Особенности условий эксплуатации и конструкции масляных распределительных трансформаторов I-го габарита.

ПЕРВЫЙ ГАБАРИТ – ВСЕМУ ГОЛОВА

ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И КОНСТРУКЦИИ МАСЛЯНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ I-ГО ГАБАРИТА

Распределительные трансформаторы I-го габарита (мощностью от 6,3 кВА до 100 кВА) составляют самую многочисленную группу силовых трансформаторов. Их общее количество в России составляет примерно 2 миллиона штук (~ 77% от общего количества установленных трансформаторов). Как по условиям эксплуатации, так и по конструкции эти трансформаторы имеют ряд особенностей в сравнении с «большими» силовыми трансформаторами (II-го и III-го габарита). В то же время, про часть трансформаторов I-го габарита  «забыли» даже в нормативных документах. Так Постановление Правительства РФ от 17 июня 2015 г. N 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» охватывает диапазон мощностей от 100 кВА до 2500 кВА. 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» распространяется на распределительные трансформаторы мощностью 63 кВА – 2500 кВА. Только в устаревшем ГОСТ 12022 – 76 можно найти требования к уровню потерь холостого хода (далее – потери хх) и к уровню потерь короткого замыкания (далее – потери кз) трансформаторов мощностью 25 кВА и 40 кВА.

Основная характерная особенность эксплуатации распределительных трансформаторов I-го габарита – это образование нагрузки большим количеством электроприемников, которые включаются случайно, в зависимости от ряда факторов, в том числе, даже от естественного освещения.  Такой характер нагрузки требует более тщательного подбора потерь хх и кз с целью минимизации расходов на трансформацию электроэнергии. Потому что из-за очень большого количества распределительных трансформаторов I-го габарита неверный выбор потерь хх и кз в масштабах всей страны приведет к колоссальным потерям электроэнергии.

Другой особенностью эксплуатации является максимальная приближенность расположения трансформаторов к потребителю, что влечет за собой необходимость защиты от трансформатора от случайных механических воздействий (проще говоря, от вандализма). Это достигается размещением трансформатора на высоких опорах (столбовые подстанции, рис. 1, а)). Такая особенность размещения трансформаторов I-го габарита привела к изменению конструкции бака – на одной из «длинных» стенок отсутствуют гофры (рис. 1, б). А это в свою очередь изменяет тепловой режим при работе трансформатора: он нагревается более интенсивно по сравнению с таким же трансформатором, но с двумя гофрированными «длинными» стенками.

а) 

б) 

Рис. 1. Столбовая подстанция 63 кВА (а) и столбовой трансформатор (б).

К изменению теплового режима приводит также «оптимизация» конструкции трансформатора в части сокращения материалоемкости и габаритов, осуществляемая некоторыми производителями с целью уменьшить себестоимость трансформатора. Более интенсивный износ изоляции после такой «оптимизации» приводит к более быстрому выходу трансформатора из строя вследствие дефектов изоляции из-за более интенсивного «развития» частичных разрядов.  Но с точки зрения соответствия заявленным характеристикам, в частности, потерь хх и кз, такие трансформаторы при проведении заводских испытаний оказываются вполне соответствующими нормам испытаний. Снижение надежности «оптимизированных» трансформаторов I-го габарита невозможно выявить комплексом существующих сегодня заводских приемо-сдаточных испытаний. В данном случае требуется ввести такие дополнительные испытания, которые однозначно позволили бы делать вывод о надежности изготовленного трансформатора. Поэтому, например, МРСК Центра по результатам НИОКР, выполненной ООО «Трансформер», рекомендовало к включению в ТУ на столбовые трансформаторы требования к уровню частичного разряда (далее ЧР) - менее 50 пКл и, соответственно, включение соответствующих испытаний в комплекс заводских приемо-сдаточных испытаний каждого трансформатора. Это связано со следующим фактором: появление ЧР – начальная стадия развития большинства дефектов в высоковольтной изоляции. Возникшие ЧР со временем перерастают в искровые и дуговые разряды, приводящие к авариям. Обычно ЧР возникают в полостях и зонах изоляции, имеющих дефекты – посторонние вкрапления, газовые пузырьки, зоны увлажнения. А более интенсивный нагрев как раз и активирует процессы старения изоляции. Испытания на ЧР являются обычными для сухих трансформаторов с литой изоляцией, в которых затруднен теплообмен и вероятность возникновения дефектов в изоляции достаточна велика. Испытание на ЧР изоляции масляных трансформаторов, где условия охлаждения более комфортны, раньше не проводились. Однако сегодня при проектировании все чаще игнорируются рекомендации на проектирование обмоток в части охлаждения, выработанные на протяжении многих десятков лет. Поэтому только глубокие испытания изоляции позволят повысить надежность трансформаторов в эксплуатации.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В России и на территории Таможенного Союза распределительные трансформаторы I-го габарита выпускает 7 основных предприятий:

1) ООО «Трансформер», г. Подольск, МО

2) ОАО «Электрощит», г. Чехов, МО;

3) АО «Алттранс», г. Барнаул;

4) МЭТЗ им. В.И. Козлова, г. Минск РБ;

5) «Кентауский трансформаторный завод», г. Кентау, РК;

6) «Уральский трансформаторный завод», г. Уральск, РК;

7) ЗАО «ГК «Электрощит» - ТМ Самара», г. Самара;

Подробная характеристика каждого завода дана в книге [1].

Как отмечается в статье [2] перед покупателем распределительных трансформаторов всегда стоят две сложные   задачи:

1. Определить, какой именно трансформатор (в части номинальной мощности и потерь холостого хода и короткого замыкания) необходимо приобрести.
2. У какого именно производителя произвести закупку трансформаторов.

В настоящее время при закупке распределительных трансформаторов I-го габарита, с учетом их очень большого количества, главным критерием отбора поставщиков является минимальная цена, а главенствующей стратегией конкурентной борьбы - демпинг. Это повсеместно приводит к закупке некачественного трансформаторного оборудования и снижению в целом надежности электроснабжения. Эксплуатирующие компании несут прямые финансовые потери, так как вынуждены повторно закупать то же самое оборудование, но уже по более высоким ценам, поскольку закупленное по низким ценам выходит из строя.

Все это связано, как неоднократно отмечалось автором, с отсутствием действенных механизмов, препятствующих установке в частных и государственных электрических сетях низкокачественной трансформаторной продукции, а именно: отсутствует общегосударственная методология выбора поставщика, которая бы поставила на каждом этапе отбора «барьер» для оборудования с несоответствующими современным требованиям параметрами; причем не только при закупках сетевыми и другими крупными компаниями, но и при закупке трансформаторного оборудования любым покупателем.

Таким барьером по мнению автора, может стать новая методология выбора конкретного поставщика, представленная впервые в работе [2].

Как отмечено выше, распределительные трансформаторы I-го габарита имеют ряд особенностей, что требует разработки отдельной методики выбора поставщика таких трансформаторов.  Данная методика должна включать в себя процедуры, позволяющие среди представленных вариантов найти оборудование, не только оптимальное в экономическом аспекте, но также обеспечивающие надежное и энергоэффективное электроснабжение.

МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ПОСТАВЩИКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА I-ГО ГАБАРИТА

Основные положение новой методологии выбора поставщика изложены в [2]. Кратко они сформулированы ниже, с учетом особенностей распределительных трансформаторов I-го габарита.

1. Перед выбором поставщика для минимизации стоимости трансформации электроэнергии и оптимизации работы электросети осуществляется формирование оптимальных номинальных значений потерь хх и кз на основе коэффициента загрузки трансформатора.
2. Адекватность предлагаемых поставщиком цен энергоэффективные трансформаторы подвергается проверке (на основе модели, изложенной в работе [3]).
3. Выбор поставщика осуществляется не на основе критерия минимальной цены, а на основе критерия минимальной полной дисконтированной стоимости владения трансформатором.
4. При замене ранее установленного трансформатора на энергоэффективный производится расчет срока окупаемости инвестиций в энергоэффективный распределительный трансформатор.
5. В процедуру выбора поставщика включается анализ перечня проводимых на заводе испытаний предлагаемых трансформаторов; при этом следует особое внимание обратить на следующие моменты:
   1. включение в ТУ на энергоэффективные распределительные трансформаторы требования о минимальном уровне ЧР;
   1. проведение испытаний индуктированным напряжением повышенной частоты с измерением частичных разрядов на заводе для каждого выпускаемого трансформатора.
6. При оценке вариантов поставки энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов I-го габарита проводится анализ адекватности заявленных потерь в трансформаторе тепловому балансу трансформатора на основе его массогабаритных характеристик.

АЛГОРИТМ ВЫБОРА ПОСТАВЩИКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО МАСЛЯНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА I-ГО ГАБАРИТА

На основе кратко изложенной выше методологии сформирован следующий новый алгоритм выбора поставщика энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов I-го габарита, включающая в себя 5 этапов.

Для простоты изложения будем рассматривать выбор одного трансформатора.

1-й этап - Выбор потерь хх и кз энергоэффективного распределительного масляного трансформатора I-го габарита.

Выбор потерь хх и кз энергоэффективных масляных распределительных трансформаторов I-го габарита базируется на следующей объединительной процедуре: на основе требований энергоэффективности Постановления Совета Европы от 21.05.2015 № 548/2014 и характеристик потребителей предлагается сначала рассчитать экономичную максимальную загрузку трансформатора (загрузку, обеспечивающую минимум затрат на трансформацию);  а затем определить среднюю загрузку трансформатора; после этого, на основании оптимального коэффициента энергоэффективности, определить требуемые значения потерь хх кз. Тем самым будут получены потери, обеспечивающие и минимум затрат на трансформацию, и максимально эффективную работу самого трансформатора.

Расчет конкретных значений потерь хх и кз в зависимости от нагрузки трансформатора производится по формулам, приведенным в [3]

Где

S – номинальная мощность трансформатора, ВА

Р_кз - потери короткого замыкания Вт;

Р_хх - потери холостого хода, Вт;

К_эффм – максимум коэффициент энергоэффективности (коэффициент полезного действия трансформатора);

α_м – коэффициент загрузки, соответствующий максимуму коэффициента энергоэффективности.

Однако для мощности трансформатора менее 100 кВА отсутствуют нормативные документы, позволяющие определить максимальный коэффициент энергоэффективности.

В данном случае автором предлагается (для распределительных трансформаторов I-го габарита) следующий алгоритм расчета коэффициента загрузки .

Сначала определяется максимальный коэффициент загрузки , соответствующий минимуму потерь энергии на трансформацию. В соответствии с [4] он рассчитывается по формуле

где ТМ — – время максимальных потерь в соответствии с данными [5].

Значения РХХ и РКЗ предварительно берутся на основе данных Постановления Совета Европы от 21.05.2015 № 548/2014, приеденных в [6].

Значение ТМ принимается в соответствии с принадлежностью к той или иной группе потребителей (см. ниже). В работе [5] выделено, в зависимости от графика нагрузки, три группы потребителей, имеющих следующие средние времена максимальных потерь.

I группа потребителей (неравномерная нагрузка)  ТМ = 920 часов в год

II группа потребителей (относительно равномерная нагрузка)  ТМ = 2405 часов в год

III группа потребителей (равномерная нагрузка) ТМ = 5248 часов в год

Предполагая, что закон распределения загрузок трансформатора является нормальным (гауссовским), средний коэффициент загрузки   тогда можно найти по формуле [4]

Где а ~ 1,6 (шаг шкалы номинальных мощностей трансформаторов).

1-й этап – Подготовка исходных данных.

1. Потребная номинальная мощность и количество трансформаторов определяется, исходя из типа и установленной мощности электропотребляющего оборудования предприятия.
2. Коэффициенты загрузки α_м трансформаторов определяются по формуле (4) на основании данных по расчету коэффициента  
3. Коэффициент энергоэффективности трансформаторов К_эффм для распределительных трансформаторов I-го габарита на основании данных Постановления Совета Европы от 21.05.2015 № 548/2014 принят равным 0,98.
4. Значения оптимальных потерь холостого хода и короткого замыкания определяются по зависимостям (1) и (2) на основании данных, полученных по результатам выполнения пунктов 1,2, 3.

2-й этап – Сбор ценовых предложений и характеристик поставщиков энергоэффективных распределительных масляных трансформаторов на основе требований, полученных по результатам 1-го этапа.

После получения конкретных значений номинальной мощности трансформатора потерь хх и кз проводится сбор технико-коммерческих предложений от заводов-изготовителей энергоэффективных распределительных масляных трансформаторов.

Отбираются предложения, в которых потери холостого хода и короткого замыкания не более тех, которые получены в результате расчета на этапе 1.

3-й этап - Анализ адекватности цен поставщиков энергоэффективных распределительных масляных трансформаторов.

На рисунках 2 - 5 представлены формулы и графические иллюстрации статистических зависимостей среднерыночной цены обычного (не энергоэффективного) трансформатора ТМГ I -го габарита (от 25 кВА до 100 кВА), его массы, потерь х.х. и к.з. от мощности трансформатора. Данные зависимости можно использовать для получения базовых параметров не энергоэффективного трансформатора ТМГ с алюминиевыми обмотками климатического исполнения У1 для анализа адекватности предлагаемых цен на энергоэффективные распределительные трансформаторы.

Анализ адекватности цен, предлагаемых поставщиками, предлагается осуществлять следующим образом.

1. В качестве базовой цены и базовых характеристик потерь хх и кз принять характеристики трансформатора, рассчитанные по формуле графика 1.
2. По формулам работы [3] получить конкретные теоретические значения относительного увеличения цены на трансформатор с лучшими значения потерь и рассчитать эти теоретические цены в абсолютном значении (умножением цены стандартного трансформатора на увеличивающий коэффициент, полученный  по формулам, приведенным в работе [3]. Цена будет тем больше, чем сильнее снижены потери холостого хода и короткого замыкания. Тем самым сформируется таблица адекватных цен, которые должны иметь закупаемые трансформаторы.
3. Сравнивая расчетные цены с ценами в полученных технико-коммерческих предложениях, сделать вывод о завышении или занижении цен конкретным поставщиком и сделать выбор в пользу одного из них.

Рис. 2. Зависимость «Цена – мощность трансформатора ТМГ I-го габарита»

Рис. 3. Зависимость «Масса – мощность трансформатора ТМГ I-го габарита»

Рис. 4. Зависимость «Потери х.х. – мощность трансформатора ТМГ I-го габарита»

Рис. 5. Зависимость «Потери к.з. – мощность трансформатора ТМГ I-го габарита»

4-й этап – Анализ надежности выбранного варианта энергоэффективного масляного распределительного трансформатора на основе информации о перечне заводских приемо-сдаточных испытаний и проверка достоверности теплового баланса трансформатора с заявленными характеристиками потерь хх и кз.

Как отмечалось выше, особенности эксплуатации, особенности конструкции, отсутствие требований к энергоэффективности масляных распределительных трансформаторов I-го габарита вызывает необходимость более тщательного анализа надежности трансформатора при его закупке.

Первая предлагаемая процедура при закупке – анализ ТУ и программы заводских приемосдаточных испытаний. Опыт европейских производителей распределительных трансформаторов позволил определить требование к уровню частичных разрядов в изоляции масляных распределительных трансформаторов I-го габарита не более 50 пК. При выполнении этого условия микродефекты в изоляции не приведут в течение сколь угодно долгого времени к нарушению целостности изоляции и выходу трансформатора из строя. Соответственно, при заводских приемо-сдаточных испытаниях должен определяться уровень ЧР и результат испытаний должен быть зафиксирован в паспорте трансформатора.  Безусловно, введение испытаний уровня ЧР приведёт к некоторому увеличению цены трансформатора. Но в данном случае заказчик сам определит, что для него является приоритетным: либо более низкая цена, либо гарантия надёжной работы трансформатора в течение всего срока эксплуатации.

Вторая процедура – анализ адекватности теплового режима трансформатора заявленным потерям хх и кз.

При заданных потерях хх и кз среднее превышение температуры стенки бака трансформатора ТМГ (прямоугольной формы) над окружающим воздухом   может быть найдено по упрощенной зависимости [7]:

Средняя площадь поверхности прямоугольного бака серии трансформаторов типа ТМГ I-го габарита, многолетний опыт эксплуатации которых подтвердил их надежность, может быть определена по статистической зависимости, приведенной на рисунке 6.

Рис. 6. Зависимость «Площадь поверхности бака трансформатора ТМГ I-го габарита – мощность трансформатора»

Данная проверка необходима только для столбовых трансформаторов, у которых, как уже отмечалось выше, отсутствие одной из гофростенок ухудшает тепловой режим работы активной части.

5-й этап - Расчет экономического эффекта от снижения полной стоимости владения энергоэффективным трансформатором с учетом дисконтированной стоимости потерь холостого хода и короткого замыкания и срока окупаемости энергоэффективного масляного распределительного трансформатора.

Для выбранного варианта закупки должны быть рассчитаны:

a) экономический эффект от снижения полной стоимости владения энергоэффективным трансформатором;

b) срок окупаемости инвестиций в энергоэффективный распределительный масляный трансформатор по сравнению со стандартным (не энергоэффективным) трансформатором по формулам, также приведенным в работе [3].

ПРИМЕР ВЫБОРА ПОСТАВЩИКА

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА I-ГО ГАБАРИТА

Требуется выбрать поставщика распределительного энергоэффективного масляного трансформатора мощностью для предприятия с суммарной полной установленной мощностью потребителей 25 кВА.

Этап 1.

По формулам (1) и (2) получаем

Р_кз = 580 Вт (до 638 Вт с учетом допуска +10% по ГОСТ Р 52719)

Р_хх = 107 Вт (до 123 Вт с учетом допуска +15% по ГОСТ Р 52719)

Этап 2.

Предлагается один вариант поставки трансформатора ТМГ-25/10

1. По цене 60 175 руб. с НДС 20% с характеристиками Рхх=100 Вт Ркз=600 Вт

Этап 3.

Выберем за базу рыночную цену трансформатора ТМГ-25/10 с характеристиками Рхх=115 Вт Ркз=600 Вт. Цена на рынке такого трансформатора будет составлять 57 000 руб. с НДС 20%.

Адекватная цена второго варианта по сравнению с базовым среднерыночным вариантом должна составлять   56 500 руб. с НДС 20%.

Разница между адекватной ценой и ценой представленной поставщиком составляет    1%, что свидетельствует об адекватности коммерческого предложения заявленным характеристикам.

Этап 4.

В соответствии с особенностями трансформаторов I-го габарита необходимо уточнить у производителя наличие в перечне заводских приемосдаточных испытаний проверки на ЧР. Если такая проверка не проводится, то необходимо потребовать её проведения.

Проверка на адекватность теплового баланса предлагаемого трансформатора по формуле (5) показывает превышение температуры бака над температурой окружающей среды 22,5 °С.

Трансформатор можно закупать у данного производителя при условии предоставления протокола проверки на ЧР.

Этап 5.

По формулам работы [2] рассчитываем срок окупаемости инвестиций в энергоэффективное оборудование.

Для выбранного энергоэффективного распределительного масляного трансформатора ТМГ-25/10 срок окупаемости инвестиций в энергоэффективный распределительный масляный трансформатор по сравнению со стандартным (не энергоэффективным) составит 6 лет.

ВЫВОДЫ

 Разработанный алгоритм выбора поставщика энергоэффективных распределительных масляных трансформаторов I-го габарита отражает современные требования более высокой эксплуатационной надёжности и позволит заказчикам предприятий различных отраслей и масштабов приобрести надежное и экономичное оборудование. В отличие от трансформаторов других габаритов, для масляных трансформаторов I-го габарита из-за конструктивной специфики могут потребоваться дополнительные испытания. Так как это приведет к увеличению стоимости трансформатора (вместе с повышением эксплуатационной надёжности), то заказчик сам принимает решение либо в пользу более низкой цены, либо в пользу безотказной работы трансформатора при эксплуатации.

Список литературы

1. Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I – III габарит / Юрий Михайлович Савинцев. – [б.м.]: - Издательские решения, 2015. – 86 с.
2. Савинцев Ю.М. Надежный поставщик – ключ к безаварийности и энергоэффективности // Энергетика и промышленность России. – 2019. - № 09 (365). – С. 40 – 41.
3. Савинцев Ю.М. Анализ взаимосвязи цены распределительного трансформатора с его характеристиками потерь холостого хода и короткого замыкания //Энергия единой сети. – 2019. - № 1(43).- С. 76 – 82.
4. Федосеенко Р.Я. Трансформатор в местной распределительной электрической сети. М.: Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1963. 86 с.
5. 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.
6. Ивакин В.Н., Ковалев В.Д., Магницкий А.А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. - № 5 (34). – с. 20 – 31.
7. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для ВУЗов. – 5-е изд. перераб. и доп.// Энергоатомиздат. – 1986. - 528с.