В.В. Назаров, д-р техн. наук

ПАТ «Хмельницькобленерго»

С.Б. Масловський, заступник технічного директора

ПАТ «Укрелектроапарат»

ЕНЕРГОЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ РОЗПОДІЛЬНИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ

Проаналізовано переваги та недоліки існуючих розподільних трансформаторів та запропоновано нову конструкцію трансформаторів зі схемою Y/∆/Y-0. Підготовлено до випуску серію трансформаторів потужністю 63-1600 кВА напругою 10(6) кВ, яка відповідає стандартам EN 60076, EN 50464-1.

Сьогодні постійно постає питання, яке пов’язане з розвитком електричних мереж та впровадженням енергоефективного обладнання в енергетиці України.

На цей час закупівля, включно й через тендери, нових силових розподільних трансформаторів проводиться з врахуванням, практично, лише ціни конкретного трансформатора. Спроби застосувати європейську формулу для визначення повної ціни трансформатора з додатком у вигляді капіталізованої вартості втрат енергії в трансформаторі не дають позитивних результатів з причини віртуальності так визначеної економічної ефективності та відсутності наочної оцінки фінансових втрат експлуатуючої організації за час використання трансформатора, який має меншу закупівельну ціну, але вищі втрати енергії у порівнянні з дорожчим трансформатором кращої якості та з меншими втратами.

Тому для порівняння повної ціни () (закупівельна ціна () плюс ціна втрат енергії за певний період часу) трансформаторів, які подані до придбання, доцільно враховувати вартість втрат енергії в трансформаторах () за нормативний час (6,7 року) та за час його експлуатації (25 років):

;

,

де – закупівельна ціна трансформатора, грн;

– втрати потужності холостого ходу, кВт;

8760 – кількість годин у році;

– втрати потужності короткого замикання, кВт;

– максимальне навантаження трансформатора, кВА;

– номінальна потужність трансформатора, кВА;

– час втрат, годин;

– ціна однієї кВт*год у першому році експлуатації, грн;

– щорічне відносне зростання ціни однієї кВт*год;

t₁– 6,7 року =1/Кн, Кн – нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень (0,15).

Прийнявши ряд допущень, коректних для подальших порівнянь повної ціни трансформаторів, а саме :

; годин; ,

маємо:

для років

,

для років

.

Обчисливши різницю та для трансформаторів з різними втратами енергії та порівнявши їх з різницею ціни трансформаторів, покупець зможе об’єктивно оцінити вигоду трансформатора кращої якості та збитки, які очікують у процесі експлуатації дешевшого трансформатора, але з більшими втратами енергії.

При цьому необхідні заходи щодо упередження появи недостовірних даних про втрати енергії у паспортах трансформаторів та, особливо, у тендерній документації. До таких заходів слід віднести обов’язкову перевірку (повторне вимірювання за участю покупця) незалежною атестованою лабораторією названих вище параметрів з наступними жорсткими санкціями до постачальника трансформаторів з реальними втратами енергії, вищими від зазначених у паспортних та тендерних даних.

З причини низького завантаження розподільних трансформаторів 6(10)/0,4 кВ у більшості енергопостачальних компаній ( не вище 0,35) у співвідношенні двох видів втрат превалююче значення набувають втрати холостого ходу – коефіцієнт при у формулах для розрахунку залишається той же (8760), а коефіцієнт при зменшується до 215. Крім того, величина трансформаторів випуску до 1980 року, а таких у нас, орієнтовно, половина від загальної кількості, перевищує величину сучасних трансформаторів у 1,5-2 рази. Для прикладу, залишивши в експлуатації морально застарілий трансформатор потужністю 250 кВА, за наступні 25 років (фізично при таких навантаженнях процеси старіння ізоляції суттєво сповільнюються) матимемо ціну втрат енергії по холостому ходу приблизно 400 тис. грн. Для сучасного енергоефективного трансформатора такої ж потужності ця величина не перевищує 250 тис. грн.

Які ж сучасні енергоефективні трансформатори може запропонувати ПАТ «Укрелектроапарат» до використання у загальнопромислових, міських та сільських мережах? Головну позицію тут займає розподільний силовий трансформатор 10(6) кВ з симетрувальною обмоткою, причому не тільки у класі потужності до 250 кВА, а й 400-1600 кВА.

Вирішуючи завдання оптимізації характеристик силових трансформаторів, у першу чергу, варто враховувати параметри, що визначають ефективність як їхнього виробництва, так і експлуатації в розподільних мережах. До таких параметрів, зокрема, відноситься опір нульової послідовності (Z0).

З можливих варіантів груп з’єднань обмоток (від яких і залежить Z0) силових трансформаторів 10(6)/0,4 кВ, в основному, застосовуються: зірка-зірка з нулем і трикутник-зірка з нулем. Іноді використовується зірка-зиґзаґ з нулем. Переваги й недоліки цих з’єднань обмоток трансформаторів загальновідомі. Їхній аналіз підтверджує висновок про те, що за інтегральною (комплексною) оцінкою, у загальному випадку, трансформатор з тією або іншою групою з'єднань має свою "нішу" застосування і, певною мірою, задовольняє умови експлуатації в конкретній електроустановці.

Найбільш простим у виготовленні та надійним в експлуатації визнаний трансформатор із групою Y/Y-0. Але при цьому діючими й донині нормативними документами рекомендується (потрібно) обмежувати струм у нульовому проводі обмотки 0,4 кВ величиною 25 % від його номінального струму через відносно більші значення саме опору нульової послідовності таких трансформаторів. Крім того, асиметрія фазних навантажень є причиною так званих "перекосів" фазних напруг уже на виводах даних трансформаторів. Зменшити асиметрію фазних напруг можливо за рахунок включення між нульовим виводом обмотки 0,4 кВ та “землею” симетруючих пристроїв. Однак у такому випадку порушується найважливіша вимога ПУЕ – необхідність глухого заземлення нейтралі цієї обмотки.

Крім перерахованих вище груп з'єднання силових трансформаторів, є ще один варіант: доповнення трансформатора Y/Y-0 третьою обмоткою, з'єднаною в трикутник. Незважаючи на те, що такий спосіб поліпшення характеристик силових трансформаторів щодо опори нульової послідовності відомий, мабуть, із часів створення техніки передачі електроенергії, для розподільних силових трансформаторів потужністю 63-1600 кВА він практично не застосовується. І як виявляється – дарма.

Оптимізація конструктивних параметрів додаткової, з’єднаної в трикутник, обмотки розподільного силового трансформатора, розташування її безпосередньо на ізоляційному циліндрі обмотки НН, тобто – ближче до стержнів магнітопроводу, дозволяє конструктивно спростити трансформатор, зменшити витрати матеріалів і праці на виготовлення його обмоток у порівнянні з аналогами ∆/Y-0 і Y/Z-0. Крім того, Zo такого трансформатора в 1,5-2 рази вище, ніж в аналога Y/Z-0, але в 12-15 разів менше, ніж Y/Y-0, що, з однієї сторони, сприяє підвищенню зносостійкості комутаційних апаратів при відключеннях струмів однофазних коротких замикань, а з іншого – практично повністю забезпечує надійність та селективність відключення ушкодженої лінії в зазначених аварійних режимах мережі.

Завод “ПАТ Укрелектроапарат” підготував до випуску серію, яка відповідає стандартам EN 60076, EN 50464-1=2007 силових із симетруючою обмоткою трансформаторів ТМГСО власної розробки потужністю 63-1600 кВА напругою 10(6) кВ, призначених для застосування в загальнопромислових, міських і сільських мережах. Трансформатор зберігає в собі переваги схеми з’єднання Y/Y-0, значно зменшуючи асиметрію напруг при нерівномірному навантаженні фаз на стороні 0,4 кВ, забезпечуючи умови надійного спрацювання пристроїв захисту від однофазних коротких замикань у мережі 0,4 кВ. Виводи симетруючої обмотки, з’єднаної в трикутник, як і нейтраль первинної обмотки, на вимогу замовника можуть бути виведені на кришку бака для додаткового відбору потужності (до 10 % від номінальної потужності трансформатора) з метою живлення споживачів у системі 220 В з ізольованої нейтраллю.

Трансформатор ТМГСО може бути використаний також для живлення власних потреб підстанцій 110(35)/10(6) кВ у схемах живлення пристроїв релейного захисту й автоматики.

Висновки

З огляду на техніко-економічну й соціальну важливість завдань підвищення енергоефективності експлуатації електротехнічного устаткування, вже найближчим часом можна задовольнити потребу енергопостачальних підприємств у силових трансформаторах зі схемою Y/∆/Y-0, виключивши виробництво трансформаторів ∆/Y-0 і Y/Z-0.

Список використаних джерел

1. Вольдек А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек. – Л.: Энергия, 1974. – 840с.

2. EN 60076-2:2011 Power transformers. Temperature rise for liquid-immersed transformers.

3. EN 50464-1:2007 Standard and oil immersed transformer losses.