Рынок трансформаторов –это один тех сегментов рынка электротехники, который продолжает развиваться даже в непростых экономических условиях. Несмотря на то что в России широко представлена продуктовая линейка компаний-производителей из стран СНГ, Европейского Союза и Китая, сегмент трансформаторной продукции отечественного производства выглядит достаточно внушительно.
Одной из основных проблем современной энергетики являются потери электроэнергии при передаче от места генерации до конечного потребителя. Этот процесс нуждается в неоднократной трансформации энергии в понижающих и повышающих трансформаторах.
Примечательно, что суммарная мощность трансформаторных установок на каждой из последующих ступеней сети с более низким напряжением обычно больше мощности предыдущей, которая характеризуется более высоким напряжением. Это необходимо для обеспечения свободного маневрирования энергии.
В результате общая мощность всех трансформаторов сети более чем в 6 раз превышает мощность энергогенерирующего оборудования.
По данным системного оператора ЕЭС России, в 2017 году энергопотребление в целом по стране составило 1059,5 млрд кВт*ч, что на 0,5% больше показателя предыдущего года. Без учета влияния 29 февраля 2016 года потребление электроэнергии увеличилось на 0,8%.
По оценкам экспертов, суммарные потери электрической энергии в распределительных трансформаторных установках ежегодно достигают 75 млрд кВт*ч. В энергосистеме России общее количество таких агрегатов превышает отметку в 4 млн штук.
Аналитики проанализировали ассортиментный ряд введенного в эксплуатацию оборудования и пришли к выводу, что самыми востребованными являются трансформаторы І–ІІ габаритов мощностью 25–630 кВА напряжением 6–10 кВ, именно на их долю приходится основной объем потерь электроэнергии.
Игра на понижение
Ключевым требованием, которое предъявляется к качеству энергоснабжения, является необходимость снижения потерь электрической энергии. В связи с этим Правительством РФ был принят ряд документов, в которых акцентируется внимание на вопросах энергоэффективности:
• Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (со всеми редакциями документа с изменениями, вступившими в силу);
• Распоряжение Правительства РФ от 01.12.2009 № 1830-р «Об утверждении плана мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации»;
• Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации, разработанная на период до 2030 года, которая была утверждена распоряжением Правительства РФ от 03.04.2013 № 511-р.
В частности, в плане мероприятий дано указание сформировать предложения, позволяющие ограничить (или полностью запретить) использование неэффективного оборудования. Одним из озвученных предложений стала замена трансформаторов, которые морально устарели и выработали свой ресурс.
В стратегии развития электросетевого комплекса внимание фокусируется на дефиците средств, с которым сталкивалась отрасль на протяжении последних 20 лет. В результате хроническая нехватка инвестиций привела к технологическому старению электросетевой инфраструктуры.
По оценкам экспертов, около 50% распределительных сетей полностью выработали свой нормативный срок, а 7% находятся в эксплуатации более двух нормативных сроков.
Общий износ отечественных электросетевых активов специалисты оценивают в 70%. Это означает, что значительная часть электросетей морально устарела. При этом техническая оснастка оборудования подстанций по целому ряду ключевых параметров соответствует уровню оборудования, которое в индустриально развитых странах использовалось более 30 лет назад.
Аналитики пришли к выводу, что износ магистральной сетевой инфраструктуры, которая эксплуатируется ПАО «ФСК ЕЭС», составляет порядка 50%. Эта цифра существенно выше, чем в ведущих странах мира в области электроэнергетики, где уровень износа не превышает 27–44%.
Эксперты также обратили внимание на недостаточно интенсивные темпы внедрения в структуру электросетевого комплекса России инновационного оборудования, призванного снизить операционные затраты и обеспечить высокую надежность перераспределения и передачи электроэнергии.
Трансформатор под напряжением
Рынок силовых трансформаторов относится к категории развивающихся сегментов рыночной экономики России. После распада Советского Союза большинство предприятий трансформаторной промышленности оказались на территории стран СНГ. Заводы, оставшиеся в РФ, были вынуждены отстаивать свои позиции в непростой конкурентной борьбе с производителями из ближнего зарубежья, компаниями из Европы, Азии и Соединенных Штатов.
В кризисном 2009-м ситуация только усугубилась. Рынок трансформаторных установок сильно штормило. Впрочем, в таких же непростых условиях тогда оказалось множество других отраслей машиностроительного комплекса. Кризис негативно отразился на спросе, спровоцировал снижение цен на готовую продукцию и привел к заморозке тендеров.
Ощутимее всего влияние кризисных явлений прочувствовал на себе сектор производителей трансформаторного оборудования напряжением выше 35 кВ. В результате обвала цен он сократился на 25–35%. Немного меньше пострадал сегмент, в котором присутствовали компании-изготовители трансформаторных подстанций и трансформаторов напряжением 6–10 кВ. По оценкам экспертов, в первой половине 2009 года он просел на 20–30%.
Впрочем, сетевые компании, которые были и по-прежнему остаются основными потребителями силовых установок, сохраняли оптимистичный настрой. Комментируя ситуацию, их представители говорили, что под действием кризиса падение спроса не было критичным и не могло обрушить рынок.
Их оценки оказались недалеки от истины. Лихорадка продлилась недолго, и уже во второй половине 2009 года рынок продемонстрировал первые признаки выздоровления: заказов стало больше, а цены начали подниматься к прежнему уровню. Начало 2010 года ознаменовалось оживлением всех сег - ментов рынка.
На протяжении нескольких десяти - летий производители трансформатор - ных установок все свои силы направля - ли на повышение рабочих мощностей и напряжения. Однако максимальные значения были достигнуты еще во вре - мена СССР. Со временем в отрасли наметилась тенденция, которая сфор - мировала новое направление развития трансформаторного рынка.
В 2013–2014 гг. под напором со стороны зарубежных конкурентов и учитывая более строгие требования за - казчиков, российские производители задумались о необходимости интегра - ции разных технологий в единое целое. Это было сделано с целью создания но - вых моделей трансформаторов, мини - мизирующих негативное воздействие на окружающую среду. Прежде всего, речь идет о шуме, риске разлива масла и возгорания установки в случае аварии.
Одним из перспективных направ - лений можно назвать разработку и ис - пользование в производстве силовых трансформаторов высокоэффективных материалов. С их помощью участники рынка старались улучшить эксплуата - ционные характеристики своей продук - ции и тем самым повысить ее конкурен - тоспособность.
В результате в производство были запущены трансформаторы с использо - ванием высокотемпературной сверх - проводимости, управляемые шунтиру - ющие реакторы, модернизированные трансформаторные установки с регули - рованием напряжения под нагрузкой (РПН), которые отличались увеличен - ным сроком службы.
При разработке новых моделей став - ка делалась на конструкции, изготов - ленные из экологически чистых и него - рючих веществ. Производители активно работали над решением проблемы влияния магнитного поля, создаваемо - го токоограничивающими реакторами. Для этого была использована броневая конструкция, отвечающая требованиям санитарных норм.
Броневой тип реактора защищает трансформаторную подстанцию от ра - зогрева металлоконструкций и сводит к минимуму все возможные риски нега - тивного влияния на технические харак - теристики электрооборудования.
Наряду с необходимостью обеспе - чения надежности трансформаторов на первый план выходит поиск новых решений, призванных повысить про - должительность безремонтного срока службы электрооборудования. Потребность в такой инновации объясняется колоссальными потерями в случае выхода силовой установки из строя, большой динамикой энергопотребления, частыми перегрузками и высоким процентом изношенности трансформаторного парка.
Поставленную задачу удалось решить с помощью надежных комплектующих, которые не требуют ремонта и имеют нормативный срок эксплуатации, превышающий 30 лет (без капремонта).
В качестве примера можно привести РПН с вакуумными контактами, качественные крепежные элементы с горячим цинкованием, высоковольтные вводы с RIP изоляцией и воздухоосушители, не нуждающиеся в техническом обслуживании.
В число востребованных инновационных решений также вошли материалы с длительным сроком службы, которые используются в конструкции силовых установок: уплотняющая фтор-силиконовая резина с диапазоном рабочих температур от –60 °C до +140 °C и красящий состав со сроком эксплуатации не менее 30 лет.
В течение последующих трех лет динамика российского рынка трансформаторов отличалась непостоянством. Она демонстрировала как спады, так и подъемы производства. Например, подведение итогов 2016 года показало, что в России было произведено на 6% силовых установок меньше, чем годом ранее.
Уже год спустя, в 2017-м, был зафиксирован резкий всплеск производства. В итоге российские производители выпустили на 13,4% больше трансформаторов, чем в 2016 году.
Один из самых жестких и продолжительных кризисов в истории Российской Федерации существенно откорректировал структуру и ландшафт участников трансформаторного рынка. Падение потребительского спроса послужило поводом для развития разнообразных процессов.
В качестве примера самых значимых изменений можно назвать продажу и интеграцию бизнесов, оптимизацию затрат на производство, сбыт и логистику, а также появление новых компаний. На фоне этих событий произошло слияние двух бизнесов: «Русский трансформатор» стал торговой маркой ООО «НВА».
В период с 2015 г. по 2018 г. средняя стоимость трансформаторных установок увеличилась на 17,9% – с 438669,0 руб./МВ.А. до 517091,7 руб./ МВ.А. Самый резкий скачок цен на рынке трансформаторов был зафиксирован в 2016 году. Тогда темп роста составил 20,7%.
Ветер перемен
Сегодня энергоэффективность любого предприятия, независимо от формы собственности, уже перестала быть модным трендом и постепенно превратилась в насущную необходимость. Собственники бизнеса понимают, что потери электроэнергии – это неоправданные затраты денежных средств (проще говоря – прямой убыток), которые нередко способствуют банкротству даже некогда успешной компании.
Повышения энергоэффективности, а вместе с ним и снижения потерь можно достичь с помощью революционных изменений конструкции и материалов, которые используются для производства трансформаторного оборудования. С того момента как вступил в силу Федеральный закон № 261-ФЗ, потребность в изменении ключевых характеристик агрегата только увеличилась.
Как показывает практика, уже более века конструкция силовых установок остается неизменной. Они состоят из магнитопровода (сердечника) и обмоток, в конструкцию масляных трансформаторов еще входит бак – стальной резервуар, заполненный трансформаторным маслом.
Строение бака определяется системой охлаждения, мощностью и типом агрегата. Для маломощного оборудования не требуется большой площади поверхности для того, чтобы отвести сравнительно небольшое количество тепловой энергии, которая выделяется в процессе эксплуатации.
Как правило, в силовых установках малой и средней мощности резервуар с маслом закрывается крышкой, на которой устанавливаются вводы, расширитель, выхлопная труба, контрольно-измерительная и сигнальная аппаратура.
Все изменения, которые когда-либо вносились в конструкцию трансформаторного оборудования, были больше эволюционными, чем революционны - ми. Например, вместо горячекатаных марок стали начали использовать хо - лоднокатаные, на смену медной обмотке пришла алюминиевая, толстостенный трансформаторный резервуар уступил место тонкостенному гофробаку и т. п.
Эволюционная составляющая точек развития конструкции трансформато - ра определяется противостоянием двух тенденций:
1. Требование рынка к снижению стоимо - сти установок как товарной единицы;
2. Необходимость использования инно - вационных дорогостоящих техноло - гических решений для производства энергоэффективных трансформато - ров.
Цены, сформированные законом ры - ночного спроса и предложения, удержи - вают производителей в жестких цено - вых рамках и препятствуют внедрению революционных технологий, поскольку это может привести к резкому подоро - жанию продукции.
Сегодня далеко не каждый завод готов рискнуть и при неблагоприятном стечении обстоятельств оказаться в аут - сайдерах электротехнического рынка, пусть даже имея в своей продуктовой линейке инновационные модели сило - вого оборудования.
Многообразие выбора
В зависимости от типа охлаждаю - щей среды трансформаторы делятся на сухие и масляные. Сухие трансформа - торные установки оснащены системами естественного охлаждения, работающи - ми по принципу конвекции. Подобный метод отвода тепла эксперты считают малоэффективным, поэтому он приме - няется в агрегатах мощностью до 1600 кВА при напряжении не более 15 кВ. По типу исполнения охлаждение ат - мосферным воздухом бывает:
• Открытое (обозначается символом С);
• Защитное (обозначается символами СЗ);
• Герметизированное (обозначается символами СГ);
• С принудительной циркуляцией воз - духа (обозначается символами СД).
В состав конструкции сухой транс - форматорной установки входит за - щитный кожух, который прикрывает сердечник и обмотки, расположенные на активной части агрегата. Также он за - крывает вводы шин низкого и высокого напряжения.
Магнитопровод изготавливатся из высококачественной электротехниче - ской стали, укрепляется с помощью специального бандажа и стяжных шпи - лек. После этого на сердечник наносит - ся клеящий состав, который призван минимизировать уровень шума. Затем все это покрывается кремнийорганической краской, предотвращающей процессы коррозии.
В качестве материала для обмоток высокого напряжения используется изолированный провод или ленточная фольга. Сама обмотка состоит из последовательно соединенных между собой секций.
Обмотка низкого напряжения изготавливается из медной или алюминиевой фольги, которая наматывается вместе со стекловолоконной тканью, пропитанной специальным составом на основе смолы. Это обеспечивает прочность конструкции, придает ей дополнительную жесткость и повышает стойкость к токам короткого замыкания.
В электроэнергетике существует четыре типа масляных трансформаторов, которые по строению принципиально отличаются друг от друга:
• Трансформатор масляный (ТМ);
• Трансформатор масляный герметичный (ТМГ);
• Трехфазный масляный трансформатор в герметичном исполнении с защитой масла сухим азотом (ТМЗ);
• Трехфазный масляный трансформатор с системой охлаждения, где масло и воздух циркулируют естественным путем. Напряжение регулируется под нагрузкой (ТМН).
Несмотря на востребованность моделей разных видов, большинство российских и зарубежных производителей наладили выпуск трансформаторных установок серии ТМ и ТМГ, которые пользуются наибольшим спросом. Друг от друга они отличаются тем, что у трансформатора ТМГ отсутствуют:
1. Контакт масла с внешней средой, что улучшает диэлектрические свойства трансформаторного масла.
2. Расширитель.
А что по нормативу?
В ГОСТ Р 52719–2007 «Трансформаторы силовые. Технические условия» приведены основные технические требования, которым должны соответствовать все силовые трансформаторные установки, разработанные после 1 января 2008 года.
Исходя из этих требований, все модели современных трансформаторов отечественного производства примерно соответствуют установленным нормативам. Следовательно, и параметры потерь у них приблизительно равны.
В отличие от российского трансформаторного оборудования к распределительным трансформаторам, которые изготавливаются на территории стран, входящих в ЕС, применяются три типа стандартов:
• Международные стандарты (ISO, IEC);
• Европейские стандарты и нормы (EN, HD);
• Национальные стандарты (DIN, OTEL, UNE, BSI, NEN, NF).
Основными из этих нормативных документов являются:
– HD428 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 50 до 2500 кВА с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36 кВ»;
– HD528 «Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50 Гц от 100 до 2500 кВА с охлаждением сухого типа и максимальным напряжением не выше 36 кВ».
Согласно нормативам, приведенным в указанной документации, основными показателями энергоэффективности трансформаторного оборудования являются размеры потерь нагрузки и холостого хода. Допустимыми считаются три уровня максимальных потерь нагрузки, которые обозначаются буквами А, В и С, а также три уровня потерь холостого хода – А’, B’ и C’. Следовательно, возможны 9 вариантов комбинаций.
Силовое масляное оборудование уровня А-А’ и В-В’ имеет на 20–30% более высокий уровень потерь, чем С–С’. Следовательно, только трансформаторы уровня С–С’ можно отнести к категории эффективных. Однако эксперты признают, что на сегодняшний день не существует единого критерия, признанного во всех странах мира, согласно которому трансформаторную установку можно безоговорочно назвать энергоэффективной.
По оценкам аналитиков, в России потребительский спрос на силовые распределительные трансформаторы мощностью 25–6300 кВА составляет около 57 тыс. шт. в год. В денежном эквиваленте ежегодный объем трансформаторного рынка оценивается в 12 млрд руб.
Однако здесь следует отметить, что приведенные данные охватывают только масляные установки типа ТМГ и сухие трансформаторы с литой изоляцией типа ТСЛ с алюминиевыми обмотками. Следовательно, 12 млрд руб. – это только минимальное значение объема отечественного трансформаторного рынка.
Если же учесть, что российскими потребителями востребованы и другие, более дорогостоящие виды трансформаторов, ориентировочная сумма может вырасти до 20 млрд руб.
Далее эксперты сравнили параметры потерь в наиболее энергоэффективной комбинации по нормативу HD428 и пришли к выводу, что оборудование отечественного производства существенно «недотягивает» до европейских стандартов.
К переменам будь готов!
В сложившейся ситуации многие эксперты задаются вопросом: готовы ли российские заводы бросить вызов конкурентам и потеснить с трансформаторного рынка продукцию зарубежных производителей? Насколько иностранные компании заинтересованы в локализации своих производств на территории России?
Сетевые компании неоднократно акцентировали внимание на высокой степени износа оборудования в электросетевом комплексе страны. Несмотря на то что в последнее время этот процент удалось немного сократить за счет ввода в эксплуатацию новых мощностей, он значительно превышает аналогичный показатель стран Евросоюза. Следовательно, в модернизацию необходимо инвестировать большие суммы и в этом вопросе без отечественных производителей обойтись не удастся.
Сегодня задачи по совершенствованию конструкции трансформаторных установок по-прежнему ориентированы на создание новых и улучшение эксплуатационных характеристик уже используемых материалов.
Если более детально углубиться в тему разработки инновационных проводниковых материалов, которые используются при производстве силового оборудования, следует обратить внимание на высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП).
Первопроходцами в этом направлении стали сразу несколько крупнейших компаний: «европейцы» Alston и АВВ, американская Westinghouse и K.E.P.C. из Японии. В основу экспериментальных исследований было положено использование низкотемпературных сверхпроводников (НТСП).
Однако разработчики столкнулись с серьезной проблемой, которая поставила под сомнение перспективность использования новой технологии. Дальнейшее развитие НТСП нуждалось в создании огромных криогенных систем, которые используются для изготовления жидкого гелия. Высокая стоимость такого оборудования сделала эксплуатацию трансформаторного оборудования на базе низкотемпературных сверхпроводников экономически невыгодной.
В середине 1980-х годов были открыты высокотемпературные материалы. Это событие позволило отказаться от нерентабельной технологии и окончательно отойти от идеи сооружения охлаждающих систем.
Специалисты обратили внимание на две важные особенности нового сверхпроводника:
1. Минимальные потери при высокой плотности тока.
2. Переход от нулевого значения сопротивления к большому.
Открытие задало новый вектор развития сектору проводниковых материалов. Страны с развитой экономикой начали активно осваивать ноу-хау и использовать ВТСП в конструкции силовых трансформаторов для того, чтобы снизить активную мощность потерь короткого замыкания.
На сегодняшний день уже изготовлены опытные образцы ВТСП трансформаторных установок. В большинстве из них использован многожильный транспонированный провод с серебряной или серебряно-магниевой основой.
Основными преимуществами новых трансформаторов являются:
• Снижение нагрузочных потерь при номинальном токе на 80–90%. Это позволило существенно увеличить КПД агрегата;
• На 40% снижена масса и габаритные размеры трансформаторного оборудования по сравнению с традиционными трансформаторами, которые используются в распределительных сетях сейчас. Благодаря этой особенности энергетики смогут модернизировать действующие подстанции и увеличивать их мощность, но при этом ничего не перестраивать и не вносить значительных изменений в конструкцию ПС;
• Возможность ограничивать токи короткого замыкания. В случае возникновения аварийной ситуации это позволяет защитить сетевое оборудование и улучшает динамическую устойчивость;
• Повышение статической устойчивости, которое является следствием снижения индуктивного сопротивления. Высокая плотность тока позволяет использовать меньше провода в обмотках трансформаторов ВТСП, что собственно и приводит к минимизации индуктивного сопротивления и влияет на устойчивость энергосистемы;
• Способность стойко переносить перегрузки без ущерба для изоляции и не ускоряя процесс старения оборудования;
• Пожаробезопасность и экологичность. Эти качества удалось повысить за счет замены традиционного трансформаторного масла жидким азотом, который является совершенно безвредным для окружающей среды.
Специалисты из Министерства энергетики Соединенных Штатов проанализировали перспективы использования высокотемпературных трансформаторов мощностью до 30 МВА в распределительных электрических сетях и пришли к оптимистичным выводам.
По их оценкам, затраты, связанные с эксплуатацией ВТСП трансформаторных установок, на протяжении всего срока службы будут на 50% ниже по сравнению с расходами на обслуживание оборудования, которое используется в настоящее время.
Однако в бочке меда традиционно не обошлось без ложки дегтя. Даже у таких, казалось бы, совершенно идеальных трансформаторов нашлись недостатки, связанные с необходимостью защиты агрегата от выхода из сверхпроводящего состояния.
В момент его подключения к сети сила тока может достичь значений, которые в 20 раз превышают номинальные. В результате существует высокая вероятность изменения сопротивления высокотемпературного провода. Этого можно избежать, если предварительно его намагнитить, а уже затем включить агрегат без переходного тока.
При нагрузке, которая незначительно превышает номинальную, существенно увеличиваются потери. Поэтому продолжительная работа в таком режиме становится экономически невыгодной. Помимо этого, после перегрузки, длившейся более 200 мс, даже при условии полного отключения трансформатора ему потребуется несколько минут для возвращения в исходное состояние.
Учитывая эти особенности, прежде чем рассуждать о перспективах и строить планы массового внедрения ВТСП трансформаторных установок в распределительные сети, следует позаботиться о мерах защиты от аварийных режимов и найти способ, позволяющий обеспечить бесперебойное энергоснабжение потребителей во время простоев трансформатора. Однако и это еще не все. Еще одним негативным моментом в использовании высокотемпературной сверхпроводимости является высокая цена ВТСП провода.
По оценкам аналитиков, такой трансформатор будет обходиться заказчикам на 23% дороже, чем стоимость традиционного трансформатора. На сегодняшний день уже многие зарубежные компании объявили о завершении этапа разработки нового трансформатора и рассказали о готовности приступить к массовому производству. Можно ожидать, что уже в скором времени в продажу поступят первые серийные модели.
Кабель высокого напряжения
Развитие технологий производства высоковольтной кабельной продукции заложило прочную базу для создания кабеля с изоляционным материалом из поперечно-сшивного полиэтилена (XLPE). Пионером, применившим новый кабель для производства трансформаторов, стала международная компания АВВ. Специалисты концерна разработали новый тип кабельной трансформаторной установки – Dryformer. Это сухой трансформатор с более четким определением функций отдельных частей, чем у других агрегатов.
Его обмотки выполнены из кабеля, полностью обеспечивающего электроизоляцию. В отличие от обычного трансформаторного оборудования, обмотка кабельного трансформатора не нуждается в прессовке с опорой на ярмо.
Кабель содержит многопроволочную жилу, которая изготавливается из меди или алюминия. Поверх этой токопроводящей жилы тонким слоем накладывается полупроводящий материал.
На данный момент используется кабель с рабочей напряженностью до 10 кВ/мм. В трансформаторе нового типа воздух применяется только для охлаждения оборудования. Он уже не выполняет роль изоляции, как в обычных сухих трансформаторных установках.
К числу основных преимуществ кабельных агрегатов относят:
• Снижение мощности потерь короткого замыкания. Этого удалось достичь за счет использования специального кабеля, который позволил устранить неравномерность электрического поля, создаваемого многопроволочной жилой;
• Пожаробезопасность. В конструкцию кабельного трансформатора входит меньше элементов, изготовленных из горючих материалов. Помимо этого, даже те материалы, которые используются в новой трансформаторной установке и относятся к категории горючих, имеют меньшую склонность к возгоранию, чем те, что применяются в обычных распределительных агрегатах;
• Экологичность. В конструкции трансформатора не используется трансформаторное масло, а вся изоляция изготовлена из полипропилена. Таким образом, полностью исключена возможность утечки масла и загрязнения окружающей среды. Следовательно, трансформаторное оборудование нового типа можно устанавливать на ГЭС, в подземных сооружениях, городской среде и т. п.;
• Сокращение общих потерь в сети. Благодаря своей экологичности, кабельный трансформатор также можно использовать в населенных пунктах с высокой плотностью населения и даже устанавливать его непосредственно в местах энергопотребления. Это позволяет сократить протяженность линий электропередачи и снизить общие потери сети. На примере Швеции эксперты подсчитали, что установка трансформатора нового типа в центре жилого района и замена 5 км силового кабеля напряжением 24 кВ на кабель 69 кВ позволит снизить потери в сети на 8,5 ГВт*ч за 30 лет;
• Надежность.
Простота конструкции, отсутствие трансформаторного масла и вводов высокого напряжения значительно повышают показатели надежности агрегата. Однако новому типу распределительного кабельного трансформатора свойственны и существенные недостатки. Например, при колебании температур, особенно при значительном повышении температурных показателей, механические свойства полиэтиленовой изоляции существенно изменяются. Поэтому одной из основных проблем такого оборудования эксперты называют не старение изоляции, а снижение прочности изолированной полиэтиленом обмотки при воздействии высоких температур.
Важной причиной, которая тормозит использование кабельных трансформаторов в промышленных масштабах, является высокая стоимость оборудования. По оценкам экспертов, она на 50% превышает цену обычных агрегатов, которые сегодня эксплуатируются в сетевом хозяйстве.
Тем не менее специалисты уверены, что, несмотря на эти недостатки, дальнейшее совершенствование кабельных технологий позволит улучшить конструкцию отдельных частей трансформатора и устранит имеющиеся на сегодняшний день минусы.
Как не заблудиться в трех соснах
Согласно данным, опубликованным компанией Metglas (США), ежегодно потери в силовых трансформаторных установках распределительных сетей с магнитопроводом, изготовленным из высококачественной электротехнической стали, составляют 8% от их закупочной стоимости.
Вопрос снижения потерь холостого хода становится особо актуальным на фоне реализации государственной программы Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 г. № 2446-р.
Документ рекомендует ведущим энергосистемам в момент покупки силовых агрегатов и распределительных трансформаторов учитывать стоимость потерь в оборудовании за весь период его эксплуатации, поскольку из-за потерь в сердечниках теряется около 4% энергии, генерируемой в целом по стране.
Величина потерь холостого хода зависит от типа магнитопровода. Сегодня чаще используются три типа сердечников, которые присутствуют в конструкции силовых трехфазных трансформаторных установок:
• Шихтованные;
• Витые;
• Порошковые.
Самое широкое распространение получили силовые трансформаторы с шихтованными магнитопроводами. Они бывают трех видов: MITRED CORE, BUTT-LAP, а также MULTI STEP-LAP CORE, который является самым востребованным в этой продуктовой линейке.
Популярность этой конструкции объясняется простотой сборки, поскольку при таком способе шихтовки применяется минимальное число стальных пластин в слое и самое малое количество их типоразмеров.
Наряду с уменьшением активных потерь в магнитопроводе на 13%, многошаговое соединение внахлест, свойственное MULTI STEP-LAP CORE, позволяет существенно снизить магнитострикцию и минимизировать вибрацию. В процессе эксплуатации этого трехфазного трансформатора был зафиксирован рост магнитной индукции до 120%.
Несмотря на увеличение поверхности перехода магнитного потока из стержней в ярма с использованием магнитопровода типа MULTI STEP-LAP CORE, уровень потерь холостого хода в нем оказывается намного выше, чем в трехфазных агрегатах с сердечником BUTT-LAP.
Это объясняется тем, что при шихтовке MULTI STEP-LAP CORE существенно увеличивается доля магнитного потока, проходящего поперек пластин. Также стоит обратить внимание на тот факт, что объем частей магнитопровода с деформированной сталью при косом резе выше, чем при прямом, что оказывает непосредственное влияние на величину активных потерь в сердечнике.
Как видим, все преимущества использования в производстве силовых трансформаторов новых видов шихтовок существенно меркнут на фоне побочных эффектов, связанных с технологией производства пластин электротехнической стали.
Ситуацию можно исправить с помощью нормализационного отжига, который способствует снижению внутренних напряжений в стальных листах и минимизирует уровень потерь. Однако и здесь не все так гладко, поскольку использование отжига значительно увеличивает стоимость магнитопровода. Поэтому на практике при подготовке листов электротехнической стали эта технология применяется не часто.
В ходе экспериментов разработчикам силовых трансформаторов с шихтованным сердечником удалось выяснить, что использование в одном магнитопроводе стальных листов разного типа (изотропной и анизотропной стали) позитивно влияет на технико-экономические характеристики трансформаторного оборудования.
Например, замена анизотропной стали на изотропную в зонах перехода магнитного потока из стержней в ярма позволяет снизить потери мощности в сердечнике и одновременно с этим уменьшить стоимость всей трансформаторной установки. Такие варианты шихтовок называются Sandwich. В них зона перехода полностью состоит из пластин изотропной стали.
С каждым днем в процессе изготовления силовых трансформаторов малой и средней мощности все чаще используются витые сердечники, что объясняется постоянным совершенствованием их конструкции. Условно витой конструкцией магнитопровода можно назвать технологию производства сердечников UNICORE, которые были разработаны и запатентованы компанией A.E.M.Cores из Австралии.
Магнитный поток не может справиться с препятствием, которое создается с помощью воздушного зазора. Он вынужден обходить преграду по расположенным рядом несущим лентам, где таких препятствий нет.
Если говорить о порошковых магнитопроводах, то на сегодняшний день они не получили широкого распространения. Это объясняется высокой стоимостью оборудования, сравнительно небольшим модельным рядом и низкой магнитной индукцией.
Нанотехнологии наступают
В конце минувшего столетия японская компания Hitachi Metals объявила о создании уникального нанокристаллического сплава. Впоследствии на базе инновационного материала был разработан новый тип трансформаторных установок, которые получили название аморфных.
Тончайший сплав оказался наиболее пригодным для производства распределительных трансформаторов и трансформаторного оборудования малой мощности. Новинки уже прошли серию испытаний и из категории экспериментальных экземпляров перешли в разряд серийных продуктов.
Агрегаты с магнитопроводом из нового сплава производятся во многих странах мира. На сегодняшний день уже в общей сложности выпущено около 70 тыс. трансформаторов мощностью от 25 до 100 кВА. По оценкам экспертов, на фоне остальных разработчиков и производителей электрооборудования нового типа выделяются компании Hitachi (Япония) и Allied Signal (США).
Российские производители также держат руку на пульсе событий. В 2012 году выпуск силового трансформаторного оборудования с магнитопроводами из нанокристаллического сплава наладила Группа «Трансформер» (г. Москва) – отечественный производитель и поставщик инновационного электрооборудования в классе 0,4–35 кВ.
Однако технологии не стоят на месте. Они постоянно совершенствуются, и именно это позволило создать новую модель трехфазного распределительного трансформатора, который недавно был запущен в одной из европейских стран.
Его уникальность заключается в мощности агрегата, которая в несколько раз превышает мощность уже ставших традиционными моделей с сердечником из аморфной стали и составляет 1600 кВА.
Переходу к изготовлению крупногабаритных магнитопроводов трансформаторных установок предшествовала разработка новаторской технологии производства. Известно, что новый энергоэффективный трансформатор изготовлен из ленты, которая формируется из струи аморфного сплава в условиях, обеспечивающих сверхбыстрое охлаждение материала.
Эксперты отмечают, что ключевым преимуществом нанокристаллического сплава является минимизация потерь энергии в магнитопроводе трансформаторной установки. По оценкам специалистов, использование этого материала позволяет снизить потери энергии в сердечнике в среднем на 80% по сравнению со стальным магнитопроводом. На сегодняшний день ощутимым минусом магнитных сердечников, изготовленных из наноматериала, попрежнему остается высокая стоимость оборудования. Такая дороговизна объясняется большим потреблением исходных материалов и необкатанностью технологии производства. По мере увеличения размеров магнитопровода сложности производства превращаются в задачу со звездочкой.
К числу недостатков аморфного сердечника можно отнести и его низкую механическую прочность. Эта особенность материала не позволяет использовать магнитопровод в качестве несущей конструкции, на которую ложится нагрузка всей активной части трансформатора. Поэтому он фиксируется на обмотках, установленных на устойчивое основание, и нуждается в дополнительном увеличении жесткости конструкции.
На протяжении продолжительного периода времени активному внедрению наноматериалов в сферу трансформаторостроения препятствовала высокая себестоимость готовых изделий. Однако, по оценкам аналитиков, несмотря на высокую цену аморфных трансформаторов, в долгосрочной перспективе именно это приобретение окажется выгодным вложением капитала за счет экономичности оборудования.
Даешь безопасность!
В последнее время к экологичности трансформаторного оборудования предъявляются более жесткие требования, чем раньше. Не секрет, что в конструкции масляного трансформатора одним из самых вредных и опасных для окружающей среды веществ является масло.
Оно содержит полихлорбифениловые (ПХБ) диэлектрики (совол, совтол, гексол, головакс и др.), ядовитые вещества первого класса опасности, которые могут нанести существенный вред природе и здоровью людей.
Наряду с этим трансформаторное масло таит в себе еще одну серьезную угрозу. Этот продукт нефтепереработки является взрывоопасным. Поэтому в технических требованиях все чаще можно увидеть трансформаторы, изолированные с помощью газа.
Элегаз (шестифтор) – это электротехнический газ. Уникальность вещества заключается в том, что оно не меняет своих физических свойств с течением времени (не стареет), под действием электрического разряда распадается, но быстро воссоединяется, восстанавливая первоначальную диэлектрическую прочность.
Это свойство элегаза обеспечивает высокое качество изоляции при небольшом рабочем давлении газа, минимальных размерах и изоляционных расстояниях, что позволяет уменьшить вес и габариты трансформатора. При этом высокая степень охлаждаемости элегаза снижает нагрев токоведущих частей.
Все эти качества объясняют целесообразность использования элегаза в конструкции трансформаторов взамен традиционного трансформаторного масла. Такие агрегаты назвали элегазовыми. Их важными преимуществами являются экологичность и пожаробезопасность.
Однако следует отметить, что меньшая импульсная прочность и пониженная теплопередающая способность шестифтористой серы вынуждают существенно увеличивать давление газа внутри трансформаторного бака, вследствие чего эксплуатация элегазовых трансформаторов становится экономически невыгодной.
Это не единственные проблемы, с которым приходится бороться разработчикам трансформаторного оборудования на основе шестифтора. Еще одной задачей, нуждающейся в поиске эффективного решения, является необходимость проведения регулярной диагностики технического состояния агрегата. По оценкам специалистов, им может стать адаптивное нейро-нечеткое устройство вывода (ANFIS). Его функционал позволяет тестировать оборудование и выявлять неисправности на ранних стадиях.
Требованиям экологичности, взрыво– и пожаробезопасности также соответствуют сухие трансформаторы. В их конструкции отсутствует трансформаторное масло, поэтому угроза утечки или возгорания полностью отсутствует.
Все сухие силовые трансформаторные установки можно разделить на два типа:
• Трансформаторы с литой изоляцией;
• Трансформаторы с воздушно-барьерной изоляцией.
Эксплуатация такого оборудования позволяет более экономно расходовать электрическую энергию. Экономия достигается за счет минимизации потерь в кабельных сетях низкого напряжения, а также благодаря возможности устанавливать трансформаторы в непосредственной близости от объектов энергопотребления.
Помимо описанных выше преимуществ, использование сухих трансформаторных установок позволяет снизить затраты на строительство распределительных подстанций и обустройство сетевой инфраструктуры. Это объясняется рядом причин:
1. Отсутствует вероятность утечки трансформаторного масла.
2. Габаритные размеры и масса сухих агрегатов ниже, чем у масляных трансформаторов с такой же мощностью.
3. Минимальные расстояния от распределительной подстанции до конечного потребителя.
Всем сухим трансформаторным установкам свойственна общая проблема. Речь идет об ограничении максимальных показателей мощности условиями охлаждения.
Разработчиком передовых технологий в вопросах пожаростойкости и взрывобезопасности трансформаторов сухого типа с литой изоляцией, серийное производство которых было запущено на территории Российской Федерации, является торговая марка Trihal («Триал»).
Электрооборудование компании содержит изоляцию из эпоксидной смолы с огнеупорными порошковыми наполнителями, залитую в вакууме. Наполнитель, в основном, состоит из тригидрата алюминия и кремнезема, увеличивающего механическую прочность изоляционного материала и улучшающего рассеивание тепла.
Тригидрат алюминия (именно это название легло в основу торговой марки) обладает высокими огнегасящими характеристиками, которые особенно ярко проявляются в момент воздействия на трансформатор открытого пламени:
• Под действием огня формируется отражающий огнеупорный экран, который защищает обмотки от негативного воздействия высоких температур;
• При разложении алюминиевого наполнителя образуется так называемая «паровая рубашка», которая снижает температуру обмоток. Помимо этого, водяной пар защищает оборудование от воспламенения и препятствует распространению огня;
• Химическая реакция разложения наполнителя сопровождается активным поглощением тепловой энергии, поэтому температура не поднимается выше точки возгорания.
Комбинация сразу нескольких противопожарных эффектов способствует незамедлительному самогашению трансформаторной установки. В продуктовой линейке зарубежных компаний аналогичным техническим решением является серийный выпуск оборудования под торговой маркой CRT.
Анализ потребительского спроса показывает, что современный рынок трансформаторного оборудования нуждается как в силовых масляных, так и в сухих трансформаторах.
Важным плюсом сухих агрегатов являются эффективные изоляционные материалы, современные принципы конструирования и инновационные технологические решения. Поэтому отчетливо ощущается тенденция смещения спроса в сторону сухих трансформаторных установок.
Интеллект всегда в тренде
В последнее время огромное внимание уделяется разработкам и внедрению «умных» электрических сетей. О перспективах создания Smart Grid говорят уже на протяжении нескольких лет. Эксперты уверены, что построение интеллектуальной электрической распределительной сети обеспечит более эффективную эксплуатацию электрооборудования, позволит оптимизировать распределение нагрузки в сети.
Создание таких систем, которые в будущем позволят быстро и просто интегрировать в них возобновляемые источники энергии, назвали Mid-Small Grid. Ожидается, что они могут стать важной ступенью на пути перехода к максимально эффективным системам самого высокого уровня – Microgrid, где источник генерации и потребитель электроэнергии будут единым целым.
По оценкам аналитиков, разработка и внедрение новых интеллектуальных решений создадут прочную базу для интегрирования систем распределения энергетических ресурсов (DERs), в состав которых войдут системы аккумулирования и потребления энергии. По замыслу разработчиков они смогут функционировать как автономно, так и в составе единой энергетической системы страны.
В системах Smart Grid распределительная трансформаторная установка используется с целью обеспечения интеграции низковольтной Microgrid переменного тока в систему распределения среднего напряжения. Второй ее функцией является участие в формировании Microgrid.
Трансформаторы призваны обеспечивать высокий коэффициент мощности и оптимальный коэффициент нагрузки, который зависит от наличия (или отсутствия) перепадов напряжения в первичной и вторичной сетях. Таким образом, создание новых «умных» систем нуждается в разработке и внедрении нового трансформаторного оборудования.
Чтобы сгладить колебания напряжения электрической энергии, необходимо переключаться с одной обмотки на другую, которая отличается от предыдущей количеством витков.
В большинстве случае напряжение в электросети регулируется с помощью трансформаторов, где процесс переключения осуществляется электромеханическим способом. Эксперты отмечают, что такой способ приводит к быстрому износу контактов. Следовательно, он требует постоянного контроля над техническим состоянием оборудования.
Надежность полупроводниковых переключателей на порядок выше, но и управлять их работой существенно труднее. На основании этого специалисты пришли к выводу, что наиболее перспективным решением сложного вопроса является использование тиристорных регуляторов напряжения, которые используют свойства p-n-перехода.
Полупроводниковые трансформаторные установки будут оснащены специальными чипами. В список опций компьютерной микросхемы будут входить быстрое реагирование на перепады напряжения и качественное регулирование колебаний электрической энергии в более широких пределах.
Эксперты уверенно заявляют, что внедрение полупроводниковых трансформаторов в электросеть позволит эффективно управлять нагрузками и энергопотреблением в каждом отдельно взятом домохозяйстве и станет оптимальным дополнением системы Smart Grid.
По оценкам аналитиков, использование трансформаторного оборудования нового поколения позволит экономить в Соединенных Штатах около 3% электрической энергии. Этот показатель в несколько раз превышает генерацию всех солнечных электростанций страны.
Для регулирования реактивной мощности требуется последовательное подключение к ЛЭП регуляторов перетока мощности. Одним из таких устройств является объединенный регулятор перетока мощности (UPFC). Однако на сегодняшний день технология производства и затраты, связанные с установкой и эксплуатацией такого оборудования, слишком высоки, что существенно препятствует их активному распространению.
Функции регулятора перетока мощности может выполнять трансформатор Sen. При этом он более надежный, экономически выгодный и обладает высоким КПД. По сути, это своего рода альянс трансформаторной установки и переключателя ответвлений, которые используются для построения регулятора угла фаз и регулировочного трансформатора напряжения.
Sen позволяет контролировать переток активной и реактивной мощности в распределительных сетях. Однако на сегодняшний день этот трансформатор ни в одной из энергосистем не используется.
В основу Mid-Small Grid положена идея разработки адресных поставок электроэнергии. Для комплектации адресных комплектных трансформаторных ПС необходима установка сухих силовых трехфазных и однофазных (фактически двухфазных) энергоэффективных агрегатов. Обязательными требованиями к новому трансформаторному оборудованию являются надежность и сравнительно невысокая отпускная цена.
Промышленные образцы таких трансформаторов под маркой TSG уже выпускаются специалистами ООО «ЭлЭнергоМаш» (г. Мытищи).
На основании всего вышеизложенного можно сделать такие выводы о перспективах и основных точках роста российской энергетики:
1. Одной из ключевых задач технической политики на ближайшие 12 лет станет разработка и внедрение системы Smart Grid. Особое внимание будет уделяться поиску новых эффективных технологических решений, способствующих снижению потерь электрической энергии в сетях в процессе передачи и распределения.
2. Основным драйвером роста отечественной энергетики в сложных внешнеполитических и экономических условиях станет реализация государственной программы РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики».
3. Поскольку потери в наиболее эффективной комбинации потерь нагрузки и холостого хода (С–С’) согласноевропейскому стандарту HD428 намного ниже аналогичного показателя большинства российских трансформаторов, необходимо направить все усилия на улучшение конструкции трансформаторного оборудования отечественного производства. Это повысит конкурентоспособность силовых трансформаторов на внутреннем и внешнем рынках, а также станет важным шагом на пути перехода к энергоэффективной экономике.
4. На новом этапе развития трансформаторостроения на первый план выходит необходимость создания новых и совершенствование уже существующих проводниковых, магнитных и изоляционных материалов. Прогресс в этом направлении может стать ценным вкладом в улучшение конструкции силовых и распределительных трансформаторов.
5. Одним из решений задачи по усовершенствованию изоляционных материалов стало применение элегаза вместо традиционного трансформаторного масла. Такие трансформаторы назвали элегазовыми. Основными их преимуществами являются экологичность и пожаробезопасность.
6. В области создания и внедрения инновационных проводниковых материалов можно подчеркнуть важность применения высокотемпературных сверхпроводников и производство ВТСП трансформаторов, в конструкции которых они используются. В настоящее время тестируются опытные образцы трансформаторного оборудования, разработанного на базе ВТСП ленты ІІ поколения.
7. Следует обратить внимание на перспективность создания инновационных магнитных материалов, где особое место занимает нанокристаллический сплав. Его технические характеристики нашли применение в аморфных трансформаторах, которые открыли новую страницу в истории трансформаторостроения. Сегодня усилия многих производителей трансформаторного оборудования направлены на разработку лент из аморфных сплавов – сравнительно недорогих и обладающих улучшенными магнитными свойствами.
8. Эксперты отметают тенденцию к изменению типа магнитного сердечника и его шихтовки. Все активнее в конструкцию силовых трехфазных трансформаторов малой и средней мощности внедряются витые магнитопроводы с шихтовкой, выполненной по технологии UNICORE. Производители проявляют интерес к шихтованным магнитным сердечникам типа «Sandwich».
9. В последнее время эксперты электроэнергетического рынка много говорят о перспективности создания системы «Smart Grid» и поэтапном переходе к энергоэффективным системам высочайшего уровня Microgrid. Ожидается, что такие электросети позволят обеспечить снижение затрат на строительство и эксплуатацию электросетевой инфраструктуры, минимизацию потерь при получении и распределении электроэнергии, а также повышение эффективности использования ВИЭ. Большинство этих требований может быть реализовано с помощью полупроводниковых трансформаторов, например, таких как «Sen».
В отчетах сетевых компаний, профильных министерств и ведомств приводятся цифры, которые прогнозируют пусть и незначительный, но рост российской экономики. Следовательно, будет увеличиваться энергопотребление, которое, в свою очередь, потребует ввода новых мощностей. На основании этого можно сделать вывод, что в среднесрочной перспективе силовые трансформаторы будут по-прежнему востребованными. Также будет увеличиваться спрос на трансформаторное оборудование, которое способствует интеллектуализации электрических сетей.
