Энергосбережение в Европе: применение энергоэффективных распределительных трансформаторов

Основные стандарты

Большинство характеристик распределительных трансформаторов определяется национальными или международными стандартами. В зависимости от требований того или иного государства соответствие трансформаторов стандарту может быть обязательным или добровольным.

В целом задачей стандартизации характеристик распределительных трансформаторов является упрощение обмена продукцией между внутренним и внешним рынками, а также обеспечение приемлемых требований к качеству продукта в области здоровья, безопасности и охраны окружающей среды. Для преодоления торговых или технических барьеров особенно важны международные стандарты.

К распределительным трансформаторам, закупаемым в Европейском Союзе, применимы три уровня стандартов:

- международные стандарты (ISO, IEC);

- европейские стандарты и нормы (EN, HD);

- национальные стандарты (BSI, NF, DIN, NEN, UNE OTEL).

Разработка и применение европейских документов гармонизации (Harmonization Documents – HD) начинается в том случае, когда есть потребность в едином панъевропейском регулировании предмета. Проект европейских документов гармонизации представляет собой компиляцию различных национальных стандартов. Впоследствии документы гармонизации обретают окончательную форму путем удаления возможно большего числа национальных отличий. После некоторого переходного периода национальные нормы по предмету перестают действовать или их содержимое приводится в соответствие с документами гармонизации. Последние являются основой для ЕN – европейского стандарта, который принимается по особой процедуре странами – членами ЕС.

Среди различных международных и национальный норм два европейских документа гармонизации имеют непосредственное отношение к энергоэффективности распределительных трансформаторов и определяют ее уровень:

- HD428: Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2 500 кВ•А с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ;

- HD538: Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 100 до 2 500 кВ•А с охлаждением сухого типа и максимальным напряжением не выше 36 кВ.

Номинальные величины потерь, допускаемых стандартами для распределительных трансформаторов

Для выпускаемых по нормам HD428 и HD538 распределительных трансформаторов установлены дискретные номиналы мощности (50, 100, 160, 250, 400, 630, 1 000, 1 600 и 2 500 кВ•А), допускаются и иные значения. Основными параметрами эффективности являются величины потерь нагрузки* и холостого хода.

Таблица (подробнее) Нормы потерь силовых распределительных трансформаторов (выписка)

В таблице приведены значения допустимых потерь как нагрузки (часто именуемых в Европе «потери в меди»), так и холостого хода по нормам HD428.1 и HD538.1. Как видно, для масляных трансформаторов допускается три уровня потерь, обозначаемых как А, В, и С. Такие потери определяются по специальной методике с определенным допуском на погрешность, а при несоответствии изделия во время испытаний производитель либо отбраковывает трансформатор, либо согласовывает с покупателем величину денежной компенсации. И наоборот, если фактические величины потерь у крупных трансформаторов существенно лучше требований соответствующего уровня нормы (или контрактной спецификации), производитель может получить от покупателя дополнительное вознаграждение.

Аналогично происходит и с потерями холостого хода, где для масляных трансформаторов – три уровня предельных потерь, обозначаемых А’, B’ и C’.

Таким образом, норматив HD428 дает возможность выбора трех уровней потерь нагрузки и трех холостого хода от наименее эффективной комбинации А-А’ до наиболее эффективной С-С’. Теоретически существует девять возможных комбинаций.

Однако норматив HD428 допускает пять возможных комбинаций (рис. 1), где комбинация A-A’ принята за основу сравнения (выделено жирной линией, приведенные значения (%) вычислены от этой основы).

У значений суммарных потерь (нагрузки и холостого хода) между крайними значениями, а именно комбинациями A-A’ и C-C’, усматривается большая разница – около 1,5 кВт для трансформаторов номинальной мощностью 630 кВ•А.

Рисунок 1

Фактические потери при различных нагрузках

Фактические потери распределительных трансформаторов зависят от величины нагрузки. Так, в режиме холостого хода впрямую проявляются потери холостого хода, а при полной нагрузке потери холостого хода дополняются потерями полной нагрузки. При уменьшении нагрузки величина потерь при частичной нагрузке обратно пропорциональна квадрату величины нагрузки.

На рис. 2 приведена зависимость суммарных потерь трансформатора номинальной мощностью 400 кВ•А от величины нагрузки для различных комбинаций уровней энергоэффективности.

Рисунок 2. (подробнее) Суммарные потери трансформатора номинальной мощностью 400 кВ•А в зависимости от величины нагрузки (12 и 24 кВ)

В практических целях эффективность трансформатора можно просчитать разделив общие потери на количество переданной энергии. При этом следует учитывать и составляющую реактивной мощности, поскольку ей соответствуют свои потери. Это еще больше снижает энергоэффективность трансформатора.

На рис. 2 справа представлены относительные потери трансформатора в зависимости от нагрузки, которые равны 100 % минус эффективность. Этот график наглядно иллюстрирует, что минимальные величины потерь приходятся на нагрузки, равные примерно 50 % номинальной мощности. При этом если трансформаторы уровней A-A’ и В-B’ имеют различные оптимальные, с точки зрения снижения потерь, диапазоны нагрузки, то трансформаторы уровня C-C’ имеют величину потерь в любом случае на 20–30 % меньшую, чем A-A’ и B-B’.

Рисунок 3. (подробнее) Зависимость потерь на трансформаторе от номинальной мощности (для трансформаторов 12 и 24 кВ)

На рис. 3 представлена зависимость потерь полной нагрузки от мощности трансформатора. За редким исключением, чем выше мощность трансформатора, тем меньше потери полной нагрузки, особенно для трансформаторов сухого типа.

Поскольку общая эффективность трансформатора напрямую зависит от режима нагрузки, методика подсчета общих потерь за определенный период времени (например, за год или весь период эксплуатации) может быть непростой. Для этого применяются эмпирические методы.

Реально достижимые величины снижения потерь

Формально только уровень C-C’ для масляных силовых распределительных трансформаторов можно считать эффективным. При этом следует признать, что не существует единого международно признанного критерия, по которому распределительный трансформатор можно было бы отнести к числу энергоэффективных. Ряд специалистов предлагает к таковым отнести трансформаторы:

- с масляным охлаждением С-С’ (по HDВ421.1) и D-E’ (по HD428.3);

- сухого типа до 24 кВ, имеющие величину потерь на 20 % меньше, чем по норме HD538.1;

- сухого типа до 36 кВ, имеющие величину потерь на 20 % меньше, чем по НD538.2.

Основанием для таких ориентиров служит техническая возможность их изготовления уже в настоящее время практически всеми производителями.

Второй способ заключается в оценке качественного состава текущих продаж, как это сделано в США, где любой трансформатор с энергоэффективностью равной или лучшей, чем у 35 % самых продаваемых моделей, признается энрегоэффективным.

Третьим возможным способом могут быть технические признаки, такие как применение специальных видов обмоток, передовых марок металлов в магнитопроводе и т. д. Такой способ хоть и имеет право на существование, но не связан напрямую с основным показателем – эффективностью. Однако обозначение трансформаторов, например, с сердечником (магнитопроводом) из аморфного железа (AMDT) ассоциируется с энергоэффективностью.

Понятно, что ресурсы снижения потерь не исчерпаны. Потери нагрузки могут быть и далее снижены в первую очередь путем:

- Увеличения значений сечения проводника обмотки, что приведет к снижению сопротивления и, следовательно, потерь. Реализация этого метода сдерживается непропорциональным увеличением затрат (цены) и габаритов изделия, хотя частично рост габаритных размеров компенсируется меньшим тепловыделением и, соответственно, меньшими размерами охлаждающих конструкций.

- Применения материалов повышенной электропроводности, вплоть до сверхпроводников. Данные технологии еще не достигли нужного уровня развития и все еще сверхдороги. Они используются преимущественно для больших трансформаторов. Нерешенной проблемой для сверхпроводниковых обмоток является уязвимость для величин токов коротких замыканий, наиболее часто встречающихся в сетях среднего напряжения.

Потери холостого хода принципиально можно снизить путем:

- увеличения сечения сердечника, что непропорционально увеличивает затраты (цену) и габаритные размеры, хотя и снижает потери холостого хода;

- применения специальных марок трансформаторной стали;

- уменьшения толщины пластин сердечника;

- применения аморфных металлов в сердечнике (здесь таятся большие резервы).

Иначе говоря, технические резервы снижения потерь далеки от исчерпания и уровень эффективности (снижение потерь) может быть повышен с использованием уже известных технологий и принципов. Просто следует помнить, что при дальнейшем совершенствовании конструкции приходится учитывать множество взаимосвязанных факторов, от габаритных размеров до шумности, и необходимость сведения к минимуму технологических рисков. Потребители трансформаторов весьма консервативно относятся ко всем новшествам, и вряд ли кто-нибудь возьмется их упрекнуть в этом, осознавая возможный масштаб и продолжительность последствий выхода из строя изделия.

Потенциальные механизмы для внедрения (замены парка) трансформаторов

Очевидно, что при том, что промышленность уже сегодня предлагает изделия с достаточно высоким уровнем эффективности, проблемой остается присущий силовым распределительным трансформаторам длительный срок эксплуатации, их стоимость, количество и закупочный цикл.

Существует несколько потенциальных способов побуждения потребителей к обновлению парка трансформаторов для целей снижения энергопотерь.

Обязательный минимальный уровень

В рамках такого сценария уже ведется дискуссия, идеей которой является либо добровольное соглашение, либо Директива ЕС, устанавливающая минимально разрешенные уровни применения распределительных трансформаторов.

Отчасти такие уровни уже содержатся в упомянутых нормах НD428. Одним из вариантом является возможность прописать в норме минимальные требования по эффективности применительно ко всем типам и видам распределительных трансформаторов и обеспечить его выполнение посредством обязательной к исполнению Директивы ЕС.

Подобная мера встретит ожесточенное сопротивление на национальном уровне как по политическим соображениями, так и по технико-экономическим – национальные сети в странах ЕС еще разные.

Иной подход предполагает поручить национальным нормотвроческим органам включить требование об обязательных минимальных критериях энергоэффективности при формировании национальных стандартов и норм. Однако этот подход в отсутствие четких и единых критериев, скорее всего, будет трудно утвердить, а разработка таких единых критериев будет не менее сложной, чем принятие единых минимальных требований.

Финансовые стимулы

Основной причиной приобретения низкоэффективных трансформаторов является стремление многих потребителей к наименьшей цене покупки. При применении финансовых стимулов часть из таких потребителей сочтет возможным остановить выбор на более современном изделии:

- скидки (субсидирование),

- налоговые льготы,

- фискальная ответственность за потери.

Применение скидок (субсидирование) сдерживается как отсутствием четкого определения понятия «энергоэффективный трансформатор», так и ценой вопроса, учитывая количество ежегодных продаж в Европе. Кроме того, применение скидок не может быть постоянным во времени, а, стало быть, таким образом проблема не решается.

Изменение национальных принципов налогообложения применительно к распределительным трансформаторам, в том числе периода амортизации, позволило бы большим и специальным потребителям (имеющим значительное число изделий – сетевым компаниям, например) изменить закупочную политику. Это, однако, область компетенции отдельных стран, поскольку органы Евросоюза не имеют полномочий в области налоговой политики стран – членов.

Фискальная ответственность за потери конечными потребителями априори лежит на них: именно они и оплачивают эти потери. Иная картина наблюдается в отношении компаний-продавцов и посредников – они переносят свои потери на потребителя в составе цены электроэнергии. Здесь ситуация сложная для разрешения в случаях, когда владельцем сетевых компаний является государство. В тех случаях когда сетевые компании приватизированы, применение энергоэффективных трансформаторов дает им возможность уменьшить составляющую затрат на потери и при неизменности цены на электроэнергию несколько увеличить прибыль. Расчеты и опыт показывают, что перенесение 50 % «экономии» на потребителя за счет коррекции отпускной цены электроэнергии является достаточной основой бизнес-проекта по обновлению парка трансформаторов. Но и эта мера является прерогативой национальной юрисдикции, поскольку включает вопросы регулирования цен на электроэнергию.

Рисунок 4. (подробнее) Потенциал энергосбережения при использовании эффективных распределительных трансформаторов, Европа

Система маркировки

Зачастую препятствием для обновления парка трансформаторов на энергоэффективные является отсутствие информации и знаний. Особенно это справедливо для крупных потребителей энергии, желающих снизить потери, но не имеющих достаточных технических познаний и информации для принятия соответствующих внутрикорпоративных решений.

Наличие простой системы потребительской маркировки, иллюстрирующей степени эффективности изделий при различных профилях нагрузки, существенно облегчило бы процесс принятия решений упомянутой группой потребителей. И хотя очевидно, что создание исчерпывающей системы такой упрощенной маркировки крайне сложно, тем не менее нет препятствий для ее создания применительно к большинству типовых ситуаций, как например, для электродвигателей – изделий со схожими сложностями в определении понятия «энергоэффективность».

Отталкиваясь от системы потребительской маркировки впоследствии можно было бы создать те самые несложные минимально разрешенные нормативы, если такая потребность все еще будет существовать, а эти нормативы могут стать основой государственного фискального стимулирования на национальных уровнях там, где потребуется.

Клубы потребителей

При заказе большого числа трансформаторов можно получать скидки производителей или за счет таких скидок покупать изделия более дорогие (имеется в виду более энергоэффективные). Конечно, применение скидок необязательно спровоцирует приобретение более дорогих изделий. Однако коллективные закупки приведут к повышению грамотности покупателей и точности спецификации. Без специальных мер побуждения такие объединения не образуются, если они не образовались до сих пор.

Способом побуждения могла бы быть программа демонстрации коллективных закупок в рамках одной из близких к потребителям профессиональных организаций.

Комплект помощи мелкому потребителю

Мелкие потребители составляют значительную часть рынка. Прямое обучение и пропаганда не представляются практичными с учетом возможных затрат на такие мероприятия. Зато весьма полезной была бы несложная методика правильного рационального выбора трансформатора. Другими словами, наличие пособия, которое позволило бы мелкому потребителю определиться при обсуждении продукта с поставщиком, задать нужные вопросы и получить соответствующие ответы, автоматически привело бы к новому уровню решения проблемы. В сочетании с потребительской маркировкой вероятность рационального выбора была бы значительной при минимуме затрат на такие мероприятия.

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