Инновации в энергетической подсистеме предприятия

Electricity consumption is not always dependent on the consumer. The loss is in all elements of the power system, and in fact ultimately lost every kWh paid by someone. In the article the option of increasing the economic efficiency of electricity transformation by replacing the power transformer core to the innovation of amorphous steel.

Экономия расхода электроэнергии, а также уменьшение потерь при ее передаче, распределении и преобразовании - тема актуальная с момента «приручения» электрического тока. Задачей для производства электроэнергии всегда было добиться наибольшего коэффициента полезного действия (КПД) для генераторных установок, для потребителя - максимально полезно использовать электроэнергию, ну а для энергоснабжающих организаций -максимально эффективно ее передать, преобразовать и распределить.

По мере развития науки, открытия новых материалов, оптимизации процессов потери при передаче и распределении научились контролировать. Увеличилась экономическая эффективность процесса производства, при котором на 1 произведенный киловатт-час, за который потребитель вносит фиксированную плату, приходится допустимое количество потерь, которое в свою очередь, пытаются уменьшить различными способами. Одним из ключевых звеньев преобразования и потери значительной доли электроэнергии является ее трансформация в силовых трансформаторах.

Потери незначительны, когда трансформатор имеет нормальную загрузку, но при ее снижении возрастают потери, обусловленные вихревыми токами и перемагничиванием сердечника трансформатора, набранного из листов электротехнической стали. Эта проблема решается постановкой нескольких силовых трансформаторов на параллельную работу, при недогрузке одного, секционным выключателем нагрузка переключается на второй. В случаях, когда это невозможно, трансформатор тратит электроэнергию «вхолостую». Это происходит во всех силовых трансформаторах, ведь на сегодняшний день в подавляющем большинстве из них сердечник изготовлен из электротехнической листовой стали.

Эту проблему предлагается решить заменой сердечника из электротехнической листовой стали на сердечник из аморфной стали. Доступны они стали только в 2012 году, так как только к этому времени материал стал относительно недорог и на заводе «Трансформер» планируется их выпуск. Низкие потери холостого хода в «аморфных» трансформаторах обеспечиваются за счет особых свойств этих сплавов, которые отличаются беспорядочной, некристаллической структурой. Их удается получить при очень быстром охлаждении расплавов металлов. В этом случае атомы не успевают образовать кристаллическую решетку, и формируют аморфное (стеклообразное) состояние. Не случайно аморфную сталь изначально называли «metglass» — «металлическим стеклом». [1]

Аморфные сплавы выпускаются уже на протяжении 30 лет. За рубежом первые распределительные трансформаторы мощностью 630–1000 кВА с аморфным сердечником были изготовлены более 10 лет назад. В данном направлении продвинулись дальше всех США, Индия и Китай. Начиная с 2009 года, ряд европейских распределительных компаний также запустили в опытную эксплуатацию несколько трансформаторов мощностью 400 кВА с аморфным сердечником. Однако широкое применение «аморфных» трансформаторов в Европе, где к надежности оборудования предъявляются высокие требования, сдерживается рядом факторов.

Аморфная сталь хрупкая, как стекло. И это вносит особые требования к процессу производства трансформаторов, а также требует досконального испытания произведенной продукции, ее мониторинга в недостаточно технически подготовленных условиях. Аморфная сталь представляет интерес вследствие очень низких потерь холостого хода, поэтому важно убедиться, остаются ли они столь же низкими в течение времени. Также важным и необходимым является проведение тестов и испытания трансформаторов и соответствие результатов проверок отраслевым нормам. Необходимо также оценить достаточность применяемых конструкторских решений и технологических мероприятий. [2]

Предложения по ограничению и даже запрету оборота низкоэффективных энергоустройств, использующих энергоресурсы, конечно, стимулировали спрос на оборудование с высоким КПД и в какой-то степени ускорили процесс разработки и выпуска «аморфных» силовых трансформаторов. Улучшение характеристик энергосбережения трансформаторов с сердечником из электротехнической стали, путем изменения сплавов материалов и конструкции сердечника, уменьшают потери на холостой ход, но не настолько, как аморфные сердечники. К примеру, трансформатор ТМГ (масляный герметичный трансформатор) мощностью 1000 кВА имеет потери около 1600 Вт на холостой ход, его аналог с улучшенными характеристиками — около 1300 Вт. Энергосберегающий трансформатор сохранит 2628 кВт за год работы. Трансформатор с аморфным сердечником обеспечивает еще большую экономию. Потери холостого хода для АТМГ на 1000 кВА составляют 450 Вт, т.е. за час работы «аморфный» трансформатор потребляет на 1,15 кВт меньше, чем стандартный ТМГ той же мощности. Значит, за год работы будет сохранено 10 074 кВт. При тарифе 3 рубля за киловатт экономия в денежном выражении составит порядка 30 000 руб. в год.

Около 900-1000 млрд. кВт^ч электроэнергии потребляется в России ежегодно, при этом потери электроэнергии в распределительных трансформаторах составляют 7,5 млрд, кВт^ч и примерно 50% — это потери в магнитопроводах трансформаторов, — пишет в одной из своих работ Юрий Савинцев, к.т.н, генеральный директор электротехнической компании «Русский трансформатор» (г. Люберцы Московской обл.). Наиболее перспективный путь снижения затрат на производство и эксплуатацию силовых распределительных трансформаторов — применение магнитопроводов из аморфных сплавов, при этом обеспечивается пятикратное снижение потерь на холостой ход трансформаторов по сравнению с традиционными магнитопроводами из листовой электротехнической стали». [3]

У электросетевых компаний применение трансформаторов с аморфной сталью, обеспечивающих высокую энергоэффективность распределительных трансформаторов примерно на 1%, позволит (если заменить все силовые трансформаторы на аморфные) снизить потери в электрических сетях и дать в целом по России экономию электрической мощности не менее 2 ГВт», — уверен Виктор Ковалев, д.т.н., вице-президент Академии электротехнических наук РФ, директор по науке и инновационным программам ОАО «Электрозавод» (г. Москва).

Оценивая экономическую эффективность применения данных трансформаторов, следует учесть, что значительная часть потерь электроэнергии (25-30%) во всем цикле приходится именно на силовые трансформаторы. При этом постоянную долю потерь в самом трансформаторе составляют потери холостого хода. Таким образом, трансформаторы с аморфным сердечником дают возможность сберечь значительную долю электроэнергии, расходующуюся вхолостую в прямом смысле этого слова. Не останутся в убытке и покупатели оборудования. Опыт эксплуатации аморфных трансформаторов за рубежом показал, что увеличение стоимости силовых трансформаторов на 30-35% окупается в течение 3-5 лет в зависимости от региональных тарифов на электроэнергию.