Энергосбережение в Европе: применение энергоэффективных распределительных трансформаторов

Общие сведения

Общее численное выражение ресурса энергосбережения в Европейском Союзе при применении энергосберегающих трансформаторов составляет около 22 млрд кВт•ч в год, что в ценах 1999 года составляло около 1,171 млрд евро в денежном выражении. Несмотря на эффективность отдельных установок, в целом потери в распределительных трансформаторах составляют 2 % от всей произведенной электроэнергии, или 1/3 от всех потерь вообще. Потенциал энергосбережения в области распределительных трансформаторов соизмерим с потенциалом сбережения электропривода (электродвигателей) и бытовых электроприборов.

Для оценки размера потерь достаточно сказать, что они соизмеримы с годовым потреблением электроэнергии 5,1 млн домов или годового производства трех самых крупных европейских угольных ГРЭС.

Из-за долгого жизненного цикла распределительных трансформаторов обновление происходит достаточно медленно, но даже при этом к 2010 году ожидается эффект энергосбережения в размере 7,3 млрд кВт•ч за счет применения новых энергосберегающих моделей.

Примером активной политики в области энергосбережения по снижению непроизводительных потерь в трансформаторах можно считать США, где такие организации, как Министерство энергетики (DOE) и Агентство по охране окружающей среды (US EPA), системно взаимодействуют с энергетическими компаниями, распространяют информацию и соответствующее математическое обеспечение.

Одним из естественных препятствий на пути широкого и быстрого внедрения энергосберегающих моделей распределительных трансформаторов является высококонкурентный рынок. При этом замечено, что профессиональные участники рынка, как правило, восприимчивы к рациональной аргументации при наличии точного экономического расчета и достоверных методик измерения и оценки параметров конкретной модели транcформатора. Другими словами, когда им убедительно демонстрируют экономические преимущества энергосбережения.

Системная роль

Техническая концепция энергоснабжения

Современная техническая концепция энергоснабжения опирается на инженерные идеи и теорию конца XIX века, включающую принципы производства переменного тока, его потребления электроприводом, преобразования с помощью трансформаторов, сети высокого и низкого напряжения и принцип параллельного, а не последовательного подключения конечного потребителя. Эти основные принципы и позволили создать развитые системы энергоснабжения как в Европе, так и во всем развитом мире. Дальнейшее развитие технической мысли добавило в эту схему высокопроизводительные, но при этом удаленные на значительное расстояние от потребителей электростанции. Такие станции соединялись как друг с другом, так и с различными обобщенными потребителями (например, энергосистемой городов) посредствам воздушных или подземных линий передачи электричества, что в конечном счете улучшило соотношение между спросом и предложением и повысило качество. Сначала основным источником топлива были углеводороды и энергия падающей воды, впоследствии к ним добавилась ядерная энергия.

Потери при передаче электроэнергии напрямую связаны с применяемым напряжением электрического тока, поэтому для целей передачи на расстояние стремятся применить наибольшее возможное напряжение с учетом нагрузки и организации сети. Такое преобразование электрической энергии по напряжению – сначала его увеличение в месте производства, а затем обратное снижение в районе потребления – осуществляется при помощи трансформаторов, которые стали неотъемлемой и весьма важной частью любой энергосистемы.

Распределительные трансформаторы

Самые малые из встречающихся в энергосистемах трансформаторы, которые обеспечивают подачу промышленным или бытовым потребителям, относятся к распределительным. На рис. 1 схематично представлена активная часть типичного трехфазного распределительного трансформатора с железным сердечником и медными или алюминиевыми обмотками.

Рисунок 1. (подробнее) Конструкция трехфазного распределительного трансформатора

Энергопотери в трансформаторах

Потери энергии в трансформаторах бывают двух видов:

- Потери холостого хода, или «в железе», т. е. затраты на создание магнитного поля в металлическом сердечнике при подключении трансформатора к сети даже в отсутствие нагрузки.

- Потери нагрузки, которые вызваны сопротивлением обмоток, токами Фуко, циркулирующими при активной работе трансформатора как в сердечнике, так и в корпусе – иначе называемыми «потери в меди».

На самом деле трансформаторы, используемые в энергоснабжении, относятся к разряду механизмов с одним из самых высоких КПД. В них нет подвижных частей, и большие трансформаторы, установленные на электростанциях и в электротранспортных системах, имеют КПД свыше 99,75 %. Распределительные трансформаторы могут иметь КПД чуть меньший, но все равно около 99 %. Однако, несмотря на высокий КПД каждого отдельного трансформатора, потери происходят на каждом участке движения электроэнергии, связанном с ее преобразованием по напряжению. Даже в самых современных сетях потери на трансформаторное преобразование достигают 10 %, причем такие потери выше при малой или, наоборот, высокой нагрузке.

Системы энергоснабжения

Принципиально cхема организации системы энергоснабжения во всем мире одинакова, а рознятся лишь значения применяемого высокого напряжения. Так, в Европе напряжение на участке производства на электростанции составляет 10–20 кВ переменного тока с последующим увеличением до 275–400 кВ для транспортировки при помощи ЛЭП.

В районе потребления производится понижение напряжения до величины 110–150 кВ. Именно при таких величинах напряжения электроэнергия обычно продается местным компаниям, осуществляющим ее распределение. При поставке энергии крупным промышленным предприятиям, возможно, величина напряжения не меняется, а при подводе к местным пунктам распределения напряжение снижается до величины 10–20 кВ и в таком виде поставляется на небольшие промышленные объекты, школы, больницы и другие общественные объекты, где преобразование будет осуществлено в соответствии с потребностями.

И в конце концов на распределительных подстанциях вблизи точек потребления производится последнее преобразование – понижение величины напряжения до стандартного во всей Европе уровня 400/230 В. Такая схема организации транспортировки и распределения с четырьмя уровнями напряжения является стандартной независимо от того, используется ли при этом подземные или воздушные способы организации подачи.

Одной из причин того, что именно такая схема была выбрана в качестве стандартной, является опыт, доказывающий ее оптимальность с точки зрения затрат, баланса спроса и предложения и величины (минимальной) потерь. При этом фактическое положение вещей несколько иное. Так, продолжают функционировать созданные ранее сети с промежуточными величинами напряжения, такими как 66, 50 кВ и др. Их доля медленно, но неуклонно снижается по мере обновления основных фондов, но все еще составляет значительную величину.

Производство электроэнергии

На долю специализированных компаний по производству энергии приходится до 90 % всей вырабатываемой в Европе электроэнергии. Их общее число приближается к 2 тыс. Неспециализированные компании вырабатывают оставшиеся 10 % в качестве побочного продукта или для собственных нужд – железнодорожный транспорт, метро, трамвайные операторы, крупные предприятия химической промышленности, нефтегазовой отрасли и металлургии, хотя часть энергии могут приобретать. Все они содержат собственные сети распределения, а горнодобывающие компании к тому же еще и подземные.

Выработка электроэнергии для собственных нужд прямо у места потребления основывается на доступности газообразного топлива и растет высокими темпами: есть основания полагать, что в ближайшем будущем она составит уже не 10, а все 20 % от всей произведенной в Европе электроэнергии.

Общая генерационная мощность в Европе (табл. 1) составляет 550 млн кВт, причем на долю Франции и Германии приходится 35 %. Ожидается, что в период до 2010 года к этим мощностям прибавится еще около 60 млн кВт, а около 15 млн кВт будет ликвидировано.

Таблица 1. (подробнее) Генерационные мощности ЕС на конец года.

Спрос и тенденции его роста

Спрос на электроэнергию в Европе составляет около 2 500 млрд кВт•ч в год. На долю четырех стран (Германия, Франция, Италия и Великобритания) приходится 2/3 общего спроса (табл. 2).

Несмотря на то что спрос резко рос в 60-е и 70-е годы, к настоящему времени темпы его роста значительно снизились.

На сегодняшний день темпы ежегодного роста спроса на электроэнергию в Европе составляют около 1,7 % против, например, 4,3 % в 70-х или 2,7 % в 80-х годах. Разумеется, достоверно предсказать изменение темпов роста невозможно, но объединение компаний производителей и распределителей электроэнергии (UNIPEDE) полагает, что в ближайшие 15 лет эта величина будет мало отличаться от упомянутых 1,7 %.

Таблица 2. (подробнее) Потребление электроэнергии в 1980–2010 годах в ЕС.

Общие потери

Подробные прогностические и оценочные данные по потерям за период 1970–2010 годов представлены на рис. 2. Общая величина потерь составляет около 150 млрд кВт•ч, или около 6,5 % от всей произведенной электроэнергии, что примерно равно работе вхолостую 15 крупных электростанций. Но величина потерь устойчиво снижалась с уровня 7,5 % в 1970 году. Наименьшие потери в Германии, где данной проблемой системно занимались с 70-х годов. В свою очередь, в странах Восточной Европы средние величины потерь примерно в 2 раза выше средних значений Западной Европы. Так, в бывшей ГДР в 1992 году величина потерь составляла около 10,2 % против 4,7 % в ФРГ, хотя уже к 1995 году она снизилась до уровня 9,5 %.

Рисунок 2. (подробнее) Общие потери электроэнергии в сетях поставщиков в некоторых странах ЕС, %

Потери в системах распределения

Более 40 % общих потерь в энергосистемах (исключая потребителей) приходится на распределительные трансформаторы. Остальное приходится на кабели и ЛЭП.

Современные распределительные сети весьма сложны. Трансформаторы могут находиться или под полной нагрузкой весь год, или, наоборот, почти ненагруженными, выполняя резервную роль или из-за просчета в планировании спроса. При проектировании распределительной сети рассчитываются различные факторы: оптимизация нагрузки пространственная, по времени суток и сезонам, необходимость дублирования и, наоборот, обходных путей на случай непредвиденных обстоятельств. Решение задачи по оптимизации осложняется тем, что не все переменные величины являются достоверными на момент проектирования, а также тем, что изменение существующей инфраструктуры может оказаться чрезвычайно дорогим. Однако современные технологии управления сетями включают даже такое мероприятие, как периодическое временное перемещение распределительных трансформаторов на другие участки сети при изменении нагрузок или эксплуатация в режиме перегрузки, что не может не сказаться на величинах потерь.

Распределительные трансформаторы

Численность и принадлежность

На долю компаний – производителей электроэнергии приходится около 70 % от общего числа как существующих, так и вновь закупаемых распределительных трансформаторов. При этом если им же принадлежит подавляющая часть (по стоимости и мощности) других производящих и транспортных активов, то 30 % распределительных трансформаторов принадлежит региональным или местным распределительным компаниям, местным властям, кооперативам и промышленным предприятиям.

Общее число распределительных трансформаторов в Европе превышает 4 млн экземпляров (рис. 3, табл. 3). Но при этом на 30 % (по числу) распределительных трансформаторов, не принадлежащих генерационным компаниям, приходится 50 % от общей мощности, поскольку их мощностные параметры, как правило, несколько выше.

Послевоенное поколение рас-пределительных трансформаторов из-за отсутствия движущихся частей показало высокую жизнеспособность. Хотя проектные сроки эксплуатации составляли около 20–30 лет, фактически многие эк-земпляры безотказно служили гораздо дольше. Среднестатистический послевоенный европейский распределительный трансформатор служил около 30–40 лет. Одной из причин долголетия распределительных трансформаторов, установленных в 60-х годах 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.

Рисунок 3. (подробнее) Производство распределительных трансформаторов в Европе

Отказы распределительных трансформаторов

Полной картины по отказам распределительных трансформаторов в Европе не существует.

В этой области проводилось несколько крупномасштабных исследований, которые не претендуют на полную репрезентативность, но тем не менее позволяют сделать определенную оценку. Так, исследование 1983 года, основанное на выборке объемом 47 000 транфсорматоро-годов в 13 европейских странах, позволило заключить, что средний срок службы распределительного трансформатора до поломки составляет 50 лет. Основными причинами поломки являются недостатки конструкции, дефекты материала или изготовления. В части отдельных элементов основная часть отказов приходится на обмотки и электросоединения.

По данным другого исследования, уровень отказов распределительных трансформаторов составляет 0,2 % от общего числа в год.

Среди причин, побуждавших собственников к замене формально исправных трансформаторов, называются недопустимый уровень шума, несовместимость с новым поколением электроарматуры. Причем эти причины в большей степени побуждают владельцев к замене трансформаторов, нежели отказы.

Закупочная политика

Распределительные трансформаторы обычно производятся под заказ по предоставленной покупателем спецификации. Все еще значительное число уровней напряжения и потребность в различной мощности являются причиной того, что ассортимент заказа может насчитывать до 50 различный видов и типов трансформаторов. Типичный единовременный заказ составляет около 100 единиц и размещается заблаговременно – обычно за год до даты поставки и, как правило, путем тендера среди одобренных поставщиков. Спецификация крупного заказчика обычно включает максимально допустимые величины потерь холостого хода и при нагрузке, оставляя на выбор производителя наиболее оптимальную конфигурацию изделия при минимальной общей стоимости (т. е. цена изделия плюс стоимость потерь).

Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди (Тема «В» совместного с Европейской Комиссией проекта № STR-1678-98-BE).

Перевод с английского Е. В. Мельниковой.

Редактор перевода В. С. Ионов

Окончание статьи читайте в следующем номере