Разработка стратегии техперевооружения парка силовых трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ филиала ПАО "Россети Центр"-"Орелэнерго"

Введение. Силовые трансформаторы являются одним из ключевых элементов электросетевого комплекса, так как предназначены для преобразования электрической энергии одного класса напряжения в другой на электрических станциях и трансформаторных подстанциях.

В связи с этим, особое значение имеет выбор оптимальных режимов эксплуатации силовых трансформаторов и коэффициентов загрузки, которые позволят оптимально использовать ресурс силового трансформатора и снизить экономические затраты на потерю энергии в активных частях трансформатора [1], что является актуальным направлением в сфере энергосбережения.

В работе [2] произведен обзор текущего состояния отрасли силовых трансформаторов и тенденций развития их конструкции, а также отмечено, что направление отрасли в настоящее время сконцентрировано на повышении энергоэффективности и снижении потерь в силовых трансформаторах. Это обеспечивается применением современных электротехнических сталей при сборке магнитопровода, а также создания новых магнитных материалов на основе нанокристаллических сплавов, которые позволяют создать новые типы аморфных трансформаторов с использованием сплавов Fe(Co)SiBPCCu и 2605SA1. При этом энергоэффективность трансформаторов можно также повысить путем использования для изготовления обмоток высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов и многопроволочных кабелей с оболочкой из полупроводящего материала [3]. Указанные технические решения позволяют снизить потери холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ) в силовых трансформаторах.

Следует отметить, что в настоящее время аморфные трансформаторы не получили широкого распространения и по данным электросетевой организации ПАО «Россети Центр и Приволжье» на начало 2022 года количество аморфных трансформаторов с сердечниками из аморфных сплавов, установленное в филиалах, представлено в таблице 1.

Таблица 1 – Количества аморфных трансформаторов, установленное в ПАО «Россети Центр и Приволжье»

№ п/п	Филиал	Количество трансформаторов, шт.
1	Белгородэнерго	1
2	Брянскэнерго	1
3	Воронежэнерго	1
4	Костромаэнерго	1
5	Курскэнерго	2
6	Смоленскэнерго	1
7	Тамбовэнерго	1
8	Владимирэнерго	1
9	Кировэнерго	1
10	Нижновэнерго	2
11	Рязаньэнерго	1
12	Тулэнерго	1
13	Удмуртэнерго	1
14	Калугаэнерго	3
ИТОГО		18

При этом у находящихся в работе трансформаторов ввиду климатических и эксплуатационных воздействий потери мощности и холостого хода в них увеличиваются, что приносит электросетевой организации больший ущерб от технических потерь [4, 5]. Так, в работе [6] были произведены замеры потерь мощности холостого хода у длительно находящего в эксплуатации парка трансформаторов типа ТМ Ивановской области, которые были сравнены с заводскими значениями. Было выявлено, что у трансформаторов, находящихся в эксплуатации 2550 лет, значения потерь холостого хода в 2 раза превышают паспортные значения. На примере трансформатора ТМ-250 были приведены замеры потерь холостого хода в зависимости от срока эксплуатации. На 2-ом году эксплуатации потери ХХ составляли 519 Вт, на 16-ом – 798 Вт, на 25-ом – 999 Вт, на 34-ом – 1140 Вт.

Таким образом, ввиду повышения потерь в силовых трансформаторах в ходе эксплуатации, которые ведут к уменьшению прибыли электросетевых организаций при передаче электроэнергии, практическую значимость приобретает разработка стратегии замены силовых трансформаторов на современные энергоэффективные трансформаторы на примере действующего парка электросетевой организации ввиду того, что ремонт силовых трансформаторов приводит к повышению потерь в силовых трансформаторах.

Так, в работе [7] было выявлено, что среди 6206 силовых трансформаторов 610 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» нормативный срок службы в 25 лет не превысили 1942 трансформаторы, а срок службы 25-50 лет имеют 3479 единиц оборудования. При этом только 180 трансформаторов имеют номинальное напряжение высшей обмотки 6 кВ, а остальные 6026 – 10 кВ. На номинальное напряжение 0,23 кВ выполнены 255 трансформаторов, а 0,4 кВ – 5951.

При этом в парке силовых трансформаторов 6-10 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» 73% имеют схему соединения обмоток звезда-звезда с нулевым проводом и нулевой группой соединения обмоток Y/Zн, трансформаторы со схемой соединения звезда – зигзаг с нулевым проводом и 11-й группой составляют 17% парка, а схемы соединения треугольник – звезда с нулевым проводом D/Yн и звезда – треугольник Y/D с 11 группой соединения обмоток используются, соответственно, в 290-а и 251-м трансформаторах, составляющих 5% и 4% от общего количества. При этом у 112 устаревших трансформаторов отсутствовали данные о схеме и группе соединения обмоток. Также следует отметить, что наибольшее количество трансформаторов характеризуются номинальными мощностями 100 кВА, 160 кВА, 63 кВА, 250 кВА, соответственно, это 1454, 1252, 853 и 802 единицы, а также среди всех находящихся в эксплуатации трансформаторов класса напряжения 6-10 кВ лишь 268 соответствуют современным требованиям по энергосбережению и имеют класс энергоэффективности выше Х2К2 согласно «СТО 34.01-3.2-011-2017. Стандарт организации ПАО «Россети». Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания. Дата введения: 12.04.2017». Среди 6206 трансформаторов «Орелэнерго» 5156 – типа ТМ, остальные – устаревшие типы трансформаторов с алюминиевыми обмотками и современные герметичные трансформаторы серий ТМГ.

В работе [8] предложен вариант стратегии замены силовых трансформаторов в филиале ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго», предполагающий за 10-летний период установку 1000 трансформаторов с номинальными мощностями 63, 100, 160 и 250 кВА исполнения ТМГ-33, со схемой и группой соединения обмоток Y/Zн-11. В ходе реализации данной стратегии удастся добиться снижения суммарных потерь электроэнергии на 2,3%. Годовой экономический эффект от после реализации предложенных мероприятий по техперевооружению составит 2,41 млн рублей в год, а эффект за 10-летний период реализации стратегии составит 13,2 млн. рублей.

При этом разработанная стратегия учитывала действующие на рассматриваемые период требования по установке энергоэффективных трансформаторов класса энергоэффективности Х2К2 в соответствие с «СТО 34.01-3.2011-2017. Стандарт организации ПАО «Россети». Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания. Дата введения: 12.04.2017». Следует отметить, что с 2022 года необходимо предусматривать установку силовых трансформаторов класса энергоэффективности Х3К2 в соответствие с «СТО 34.01-3.2-011-2021. Стандарт организации ПАО «Россети». Трансформаторы силовые распределительные 6-10 кВ мощностью 63-2500 кВА. Требования к уровню потерь холостого хода и короткого замыкания. Дата введения: 21.06.2021». При этом в стратегии не были учтены цены силовых трансформаторов и финансовые ресурсы филиала.

Цель работы – разработка стратегии техперевооружения парка силовых трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-

«Орелэнерго».

Материалы и методы исследования. Для проведения исследования были использованы цены на энергоэффективные силовые трансформаторы на 2022 год с высшим напряжением 6-10 кВ, предоставленные ОАО «МЭТЗ им. В.И. Козлова». Перечень ряда силовых трансформаторов с указанием стоимости представлен в таблице 2.

Согласно инвестиционной программе филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» на 2021 год на закупку энергоэффективных трансформаторов было выделено 52 468 307 рублей.

Таблица 2 – Стоимость силовых трансформаторов на 2022 год с высшим напряжением 6-10 кВ производства ОАО «МЭТЗ им. В.И. Козлова»

№ п/п	Номенклатура	Стоимость за 1 шт. Х3К2, руб.
1	Трансформатор ТМГ33-63/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	391 391,8
2	Трансформатор ТМГ33-100/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	491 790,5
3	Трансформатор ТМГ33-160/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	663 663
4	Трансформатор ТМГ33-250/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	913 812,9
5	Трансформатор ТМГ33-400/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	1 152 051,7
6	Трансформатор ТМГ33-630/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	1 589 387
7	Трансформатор ТМГ33-1250/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	2 062 460,6
8	Трансформатор ТМГ33-1600/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	2 581 478,9
9	Трансформатор ТМГ33-2000/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	3 587 183,6
10	Трансформатор ТМГ33-2500/10-УХЛ1 6(10)/0,4 кВ	5 134 028,9

С учетом указанных данных необходимо рассчитать возможное количество трансформаторов для закупки и эффекты от их использования по сравнению с эксплуатирующимися в настоящее время трансформаторами типа ТМ.

По причине отсутствия данных по степени загрузки трансформаторов эффективность замены силового трансформатора можно оценить по потерям холостого хода, которые для устаревших трансформаторов типа ТМ можно определить в соответствие с ГОСТ 27360-87, а для современных энергоэффективных трансформаторов - СТО 34.01-3.2-011-2021.

Исходя их этого, эффект сокращения годовых потерь электроэнергии действующего парка трансформаторов и парка с учетом его техперевооружения за каждый год можно определить по формуле (1):

Э пот.ЭЭ = ΔW пот.ХХ · Т у ,                                          (1)

где ΔW пот.ХХ – разница между объёмами технических потерь электроэнергии по сравниваемым паркам, кВт·ч/год;

Т у – тариф на услугу по передаче электроэнергии в Орловской области на конец 2022 года, 2,33 руб/кВт·ч.

В свою очередь, разница между объемами технических потерь электроэнергии в силовом трансформаторе определяется по формуле (2):

ΔW_пот.ХХ = (Р_ххГОСТ - _ххСТО) ·   ,                                    (2)

где P xxГОСТ – потери холостого трансформатора единичной мощностью n кВА, определенные в соответствие с ГОСТ 27360-87;

P xхСТО – потери холостого хода трансформатора единичной мощностью n кВА, определенные в соответствие с СТО 34.01-3.2-011-2021;

T – время работы силового трансформатора в год, 8760 часов.

Результаты исследований и их обсуждение. С учетом цен на силовые трансформаторы и финансов согласно инвестиционной программы возможно осуществлять закупку трансформаторов, мощности которых наиболее часто встречаются на трансформаторных подстанциях 6-10/0,4 кВ, питающие сельские электрические сети 0,4 кВ, а именно:

• -    ТМГ-33-63/10/0,4 кВ Х2К2 Y/Zн;

• -    ТМГ-33-100/10/0,4 кВ Х2К2 Y/Zн;

• -    ТМГ-33-160/10/0,4 кВ Х2К2 Y/Zн;

• -    ТМГ-33-250/10/0,4 кВ Х2К2 Y/Zн.

При этом также можно оценить эффекты в случае приобретения трансформаторов других номинальных мощностей, например, 400 кВА и 630 кВА, -которые также используются в сельских электрических сетях для питания производственных потребителей.

Исходя из этого, можно предложить несколько стратегий техперевооружения парка силовых трансформаторов, которые оптимально рассматривать за 10-летний срок реализации стратегии, так как указанный период позволяет оценить окупаемость внедряемых технических решений за срок реализации стратегии.

Стратегия 1 (С1). Приобретение трансформаторов единичной мощностью 63 кВА в количестве 134 единиц ежегодно суммарной стоимостью 52 446 501,2 рублей.

Стратегия 2 (С2). Приобретение трансформаторов единичной мощностью 100 кВА в количестве 106 единиц ежегодно суммарной стоимостью 52 129 793 рублей.

Стратегия 3 (С3). Приобретение трансформаторов единичной мощностью 160 кВА в количестве 79 единиц ежегодно суммарной стоимостью 52 429 377 рублей.

Стратегия 4 (С4). Приобретение трансформаторов единичной мощностью 250 кВА в количестве 57 единиц ежегодно суммарной стоимостью 52 087 335,3 рублей.

Стратегия 5 (С5). Приобретение трансформаторов единичной мощностью 400 кВА в количестве 45 единиц ежегодно суммарной стоимостью 51 842 326,5 рублей.

Стратегия 6 (С6). Приобретение трансформаторов единичной мощностью 630 кВА в количестве 33 единиц ежегодно суммарной стоимостью 52 449 771 рублей.

Стратегия 7 (С7). Вышеуказанные стратегии могут быть оптимальными на определенный год техперевооружения парка силовых трансформаторов, при этом в практической эксплуатации невозможно в течение длительно срока осуществлять замену трансформаторов только одной номинальной мощности. В связи с этим необходима комплексная стратегия с учетом замены ряда номинальных мощностей трансформаторов. Таким образом, данная стратегия предполагает замену 17-ти трансформаторов единичной мощностью 63 кВА, 20-ти – 100 кВА, 20-ти – 160 кВА, 15-ти – 250 кВА, 5-ти – 400 кВА, 2-х – 630 кВА суммарной стоимостью 52408956,6 рублей.

Ежегодные технико-экономические показатели от реализации указанных стратегий представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Технико-экономические показатели от реализации стратегий техперевооружения парка силовых трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго»

Показатели	С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
1	2	3	4	5	6	7	8
Ежегодное снижение потерь ХХ, кВт	15,008	12,72	13,43	12,54	13,95	16,632	13,562
Ежегодное снижение потерь мощности, МВт∙ч	129,27	109,23	115,45	107,65	120	143,5	116,6
Ежегодное повышение экономического эффекта за счет снижения потерь, млн. руб.	0,30	0,25	0,27	0,25	0,28	0,33	0,27

Окончание таблицы 3

1	2	3	4	5	6	7	8
Количество заменяемых трансформаторов в год, ед.	134	106	79	57	45	33	79
Соответствие ресурсам филиала	+	+	+	+	+	+	+
Общее снижение потерь ХХ за 10-летний период	150,08	127,91	134,3	125,4	139,5	166,32	135,62
Общее снижение потерь мощности за 10-летний период	1312,5	1118,29	1174,27	1096,3	1219,82	1454,76	1219,82
Суммарный экономический эффект за 10-летний период, млн. руб.	16,8	14,24	15,03	14,03	15,61	18,62	15,17

Следует отметить, что технико-экономические эффекты от реализации предложенных мероприятий по техперевооружение парка силовых трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» ежегодно будут увеличиваться за счет установки новых трансформаторов, которые в общем парке обеспечат возможность добиться снижения потерь холостого хода.

На рисунке 1 представлена динамика изменения годового экономического эффекта за счет реализации предложенных стратегий техперевооружения.

■ С1 ■ С2 ■ С3 ■ С4 ■ С5 ■ С6 ■ С7

Рисунок 1 – Ежегодный экономический эффект от реализации предложенных стратегий по замене силовых трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» на энергоэффективные

Согласно результатам расчета, представленным в таблице 3, наиболее выгодной стратегией является приобретение трансформаторов единичной мощностью 630 кВА, что позволит ежегодно снижать потерь холостого хода и мощности на 16,632 кВт и 143,5 МВт∙ч, соответственно, при этом за 10-летний период удастся добить уменьшения потерь холостого хода на 166,32 кВт, а мощности – на 1454,76 МВт∙ч, это позволит добиться экономического эффекта в 18,62 млн рублей за 10-летний период. Стратегия предполагает ежегодную замену трансформаторов в количестве 33 единиц.

Следующей по эффективности является стратегия замены трансфоматоров мощностью 63 кВА в количестве 134 единиц ежегодно, что позволит добиться экономического эффекта за 10-летний период в размере 16,8 млн рублей.

Стратегия 5, предполагающая ежегодную замену 45 трансформаторов мощностью 400 кВА позволит добиться суммарного экономического эффекта в 15,61 млн рублей.

Наименее выгодными, являются стратегии С2-С4, предполагающие замену трансформаторов мощностей 100 кВА, 160 кВА, 250 кВА. Они позволяют добиться экономического эффекта в размере 14,03-15,03 за 10-летний период реализации стратегии.

Комплексная стратегия (С7), предполагающая замену трансформаторов с высшим напряжением 6-10 кВ сельскохозяйственного назначения всех номинальных мощностей в количестве 79 единиц ежегодно, позволит добиться экономического эффекта за 10-летний срок реализации в размере 15,17 млн руб.

Проведенные расчеты позволили выявить суммарные экономические эффекты за 10-летний срок реализации стратегий, ежегодное снижение потерь холостого хода и мощности парка силовых трансформаторов и общее снижение потерь холостого хода и мощности за 10-летней срок замены трансформаторов.

Выводы. В ходе исследования было выявлено, что наибольших техникоэкономических показателей можно добить при реализации стратегий замены силовых трансформаторов номинальных мощностей 63 кВА, 400 кВА, 630 кВА, а наименьших – при реализации стратегий замены силовых трансформаторов мощностей 100 кВА, 160 кВА, 250 кВА.

Разработанная комплексная стратегия (С7), предполагающая ежегодную замену силовых трансформаторов всего ряда номинальных мощностей позволит эффективно осуществлять техперевооружение парка трансформаторов филиала ПАО «Россети Центр»-«Орелэнерго» с учетом возможности формирования аварийного запаса трансформаторов. Данная стратегия является оптимальным вариантом в практической эксплуатации, так как ее реализация позволяет добиться усредненных техникоэкономических показателей среди рассмотренных стратегий. Так, ежегодная замена 79 трансформаторов обеспечит за 10-летний срок реализации снижение потерь холостого хода и мощности, соответственно, на 135,62 кВт и 1219,82 МВт∙ч, а также обеспечит получение экономического эффекта в размере 15,17 млн рублей.