Современная энергетическая инфраструктура требует высокой экономической эффективности. Это особенно актуально для распределительных узлов, на которые приходится значительная часть эксплуатационных расходов. Стремление сбалансировать бюджет при повышении производительности выработки электричества сделало энергоэффективность трансформаторных подстанций ключевым фактором при проектировании и модернизации энергосистем.
Рост стоимости электроэнергии, увеличение нагрузки на оборудование, снижение общего КПД системы — основные следствия потерь в трансформаторных подстанциях. Сегодня предприятия и сетевые компании активно работают над решениями, позволяющим если не предотвратить их полностью, то хотя бы заметно снизить.
Успешность разработок по повышению энергоэффективности напрямую зависит от понимания причин и принципов потерь. Как правило, они связаны с преобразованием и передачей электроэнергии: в ходе этих процессов ее часть неизбежно рассеивается в виде тепла.
Причинами потерь в трансформаторных подстанциях обычно становятся:
низкое качество материалов для компонентов, используемых при сборке;
перегрузка или недогрузка трансформатора;
несимметричные нагрузки по фазам;
увеличенная частота переменного тока;
износ оборудования.
Чтобы понять, как снизить потери электроэнергии в конкретном узле, в первую очередь необходимо выявить причину недостаточной энергоэффективности. Тщательная диагностика состояния оборудования поможет устранить проблему и разработать действенные решения.
Потерями холостого хода трансформатора называют снижение активной мощности, продолжающееся в сердечнике (магнитопроводе) при разомкнутой вторичной обмотке. Такие потери не зависят от нагрузки; в подключенном оборудовании они фиксируются постоянно.
В этом случае низкая энергоэффективность обусловлена двумя составляющими. Первая — потери на гистерезис из-за циклического перемагничивания сердечника под воздействием переменного магнитного поля. Вторая — потери на вихревые токи, которые также индуцируются в магнитопроводе. Кроме того, возможны потери в стальных элементах конструкции, диэлектрические потери в изоляции и электрические потери в первичной обмотке.
Нагрузочными потерями трансформатора или потерями в меди называют переменные потери, зависящие от тока нагрузки. Ток протекает через активное сопротивление в обмотках трансформатора, и в результате выделяется рассеивающееся тепло — поэтому такие потери также называют резистивными. При номинальной нагрузке на их долю приходится до 60-80% от общих потерь трансформатора.
Снижение энергоэффективности за счет потерь в меди возможно под влиянием следующих факторов:
повышенной величины тока;
усиленному сопротивлению обмотки;
увеличенному количеству слоев катушки;
частоты переключения.
В этих случаях снижения потерь в трансформаторе пытаются достичь за счет материалов с низким сопротивлением, изменения конструкции обмоток, более эффективного охлаждения или сокращения времени работы при малой нагрузке.
Современные разработки позволяют существенно повысить энергоэффективность трансформаторных подстанций — причем в отдельных случаях даже без полной замены инфраструктуры. Для этого используют комплексные решения, включающие актуальные технологии и решения для более рационального управления энергосистемой.
Установка трансформатора, мощность которого оптимально соответствует нагрузке — один из ключевых ответов на вопрос «как снизить потери электроэнергии». И перегрузка, и недогрузка одинаково опасны для ТП.
Если нагрузка на трансформатор недостаточна, высок риск ошибки измерений, в том числе в системах учета электроэнергии. Кроме того, ресурс агрегата тратится впустую, электрические потери растут, и КПД подстанции снижается.
Перегрузка трансформатора обычно возникает, если номинальный ток в обмотках превышен. Следствия — перегрев и ускоренное старение изоляции, ненадежная работа релейной защиты из-за насыщения сердечника и даже отказ оборудования.
Чтобы этого избежать, выбор мощности трансформатора делают исходя из коэффициента загрузки. Его считают по формуле:
Kз = Sр / Sн
где:
Kз - коэффициент загрузки;
Sp - максимальная (расчетная) мощность нагрузки;
Sн - номинальная мощность трансформатора.
Чем выше получившийся показатель, тем большую нагрузку может выдержать трансформатор. Однако при подборе обязательно учитывают и такие параметры как температуру окружающей среды, влажность и тип подключенных потребителей, чтобы избежать перегрева и выхода оборудования из строя.
Под реактивной мощностью подразумевают энергию, не имеющую полезного применения. Она перемещается между источником и потребителем, не расходуется и создает дополнительную нагрузку на сеть. Если ее слишком много, повышается риск перегрузки и перегрева оборудования, снижается стабильность напряжения, а потери электроэнергии растут.
Чтобы снизить негативное воздействие на трансформатор, используют установку компенсации реактивной мощности (УКРМ). Это устройство или комплекс технических средств включает конденсаторы, коммутационные устройства, предохранители, разъединители, частотные преобразователи и измерительное оборудование. УКРМ работает по следующему принципу:
Измеряет параметры сети.
Анализирует данные с помощью контроллера для выявления избытка реактивной мощности в трансформаторе.
Подключает и отключает конденсаторы для нормализации параметров сети.
Применение УКРМ позволяет снизить потери и расход электроэнергии ТП на собственные нужды, улучшить качество электроэнергии и энергосбережение на подстанциях и увеличить срок службы электрооборудования.
Сбалансированная работа ТП также позволяет повысить энергоэффективность и уменьшить потери в трансформаторных подстанциях. Основной компонент оптимизации режимов их работы — ручное либо автоматическое управление оборудованием в зависимости от графика нагрузок.
Для автоматизации управления ТП используют:
SCADA-системы (системы управления и сбора данных). Решения, позволившие объединить удаленное управление оборудованием, постоянный мониторинг его состояния, сбор данных для анализа и защиту системы при возникновении аварийных ситуаций.
Программируемые логические контроллеры (PLC). Востребованный компонент автоматизации включения и отключения оборудования и управления устройствами.
Цифровые подстанции с интеллектуальными электронными устройствами (IED). Анализируют данные в реальном времени и оперативно корректируют режимы работы оборудования.
Грамотная оптимизация позволяет повысить энергоэффективность трансформаторных подстанций, замедлить износ оборудования и уменьшить суммарные потери из-за работы в неподходящих режимах.
Развитие технологий также направлено на большую производительность трансформаторов при снижении потерь электроэнергии. В оборудовании последнего поколения для этого применяют следующие решения:
инновационные материалы для магнитопроводов — в первую очередь аморфные и нанокристаллические сплавы;
использование обмоток из чистой меди с увеличенным сечением;
интеграцию с системами охлаждения;
применение стальных листов уменьшенной толщины в сердечниках для снижения вихревых токов.
Благодаря новым технологиям суммарные потери в энергоэффективных трансформаторах на 40-60% ниже по сравнению с традиционными моделями.
Чтобы оценить изменения в энергоэффективности после применения современных решений рассмотрим усредненный кейс. Возьмем условное предприятие с предприятие с трансформаторной подстанцией 10/0,4 кВ и средней нагрузкой 600 кВт. Из-за устаревшего оборудования компания теряет все больше электроэнергии, а также подвергается штрафам за низкий коэффициент мощности.
Выбор между двумя вариантами — УКРМ и заменой трансформатора. Рассмотрим оба варианта:
Вариант 1. Установка компенсации реактивной мощности
Исходный коэффициент мощности:
cosφ=0,72
После установки компенсации реактивной мощности:
cosφ=0,96
После расчета снижения тока выяснилось, что он уменьшился примерно на 25%, а потери в сети — на 40-45%.
Предприятию удалось сэкономить за год:
на потере электроэнергии — около 350 тысяч рублей;
на отсутствии штрафов — около 500 тысяч рублей;
на снижении числа аварий в сетях — 150 тысяч рублей.
При затратах на модернизацию около 1,5 миллионов рублей срок окупаемости составил всего 1,5 года.
Вариант 2. Замена трансформатора
При замене старого оборудования на энергоэффективный трансформатор стоимостью 1,3 миллиона рублей с учетом установки и подключения экономия за год составила:
на электроэнергии — около 150 тысяч рублей;
на ремонтах и простоях — около 350 тысяч рублей.
Таким образом, новая ТП окупилась за 2 года и 6 месяцев.
При этом помимо снижения затрат и быстрой окупаемости предприятию обеспечена более стабильная работа и долгий срок эксплуатации оборудования. Кроме того, компании все чаще совмещают оба решения — в этом случае удается добиться еще большей энергоэффективности.
Мы предлагаем комплексный подход к повышению эффективности энергетических объектов за счет следующих услуг:
энергетического аудита — расчета потерь электроэнергии в ТП и выявления их причин;
проектирования и сборки УКРМ под конкретные объекты;
производства современных подстанций на основе технологий последнего поколения.
Предложенные компанией «ЭлектроСборка» решения позволят уменьшить потери энергии на подстанциях — а значит повысить качество электроснабжения, обеспечить долговечность оборудования и существенно снизить эксплуатационные расходы.
