Новое поколение энергосберегающих трансформаторов. Трансформаторы энергосберегающиеСухие и энергосберегающие трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал ЭлектрикКонструкция силовых трансформаторов, состоящих из магнитопровода, обмоток и бака (для масляных трансформаторов), уже более столетия остается практически неизменной. Основные изменения происходят в области применяемых материалов и в технологии производства как его отдельных частей, так и трансформатора в целом. Так, на смену маркам горячекатаной электротехнической стали пришли холоднокатаные, для обмоток вместо меди стали использовать алюминий, изменился также способ шихтовки магнитопровода – вместо «прямого стыка» стали применять «косой стык», а толстостенный бак с расширителем уступил место герметичному тонкостенному гофрированному баку. Кроме того, за последние 40 лет вместо масляных все более широкое применение получили сухие силовые пожаро- и экологически безопасные типы трансформаторов напряжением класса 10 и 35 кВ с низким уровнем потерь ХХ и КЗ. Наконец, в последние 10 лет, в связи с все более возрастающими (особенно в странах ЕС) требованиями к энергосбережению исключительную актуальность приобрела проблема крупномасштабного применения энергоэффективных силовых трансформаторов, в особенности распределительных (РТ), т.е. трансформаторов с магнитопроводом, изготовленным из аморфного (нанокристаллического) сплава с очень низким уровнем потерь электроэнергии. Повышенный интерес к энергоэффективным силовым трансформаторам с магнитопроводом из аморфного сплава возник в связи с тем, что общие потери энергии во всем парке РТ являются очень большими вследствие необходимости многократно трансформировать электроэнергию при ее передачи на большие расстояния по распредсетям, что возможно осуществить только путем установки в них большого количества РТ, в результате чего общая мощность РТ в распредсетях в 7–8 раз превышает общую мощность генераторов. При этом, хотя в распредсетях ещё 20…25 лет тому назад были установлены и в настоящее время продолжают успешно работать при полной нагрузке РТ с КПД около 99%, однако даже при столь высоком КПД в каждом из этих трансформаторов за 40-летней срок службы выделяются в виде тепла значительные электрические потери на гистерезис и вихревые токи. Так, например, в магнитопроводе РТ мощностью 25 кВт, изготовленном из текстурированной железокремнистой электротехнической трансформаторной стали (ЭТС), постоянно, независимо от нагрузки трансформатора, теряется 85 Вт, что за 40 лет эксплуатации РТ составляет 30 МВт·ч электроэнергии, стоимость которой равна первоначальной стоимости трансформатора. Единственный способ существенного снижения потерь XX в РТ мощностью 25…100 кВ·А – это применение в РТ магнитопроводов, изготовленных из аморфных сплавов, что позволяет примерно в четыре раза снизить потери XX по сравнению с трансформаторами с магнитопроводами, в которых используется лучшие марки холоднокатаной стали (ХКС). Поэтому нет ничего удивительного в том, что российские эксперты, используя приведенные в Энергетической стратегии России на период до 2030 г. данные о ежегодном потреблении в России электроэнергии, составляющем в настоящее время около 1000 млрд. кВт·ч, оценили общую сумму затрат на возмещение потерь ХХ в российских распредсетях в 32 млрд. USD в год и всецело поддержали содержащиеся в Распоряжении Правительства РФ от 1.12.2009 г. предложения о замене РТ с магнитопроводами из электротехнической стали энергоэффективными трансформаторами. Учитывая исключительно важное значение для нужд народного хозяйства сухих силовых и энергоэффективных трансформаторов, рассмотрим более подробно основные особенности конструкции, технологии производства и характеристики таких трансформаторов. Сухие силовые трансформаторы В настоящее время подавляющее большинство зарубежных и отечественных компаний производят герметичные, полностью помещенные в герметичный кожух, защищенные и незащищенные защитным кожухом типы сухих силовых трансформаторов по вакуумной или безвакуумной(ровинговой) технологиям, сущность каждой из которых рассмотрена ниже. Вакуумная технология производства сухих силовых трансформаторов По этой технологииготовые обмотки трансформатора заливают в вакууме предварительно подготовленным в вакууме эпоксидным компаундом с кварцевым наполнителем, что позволяет исключить из состава изоляции обмоток различные примеси и газовые микрополости и, тем самым, существенно повысить диэлектрическую прочность изоляции по отношению к частичным разрядам, вызывающим ее быстрое старение и снижающим срок ее службы. В результате применения такой вакуумной обработки обмотка трансформатора покрывается прочной, закрытой со всех сторон эпоксидной оболочкой толщиной 5...20 мм, которая придает ей необходимую жесткость и надежно защищает от влаги и воздействия агрессивной среды. Отличительной особенностью обмотки НН сухих силовых трансформаторов, изготовленных по вакуумной технологии, является то, что она,после предварительной пропитки и последующей вакуумной обработки, приобретает достаточно высокую механическую прочность, позволяющую ей не только сохранять целостность трансформатора при температурных деформациях и аварийных токах КЗ, многократно превышающих номинальный рабочий ток трансформатора, но и на порядок снизить в обмотке потери на вихревые токи по сравнению с потерями в обмотках обычного исполнения. Магнитопровод сухих силовых трансформаторов также имеет определенную особенность: он изготовляется из магнитной пластины с ориентированной зернистой структурой, которая защищена от удельных потерь энергии и обладает высокой магнитной проницаемостью. Кроме того, составные части магнитопровода в процессе его изготовления располагаются под углом 45° с перекрывающимися соединениями по технологии «Step Lap», обеспечивающей значительное (на 20…30%) снижение потерь ХХ, а также низкий уровень шума трансформатора. Сухие силовые трансформаторы с обмотками, изготовленными по вакуумной технологии, получили название САSТ RЕSIN ТRАNSFОRМЕRS (сокращенно САSТ RЕSIN). Общий вид сухого силового трансформатора типа САSТ RЕSIN и его основных элементов конструкции показаны на рис.1, где обозначено: 1 – магнитопровод трансформатора, изготовленный из магнитной стали с оптимальной зернистой структурой; 2, 3 – обмотки НН и ВН соответственно, изготовленные из алюминиевой ленты; 4, 5 – вводы НН и ВН соответственно; 6 – упругие опорные подкладки, предназначенные для снижения уровня шума трансформатора; 7 – опорная рама с переставляемыми роликами для перемещения трансформатора в продольном и поперечном направлениях; 8– изоляция в виде смеси эпоксидной смолы и кварцевого наполнителя, образовавшаяся в результате вакуумной обработки. Безвакуумная технология производства сухих силовых трансформаторов При производстве сухих трансформаторов по этой технологии, впервые разработанной в конце 1970-х годов компанией АSЕА-LЕРРЕR (теперешнее название АВВ), обмотку ВН трансформатора изготовляют путем поочередного наматывания слоя обмотки на стержень магнитопровода «на мокро» при атмосферном давлении и межслоевой изоляции, состоящей из ровинга, насыщенного эпоксидным компаундом без наполнителя. Трансформаторы с обмотками, выполненными по безвакуумной технологии, получили фирменное название «РЕЗИБЛОК», которое отражает тот факт, что обмотки такого трансформатора имеют вид монолитного блока, усилены стекловолокном, пропитанным эпоксидным компаундом, поэтому после последующей совместной термообработки способны выдерживать значительные усилия КЗ, не вызывающие возникновение трещин, что гарантирует долгий срок эксплуатации трансформаторов этого типа. Общий вид сухого силового трансформатора типа RESIBLOC производства компании АВВпоказан на рис.2. Сравнительная оценка сухих силовых трансформаторов типа САSТ RЕSIN и RESIBLOC Оба типа сухих силовых трансформаторов практически равноценны по пожаробезопасности, влаго- и химостойкости, а также по экологической безопасности. В то же время трансформаторы типа RESIBLOC способны превосходить трансформаторы типа САSТ RЕSIN по механической прочности, динамической стойкости к силам КЗ, стойкости к действию высоких и низких температур и по некоторым другим характеристикам. Основные технические характеристики обоих типов трансформаторов САSТRЕSIN и RESIBLOC, приведенные в табл.1 (для наиболее востребованных номинальных мощностей), близки между собой. Таким образом, сухие силовые трансформаторы типаСАSТRЕSIN и RESIBLOC имеют улучшенные массогабаритные характеристики и по таким важнейшим показателям, как надежность, экономичность, экологичность, стойкость к воздействию окружающей среды, гибкость, компактность, необслуживаемость, технологичность и др., превосходят многие типы традиционных конструкций силовых трансформаторов. Благодаря вышеуказанным преимуществам эти трансформаторы широко применяются в системах распределения электроэнергии в жилых, общественных, административных и бытовых зданиях, а также на объектах с повышенным уровнем безопасности людей, оборудования и окружающей среды.
Энергоэффективные трансформаторы (трансформаторы с магнитопроводом из аморфного сплава) Силовые трансформаторы с магнитопроводами из аморфных сплавов, за которыми прочно закрепилось несколько названий, таких как энергосберегающие, трансформаторы будущего, аморфные трансформаторы и др., имеют главное преимущество по сравнению с другими типами силовых трансформаторов: они обладают не просто высокой, а исключительно высокой энергоэффективностью, достигаемой за счет изготовления их магнитопроводов из аморфных сплавов. Такие сплавы имеют очень низкие потери ХХ, составляющие основную часть технических потерь в распределительных трансформаторах. В свое время применение технологии «Step Lap» при производстве сухих силовых трансформаторов, как отмечалось выше, обеспечило значительное (на 20…30%) снижение потерь ХХ, что явилось большим достижением. Использование же аморфных сплавов дает возможность совершить настоящий технологический прорыв в трансформаторостроении и сократить указанные потери еще на 75%. Важно отметить, что эксперты, прогнозировавшие в свое время производство распределительных трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава только в будущем, называя их «трансформаторами будущего», ошиблись в сроках начала их производства. Такое производство осуществляется уже сейчас: ряд компаний не только на Западе, но и в России и на Украине разворачивают производство силовых трансформаторов с магнитопроводами из аморфного сплава. В частности, на Украине группа «Трансформер» сообщила, что изготовленные этой группой первые опытные образцы трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава, один из которых показан на рис.3, будут установлены в сетях МРСК. Основные характеристики аморфного сплава Прежде чем охарактеризовать особенности конструктивного исполнения энергосберегающих трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава, рассмотрим вначале основные характеристики такого сплава. Аморфный (нанокристаллический) сплав представляет собой новый тип материала, который, в отличие от металла, обладающего кристаллической структурой, в которой атомы образуют упорядоченную, повторяющуюся трехмерную решетку, не имеет кристаллической структуры, т.е. у него атомы расположены в произвольном порядке, и поскольку его структура напоминает структуру стекла, то аморфный сплав часто называют также стеклянным металлом. Отличительная особенность такого сплава – очень низкие потери на гистерезис и на вихревые токи. Основные характеристики магнитных свойств аморфного сплава системы FeSiB, разработанного специалистами ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина (Россия) – одного из мировых лидеров в разработке нанокристаллических материалов и в технологии их производства, приведены в табл.2, а характеристики самого аморфного сплава – в табл.3. Сплав системы FeSiB, магнитные характеристики которого приведены в табл.2, имеет следующие отличительные особенности по сравнению с зарубежными аналогами: - снижение стоимости шихтовых материалов на 40…50% по сравнению со сплавами Metglas; - уменьшение (не менее чем вдвое) энергозатрат при производстве ленты за счет снижения температуры плавления на 50°С и уменьшение времени гомогенизации в 2 раза; - увеличение производительности за счет уменьшения времени технологического цикла. Специалисты ЦНИИЧермета доказали, что толщина ленты может быть увеличена до 0,03…0,05 мм за счет оптимального легирования (улучшения стеклования) в 1,5–2 раза, а также, что возможно получение пластичной ленты при пониженном содержании элементов-аморфизиторов. Все это, безусловно, будет стимулировать производство энергосберегающих трансформаторов. Основными препятствиями на пути крупномасштабного применения трансформаторов с магнитопроводом из аморфного сплава являются высокие затраты и сложные методы производства таких трансформаторов. Так, стоимость аморфных трансформаторов на 15…40% выше стоимости трансформаторов с магнитопроводом из кремнистой стали (в зависимости от класса используемой кремнистой стали). При этом имеет место следующая закономерность: чем выше энергоэффективность стали, используемой в магнитопроводе трансформатора, тем выше ее цена.
(Продолжение следует) electrician.com.ua Что такое энергоэффективный трансформатор? - Стройка и ремонтЭнергоэффективный трансформаторТрансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой. В то время как обычные трансформаторы имеют значительную потерю мощности на линии, что приводит к примерно 40-50 процентам от всех потерь при передаче и распределении энергии, энергоэффективный трансформатор предназначен для повышения эффективности и уменьшения потерь мощности, которые возникают, когда энергия передается. Энергоэффективный трансформатор достигает этого, используя чрезвычайно проводящие материалы, включая электротехническую сталь и легко намагничивающиеся материалы. Установкой трансформаторов должны заниматься исключительно профессионалы, которые осуществляют электромонтаж различных систем и оборудования. Потери передачи и распределения являются одними из самых больших врагов для эффективной передачи мощности в трансформаторах. Эти потери являются естественными потерями истощения, которые происходят, когда электричество движется по линии. Подобно тому, как тянущаяся ткань вдоль куска наждачной бумаги, где крошечные части ткани будут зацеплены во время процесса, часть мощности, протекающей через трансформатор, аналогично «зацепилась» и смещена веществами, через которые она движется. Количество «зацепления», которое происходит, во многом зависит от проводимости материалов, через которые протекает электричество; высокопроводящие материалы могут пропускать заряд с гораздо меньшим эффектом захвата. Эффективность современного энергоэффективного трансформатора примерно в два раза выше, чем у сопоставимого трансформатора с 1970-х годов. Это означает, что, хотя средний трансформатор приводит к снижению мощности на 40-50%, другими словами, только половина мощности, проходящей через трансформатор, фактически превращает ее в следующую схему — удержание энергии энергоэффективного трансформатора намного выше, страдая только от 20 до 25 процентов потерь. Большая часть потерь мощности в традиционных трансформаторах исходит от веществ, используемых при их создании; стандартная сталь и другие обычные металлы, как правило, препятствуют потоку электричества до такой степени, когда большая часть мощности теряется за счет преобразования тепла. Современный энергоэффективный трансформатор решает эту проблему через проводящие строительные материалы. Когда они созданы из материалов с более высокой проводимостью, таких как сталь, специально предназначенная для удержания электрического заряда, энергоэффективные трансформаторы сохраняют большую часть своей первоначальной мощности, что позволяет больше подключаться к соседней цепи. Одним из хороших примеров этого является аморфный металлический трансформатор; сердечник трансформатора изготовлен из материала, который может быть легко намагничен и размагничен, что приводит к не только лучшей передаче мощности, но и уменьшению передачи диоксида углерода при выработке электроэнергии из ископаемого топлива.
www.norma-stab.ru Кому нужны энергоэффективные трансформаторы - Энергетика и промышленность России - № 21 (209) ноябрь 2012 года - WWW.EPRUSSIA.RUГазета "Энергетика и промышленность России" | № 21 (209) ноябрь 2012 года В ассортименте группы «Трансформер» предусмотрена целая линейка энергоэффективных трансформаторов. За счет чего в них достигается эффективность и насколько сокращаются потери?Трансформатору, как и любому устройству, для работы требуется энергия. Часть ее расходуется на нагрев проводов в обмотках – это потери короткого замыкания (Pкз), часть уходит на процессы перемагничивания в сердечнике – это потери холостого хода (Pxx). В связи с изменением нагрузки в течение суток и в разные периоды года весомость единицы потерь холостого хода в два-четыре раза превышает потери короткого замыкания. Поэтому энергосберегающие трансформаторы характеризуются прежде всего сниженными потерями холостого хода. В целях оценки энергоэффективности сравним различные трансформаторы «Трансформер» мощностью 1000 кВА: у масляного герметичного трансформатора (ТМГ) в стандартном исполнении Рхх=1600 Вт, у его аналога с пониженными потерями (серия ТМГ12) Рхх=1100 Вт. Так же отличаются потери для сухих трансформаторов с литой изоляцией «Трансформер»: у ТСЛ в стандартном исполнении Pхх=2000 Вт, у ТСЛ малошумного с пониженными потерями Pхх=1500 Вт. Это значит, что по сравнению со стандартным трансформатором экономичный за каждый час работы потребляет на 500 Вт меньше. За год работы только за счет сниженных Рхх он сбережет 4380 кВт. При тарифе 3 рубля за киловатт экономия в денежном выражении составит 13 140 рублей. Технологически снижение потерь холостого хода достигается путем сборки магнитопровода по технологии step-lap и использования электротехнической стали более высоких марок. Еще больший эффект дает применение аморфной стали. Потери холостого хода в трансформаторе АТМГ (масляный герметичный трансформатор с аморфным сердечником, производство «Трансформер») мощностью 1000 кВА составляют всего 450 Вт. Эксплуатация такого трансформатора экономит 10 074 кВт ежегодно. Нетрудно представить, сколько будет сохранено электроэнергии, если сотни тысяч работающих в стране силовых трансформаторов заменить на энергоэффективные. Силовые трансформаторы с пониженными потерями разрабатывались в первую очередь для электросетевых компаний страны – в энергосистемах 25‑30 процентов технических потерь приходится именно на распределительные трансформаторы. Еще в 2008 году компания «Трансформер» вывела целую линейку экономичных трансформаторов ТМГ. А в этом году были изготовлены первые образцы инновационных «аморфных» трансформаторов АТМГ для опытной эксплуатации в сетях Холдинга МРСК. Стоит отметить, что сократить потери можно не только путем использования энергосберегающих установок. Одна из возможных технологий – изменение топологии сети и уменьшение протяженности линий на стороне 0,4 кВ. Для реализации такого подхода вместо одной крупной трансформаторно-распределительной подстанции устанавливается несколько трансформаторов столбового типа. Они размещаются рядом с небольшими группами конечных потребителей и обеспечивают их присоединение к сети 6‑10 кВ с понижением напряжения до 0,4 кВ. Данное решение можно применять для подключения отдельных абонентов – фермерских хозяйств, дачных сообществ, коттеджных поселков и др. Если же при этом установить трансформаторы с пониженными потерями, то потребление энергии будет еще более эффективным. В силу более высоких производственных затрат стоимость трансформатора с улучшенными характеристиками и «аморфного» силового трансформатора, конечно, будет несколько выше цены на аналог в стандартном исполнении. Но за счет меньших расходов на электроэнергию это повышение окупится уже через три-пять лет эксплуатации в зависимости от мощности трансформатора и региональных тарифов на электричество, и в целом экономический эффект будет положительным. В масштабе же страны применение энергосберегающих трансформаторов позволит ежегодно экономить десятки миллиардов рублей. Производственная группа «Трансформер» 142100, Московская обл., г. Подольск, Б. Серпуховская ул., 43 Тел.: (495) 545‑45–11, 580-27-27 e-mail: www.eprussia.ru Умные сети требуют умных и энергоэффективных трансформаторов. - Портал-Энерго.ruКонструкция силовых трансформаторов, как масляных, так и сухих, уже более столетия является практически неизменной: магнитопровод, обмотки, бак (для масляных трансформаторов). Как отметил автор статьи «Умные» трансформаторы для «умной» энергетики» [1], «…все изменения там обычно не революционные, а эволюционные». Действительно, на смену маркам горячекатаной электротехнической стали пришли холоднокатаные, вместо меди для обмоток стали использовать алюминий, способ шихтовки магнитопровода «прямой стык» изменился на «косой стык», толстостенный бак с расширительным бачком уступает место герметичному тонкостенному гофробаку и т.д. Эволюционность вектора развития конструкции силового трансформатора экономически определяется противоборством двух тенденций: 1) требованием рынка к удешевлению трансформатора в целом как товара; 2) необходимостью применения более дорогих технологий для изготовления трансформатора как товара с более привлекательными потребительскими свойствами. Сформированные законом спроса и предложения рыночные цены на новые силовые трансформаторы жестко удерживают собственников трансформаторных заводов от революционного развития конструкции трансформатора, т.к. это приведет к его резкому удорожанию (например, рыночная цена на российский ТМГ-1000/10/0.4 составляет примерно 400 000 – 450 000 рублей у разных производителей). А кому захочется стать аутсайдером рынка, пусть и с инновационной продукцией? Но сегодня энергоэффективность любого хозяйства, хоть коммерческого, хоть личного – уже не благое пожелание. Потери энергии – это потерянные финансовые средства; рост потерь – это тренд, ведущий к банкротству без всяких преувеличений. И наоборот сокращение потерь энергии – это тренд, ведущий к росту благосостояния. А сокращения потерь электроэнергии в значительной мере можно добиться именно революционным изменением конструкции трансформатора и материалов, в нем используемых. Прежде чем сделать обзор уже разработанных и разрабатываемых радикальных изменений в трансформаторостроении, теоретически определим возможные способы повышения энергоэффективности силового трансформатора. Передаваемая во вторичную цепь мощность будет увеличиваться, если:
А теперь развернем потребности, изложенные в п.п.1…4 в направления совершенствования конструкции силового трансформатора. Оптимизация нагрузки и коэффициента мощности.Оптимальный коэффициент нагрузки – это прежде всего отсутствие колебаний напряжений в сети, как в первичной, так и во вторичной. Высокий коэффициент мощности – это компенсация реактивной мощности. Т.е. очевидной является необходимость так называемой «умной сети» (Smart Grid, как ее называют в англоязычных странах). Термин «Smart Grid» означает построение интеллектуальной электрической распределительной сети, позволяющей на фоне устаревания основных фондов и увеличения объемов потребления повысить рентабельность, надежность и безотказность работы, снизить потери в сетях. Также эти системы направлены на гораздо более эффективную эксплуатацию, оптимизацию и распределение нагрузки в сети, что снижает потребность в масштабных капитальных затратах на новые подстанции и линии электропередач. В условиях чрезвычайных происшествий Smart Grid позволяет быстрее реагировать на ситуацию и восстанавливать работоспособность сети. При применении различных моделей тарификации для конечных потребителей, «умная» инфраструктура обеспечивает двустороннюю связь с потребителями и активно способствует сокращению электропотребления и снижению пиковых нагрузок. При этом в такие сети легко впоследствии интегрировать и возобновляемые источники энергии. Что все вышесказанное означает с точки зрения конструкции силового трансформатора? Чтобы скомпенсировать колебания напряжения, необходимо переключаться с одной вторичной обмотки на другую, с отличающимся числом витков. В настоящее время наиболее перспективным признано использование в качестве электронных переключателей тиристоров – полупроводниковых устройств, использующих свойства p-n перехода. Реализация проекта повысит качество электрической энергии, что означает не только стабильность напряжения, но также и более надежную топологию энергетической сети. Так, в настоящее время напряжение в сети регулируется трансформаторами, в которых переключения между обмотками осуществляется электромеханическим способом. Учитывая же, что в некоторых случаях такое переключение должно длиться не более одной секунды, мы получим «на выходе» быстрый износ контактов. Проблему может решить отказ от электромеханических переключателей и переход к твердотельным, использующим свойства полупроводникового перехода. Надежность таких переключателей существенно выше. Однако, и управлять ими существенно сложнее. Но вполне достижимо. Снижение потерь холостого ходаУменьшение мощности потерь холостого хода (потерь в магнитопроводе), очевидно, связано с изменением конструкции и материала магнитопровода. Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов - это применение магнитопроводов из аморфных (нанокристаллических) сплавов, при этом обеспечивается более чем пятикратное снижение потерь холостого хода трансформаторов по сравнению с магнитопроводами из холоднокатаной электротехнической стали. Сегодня силовые распределительные трансформаторы с сердечником из аморфной стали серийно выпускаются в США, Канаде, Японии, Индии, Словакии. Всего в мире уже изготовлено 60 – 70 тыс. единиц трансформаторов мощностью 25 – 100 кВА, примерно 1000 единиц прошли успешные многолетние испытания в различных энергосистемах. Наибольших успехов добились США и Япония. Японская фирма "Hitachi" в сотрудничестве с американской "Allied Signal" выпустила на рынок гамму силовых трансформаторов (мощностью от 500 до 1 тыс. кВА), сердечник которых изготовлен из аморфного сплава. Как показали испытания, он позволяет сократить потери энергии в сердечнике трансформатора на 80% по сравнению со стальным аналогом. По оценке, если бы во всех действующих в мире трансформаторах установить сердечники из аморфных металлов, среднегодовая экономия энергии составила бы 40 млн. кВт*ч. Недостатком сердечников из аморфных материалов является их более высокая стоимость по сравнению с традиционными материалами – у японской фирмы эта разница достигает 15 - 20%. Компания "Allied Signal" производит аморфный сплав для трансформаторов на заводе в г. Конуэй (США). Его цена не превышает стоимости кремнистой стали - 2 - 2,5 долл./кг. Тем не менее, руководство фирмы утверждает, что производство таких сердечников обходится дороже в силу большего потребления металла и неотработанности технологического процесса. Еще одной проблемой является усложнение процесса изготовления сердечника по мере увеличения его размеров. Японской фирме с этой целью пришлось освоить специальную технологию. "Allied Signal" имеет два завода по выпуску сердечников из аморфных сплавов: один в Индии (с 1993 г ) и другой в КНР (в г Шанхай с 1996 г ). Годовая мощность последнего составляет 450 т, в ближайшее время предполагается ее увеличение в три раза. Фирмы - партнеры рассчитывают на сбыт силовых трансформаторов с сердечником из аморфных металлов на рынках стран с дорогой электроэнергией. Сравнительные проектные параметры силовых распределительных трансформаторов с сердечником из аморфной (АС) и из холоднокатаной электротехнической стали (ЭС) представлены ниже в таблице 1 [2]. Таблица 1.
Особенности АС потребовали изменения конструкции магнитопровода. В связи с малой толщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магнитопровода, то есть для трансформаторов I – II габарита (до 1000 кВА). К условно витой конструкции магнитопровода можно отнести технологию производства магнитопроводов UNICORE, разработанную и запатентованную австралийской компанией A.E.M.Cores (рисунок 1). Рисунок 1. Трансформатор мощностью 630 кВА, собранный с магнитопроводом по технологии UNICORE (фотография предоставлена ООО «Электромашина», г. Кемерово). Технология UNICORE является очень гибкой, высокоточной и надежной. Одним из основных преимуществ UNICORE технологии является получение минимальных потерь в сердечнике. Магнитный поток не преодолевает препятствие в виде воздушного зазора, а минует его, используя соседние несущие ленты (дорожки), которые, в свою очередь, таких препятствий в этом месте не имеют. Снижение потерь в обмотках трансформатораУменьшение мощности потерь короткого замыкания (потери в обмотках) – это инновации в конструкции обмоток силового трансформатора. В этой области наиболее интересны два направления. Первое связано с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов. Отметим следующие преимущества трансформаторов с обмотками из ВТСП-материалов[1]: 1) снижение нагрузочных потерь при номинальном токе почти в два раза, что значительно увеличивает КПД трансформатора; 2) уменьшение веса и габаритов трансформатора до 40%, что, в свою очередь, позволяет применять такие трансформаторы в уже существующих подстанциях без их конструкционных изменений со значительным увеличением мощности. Облегчается и транспортировка трансформаторов; 3) свойство ограничения токов короткого замыкания, что в аварийных режимах защищает электрооборудование сети; 4) значительное уменьшение реактивного сопротивления, что позволяет обеспечить стабилизацию напряжения, не прибегая к его регулированию; 5) большая перегрузочная способность без повреждения изоляции и старения трансформатора; 6) уменьшение уровня шума. Кроме того, трансформатор с ВТСП-обмотками пожаробезопасен и экологичен.
Рисунок 2. Кабельный трансформатор типа DryFormer. Второе направление уменьшения мощности потерь короткого замыкания – это новый тип трансформатора DryFormer (фирма АВВ Tranformatoren, рисунок 2), обмотки которого выполняются из специального кабеля. Этот кабель имеет многопроволочную медную или алюминиевую токопроводящую жилу, поверх которой наложен тонкий слой полупроводящего материала, что позволяет устранить неравномерность электрического поля, вызванного многопроволочностью жилы. Изоляция такой жилы изготавливается из полиэтилена, ее толщина выбирается из соображений электрической прочности (практически достижим уровень напряжения 220 кВ). Поверх изоляции наложен экран, выполненный также из полупроводящего материала, который заземляется, что обеспечивает рациональное распределение электрического поля. Отсутствие масла, снижение более чем вдвое доли горючих материалов по сравнению с обычным трансформатором устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы при повреждении трансформатора. Это позволяет применять такие аппараты в зонах с большой плотностью населения, в подземных установках, в экологически охраняемых регионах. Для такого трансформатора не нужны вводы высокого напряжения; просто кабель, которым выполнена обмотка, протягивается к распределительному устройству на любую длину. Об отечественных трансформаторах и энергоэффективностиПеречисленные выше направления совершенствования конструкции силовых трансформаторов в энергоэффективном тренде в России пока не нашли воплощения в серийно выпускаемых моделях. И дело здесь не только в затратах на исследования, производство и многоплановые испытания опытных образцов. Самым важным является полное отсутствие как технической нормативной базы в виде ГОСТов и руководящих материалов, так и экономических стимулов производителя и покупателя энергоэффективных трансформаторов, отраженных в государственных законодательных актах. Необходимо в самое ближайшее время, как минимум, доработать ГОСТ Р 52719-2007 ТРАНСФОРМАТОРЫ СИЛОВЫЕ. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ с тем, чтобы он регламентировал технические условия именно на энергоэффективные трансформаторы. Распоряжением Правительства РФ от 1 декабря 2009 г. № 1830-рутвержден «План мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации», в котором предусматривается разработка и реализация комплекса мер по созданию благоприятных условий для развития производства энергосберегающих устройств и стимулированию роста предложения в соответствии с потенциальным спросом. В «Плане...» дано указание на формирование предложений по ограничению (запрету) оборота энергетических устройств, характеризующихся неэффективным использованием энергоресурсов. Силовые распределительные трансформаторы мощностью 25–630 кВА напряжением 6–10 кВ —наиболее массовая серия производимых и эксплуатируемых силовых трансформаторов как в нашей стране так и за рубежом. Общее количество распределительных трансформаторов в России составляет более чем 4 млн штук. Ежегодное потребление электроэнергии в России находится на уровне 900–1000 миллиардов кВт*ч, при этом общие потери электроэнергии в распределительных трансформаторах оцениваются в 7,5 миллиардов кВт*ч и примерно 50% — это потери в магнитопроводах трансформаторов. Ежегодные затраты на обслуживание одного распределительного трансформатора с магнитопроводом из холоднокатаной электротехнической стали составляют примерно 8% от его первоначальной стоимости. Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов — это применение магнитопроводов из аморфных (нанокристаллических) сплавов, при этом обеспечивается более чем пятикратное снижение потерь холостого хода трансформаторов по сравнению с традиционными магнитопроводами из электротехнической стали. Это огромная экономия! И если ради начала работы по получению этой экономии необходимо принять соответствующий ГОСТ, это нужно сделать немедленно!
portal-energo.ru Новое поколение энергосберегающих трансформаторов - ООО Полесье СамараСнижение потерь холостого хода и короткого замыкания в трансформаторах является одним из перспективных направлений в области энергосбережения. Выбор компаниями энергосберегающего оборудования выглядит дальновидным решением. Например энергосберегающие трансформаторы имеют немного большую стоимость относительно стандартных, но окупаемость затрат идет в течении 2 — 4 лет и в дальнейшем применение приносит уже экономическую выгоду.Так же в 2015 году вышло Постановление правительства РФ №600 “Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности”. В данном постановлении указан перечень трансформаторного оборудования и уровень потерь холостого хода и короткого замыкания. Стоит сказать, что в настоящее время ряд крупных компаний, эксплуатирующих электротехническое оборудование, выпустил технические требования с указанием требований к потерям холостого хода и короткого замыкания в соответствии с постановлением №600. Электрощит Самара разработала и освоила производство энергосберегающих трансформаторов, соответствующих приказу правительства РФ №600. Рассмотрим сравнительные характеристики новой линейки со стандартными линейками. В таблице приведены уровни потерь – не более, Вт для: — стандартной 11 серии, — 12 серии, — 12+ серии, выполненной в соответствии с требованиями постановления правительства №600.
Видно, что трансформаторы новой серии 12+ превосходит стандартную 12 серию по потерям х.х. до 20% и по потерям к.з. до 24%. Конструкция новой серии трансформаторов 12+ выполнена с сохранением всех преимуществ стандартных трансформаторов – герметичное исполнение, шихтовка магнитного сердечника по схеме «step — lap», пластины сердечника из электротехнической стали с малыми удельными потерями, обмотка НН из фольги, для обеспечения стойкости при работе в режиме короткого замыкания и т.д. Так же для обеспечения низких потерь холостого хода, при изготовлении пластин магнитного сердечника применяются автоматические линии раскроя, оборудованные раскладчиками. На таких линиях сразу происходит набор ярм и столбов сердечника, нет необходимости в дополнительных перекладываниях пластин, как это происходит на классических линиях без автоматических раскладчиков пластин. Снижение потерь холостого хода и короткого замыкания достигнуто так же за счет вложений материалов в конструкцию трансформаторов. В связи с этим стоимость трансформаторов серии 12+ превышает стоимость стандартной линейки трансформаторов 11 серии. Возьмем для примера стандартные стоимости на трансформаторное оборудование.
Стоит отметить, что при выборе стандартного или энергосберегающего трансформатора стоит ориентироваться на суммарные потери за весь срок службы трансформатора, который составляет не менее 30 лет. Сделаем сравнение для мощности 630 кВА для периода эксплуатации трансформатора 10 лет. Для сравнения возьмем все 3 серии – 11, 12 и 12+. Цену за 1 кВт.ч примем 6 руб. Для наглядности сделаем два графика, с расчетом только по потерям холостого хода и с расчетом суммарных потерь в трансформаторе. В расчете суммарных потерь применим коэффициент загрузки 0.5. При увеличении коэффициента загрузки потери короткого замыкания соответственно будут увеличиваться. Цена потерь в трансформаторе и цена трансформатора приведены в миллионах рублей. Потери холостого хода Суммарные потери
Из графиков видно, что потери в трансформаторе уже через 10 лет эксплуатации значительно превосходят стоимость самого трансформатора. Имея стоимости трансформаторов и экономию потерь выполним оценку окупаемости стоимости для трансформаторов 12 серии и 12+ серии. Для расчета возьмем трансформатор мощностью 630 кВА. Окупаемость 12+ серии относительно 12 серии Окупаемость 12+ серии относительно 11 серии
Из приведенных графиков видно, что при средней загрузке трансформатора 0.5…0.7 окупаемость дополнительных затрат на покупку серии 12+ относительно покупки стандартного трансформатора 11 серии составит от 1,5 до 2-х лет. При этом энергосберегающий трансформатор серии 12+ обладает всеми преимуществами стандартной серии трансформаторов. При выборе трансформаторного оборудования эксплуатирующие компании должны в первую очередь оценивать необходимость применения стандартного или энергосберегающего оборудования с точки зрения экономической эффективности применения и окупаемости дополнительных затрат. Электрощит Самара имеет большой опыт в производстве энергосберегающих трансформаторов. Энергосберегающие трансформаторы 12 серии компания Электрощит Самара производит уже на протяжении многих лет. Так же были выпущены образцы трансформаторов с применением сердечника из аморфного сплава. Один из образцов такого типа “аморфных” трансформаторов эксплуатируется уже более 1,5 лет в сетевой компании«МРСК Центра» — «Тамбовэнерго». Новое поколение энергосберегающих трансформаторов серии 12+ выполнена с учетом многолетнего опыта производства трансформаторного оборудования, применения передовых технологических процессов и оборудования. polesie63.ru Маслянные энергосберегающие трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал ЭлектрикРассмотренные в первой части этой статьи аморфные (нанокристаллические) сплавы, из которых в настоящее время изготовляют магнитопроводы энергоэффективных трансформаторов, представляют собой новый класс металлических материалов с беспорядочной структурой на атомном уровне. Отличительной особенностью таких материалов является то, что они имеют в 3–7 раз меньшие удельные потери при перемагничивании по сравнению с электротехническими сталями. Поэтому, по общей оценке энергетиков, замена ранее изготовленных конструкций распределительных трансформаторов, значительное количество которых физически и морально устарели, на энергоэффективные трансформаторы с магнитопроводом, изготовленным из аморфного сплава (сокращенно – аморфные трансформаторы), позволяет в 3–4 раза снизить в них потери ХХ по сравнению с потерями в трансформаторах обычной конструкции. Кроме того, согласно результатам исследований, проведенных академиком РАН Янушем Данилевичем, КПД аморфных трансформаторов достигает 94,13%, тогда как у трансформаторов с магнитопроводом из обычной трансформаторной стали этот показатель не превышает 90,09%. Близкие к этим данные опубликованы также специалистами компании Metglas Inc., согласно которым использование аморфной стали в магнитопроводах трансформаторов позволяет существенно (на 71…80%) сократить в них потери, т.е. по сути почти в 5 раз. Значительный интерес в плане оценки высокой энергоэффективности аморфных трансформаторов приводят также специалисты ОАО «Электрозавод» (г. Москва): аморфный трансформатор на 20…30% дороже обычного трансформатора, следовательно, увеличение на 30% затрат на изготовление такого трансформатора мощностью 400 кВ·А при цене электроэнергии 0,1 USD/кВт·ч окупится за 4 года, а полная стоимость аморфного трансформатора благодаря снижению потерь электроэнергии компенсируется не более чем за 16 лет. Ниже рассмотрены особенности технологии производства аморфной ленты для магнитопроводов энергоэффективных трансформаторов и конструкторские решения отдельных узлов таких трансформаторов, а также проанализирован достигнутый за последние годы прогресс в снижении потерь ХХ в энергоэффективных распределительных трансформаторах мощностью 25…2500 кВ·А по сравнению с потерями в трансформаторах такой же мощности с магнитопроводом, изготовленным из трансформаторной стали.
Особенности технологии изготовления ленты из аморфного расплава Ленточные витые магнитопроводы, изготовляемые из электротехнической стали или пермаллоевых сплавов, давно и довольно широко используются в трансформаторах, работающих в диапазоне частот до 100 кГц. Однако эти материалы не удовлетворяют требованиям комплексного обеспечения высокого КПД, экономичности, технологичности и других показателей энергоэффективных трансформаторов. Появление аморфных нанокристаллических сплавов, обладающих уникальными физическими и магнитными свойствами, в сочетании с усовершенствованием технологии получения таких сплавов, позволившей за последние три десятилетия снизить их стоимость с 300 до 2,8–3,0 USD/кг. Это привело к тому, что стало экономически выгодно серийно изготовлять магнитопроводы из аморфных сплавов и, соответственно, энергоэффективные трансформаторы с такими магнитопроводами. Материалом магнитопроводов энергоэффективных трансформаторов служит лента, получаемая методом сверхбыстрого (со скоростью порядка 106 К/с) охлаждения струи готового аморфного нанокристаллического расплава, который выливается на поверхность барабана, вращающегося с большой скоростью vб, как это показано на рис.4, где обозначено: 1 – аморфный расплав; 2 – плавильная камера; 3 – лужа расплава; 4 – лента; 5 – охлаждающая поверхность. Упрощенная схема установки, используемой компанией Metglas Ink. для изготовления ленты из аморфного расплава, показана на рис.5, где обозначено: 1 – печь; 2 – аморфный расплав; 3 – резервуар; 4 – дозатор; 5 – лента из аморфного расплава; 6 – устройство непрерывного технологического контроля; 7 – устройство, осуществляющее непрерывное охлаждение ленты. Получаемую из аморфного расплава ленту отжигают в среде инертного газа при воздействии магнитного ноля напряженностью 800 А/м и, учитывая ее малую толщину (0,024 мм), сворачивают в пять слоев в рулон, тем самым увеличивая ее толщину в 5 раз, затем изготовляют из нее витые конструкции магнитопроводов распределительных трансформаторов. На рис.6 и рис.7 показаны соответственно магнитопровод аморфного трансформатора в сборе и готовый трансформатор.
Усовершенствование конструкции отдельных узлов энергоэффективных трансформаторов 1. Применение алюминиевой ленты для изготовления обмоток трансформатора Применение алюминиевой ленты для изготовления обмоток энергоэффективных аморфных трансформаторов номинальной мощностью более 250 кВ·A явилось важным усовершенствованием в области их конструктивного исполнения, так как позволило применять в трансформаторах такой мощности обмотки прямоугольной формы, повысить их электрическую прочность, а также снизить производственные затраты. Отметим, что для трансформаторов меньших мощностей применение алюминиевой ленты нецелесообразно, так как необходима межслоевая изоляция тоньше 0,08 мм, поскольку использование изоляции 2x0,08 мм значительно снижает коэффициент заполнения катушки, а применение синтетических пленок ограничено из-за их высокой стоимости. 2. Применение в масляных энергоэффективных трансформаторах баков с гофрированными стенками Применение в трансформаторах баков с гофрированными тонколистовыми металлическими стенками толщиной 1,0...1,2 мм позволило создать компактный трансформатор за счет отказа от установки расширителя, что существенно уменьшило высоту трансформатора. Главное же преимущество таких трансформаторов состоит в том, что благодаря полному заполнению гофрированного бака маслом и полной герметичности трансформатора в целом изменение температурных колебаний масла компенсируется эластичностью гофр. Это позволяет также, кроме увеличения срока службы изоляции таких трансформаторовблагодаря отсутствию контакта масла с окружающей средой, значительно снизить затраты при эксплуатации этих трансформаторовза счет полного отказа от контроля состояния масла в течение всего срока эксплуатации трансформаторов. 3. Заказные модели энергоэффективных трансформаторов Под кастомизацией (от англ. customer – клиент, потребитель) обычно подразумевают подгонку некоторого устройства под требования конкретного пользователя, чаще всего осуществляемую владельцем этого устройства после его покупки. Однако за последние несколько лет постепенно получила распространение кастомизация, проводимая в процессе изготовления устройства. Хотя уникальные энергоэффективные трансформаторы с характеристиками, детально прописанными в требованиях Заказчика, создаются уже в течение ряда лет, но именно в последнее время компании-изготовители этих трансформаторов стали активно предлагать специализированную услугу по выпуску таких трансформаторов под индивидуальные нестандартные заказы. Так, например, компания Trafo-Union (ФРГ) предлагает Заказчику энергоэффективных распределительных трансформаторов следующую специализированную услугу: возможность изготовить компанией по спецзаказу трансформаторы, позволяющие осуществлять переключение снапряжения 10 кВ на напряжение 20 кВ. Основные группы соединений таких трансформаторов для мощностей до 250 кВ·A – Y/Z-5 и для мощностей до 630 кВ·A – ?/Y-5. Другими словами, компания Trafo-Union предлагает Заказчику применять схемы с меньшим сопротивлением нулевой последовательности по сравнению с трансформаторами со схемой «звезда». Предлагаемые компанией схемы при неравномерной нагрузке фаз, обычно имеющей место в низковольтных сетях, обеспечивают лучший режим работы за счет снижения величины смещения нейтрали (напряжения нулевой последовательности). Другой пример кастомизации энергоэффективных трансформаторов: при заказе трансформаторов, устанавливаемых в подземных электроподстанциях или в других ограниченных местах, компании-производители энергоэффективных трансформаторов предлагают Заказчику на этапе изготовления заказываемых трансформаторов оснащать их на стороне ВН штекерными (втычными) контактами, обеспечивающими быстрое и безопасное присоединение кабелей. О росте спроса на нестандартные кастомизированные модели энергоэффективных трансформаторов, отдельные характеристики или узлы которых подбираются для нужд того или иного конкретного Заказчика в процессе их изготовления, свидетельствует такой факт: уже сегодня ряд компаний не просто готовы производить уникальные модели таких трансформаторов, а создают гибкие производственные цепочки с целью предоставления специализированных услуг по выпуску трансформаторов под индивидуальные нестандартные заказы. Так, например, компания «ЭлектроПромСервис» использует стандартизированный набор элементов – что-то вроде конструктора, а в корпорации «Русский трансформатор» разработана методика создания практически неограниченного количества новых моделей на базе освоенных в производстве трансформаторов. Преимущество таких подходов к обслуживанию потребителей очевидны: кастомизация обеспечивает конкурентное преимущество производителю благодаря созданию более высокой стоимости (ценности) для потребителя; весьма выгодна она и потребителю.
Сравнительный анализ потерь ХХ в энергоэффективных и традиционных конструкциях распределительных трансформаторов По данным компании Metglas Inc. ежегодные потери в установленных в распредсетях распределительных трансформаторах с магнитопроводом из электротехнической стали составляют около 8% от закупочной стоимости этих трансформаторов. При этом ежегодная сумма затрат на возмещение потерь ХХ в распредсетях РФ по данным российских экспертов, как отмечалось в первой части этой статьи (см. Э 4/2013, стр. 12), составляет 32 млрд. USD. В табл.4 приведены усредненные значения потерь ХХ для силовых трансформаторов на номинальное напряжение 10 кВ мощностью от 25 до 2500 кВ·А. Как видно из табл.4, использование в магнитопроводах распределительных трансформаторов аморфных сплавов вместо трансформаторной стали позволяет сократить потери ХХ в 4–5 раз. Такие трансформаторы стоят дороже, однако за счет своей экономичности в долгосрочной перспективе с экономической точки зрения их намного выгоднее применять в распредсетях, чем трансформаторы с магнитопроводом, изготовленным из трансформаторной стали.
Заключение Таким образом, при создании энергоэффективных трансформаторов их разработчики, базируясь на использовании в конструкции этих трансформаторов высококачественных материалов, таких как аморфные сплавы, новейшие изоляционные материалы и др., современных конструктивных и технологических решений, а также на компьютерных оптимизационных расчетах, ставили перед собой и успешно решили следующие основные задачи: - максимально возможное снижение затрат на производство и эксплуатацию трансформаторов; - снижение расхода активных и конструкционных материалов; - уменьшение потерь XX и КЗ; - повышение надежности; - детальное изучение реальных условий функционирования энергоэффективных трансформаторов в распредсетях в различных режимах работы с целью выработки предложений по установке в них трансформаторов, суммарные потери в которых будут минимальными за весь срок службы трансформаторов. electrician.com.ua Энергоэффективные распределительные трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал ЭлектрикСовременная 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.).
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.
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'.
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.
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]:
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.
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]:
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.
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.
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
Литература
electrician.com.ua | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
