потери ХХ и КЗ трансформатора при загрузках 20% и 50% (это оптимальные загрузки, обеспечивающие максимум коэффициента энергоэффективности). Сочетания потерь ХХ и КЗ, обеспечивающие максимум коэффициента энергоэффективности, составляют: при загрузке 20% Рхх = 100 Вт, Ркз = 2500 Вт; при загрузке 50% Рхх = 250 Вт, Ркз = 1000 Вт. Для сравнения: стандартные значение потерь ХХ и КЗ одного из российских заводов для трансформаторов ТМГ мощностью 100 кВА составляют 270 Вт и 1970 Вт. Требования отраслевого стандарта ПАО «Россети» для уровня энергетической эффективности Х1К1 (стандартный) требуют потери ХХ и КЗ 260 Вт и 1970 Вт.

Рисунок 3. Изменение коэффициента энергоэффективности силового трансформатора в зависимости от его мощности

Автор настоящей статьи в работе [5] обобщил материал, изложенный в [1, 2, 3, 4], и на этой базе предложил методику расчёта потерь ХХ и КЗ энергоэффективного трансформатора на основе определения оптимальной загрузки по заданному коэффициенту энергоэффективности. Коэффициент энергоэффективности при этом рассчитывается на основе показателей потерь ХХ и КЗ, заданных для силовых трансформаторов в Постановлении Правительства РФ от 17.06.2015 № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности». Значения коэффициентов энергоэффективности силовых трансформаторов, полученные из указанного документа, приведены в Таблице 1. Графически эта зависимость представлена на рис. 3

2. Потенциал энергосбережения. Оценка экономического эффекта от внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов I — III габарита.

Значения потерь ХХ и КЗ современных российских силовых трансформаторов приведены в работе [6]. На сегодняшний день общее количество трансформаторов I — III габарита, эксплуатируемых в России, составляет примерно 2,6 миллиона штук (по оценке в соответствии с ценологической моделью Савинцева Ю. М. [7]). Примерно 2 миллиона штук (77%) — это трансформаторы I-го габарита, мощностью до 100 кВА включительно. При росте электропотребления в России на уровне примерно 10 миллиардов кВт*час за год потребность в распределительных трансформаторах насчитывает ориентировочно 54 000 — 73 000 штук (с учётом потребности для замен от 1% до 2% от общего количества установленных трансформаторов). Обобщённая картина потенциала энергосбережения в России со структурированием по мощностям трансформаторов примерно такова. Суммарные потери в трансформаторах мощностью 25 кВА — 6300 кВА при загрузке 100% в финансовом выражении (в предположении, что стоимость электроэнергии в среднем составляет 5 руб./кВт*час), могут составить ~ 400 млрд руб. в год. Это составляет 2,2% объёма расходов госбюджета РФ на 2019 год. При замене всех установленных трансформаторов на энергосберегающие класса энергоэффективности Х2К2 ежегодная экономия на потерях может равняться ~ 50 млрд руб. Это равно примерно 0,25% доходов госбюджета на 2019 год. Для «осязаемости» этого числа можно привести пример бюджета города Мурманска — он составляет на 2019 год 14 млрд руб. То есть экономия на потерях может составить больше трёх объемов бюджета таких городов, как Мурманск.

3. Практика внедрения энергоэффективных трансформаторов за рубежом

В странах ЕС действует три уровня стандартов:

  • международные стандарты (ISO, IEC);
  • европейские стандарты и нормы (EN, HD);
  • национальные стандарты (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL).

Сегодня энергоэффективность европейских силовых масляных трансформаторов определяет стандарт EN 50464-1, разработанный CENELEC и введённый в действие в 2007 г. (он является развитием стандарта HD 428, принятого еще в 1990 г.). В этом стандарте устанавливается пять уровней потерь ХХ и четыре уровня потерь КЗ (таблицы 2 и 3). При этом стандарт EN 50464-1 не устанавливает ограничений по сочетанию уровней потерь ХХ и КЗ.

Таблица 1. Значения коэффициентов энергоэффективности силовых трансформаторов

В 2014 году 21 мая Постановление Совета Европы № 548/2014 установило новые требования к максимальным уровням потерь ХХ и КЗ распределительных трансформаторов. В табл. 2-4 приведены требования для масляных трансформаторов мощностью от 1 до 3150 кВА, напряжением до 36 кВ. Данные требования вводятся в 2 этапа: с 1 июля 2015 г. и с 1 июля 2021 г.

Существуют следующие инструменты внедрения энергоэффективного оборудования, применяемые в мировой практике.

В Принудительные мероприятия — законодательно закреплённые нормы и инициативы, внедряемые «сверху». Эти решения наиболее популярны в странах Европы, где законопослушное население и производители поддерживают обязательные государственные программы.

В Стимулирующие мероприятия — подразумевают воздействие на производителя. В странах, активно использующих этот метод, в ход идут инструменты финансового стимулирования, а также PR-инструменты.

Таблица 2. Потери ХХ в соответствии с EN 50464 -1

Просчитать экономическую эффективность подобных решений сложнее, нежели в случае с государственной программой, однако средний уровень энергосбережения в рамках указанных стран достаточно высок.

В Просветительские методы — подразумевают воздействие на непосредственного потребителя, формирование новой потребительской культуры, основанной на бережном природопользовании и сознательном выборе энергосберегающих технологий. В свою очередь, потребительский спрос определяет предложение — производители внедряют «зелёные» решения, чтобы соответствовать пожеланиям покупателей.

4. Существующая нормативная база по внедрению энергоэффективного оборудования в России

В нашей стране на текущий момент применение энергоэффективных силовых трансформаторов регламентируется практически только двумя нормативными документами:

  • Постановление Правительства РФ от 17.06.2015 № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности», раздел «II.27. Трансформаторы электрические силовые»;

  • Стандарт ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания».

При использовании энергоэффективного оборудования, в т. ч. энергоэффективных силовых трансформаторов, постановлением предусмотрены следующие преференции:

  1. инвестиционный налоговый кредит;
  2. право налогоплательщиков применять к основной норме амортизации специальный коэффициент, но не выше 2;
  3. освобождение от налогообложения организаций в отношении вновь вводимых объектов, имеющих высокую энергетическую эффективность, в течение трёх лет со дня постановки такого имущества.

В практическом плане при государственной поддержке сегодня более энергично стали осуществляться НИОКР и другие проекты по созданию энергоэффективных трансформаторов. Причём речь идёт уже не об отдельных проектах отдельных заводов, а об объединении по типу консорциума крупнейших производителей разных отраслей.

Таблица 3. Потери КЗ в соответствии с EN 50464 -1

Таблица 4. Максимальные значения потерь ХХ и КЗ в соответствии с постановлением Совета Европы № 548/2014 от 21 мая 2014 г.

Так, 5 декабря 2018 года в рамках Международного электроэнергетического форума «Электрические сети» состоялось подписание Меморандума о развитии сотрудничества на территории Евразийского экономического союза (ЕАЭС) в сфере производства и применения евразийских энергоэффективных трансформаторов из высокопроницаемой электротехнической стали (ВЭС). Участниками проекта выступили производители Армении, Беларуси и России. Меморандум заключили ОАО «Армэлектромаш» (Республика Армения), ОАО «МЭТЗ им. В. И. Козлова» (Республика Беларусь), Новолипецкий металлургический комбинат (Российская Федерация), ОАО Холдинговая компания «ЭЛЕКТРОЗАВОД» (Российская Федерация), ОАО «Тольяттинский трансформатор» (Российская Федерация), ОАО «Алтайский трансформаторный завод» (Российская Федерация).

5. Предложения по основным элементам стратегии внедрения энергоэффективных трансформаторов в электросетевой комплекс России

В настоящее время широкое внедрение энергосберегающих трансформаторов сдерживается отсутствием единой стратегии, включающей в себя комплекс нормативных документов, организационно-технических мероприятий и методического обеспечения. Укрупнённо предлагаются следующие компоненты стратегии.

  • Предложения по формированию нормативной базы.
Предлагается внести изменения в несколько стандартов, касающихся силовых трансформаторов, а именно: в ГОСТ Р 52719 и в ГОСТ Р 54827. В эти документы необходимо внести все требования, касающиеся определения потерь ХХ и КЗ энергоэффективных трансформаторов.

  • Предложения по организационно-техническим мероприятиям.
Необходимо разработать и на государственном уровне законодательно утвердить порядок осуществления замены всех не соответствующих требованиям силовых трансформаторов. В этом документе должен быть прописан порядок мониторинга и критерии оценки технического состояния силовых трансформаторов. Необходимо также определить требования к техническим средствам мониторинга технического состояния трансформаторов.

  • Предложения по методическому обеспечению.
Необходимо разработать и на государственном уровне принять единую для всех заказчиков «Методику выбора поставщика энергоэффективных трансформаторов». Основы такой Методики заложены в работах
[5, 8, 9].

Заключение

Огромным потенциалом повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций обусловлена актуальность скорейшей разработки и реализации стратегии внедрения энергосберегающих трансформаторов в электросетевой комплекс России.

Основные положения стратегии, сформулированные в данной статье, могут быть положены в основу госпрограммы или нацпроекта по повышению энергоэффективности отечественных трансформаторных подстанций.

Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам завода «Трансформер» (г. Подольск) к. т. н. Печенкину В. И. и к. т. н. Стулову А. В., главному научному сотруднику НТЦ ФСК ЕЭС, проф., д. т. н. Воротницкому В. Э. за предоставленные материалы и принципиальное конструктивное обсуждение положений и выводов данной статьи.



Литература

  1. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. — 2017. — № 5 (34). — с. 20-31.
  2. Федосенко Р.Я. Трансформатор в местной распределительной сети / Радий Яковлевич Федосенко. — М. — Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР. — 1963. — 87с.
  3. Пекелис В.Г., Мышковец Е.В., Леус Ю.В. Определение оптимальных уровней потерь холостого хода и короткого замыкания для различных режимных условий работы трансформаторов мощностью до 1600 кВА // ЭЛЕКТРО. — 2003. — № 1. — с. 42-46.
  4. Якшина Н.В. Целесообразность применения трансформаторов со сниженным электропотреблением // Энергоэксперт. — 2015. — с. 4-8.
  5. Савинцев Ю.М. Надёжный поставщик — ключ к безаварийности и энергоэффективности // Энергетика и промышленность России. — 2019. — № 09 (365). — с. 40-41.
  6. Савинцев Ю.М. Анализ основных характеристик обычных и энергоэффективных распределительных трансформаторов основных заводов. [Электронный ресурс]. URL: http://электротехнический-портал.рф/statya-obzor/item/658-анализ-основных-характеристик-обычных-и-энергоэффективных-распределительных-трансформаторов-основных-заводов.html (Дата обращения 28.06.2019).
  7. Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I — III габарит / Юрий Михайлович Савинцев. — [б.м.]: Издательские решения, 2015. — 86 с.
  8. Савинцев Ю.М. Мал трансформатор, да энергоэффективен. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/articles/mal-transformator-da-energoeffektiven/ (Дата обращения 28.06.2019).
  9. Савинцев Ю.М. Сухие энергоэффективные трансформаторы: кто в тренде? // Энергетика и промышленность России. — 2019. — № 13-14 (369-370). — с. 40-41.В 



Текст: Юрий Савинцев, канд. техн. наук.

Новости
 
Обновление CoroPlus Tool Guide
Фото предоставлено Sandvik CoromantКомпания Sandvik Coromant обновила......
 
 
Executive MBA посетил центр компетенций ESAB
Слушатели Executive MBA участвовали в пилотном мероприятии,......
 
 
Во второй день БИОТ-2021 участники обсудили единые типовые нормы и тренды развития культуры безопасности
В самом разгаре юбилейная 25-я Международная специализированная......
 
 
В Москве стартовал БИОТ-2021
7 декабря в ЦВК «Экспоцентр» открылась юбилейная......
 
 
Более 230 российских и зарубежных компаний представят свои разработки на выставке «Безопасность и охрана труда» (БИОТ-2021)
             ......
 
 
WorldSkills Russia 2021 и Sandvik Coromant тренируют профессионалов
Фото: worldskills.ruВ Уфе прошёл финал крупнейшего в......
 
 
SPOK перешёл в стадию пилотных испытаний
Фото предоставлено НПП «Темп» им. Ф. КоротковаКоманда......
 
АРХИВ НОВОСТЕЙ
   
   
© 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири»
Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru
© Создание сайта - студия GolDesign.Ru