Требования энергоэффективности ТМГ для АО Россети

Свежая информация

Отраслевой стандарт ПАО «Россети» СТО 34.01-3.2-011-2017 «Трансформаторы силовые распределительные 6-10кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания») определяет 4 класса энергоэффективности для распределительных масляных трансформаторов соответствующих мощностей:

• 1 класс энергоэффективности - «стандартный» (выпускаемые трансформаторы), - 2 класс энергоэффективности - «энергоэффективный» (усовершенствованная технология). - 3 класс энергоэффективности - «высокий энергоэффективный» (передовая технология), - 4 класс энергоэффективности - «инновационный» (инновационная технология).

Указанным выше стандартом устанавливаются 4 категории уровня максимальных потерь в силовом трансформаторе 6-10 кВ (холостого хода (далее хх) - с индексом «Х», и короткого замыкания (далее кз) - с индексом «К»): 1, 2, 3 и 4 (4 класса энергоэффективности), приведенные в таблице 1 и таблице 2.

Таблица 1

Таблица 2

В зависимости от сочетания категорий «Х» и «К» возможны различные сочетания классов энергоэффективности, приведенные в таблице 3.

Таблица 3

Как отмечено в стандарте, класс энергоэффективности Х2К2 удовлетворяет требованиям к энергоэффективности, рекомендованным постановлением правительства Российской Федерации от 17.06.2015 № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности».

Однако, в стандарте однозначно не указано, как определяется класс энергоэффективности - указаны лишь сочетания классов энергоэффективности по потерям хх и потерям кз. Но, по-видимому, разработчики стандарта (это можно проследить по контексту изложения) имели в виду, что класс энергоэффективности, который должен быть обязательно нанесен на табличку (шильдик) трансформатора, определяется по наивысшему классу энергоэффективности в сочетании классов энергоэффективности потерь хх и кз. Т. е., для сочетания Х1К2 будет 2-й класс энергоэффективности («энергоэффективный» (усовершенствованная технология).

Сегодня основные трансформаторные заводы, как российские, так и в странах СНГ, выпускают линейки распределительных масляных трансформаторов с характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания в самых широких диапазонах значений. До введения стандарта понятие энергоэффективности для распределительных трансформаторов являлось крайне «размытым». По существу, каждый завод был волен «назначить» энергоэффективным трансформатор с достаточными произвольными характеристиками потерь.

Теперь перед производителями распределительных трансформаторов встала задача переработки конструкторской документации (КД) всех линеек выпускаемых трансформаторов в плане соответствия требованиями Стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017.

Однако переработка КД - это трудоемкий процесс, затратный в финансовом и временном отношениях. Прежде чем «запускать» процесс переработки необходимо оценить целесообразность переработки КД в аспекте изменения цены новых, доработанных в соответствии с Стандартом, трансформаторов.

Так как изменения конструкции призваны изменить характеристики потерь холостого хода и короткого замыкания, то необходимы математические модели, которые позволяют быстро и адекватно оценить изменение цены трансформатора при изменении характеристик потерь.

Основным при анализе изменения цены трансформатора является «цепочка» зависимостей «параметры потерь - основной конструктивный параметр β - масса магнитопровода Gст - масса обмоток Gо». Причем получены зависимости относительного изменения зависимого параметра от относительного изменения параметра изменяемого (например, относительное изменение параметра βi/ βo от относительного изменения потерь холостого хода. Pixx/Poxx).

«Цепочка» зависимостей «параметры потерь - основной конструктивный параметр β - масса магнитопровода Gст - масса обмоток Gо» в аналитическом виде для безразмерных величин получена на основе преобразований основных уравнений теории расчета трансформаторов, приведенных в фундаментальной монографии Павла. Михайловича Тихомирова [1].

Эти основные уравнения были преобразованы в соответствии с методами теории подобия и размерности [2]. В итоге получено четыре уравнения взаимосвязи относительных:

• βi/ βo = 2.5587 * (Pxxi/Pxxo) - 1.5456 (1)
• Goi/Go = -0.3954 * (βi/ βo) + 1.3954 (2)
• Gстi/Gсто = 0.3428 * (βi/ βo) + 0.6572 (3)
• Goi/Go = 0.8244 * (Pкзi/Pкзо)2 - 3.1089 * (Pкзi/Pкзо) + 3,3777 (4)

Зависимость (1) определяет относительное изменение основного конструктивного параметра в зависимости от относительного изменения характеристики потерь х. х. зависимости (2), (3), (4) определяют относительное изменение массы стали магнитопровода и относительное изменение массы обмоток в зависимости от изменения характеристик потерь х. х. и к. з.

Это эмпирические зависимости. Они дают возможность получить оценку изменения цены трансформатора (через изменение массы активной части) при необходимости изменения основных параметров, когда требуется модернизировать трансформаторы серии с учетом требований отраслевого стандарта по энергоэффективности СТО 34.01-3.2-011-2017.

В качестве базового было взято значение βo = 2, т. к. рекомендуемые значения β [1] находятся в диапазоне 1,2...2,6.. На основе уравнений (1) - (4) для относительных диапазонов изменения Pxxo/Pxxi = 0,7... 1,3 (что соответствует уменьшению потерь от базового значения на 30% и их увеличению на 30%) получен соответствующий диапазон изменения βi / βo (Рис.1)

Изменение основного параметра βi / βo в зависимости от изменения параметров потерь холостого хода

Аналогично получены диапазоны изменения относительных масс магнитопровода и обмоток при изменении величины βi / βo (Рис. 2 и Рис. 3), а также изменение относительной массы обмоток при изменении характеристик потерь короткого замыкания (Рис.4).

Изменение массы обмоток при изменении параметра βi / βo

Изменение массы магнитопровода в зависимости от изменения параметра βi / βo

Изменение относительной массы обмоток при изменении характеристики потерь короткого замыкания.

Стоимость активной части на основе зависимостей (1) - (3) будет изменяться по закону:

Сачi/Cачо = 0,1689 * (Pxxi/Pxxo) + 0.832 (5)

Уравнение (5) получено для алюминиевых обмоток и для соотношения цены электротехнической стали и обмоточного провода примерно 1:2.

Изменение стоимости активной части при изменении характеристик потерь холостого хода.

Как видно из графика на Рис. 5 стоимость материалов активной части при уменьшении характеристики потерь холостого хода на 20% уменьшается примерно на 3,5%, т. е. практически не меняется, что совпадает с оценками, данными в монографии [1].

При уменьшении характеристики потерь короткого замыкания на 20%, как видно из графика Рис. 4, масса обмоток возрастает на 40%, при этом стоимость активной части в целом возрастает примерно на 20%.

Полученные зависимости можно также применить для технико-экономического обоснования применения энергоэффективных трансформаторов. Зависимость (5) дает возможность оценить изменение цены при изменении характеристик потерь до уровня энергоэффективных. Далее в соответствии с приложением «Б» стандарта СТО 34.01-3.2-011-2017 определяются приведенные затраты при эксплуатации трансформатора.

В соответствии со стандартом СТО 34.01-3.2-011-2017 закупка распределительных трансформаторов должна осуществляться с учетом оценки стоимости потерь электроэнергии на протяжении всего нормативного срока службы трансформатора. Упрощенно (для предварительной оценки) - по минимизации приведенных затрат при эксплуатации трансформатора, определяемых по упрощенной схеме (без учета методики расчета совокупной капитализированной стоимости) по формуле:

Зп = СТ/n + А * (N * Pxx + β2 * τ * Ркз), (6)

Где:

• Зп - приведенные к году эксплуатационные издержки, руб.;
• СТ - стоимость трансформатора, руб.;
• Рхх - потери холостого хода, кВт;
• Ркз - потери короткого замыкания, кВт;
• τ- число часов наибольших потерь мощности, час;
• β - коэффициент загрузки трансформатора, о. е.;
• А - тариф на компенсацию потерь электроэнергии руб./кВт·ч;
• n - число лет нормативного срока эксплуатации трансформатора;
• N - годовое число часов (8760).

Для трансформатора ТМГ-1000/10/0,4 с алюминиевыми обмотками с характеристиками:

• СТ = 445 000 руб.;
• Рхх = 1,6 кВт;
• Ркз = 10,8 кВт;
• Τ = 1976 час;
• β = 0,5 о. е.;
• А = 1,756 руб./кВт·ч;
• n = 30 лет;
• N = 8760 ч.

Приведенные годовые эксплуатационные издержки равны Зп =48 813 руб.

Стандарт СТО 34.01-3.2-011-2017 требует с 1 января 2019 года для трансформаторов мощностью 1000 кВА, чтобы характеристики потерь составляли для Х2К2 Рхх = 0,957 кВт и Ркз = 9,545 кВт увеличение стоимости активной части трансформатора, рассчитанное по формулам (4) и (5), составит 1,274. С достаточной степенью точностью можно принять это увеличение равным увеличению материальной себестоимости трансформатора. С учетом того, что материальная себестоимость трансформатора составляет примерно 60% от цены трансформатора, то увеличение цены трансформатора составит 16% и станет равным примерно 520 000 рублей.

Приведенные годовые эксплуатационные издержки для энергоэффективного трансформатора Х2К2 составят Зп = 40 334 руб.

Нетрудно рассчитать срок окупаемости дополнительных затрат на приобретение энергоэффективного трансформатора: он составляет около 9 лет, т. е. меньше трети всего нормативного срока эксплуатации.

Таким образом, разработанная математическая модель анализа изменения цен распределительных масляных трансформаторов позволяет с минимальными временными затратами оценить коммерческую целесообразность разработки новых серий трансформаторов с улучшенными характеристиками потерь холостого хода и кроткого замыкания.

На основании полученных данных об изменении цены можно также сразу рассчитать срок окупаемости трансформатора с улучшенными характеристиками потерь.