При оценке качества проектирования системы электроснабжения объекта в первую очередь необходимо проверять правильность выбора силового трансформатора, исходя из его характеристик, условий эксплуатации и технических особенностей конструкции. Неправильный выбор трансформатора может повлечь за собой более высокие эксплуатационные расходы.

Не так давно на российском рынке электрооборудования появились сухие трансформаторы. Как правильно выбрать сухой трансформатор, на какие характеристики необходимо обратить внимание прежде всего? Об этом – в материале Марии Александровны Андреевой.

Мария Андреева, начальник отдела трансформаторного оборудования ООО «Росполь-Электро+», г. Санкт-Петербург

СУХИЕ СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ 6–35 кВ
Критерии выбора

Одним из основных требований ОАО «Холдинг МРСК» к современному электросетевому оборудованию является обязательное использование новых технологий, позволяющих снизить удельные затраты и повысить эксплуатационные характеристики элементов сети. В первую очередь это касается надежности и необслуживаемости электроэнергетического оборудования.

Требование по необслуживаемости выдвинуто с целью снижения эксплуатационных затрат и максимального снижения значения человеческого фактора. Этот аспект важен и для покупателя, стремящегося снизить реальную стоимость трансформатора (включая цену самого трансформатора, затраты на его установку и последующую эксплуатацию).

В связи с этими требованиями в России растет спрос на сухие трансформаторы, в первую очередь на трансформаторы с литой изоляцией. Благодаря простоте монтажа и обслуживания, малым эксплуатационным расходам, экологичности и высокой пожаробезопасности этот тип оборудования находит всё большее применение.
В целом за 10 лет эксплуатации сухие трансформаторы положительно зарекомендовали себя на российском рынке, поэтому с каждым годом растет количество реализованных проектов с их применением.

В последние 7 лет открылись несколько российских предприятий по производству сухих трансформаторов, ряд уже действующих трансформаторных заводов сориентировались на развитие линейки данной продукции. Европейские производители активизировали продвижение своих изделий на российский рынок. Также за последние несколько лет существенно усилили свое влияние заводы Кореи и Китая. Конкуренция на рынке усиливается, и условия диктует тот поставщик, чья позиция основана на реальных преимуществах и репутации на рынке.

В докризисный период российский рынок сухих трансформаторов достиг своего исторического пика – порядка 30000 штук в год. Общее сокращение инвестиций в экономику в 2008–2009 годах решающим образом повлияло на объемы продаж электротехнической продукции, которые значительно уменьшились. Сохранить свою долю и даже укрепиться на рынке смогли только действительно сильные игроки.

Что касается долгосрочных перспектив сухих трансформаторов, то российский рынок стремится повторить опыт Европы, демонстрируя тенденцию замещения большей части масляных трансформаторов сухими. В Европе в настоящее время в среднем 80–90% устанавливаемых трансформаторов – с литой изоляцией. В Москве уже каждый второй проект реализуется с использованием сухих трансформаторов. В регионах этот показатель гораздо ниже, но тем не менее с каждым годом он растет. Ведь если совсем недавно сухой трансформатор был несоизмеримо дороже масляного, то сегодня за счет современных технологий и оптимизации затрат на производство эта разница нивелируется.

В каждом конкретном случае потребитель делает выбор, ориентируясь на свой собственный комплекс требований к техническим характеристикам.

В части технических требований к электрооборудованию стоит отметить следующие. Для сетевого хозяйства Холдинга МРСК основными требованиями к трансформаторам являются:

• сниженные потери электроэнергии;
• высокая надежность.

Эти требования распространяются на все отрасли, но у каждой есть ряд дополнительных факторов, важных при выборе трансформаторного оборудования. Отметим некоторые из них.

Для строительной отрасли:

• пониженный уровень шума и электромагнитного излучения (связано с применением трансформаторов во встроенных подстанциях городов);
• экологичность оборудования.

Для металлургической отрасли:

• возможность изготовления нестандартных трансформаторов;
• возможность эксплуатации в условиях сильного загрязнения и выпадения конденсата.

Для нефтегазовой отрасли:

• широкий диапазон рабочих температур (работа оборудования в регионах с резко континентальным климатом);
• пожаробезопасность благодаря применению в конструкции трансформатора негорючих материалов.

Состояние трансформаторного рынка

По данным Минпромторга, в январе–ноябре 2010 года рост производства электрооборудования в России составил 23% по отношению к тому же периоду 2009 года [1]. Основной причиной увеличения спроса на трансформаторы стал интерес со стороны сетевых и строительных компаний. Например, за первое полугодие 2010 года компания МРСК ввела 1872 МВА трансформаторной мощности и 4532 километра линий электропередачи [2].

Как отмечается в исследовании РБК «Российский рынок энергооборудования», до 2020 года потребление электроэнергии будет прирастать в развивающихся странах на 5,2% в год, а в развитых странах – на 1,4% в год. В России по проекту доработанной инвестиционной программы на 2011–2020 гг. объем инвестиций в электроэнергетическую отрасль составит 2,85 трлн руб.

В соответствии с проектом Программы реновации сетевого комплекса «Холдинга МРСК», ожидается снижение износа оборудования до 2020 года с 69% до 48%, потерь в сетях – с 8,7% до 6,1%.

По данным, приведенным заместителем генерального директора ОАО «Холдинг МРСК» Павлом Оклеем, сегодня требуют замены 11,8 тыс. трансформаторов 35–220 кВ, 143 тыс. трансформаторных подстанций 6–20 кВ [3].

С каждым годом растет мощность устанавливаемого оборудования. Если в 2008–2009 годах основная мощность трансформаторов, закупаемых сетевыми компаниями, составляла 1000 кВА, то с развитием энергосетевого комплекса мощность увеличилась до 1250 кВА.

На сегодняшний день износ электрооборудования промышленных предприятий составляет от 40 до 60%. Именно поэтому большая доля заказов – порядка 30% рынка силовых сухих трансформаторов – приходится на промышленные предприятия. В количественном выражении – это порядка 10 000 шт. в год.

Проблемы выбора

Российский рынок в целом можно разделить на две ценовые категории. Обозначим их, как (табл. 1):

• категория А, в которую внесем трансформаторы производителей из России, Италии, Кореи и Китая, предлагающих продукцию примерно одного ценового уровня (трансформаторы серий ТСЗ, ТСЛ, ТСГЛ, TR, CTR, TTR-A, T3R, TTA-RES, TMCRES-S);
• категория В, более дорогая, в которой свою продукцию предлагают заводы Германии и Франции (серии DTTH, GDNN, GDHN).

Основные факторы при выборе трансформатора – это потери холостого хода и потери короткого замыкания, определяющие эффективность энергосбережения, а также уровни шума и электромагнитного излучения, экологичность и массогабаритные показатели. В табл. 2 приведены уровни потерь короткого замыкания и холостого хода сухих трансформаторов в соответствии с европейским стандартом HD538 для трансформаторов 6 и 10 кВ.

Эти характеристики являются определяющими абсолютно для всех производителей, но в зависимости от ценовой категории трансформатора фактические значения могут быть существенно лучше.

Отметим, что экономия электроэнергии в год составит порядка 3000 руб. за каждые 100 Вт сниженных потерь.

Таблица 1. Средняя стоимость силовых распределительных трансформаторов разных ценовых и мощностных категорий.

Таблица 2. Нормы потерь силовых распределительных трансформаторов (выписка).

Потери холостого хода

Потери холостого хода сухого трансформатора в первую очередь зависят от технологии изготовления сердечника. Итальянские, азиатские и российские заводы-производители применяют холоднокатаную электротехническую сталь с ориентированной зернистой структурой, обладающую низкими потерями и низкой намагничиваемостью. Электротехническая сталь представляет собой сплав железа и углерода с небольшим количеством кремния (0,8–4,8%). Кремний увеличивает магнитную проницаемость стали в слабых магнитных полях и повышает ее электрическое сопротивление, вследствие чего уменьшаются потери на вихревые токи.

В последнее время в конструкции сердечников вместо прямоугольных часто применяют пластины, узкие стороны которых срезаны под углом 45°. Данная технология сборки обеспечивает снижение потерь холостого хода трансформатора и уменьшает уровень шума при его работе. Пластины режутся на автоматизированной линии, обеспечивающей их последовательный раскрой с автоматической шихтовкой, при этом обеспечивается высокая точность и необходимые перекрытия пластин одна относительно другой для использования сборки «step-lap».

К сожалению, не все заводы указывают в своих каталогах технологию сборки. Но по информации из открытых источников можно сказать, что сборка сердечников трансформаторов категории В максимально автоматизирована и производится непосредственно на заводе, в то время как ряд производителей трансформаторов категории А либо собирают сердечники вручную, либо закупают готовые сердечники у заводов, специализирующихся именно на изготовлении сердечников.

Каждый магнитопровод после сборки подвергают испытаниям с целью определения его качества. При испытаниях проверяются сопротивление его изоляции, значения потерь и тока холостого хода на соответствие расчету и требованиям стандарта. Увеличение потерь уменьшает КПД трансформатора и вызывает повышенный нагрев магнитопровода, снижая тем самым срок службы трансформатора.

Развитие технологии снижения потерь холостого хода в будущем связано с изготовлением магнитопровода из аморфной стали. За счет лучшей электро- и теплопроводности уровень потерь холостого хода для трансформаторов снизится в 4–5 раз. Первые экземпляры такого вида оборудования в данный момент проходят испытания, однако цена трансформатора будет очень высока, что пока с экономической точки зрения не оправдает затраты.

Потери короткого замыкания

Ценовое отличие трансформаторов также связано с применяемым материалом обмоток. В качестве материала обмоток используется алюминий или медь.

Обмотки трансформаторов ценовой категории А изготавливаются из алюминиевой фольги. Обмотка низкого напряжения изготавливается из цельного листа фольги, ширина которой равна высоте обмотки. Обмотка среднего напряжения изготавливается из последовательно соединенных секций высотой 80–100 мм. Намотка производится одновременно с наложением межвитковой изоляции с последующей вакуумной заливкой.

Обмотки трансформаторов ценовой категории В изготавливаются из медной фольги и медного провода. Обмотка низкого напряжения изготавливается из цельного листа фольги, намотка производится одновременно с наложением многослойной изолирующей пленки. Обмотка среднего напряжения изготавливается из медного провода, в качестве первичной изоляции которого использован либо из полиэфироимидный лак высокой нагревостойкости, либо плёнка Nomex.

Медь имеет сравнительно высокую электропроводность, т. е. малое удельное электрическое сопротивление постоянному току при 20 °С равно 0,01724 Ом·мм²/м. Алюминий же по электропроводности уступает меди – его удельное электрическое сопротивление при 20 °С равно 0,0283 Ом·мм²/м. Медь на сегодняшний день дороже алюминия примерно в 4 раза, поэтому цена трансформаторов с медными обмотками существенно выше.

Уровень шума

Если для потребителя важен уровень шума, то стоит обратить внимание на значения этого параметра в таблице технических характеристик. Например, для трансформатора 1000 кВА он варьируется в пределах 54–75 дБ.

Стандарты и испытания

Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ от 9 апреля 2007 года № 60-ст утвержден и введен в действие с 1 января 2008 года ГОСТ Р 52719-2007 [4]. Этот национальный стандарт разработан с учетом основных нормативных положений МЭК 60076-1 (в части основных понятий и определений) и МЭК 60076-2, МЭК 60076-3 и МЭК 60076-5 (в части технических требований по нагреву, электрической прочности и стойкости при коротких замыканиях).

Все трансформаторы, представленные на российском рынке, должны иметь сертификат соответствия требованиям нормативных документов, в том числе и стандарту ГОСТ Р 52719-2007. Сертификат соответствия выдается на основании протоколов испытаний оборудования, проведенных в специальных сертифицированных лабораториях (ВЭИ, НИЦ ВВА, CESI, KEMA и т.д.).

Европейские производители проектируют и изготавливают сухие трансформаторы в соответствии со стандартом МЭК 60076-11, по которому в части климатического исполнения оборудование соответствует классу С2, то есть сухие трансформаторы могут эксплуатироваться при минимальной температуре –25 °С.

Однако, учитывая холодные условия России и требования стандарта ГОСТ 52719-2007 к климатическому исполнению «У» (аналог класса С2 по МЭК), в каталогах ряда производителей можно найти информацию по температурным режимам работы и транспортировке трансформаторов до –50 °C, которые достигаются за счет применения специальных добавок, улучшающих эластичность компаунда обмоток. В любом случае при необходимости транспортировки или хранения оборудования при температуре ниже –25 °C стоит уточнить эту информацию у поставщика при заказе.

Приведем перечень приемосдаточных испытаний в соответствии с ГОСТ Р 52719-2007, которым должен быть подвергнут каждый трансформатор:

1. Проверка коэффициента трансформации и группы соединения обмоток.
2. Испытание электрической прочности изоляции.
3. Проверка потерь и тока холостого хода.
4. Проверка потерь и напряжения короткого замыкания.
5. Измерение сопротивления обмоток постоянному току.
6. Измерение диэлектрических параметров изоляции.

Данный стандарт регламентирует необходимый состав испытаний оборудования, что позволяет покупателю по их итогам оценить оборудование на этапе приемки. При выборе оборудования стоит уделить особое внимание сравнению заявленных в каталоге характеристик с данными в протоколе испытаний оборудования, прилагаемом к паспорту на изделие.

Выводы

Видно, что непосредственно на цену влияют все факторы, касающиеся процесса изготовления трансформатора: комплектующие и материалы, оснащенность и степень автоматизации производства. Каждый заказчик должен выбирать трансформатор в соответствии с необходимыми и достаточными именно для его предприятия требованиями. Тем не менее, по нашему мнению, в первую очередь стоит обратить внимание на следующие характеристики:

1. Потери холостого хода и короткого замыкания.
2. Уровень шума.
3. Экологичность и пожаробезопасность (соответствие европейским классам E2-C2-F).
4. Массогабаритные размеры.
5. Гарантия производителя.
6. Комплектность, упаковка и условия транспортировки.

Литература

1. О состоянии промышленного производства и торговли в январе-декабре 2010 года. http://www.minpromtorg.gov.ru/stats/industry/12-2010/1.
2. Итоги выполнения инвестпрограммы ОАО «Холдинг МРСК». http://www.kirovenergo.ru/mht/1004499.htm.
3. Новые правила игры на рынке электросетевого оборудования. http://energyland.info/analitic-show-46518.
4. ГОСТ Р 52719-2007 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия».