Статьи

«Монетизация» энергоэффективности в трансформаторостроении

Отраслевой 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» определяет четыре класса энергоэффективности для распределительных масляных трансформаторов соответствующих мощностей.

Первый класс энергоэффективности – «стандартный» (выпускаемые трансформаторы);
Второй класс энергоэффективности – «энергоэффективный» (усовершенствованная технология);
Третий класс энергоэффективности – «высокий энергоэффективный» (передовая технология);
Четвертый класс энергоэффективности – «инновационный» (инновационная технология).

Указанным выше стандартом устанавливаются четыре 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 табл. 1 и 2. В зависимости от сочетания категорий «Х» и «К» возможны различные сочетания классов энергоэффективности, приведенные в табл. 3.


Мощность, кВА Потери ХХ, Вт
Класс энергоэффективности
Х1 Х1
(допускается до 01.01.2019)
Х2 Х2
(допускается до 01.01.2019)
Х3 Х4
63 175 210 160 - 128 104
100 260 270 217 - 180 145
160 375 400 300 - 260 210
250 520 - 425 - 360 300
400 750 - 565 610 520 430
630 1000 - 696 800 730 560
1000 1400 - 957 1100 940 770
1250 1500 - 1350 - 1150 950
1600 1950 - 1478 - 1450 1200
2500 2600 - 2130 - 2100 1750

Табл. 1 

Мощность, кВА Потери КЗ, Вт
Класс энергоэффективности
K1 K2 K2
(допускается до 01.01.2019)
K3
63 1280 1270 - 1031
100 1970 1591 - 1475
160 2900 2136 2350 2000
250 3700 2955 3250 2750
400 5400 4182 4600 3850
630 7600 6136 6750 5600
1000 10600 9545 10500 9000
1250 13500 13250 - 11000
1600 16500 15455 - 14000
2500 26500 23182 - 22000

Табл. 2 


  Pхх
Pкз
К1 К2 К3
X1 X1K1 X1K2 X1K3
X2 X2K1
X2K2
X2K3
X3 X3K1
X3K2
X3K3
X4
X4K1
X4K2
X4K3

Табл. 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 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 верным будет второй 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 достаточно произвольными характеристиками потерь. Теперь перед производителями распределительных трансформаторов встала задача переработки конструкторской документации (КД) всех линеек выпускаемых трансформаторов в плане соответствия требованиям 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 со 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 параметров трансформаторов, а именно:
Pxxi / Pxxo; βi / βo; Goi / Go; Gстi / Gсто; Pкзi / Pкзо.
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) - 3,1089 × (Pкзi / Pкзо) + 3,3777 (4)
Зависимость (1) определяет относительное изменение основного конструктивного параметра в зависимости от относительного изменения характеристики потерь ХХ, зависимости (2), (3), (4) определяют относительное изменение массы стали магнитопровода и относительное изменение массы обмоток в зависимости от изменения характеристик потерь ХХ и КЗ.

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

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. 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 на 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 + k2 * 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; k – 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 часов; k = 0,5 о.е.; А = 1,756 руб. / кВт-ч; n = 30 лет; N = 8760 часов. Приведенные годовые эксплуатационные издержки равны Зп = 48 813 руб. Стандарт СТО 34.01-3.2-011-2017 требует с 1 января 2019 г. 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 его цены, увеличение цены трансформатора составит 16 % – примерно 520 000 руб.

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 короткого замыкания. Выражаю искреннюю благодарность ведущим специалистам завода «Трансформер» (г. Подольск), к. т. н. В. И. Печенкину и к. т. н. А. В. Стулову, за предоставленные материалы и конструктивное обсуждение содержания и выводов данной статьи. К. т. н. Юрий САВИНЦЕВ

Все статьи