Обоснование разработки рациональных стратегий по замене силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ в электросетевых компаниях

Электрическая энергия является единственным видом продукции, для перемещения которого от мест производства до мест потребления расходуется часть самой передаваемой электроэнергии, поэтому её потери неизбежны, что превращает минимизацию таких потерь в одну из ключевых задач электросетевого комплекса. Данная задача приобретает особую актуальность в распределительных сетях 0,4-35 кВ, являющихся конечным звеном электросетевого комплекса, где значительный объём потерь электроэнергии напрямую связан с процессом её трансформации. Основу этих сетей составляют трансформа торны е _л                                       75

подстанции, центральным элементом которых выступают силовые трансформаторы 6-10/0,4кВ. Именно они определяют класс преобразования напряжения, границу зон ответственности сетевых компаний и потребителей, параметры качества электроэнергии, допустимую мощность нагрузки, схему заземления сети, объем технологических потерь и многое другое. Масштабность применения данного оборудования подтверждается данными филиала ПАО «Россети Центр» - «Орёлэнерго», эксплуатирующего свыше 5 800 трансформаторов 6-10/0,4кВ суммарной мощностью около 922МВА. Со временем техническое состояние силовых трансформаторов закономерно ухудшается под воздействием целого ряда факторов: эксплуатационных перегрузок; электродинамических усилий; старения изоляции; деградации трансформаторного масла; ослабления болтовых соединений. Эти факторы подчеркивают важность вопроса своевременной замены силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ. На практике замена зачастую проводится по мере необходимости, однако для устойчивого развития электросетевого комплекса требуется планомерное обновление трансформаторного парка. Перед электросетевыми компаниями регулярно возникает дилемма: провести капитальный ремонт силового трансформатора, выработавшего свой ресурс, или приобрести новый. Оба варианта предполагают существенные финансовые затраты, а выбор между ними зачастую зависит от текущих возможностей электросетевой компании. При этом каждый из вариантов обладает как определёнными преимуществами, так и существенными недостатками, что требует проведения всестороннего анализа с учётом технико‑экономических и эксплуатационных факторов. Проведённое исследование показало, что замена оборудования на новое является более перспективным решением с точки зрения энергоэффективности, эксплуатации, надежности электроснабжения. Однако отсутствие рациональной, научно обоснованной стратегии по замене силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ в электросетевых компаниях осложняет реализацию этого варианта.

Материалы и методы

В работе использовалась нормативно-правовая база, включающая государственные стандарты; статистические данные по эксплуатации трансформаторного оборудования филиала ПАО «Россети Центр» – «Орелэнерго». Также применён комплексный подход, включающий использование методов математической статистики и математического моделирования, фундаментальных положений электротехники, а также методов сравнительного анализа для обобщения данных из научных и практических источников.

Результаты и обсуждение

Электроэнергия – уникальный продукт, процесс транспортировки которого основан на саморасходе. В отличие от любых других видов продукции (нефти, газа, угля, воды, товаров), для передачи которых используются внешние энергетические и материальные ресурсы (топливо для насосов, компрессоров, транспорта и т.д.), электроэнергия является одновременно и продуктом, и ресурсом для своего перемещения. Можно сказать, что электроэнергия «сама себя» доставляет до потребителя, оплачивая «транспортные расходы» частью своей энергии. Недостаток этого технологического процесса в том, что он неизбежно приводит к потерям этой электроэнергии в электросетевом комплексе. В связи с этим, снижение потерь электроэнергии превращается в одну из первостепенных задач для всех электросетевых компаний. Значительная доля этих потерь, особенно в части, связанной с преобразованием напряжения, приходится на конечные звенья электросетевого комплекса – распределительные сети 0,4-35 кВ.

Основу таких сетей составляют трансформаторные подстанции – ключевые электроустановки, предназначенные для приема, преобразования и распределения электроэнергии. Согласно [1], в их состав входят силовые трансформаторы, распределительные устройства (РУ), средства управления, а также комплекс вспомогательных и технологических сооружений. В трансформаторных подстанциях напряжением 6-10/0,4 кВ, наиболее количественно распространённых в распределительных сетях 0,4-35 кВ в состав входят силовые трансформаторы, распределительные устройства (РУ), средства управления.

Центральным элементом трансформаторных подстанций, напрямую определяющим надежность электроснабжения и количество потерь электроэнергии, являются силовые трансформаторы напряжением 6-10/0,4 кВ. Масштабы использования данного оборудования наглядно демонстрирует инфраструктура филиала ПАО «Россети Центр» – «Орёлэнерго», где эксплуатируется 5 855 таких объектов общей мощностью 921,74 МВА, из которых 5854 – это подстанции 6-10/0,4 кВ с суммарной мощностью силовых трансформаторов 920,48 МВА.

На надёжность функционирования трансформаторной подстанции и величину потерь электроэнергии существенно влияет техническое состояние силовых трансформаторов, которое закономерно ухудшается вследствие эксплуатационных перегрузок, постоянного воздействия электродинамических усилий, старения изоляции, деградации трансформаторного масла и ослабления болтовых соединений, что и подчёркивает важность решения вопроса об их своевременной замене [15]. На практике замена обычно проводится по мере необходимости, однако для устойчивого развития филиала требуется планомерное обновление силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ и другого вида оборудования.

При эксплуатации трансформаторных подстанций с классом напряжения 6-10/0,4 кВ электросетевые компании регулярно сталкиваются с необходимостью принятия технического решения. Им необходимо выбрать один из двух вариантов действий в отношении силового трансформатора:

Провести капитальный ремонт – если трансформатор выработал нормативный срок службы либо находится в аварийном состоянии;

Выполнить полную замену – установив новый силовой трансформатор.

Поскольку оба варианта требуют значительных расходов, выбор в пользу одного из них, как правило, обусловлен текущими финансовыми возможностями электросетевой компании. Например, в филиале ПАО «Россети Центр» – «Орёлэнерго» зачастую предпочитают капитальный ремонт силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ. Примером этого подхода служит эксплуатация трансформатора 1951 года выпуска мощностью 100 кВА, индекс технического состояния которого на 2025 год оценивается в 66%.

На практике филиала ПАО «Россети Центр» – «Орёлэнерго» становится очевидно, что капитальный ремонт, наверное, более целесообразен, но так ли это на самом деле?

При выполнении капитального ремонта силового трансформатора напряжением 6-10/0,4 кВ возникает целый ряд взаимосвязанных вопросов: каково соответствие характеристик трансформатора после капитального ремонта паспортным данным, какова оценка целесообразности проведения капитального ремонта, какие гарантии качества выполненных работ и срока дальнейшей эксплуатации предусмотрены, а также учтены ли новые требования нормативно‑технической документации.

Однако если капитальный ремонт силового трансформатора 6-10/0,4 кВ не возможно осуществить или это техническое мероприятие вовсе нецелесообразно, то при замене силового трансформатора на новый возникают вопросы связанные с выбором оптимальной и экономически обоснованной модели трансформатора, определением срока её окупаемости по сравнению с затратами на капитальный ремонт, проведением анализа необходимых технических параметров и ожидаемого повышения эффективности работы трансформаторной подстанции, а также поиском надёжного поставщика с обоснованием его выбора. Дополнительно требуется учесть риски, связанные с возможным браком или халатностью при проведении ремонтных работ, и обеспечить соответствие нового оборудования актуальным требованиям нормативно-технической документации.

При любом выбранном варианте технического мероприятия – будь то капитальный ремонт или полная замена силового трансформатора 6-10/0,4 кВ – возникает ряд общих вопросов, связанных с объективной оценкой текущего состояния оборудования; расчётом индекса технического состояния и анализом актуальных нормативных требований по энергоэффективности и безопасности, которые должны быть выполнены в результате работ; определением гарантий качества, подтверждающих восстановление паспортных характеристик после капитального ремонта; оценкой величины эксплуатационных затрат, включающих прямые расходы, будущие эксплуатационные потери и срок окупаемости; прогнозированием загрузки трансформатора, поскольку именно она определяет потенциальную экономию от снижения потерь электроэнергии и обоснованность инвестиций в новое оборудование. При принятии решения необходимо учесть как технические аспекты замены оборудования, так и минимизацию организационных рисков – в частности, надёжность поставщиков и соблюдение сроков выполнения работ. Крайне важно обеспечить бесперебойность электроснабжения: недопустимо затягивать подключение потребителей – подача электроэнергии должна быть восстановлена в максимально сжатые сроки.

Следовательно, дилемма «ремонт или замена» требует более подробного изучения. Она предполагает, с одной стороны, анализ целесообразности продолжения практики капитального ремонта силовых трансформаторов, а с другой – оценку техникоэкономической эффективности замены старых трансформаторов на совершенно новые. Критерием для такого анализа должны служить результаты специализированных исследований, посвящённых каждому из рассматриваемых вариантов.

В частности, при оценке целесообразности капитального ремонта были проанализированы научные изыскания следующих авторов Волчкова Ю.Д., Балабина А.А., Хатанова И.А., Елизарова А.А., Пириева Н.М., Гусейнова З.Х., Канюшина О.И., Макарова Н.Л., Козырева Ю.Д.

В исследованиях [3, 4, 5, 6, 7] выше приведенных авторов, было определено, что применительно к силовым трансформаторам 6-10/0,4 кВ, продление срока службы путём капитального ремонта может приводить к обратному эффекту – скрытому снижению энергоэффективности. Анализ трансформаторного парка Орловской, Курской и Белгородской областей выявил, что около половины оборудования имело срок эксплуатации свыше 25 лет, причём многие трансформаторы подвергались капитальному ремонту с разборкой магнитопровода вне заводских условий. Это обусловливает рост потерь холостого хода, достигающий двукратного превышения паспортных значений, что подтверждается и в исследовании [4]. Описаны типовые неисправности силовых транс форматоров напряжением 6-10/0,4 кВ, отказы которых предлагается 78

классифицировать на три основные категории: электрические (перенапряжения, частичные разряды), механические (деформация обмоток, повреждение изоляции) и тепловые (перегрузки, неисправности охлаждения). Подчеркивается важность ранней диагностики и мониторинга состояния оборудования для предотвращения катастрофических отказов, которые могут привести к пожарам, взрывам и экологическому ущербу. Выявлено, что основным видом повреждений являются витковые замыкания, которые длительное время могут не нарушать электроснабжение, но снижают надёжность и увеличивают затраты на капитальный ремонт. С учётом влияния климатических и эксплуатационных факторов предложена рациональная стратегия технического обслуживания и капитального ремонта, основанная на диагностике и экономическом обосновании выбора между тремя подходами: эксплуатация до отказа, планово-предупредительный ремонт и обслуживание по фактическому состоянию. Проанализированы последствия халатности при обслуживании силовых трансформаторов 6-10/0,4кВ, а именно: пренебрежение регулярными осмотрами и профилактикой (чистка, обтяжка соединений, контроль масла, измерения) приводит к неисправностям (витковые замыкания, отгорание нулевой шины, течи масла, разрушение изоляции), что в итоге оборачивается не просто дорогостоящим ремонтом, а зачастую – полной заменой оборудования; подчёркивается, что своевременная диагностика и соблюдение регламента ТО позволяют избежать аварийных отказов и существенно сократить эксплуатационные затраты.

Рассмотренные исследования [3, 4, 5, 6, 7] позволяют определить достоинства применения первого варианта, т.е проведение капитального ремонта силового трансформатора 6-10/0,4 кВ.

Выявлено, что капитальный ремонт силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ позволяет восстановить их работоспособность и продлить срок службы оборудования без значительных единовременных капитальных вложений. В ходе ремонта устраняются выявленные дефекты обмоток, изоляции и контактных соединений, выполняется замена или восстановление трансформаторного масла, что способствует снижению вероятности аварийных отказов на начальном этапе последующей эксплуатации. Кроме того, при качественном выполнении ремонтных работ с применением диагностических методов возможно восстановление допустимого уровня электрической прочности изоляции, уменьшение частичных разрядов и повышение эксплуатационной надёжности по сравнению с предаварийным состоянием оборудования. Капитальный ремонт также позволяет адаптировать трансформатор к изменившимся условиям эксплуатации, например, за счёт усиления узлов охлаждения или замены изношенной арматуры.

Несмотря на указанные достоинства, капитальный ремонт силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ имеет ряд существенных недостатков и потенциальных негативных последствий.

Разборка магнитопровода и обмоток вне заводских условий приводит к нарушению структуры электротехнической стали и ухудшению качества стыков, что вызывает рост потерь холостого хода, в отдельных случаях достигающий двукратного превышения паспортных значений. Недостатком является сохранение физического износа базовых конструктивных элементов трансформатора, включая магнитопровод и активную часть, что ограничивает реальный эффект продления срока службы. После капитального ремонта возрастает вероятность повторных дефектов, в том числе витковых замыканий и локальных перегревов, особенно при эксплуатации в условиях перегрузок и неблагоприятных климатических факторов. Кроме того, отремонтированные трансформаторы, как правило, не соответствуют современным требованиям энергоэффективности, что приводит к повышенным эксплуатационным затратам на компенсацию технологических потерь электроэнергии в течение всего оставшегося срока службы. При недостаточном уровне диагностики и контроля качества ремонтных работ сохраняется риск тяжёлых аварийных отказов, сопровождающихся пожароопасными ситуациями и экологическим ущербом.

Далее рассмотрим второй вариант, который заключается в установке нового силового трансформатора 6-10/0,4 кВ.

Разработкой этого технического мероприятия занимались Винокуров Е.В, Тендетник Р.А, Сорокин Н.С, Виноградов А.В, Лансберг А.А, Ивакин Н.В, Ковалёв В.Д, Магницкий А.А, Савинцев Ю.М, в работах [8, 9, 10, 11, 12] которых было определено, что срок окупаемости таких трансформаторов существенно зависит от их номинальной мощности и степени загрузки. Описано, что в целях стандартизации закупок в компании ПАО «Россети Центр» действует внутренний стандарт СТО34.01-3.2-011-2021, разделяющий трансформаторы на четыре класса энергоэффективности: 1)стандартный (базовая серия), 2) энергоэффективный (усовершенствованная технология), 3) высокоэнергоэффективный (передовая технология), 4) инновационный. Класс определяется комбинацией категорий потерь холостого хода (Х) и короткого замыкания (К), формируя спектр возможных комбинаций от Х1К1 до Х4К3. Производители, желающие поставлять продукцию компании, должны соответствовать данному стандарту; среди ключевых партнёров‑производителей – АО «СвердловЭлектро» (СВЭЛ), АО «Электрощит» (г. Самара) и Минский электротехнический завод им. В. И. Козлова. Показано, что современный уровень развития науки и техники позволяет существенно снизить потери электроэнергии в силовых трансформаторах за счёт применения новых материалов магнитопровода, включая электротехнические стали повышенного качества, нанокристаллические и аморфные сплавы. При этом отмечается, что практическое внедрение энергоэффективных и аморфных трансформаторов осуществляется недостаточно активно, что свидетельствует о наличии разрыва между потенциальными возможностями технической модернизации и фактическими темпами её реализации. Установлено, что при замене силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ максимальное значение коэффициента энергоэффективности достигается при определённой загрузке трансформатора заданной мощности; поскольку оптимальные значения потерь холостого хода и короткого замыкания функционально связаны через максимум этого коэффициента, повышение энергоэффективности трансформаторных подстанций следует рассматривать не как простое снижение потерь холостого хода и короткого замыкания, а как обеспечение рационального сочетания их минимальных значений при заданном режиме нагрузки. Рассмотрена проблема выбора энергоэффективных распределительных масляных трансформаторов в условиях высокой конкуренции и отсутствия единой методологии закупок. Предлагается системный подход к выбору номинальной мощности, допустимых потерь холостого хода и короткого замыкания, а также поставщика оборудования на основе критерия минимальной полной дисконтированной стоимости владения. Методология включает расчёт оптимальных потерь с учётом реальной загрузки трансформатора, проверку адекватности цен, анализ испытаний и оценку срока окупаемости, что позволяет повысить энергоэффективность и надёжность электроснабжения. Рассматривается базовый принцип повышения энергоэффективности трансформаторных подстанций в России за счёт внедрения энергоэффективных силовых трансформаторов. Рассматриваются прямые и обрат ные задачи оптимизации потерь холостого хода и короткого замыкания 80                  Агротехника и энергообеспечение. – 2026. – № 3 (52)

трансформаторов в зависимости от их загрузки, экономическая эффективность замены обычных трансформаторов на энергосберегающие, международный опыт стандартизации потерь, существующая нормативная база в России и предлагаемые меры для формирования комплексной стратегии внедрения энергоэффективных трансформаторов, включая нормативные, организационно-технические и методические аспекты.

Опираясь на приведённые выше исследования, становится возможным определение ключевых достоинств и недостатков варианта, при котором силовые трансформаторы 6-10/0,4 кВ подлежат замене на новые.

К числу достоинств относится существенное снижение потерь электроэнергии. Если покупать трансформаторы, даже не руководствуясь классами энергоэффективности, то их эксплуатационные характеристики все равно будут лучше, если сравнивать с таким же трансформатором, но после капитального ремонта. В исследованиях определено, что современные трансформаторы отличаются доступностью, простотой эксплуатации и возможностью регулирования параметров потерь через конструктивные решения, что делает их надёжными для широкого применения в распределительных сетях 0,4-35 кВ. Наблюдаемая тенденция по внедрению энергоэффективных силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ подчеркивает важность их приобретения, ведь такие устройства обеспечивают оптимальное соотношение потерь холостого хода и короткого замыкания при заданной нагрузке, что способствует повышению коэффициента полезного действия и экономической эффективности эксплуатации. Благодаря замене на новые трансформаторы в которых применяются усовершенствованные электротехнические стали, а также аморфные и нанокристаллические сплавы в конструкции магнитопровов появилась возможность не только систематизировать трансформаторы по классам энергоэффективности, но и осуществлять обоснованный выбор модели, оптимально соответствующей конкретным эксплуатационным требованиям, которые обеспечивают минимальные потери электроэнергии и срок окупаемости при должной загрузке, при этом они экологичны и долговечны в условиях безаварийной эксплуатации.

Замена силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ на новые модели имеет ряд недостатков, ведь традиционные модели, даже с улучшенной сталью, обеспечивают меньшую экономию энергии по сравнению с аморфными и нанокристаллическими аналогами и ограничены в возможности модернизации. Аморфные трансформаторы требуют точного расчёта загрузки, имеют высокую стоимость и ограниченную серийную номенклатуру, а нанокристаллические – ещё более дорогие и требуют специализированного сервиса при ремонтных работах. При закупке трансформаторов с высоким классом энергоэффективности возникает существенная проблема: не все производители трансформаторного оборудования в Российской Федерации выпускают продукцию в соответствии с требованиями стандарта организации компании ПАО «Россети Центр». Согласно исследованиям, срок окупаемости таких трансформаторов может превышать более 4 раз нормативного срока службы трансформатора, равный 25 годам. При замене силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ на новые модели, возникает сложность с выбором подходящего варианта, т.к отсутствует рационально-обоснованная стратегия выбора таких трансформаторов.

После определения достоинств и недостатков каждого из вариантов становится понятно, что выбор между капитальным ремонтом и заменой силовых трансформаторов 6-10/0,4кВ не имеет однозначного решения, но в соответствии с требованиями

Правительства РФ [13] необходим переход к плановому обновлению трансформаторного парка, который подразумевает приобретение новых силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ.

Исходя из этого, приоритетным техническим мероприятием выступает второй вариант, т.е закупка новых силовых трансформаторов напряжением 6-10/0,4 кВ.

Согласно исследованию [14], в котором выполнен комплексный анализ отечественных научных трудов, нормативно-правовой базы и результатов практических исследований, затрагивающих вопросы эксплуатации, оптимизации рабочих режимов и формирования критериев замены силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ в электросетевом комплексе филиала ПАО «Россети Центр» – «Орёлэнерго», становится понятно, что закупка новых трансформаторов осложняется отсутствием единой стратегии по замене силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ в электросетевых компаниях.

Таким образом, ключевой задачей для электросетевых компаний является разработка рациональной стратегии по замене силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ, ведь её создание позволит минимизировать совокупные эксплуатационные и экономические потери электроэнергии, обоснованно планировать капиталовложения в развитие отрасли, а также оптимизировать график замены оборудования на основе объективных критериев, таких как текущее техническое состояние трансформаторов, история их ремонта и актуальные задачи развития электросетевого комплекса.

Выводы

Проведённое исследование показало, что проблема потерь электроэнергии в электросетевом комплексе остаётся крайне актуальной, причём значительная их доля приходится на распределительные сети 0,4-35 кВ, где ключевую роль играют силовые трансформаторы 6-10/0,4 кВ – элементы, напрямую влияющие на надёжность электроснабжения и объём технологических потерь. Поскольку техническое состояние трансформаторов постепенно ухудшается под воздействием целого ряда эксплуатационных факторов, вопрос их планомерного обновления приобретает первостепенное значение. При выборе между ремонтом выработавшего ресурс трансформатора и приобретением нового, решающую роль играют финансовое положение электросетевого комплекса, фактическое состояние техники, долгосрочные эксплуатационные перспективы и требования нормативной базы. Хотя капитальный ремонт позволяет восстановить работоспособность трансформаторов без крупных единовременных затрат, он имеет существенные недостатки – от роста потерь холостого хода до повышенного риска повторных дефектов и несоответствия современным требованиям энергоэффективности. В свою очередь, замена на новые трансформаторы обеспечивает заметное снижение потерь электроэнергии и лучшие эксплуатационные характеристики, но сопряжена с высокой стоимостью, длительными сроками окупаемости и ограниченной номенклатурой отдельных типов трансформаторов. Несмотря на то, что действующая нормативно-техническая документация ориентируется на планомерное обновление трансформаторного парка с приоритетом закупки новых трансформаторов и заменой старых, реализация этого подхода затруднена из‑за отсутствия единой рациональной стратегии, разночтений в методических подходах и недостаточной активности внедрения передовых технологий. В связи с этим разработка обоснованной рациональной стратегии замены силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ должна базироваться на комплексном учёте следующих факторов:

• -    срок нахождения в эксплуатации, марки, номинальные мощности и удельные показатели использования трансформаторов;

• -    степень загрузки трансформаторов и связанные с ней потери электроэнергии, включая удельные показатели;

• -    результаты анализа уже применяемых стратегий замены силовых трансформаторов;

• -    конструктивные особенности трансформаторов, схемы и группы соединений обмоток, а также их влияние на потери электроэнергии и области рационального применения;

• -    влияние срока эксплуатации и степени загрузки на величину потерь электроэнергии;

• -    результаты математического и компьютерного моделирования потерь с учётом срока эксплуатации и графика нагрузок;

• -    влияние надёжности трансформаторов и трансформаторных подстанций на надёжность электроснабжения;

Сравнительная оценка стратегий: ограничения и области рационального применения различных вариантов стратегий, учитывающих комбинацию факторов (срок эксплуатации, уровень и сезонность загрузки, потери, надёжность).

Таким образом, ключевым решением становится разработка рациональной стратегии по замене силовых трансформаторов 6-10/0,4 кВ в электросетевом комплексе, основанной на системном анализе загрузки трансформаторов, их класса энергоэффективности, срока эксплуатации, экономической целесообразности, что позволит снизить эксплуатационные и экономические потери, повысить надёжность электроснабжения и ускорить технологическую модернизацию электросетевого комплекса.