Технологический суверенитет в российской энергетике: энергоэффективные трансформаторы с сердечниками из аморфной стали

ООО «НПК «АВТОПРИБОР» — предприятие с 90-летней историей, на котором трудится более 1300 высококвалифицированных специалистов. Завод начинал свою деятельность с производства и поставок комплектующих для отечественного автопрома. Сегодня это современный завод с собственным научным центром и инновационным производством. В номенклатуре производимой предприятием продукции более 700 наименований автокомпонентов и электрооборудования, среди которых и трансформаторы с сердечником из аморфной стали.

За последние годы в Российской Федерации был принят ряд важных государственных документов, касающихся энергосбережения. Среди них Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», предусматривающий введение нормативов энергоэффективности оборудования мощностью свыше 3 кВт для установления стимулирования применения энергоэффективного электрооборудования, Энергетическая стратегия России на период до 2035 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 9 июня 2020 года № 1523-р, которая не только определяет переход на путь инновационного и энергоэффективного развития в качестве одного из главных векторов развития отрасли, но и формирует требования к общему повышению энергоэффективности в отраслях топливно-энергетического комплекса и экономике в целом, и многие другие законодательные и нормативные акты.

В электросетевом комплексе решение задач повышения энергетической эффективности является системным вопросом, зафиксированным на уровне Положения ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе». Группой компаний «Россети» принят курс на использование современного энергоэффективного электрооборудования с нормируемыми показателями энергетической эффективности.

Одним из видов современного энергоэффективного оборудования являются силовые трансформаторы с сердечниками из аморфной стали (аморфные трансформаторы), которые в ряде случаев могут заменить трансформаторы с магнитопроводами из электротехнической стали.

Аморфный сплав — это определенный вид прецизионного сплава. Его отличительной характеристикой от сплавов кристаллической структуры является целый комплекс физических и химических свойств. Одно из основных отличий аморфной стали от электротехнической — отсутствие периодичности в расположении атомов. Также эти сплавы отличаются от кристаллических сплавов большей устойчивостью к коррозии, они прочнее в несколько раз и обладают лучшими электромагнитными характеристиками [1].

За рубежом первые распределительные трансформаторы с аморфным сердечником были изготовлены более 15 лет назад. В данном направлении более всех продвинулись США, Китай и Индия. Активно подобные виды трансформаторов также используются в Мексике, Бразилии, Японии и Южной Корее. По данным исследований, еще пять лет назад по всему миру было установлено более 1,3 миллиона трансформаторов с сердечником из аморфной стали [2].

Как показали исследования характеристик и практика их применения, за счет сокращения на 70% потерь холостого хода в сердечнике, наибольшая экономическая эффективность трансформаторов достигается при использовании их для электроснабжения потребителей, режим электропотребления которых обеспечивает коэффициент загрузки трансформатора не выше 0,5. Такая загрузка трансформаторов характерна при использовании их для электроснабжения бытовых потребителей в сельской местности и крупных объектов, только изредка потребляющих максимальную мощность (например, стадионы), а также для потребителей, подключенных по 2 категории электроснабжения.

При технико-экономических сравнениях, предопределяющих выбор трансформаторов с сердечником из аморфной стали, мировыми экспертами рекомендовано учитывать первоначальные затраты, затраты на жизненный цикл, дополнительные затраты на инфраструктуру и т.д. При выборе трансформатора наиболее важным фактором является стоимость потерь в течение срока его службы. При расчете общей стоимости владения потери определяются с учетом их финансового воздействия, капитализируемого в течение ожидаемого периода окупаемости трансформатора. Хотя первоначальные затраты на аморфные трансформаторы выше, они часто становятся предпочтительным выбором для многих случаев. Кроме того, поскольку они помогают снизить выбросы углекислого газа в атмосферу более чем на 60% (в связи с сокращением производства электроэнергии) дополнительная экономия может достигаться за счет сопутствующих расходов, таких как налоги на выбросы CO² [3].

В России в настоящее время силовые трансформаторы с сердечником из аморфной стали пока не получили широкого распространения. Это объясняется не только относительной новизной идеи, приверженности традициям и отсутствием доступной информации о технико-экономической эффективности такого оборудования на практике. Существенными сдерживающими факторами также были отсутствие отечественных производителей ленты из аморфной стали, предприятий, реализующих полный цикл производства аморфных трансформаторов, и сопутствующий ряд вопросов технического и гарантийного обслуживания.

На сегодняшний день все перечисленные препятствия развития рынка подобных устройств практически сняты. В 2021 году на базе НПК АВТОПРИБОР впервые в России было запущено предприятие по производству силовых трансформаторов, где реализован полный цикл, включающий металлургическое производство, а именно литье прецизионного сплава, получение ленты из аморфной стали, производство магнитопроводов, обмоток и все этапы сборки силовых трансформаторов с последующим циклом испытаний.

Вопросам производства аморфной стали на предприятии уделяется особое внимание. Собственный научно-технический центр, в котором трудится до 80 сотрудников, тесно сотрудничает с учеными ведущих профильных вузов и ведет постоянные разработки новых, более эффективных сплавов. На стадии выплавки и производства аморфной ленты (большинство операций производятся в автоматизированном режиме) ведется постоянный контроль качества продукции с применением современных средств диагностики. Для контроля химического состава слитков и отливок для изготовления аморфной ленты применяется оптико-эмиссионный спектрометр, а для контроля структуры получаемой ленты (степени ее аморфности) — рентгеновский дифрактометр. Подобный внутренний контроль качества проходит каждая разливка. В результате такого многоступенчатого контроля НПК АВТОПРИБОР способен производить высококачественную аморфную и нанокристаллическую ленту толщиной от 15 микрон.

Для дальнейшего этапа производства силовых трансформаторов инженерами предприятия было разработано и внедрено в технологические процессы собственное оборудование для намотки сердечников трансформаторов из аморфной ленты. Гордостью НПК АВТОПРИБОР является и множество других ноу-хау, внедренных и внедряемых в производство с целью его оптимизации и удешевления выпускаемой продукции.

Отдельные детали и элементы, необходимые для производства силовых трансформаторов, предприятие закупает у других производителей. Однако в перечне поставщиков практически нет ни одного иностранного, а те, кто еще остался, в ближайшие месяцы будут замещены российскими. Все поставщики проводниковой продукции, металлических и конструкционных элементов — отечественные. Баки трансформаторов выполнены из специальной стали повышенной прочности также российского производства. Уже сейчас завод переходит на поставки вводов, ПБВ и других комплектующих напрямую от российских производителей. При этом все материалы, которые используются для изготовления трансформатора, проходят строгий входной контроль.

Подобный комплексный подход к производству, тщательный отбор материалов и комплектующих, применяемых при сборке трансформатора, а также внимание даже к самым незначительным деталям позволили НПК АВТОПРИБОР разработать линейку инновационных трансформаторов на напряжение 6–10 кВ с номинальной мощностью от 160 до 1000 кВА с различными схемами соединения обмоток. Трансформаторы выпускаются как с масляной, так и с сухой изоляцией.

Уже сейчас продукция предприятия проходит опытно-промышленную эксплуатацию в филиалах ДЗО группы компаний «Россети».

Постоянно расширяя линейку выпускаемой продукции (в настоящее время ведется работа над выпуском трансформаторов с мощностью до 1600 кВА) и географию ее внедрения, конструкторы НПК АВТОПРИБОР активно работают в направлении снижения массогабаритных характеристик трансформаторов, оптимизации их конструктивного исполнения без потери основных преимуществ с электрической и энергоэффективной точек зрения. Параллельно ведутся новые изыскания в составе сплава и структуре аморфной ленты для дополнительного улучшения ее свойств. Все разрабатываемые и внедряемые решения позволят снизить стоимость оборудования для покупателя и дополнительно повысить эффективность его применения.

Продукция предприятия была отмечена и на высоком отраслевом уровне. Готовые технические решения с применением силовых трансформаторов с сердечником из аморфной стали производства НПК АВТОПРИБОР были представлены 9 августа руководителям отрасли во главе с Министром энергетики Российской Федерации Николаем Шульгиновым на выставке инновационных технологий, прошедшей в рамках совещания по подготовке объектов энергетики и ЖКХ Центрального федерального округа к работе в осенне-зимний период. Инновационные решения российских производителей и перспективы их применения в отечественном электросетевом комплексе были высоко оценены всеми руководителями. Также было отмечено, что в сочетании с системами телеметрии для повышения наблюдаемости трансформаторных подстанций и устройствами выравнивания нагрузки данные технические решения обеспечивают существенное снижение потерь электрической энергии в распределительных сетях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Хавроничев С.В., Сошинов А.Г., Галущак В.С., Копейкина Т.В. Современные тенденции применения аморфных сплавов в магнитопроводах силовых трансформаторов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2015, № 12-4. С. 607–610.
2. Hucharaddi N., Mulla M., Ghatage S. An Overview of Amorphous Core Distribution Transformer. International Journal of Advanced Computing and Electronics Technology (IJACET), 2017, vol. 4, iss. 2, pp. 24-28.
3. Carlen M., Överstam U., Ramanan Vr.V., Tepper J., Swanström L., Klys P., Stryken E. Life Cycle Assessment of Dry-Type and Oil-Immersed Distribution Transformers with Amorphous Metal Core // CIRED 21st International Conference on Electricity Distribution, Frankfurt, 6-9 June 2011, no.1145.