Оглядываясь на случай европейского портового управления, менеджер по устойчивому развитию был озадачен задачей, которая не касалась выбросов: офис управления только что закончил строительство нового офиса и должен был установить два новых трансформатора мощностью по 1,600 кВА каждый, однако государственные нормы запрещают использование устройств, заполненных маслом. Существует альтернативная возможность использования обычного сухого трансформатора с сердечником из кремния; этот тип трансформатора сможет соответствовать требованиям пожарной безопасности, однако в то же время принцип управления, требующий нулевых выбросов, требует использования трансформатора с эффективностью, значительно превышающей ожидаемый минимум. В ответ на это должен быть современный сухой трансформатор с аморфным сердечником, где не потребуется масло, не будет необходимости утилизировать токсичные отходы, а потери в режиме холостого хода должны быть снижены примерно на 70 процентов или полностью устранены. Эта встреча ознаменовала начало новой главы в выборе трансформаторов в энергетическом секторе, сосредоточенной на минимизации негативного воздействия любого типа трансформатора на окружающую среду.
Эта статья рассматривает существующие примеры того, как сухие трансформаторы стали флагманом охраны окружающей среды в энергетической отрасли, избегая трансформаторов, заполненных маслом, которые создают экологические риски.
Ответ прост: способы, которыми сухие трансформаторы способствуют защите окружающей среды в энергетическом секторе, можно измерить в четырех аспектах: они не используют минеральное масло, потери ниже, чем у других типов трансформаторов, нет необходимости в строительстве хранилищ, следовательно, нет необходимости тратить бетон, сталь и пространство для этой цели; их можно перерабатывать.
Почему сухие трансформаторы являются экологическим флагманом
В 20-м веке трансформаторы, заполненные маслом, преобладали, и их экологические штрафы просто принимались: сотни литров горючих и потенциально вредных жидкостей на каждой подстанции, ямы для сбора масла, противопожарные стены и регулярная утилизация масла. Сухие трансформаторы устраняют весь этот спектр угроз. Нет масла, которое могло бы разлиться, нет жидкости для отбора проб и утилизации, нет горючего диэлектрического вещества для тушения пожаров, и нет необходимости в восстановлении участка.
Трансформатор оказывает негативное воздействие на окружающую среду на четырех различных этапах, но на каждом этапе сухие трансформаторы имеют свои преимущества.
Экологическая карта жизненного цикла трансформатора
Экологическое воздействие трансформатора распределяется по четырем фазам, и каждая фаза благоприятствует сухим трансформаторам определенным образом:
| Фаза жизни | Экологическое воздействие | Преимущество сухого трансформатора |
|---|---|---|
| Производство | Сталь, медь, смола, энергия | Нет масла; аналогичная вложенная энергия |
| Установка | Хранилища, контейнеры, бетон | Не требуется хранилище или яма для масла |
| Операция | Потери → энергия сети → CO₂ | Аморфные сердечники сокращают потери на 60–80% |
| Конец срока службы | Утилизация, переработка, обращение с маслом | Без масла; медь/сталь полностью перерабатываемы |
Оценка жизненного цикла показала удивительные результаты, так как негативное воздействие эксплуатационной стадии является доминирующим: потери энергии, возникающие в сердечнике и обмотках на протяжении двух-трех десятилетий, составляют более 80 процентов воздействия на окружающую среду трансформатора на протяжении его службы.
Проблема масла: разливы, утилизация и риск пожара
Минеральное трансформаторное масло представляет собой серьезную экологическую проблему в отрасли. Обычно трансформатор мощностью 1000 кВА требует 700–1000 литров масла. И среди всех возможных сценариев неисправностей может возникнуть один сценарий, когда прокладка разрывается и загрязняет почву и подземные воды, или случай, когда масло может загореться в результате неисправности вводного устройства. Более того, процесс утилизации масла требует правильной обработки, так как старое масло было загрязнено газами, влагой и, возможно, ПХБ, если использовался старый трансформатор. Хотя новые не проводящие масла на основе эфиров являются экологически чистыми и имеют высокую температуру воспламенения – более 300°C – они все еще представляют сложности в управлении процессом утилизации.
Однако трансформаторы сухого типа не имеют такой проблемы. Обмотки из литого смолы являются твердыми. Аналогично, обмотки с вакуумной пропиткой являются сухими. Таким образом, трансформатор не имеет категории риска пожара, связанной с использованием жидкого диэлектрического масла, и нет плана действий при разливе и схемы утилизации отходов. Это выгодно для страховщиков, муниципальных архитекторов и пользователей трансформаторов.
Потери и CO₂: Скрытый гигант
Показатель потерь является самой значительной экологической статистикой в технической спецификации трансформатора, потому что потерянные ватт означают потраченную электроэнергию и, во многих регионах, производство энергии путем сжигания ископаемого топлива. Расчет для трансформатора мощностью 1000 кВА и работающего при средней нагрузке 40% выглядит следующим образом:
| Метрика | Конвенционный сухой | Аморфный сухой |
|---|---|---|
| Потребление без нагрузки | 2,000–2,600 Вт | 800–1,100 Вт |
| Годовая потребляемая энергия (потери) | ~30,000–38,000 кВтч | ~15,000–21,000 кВтч |
| CO₂ при 0.4 кг/кВтч сетевой смеси | ~12–15 т/год | ~6–8.5 т/год |
| Сохраненный CO₂ за 20 лет | — | ~120–150 т |
Ожидается, что отдельный трансформатор компенсирует примерно 120-150 тонн CO₂ за время своей службы – даже не учитывая экономию от отсутствия необходимости строить защитное сооружение для масла или токсинов. Умножив это число на тысячи аналогичных единиц, которые могут принадлежать любой коммунальной службе, трансформаторы сухого типа и аморфные сердечники становятся одними из самых эффективных методов достижения сокращения выбросов, доступных в этом секторе.
Материалы, переработка и конец срока службы
Трансформатор сухого типа легко разделяется в конце своего жизненного цикла. Медная проволока может быть восстановлена на уровне около 85-95% от своего общего веса, сердечник может быть переработан, и хотя смолу нельзя расплавить, ее можно переработать и считать безвредными отходами. В отличие от этого, случай с масляными трансформаторами гораздо сложнее: после извлечения масла его необходимо проанализировать, очистить и иногда переработать.
Еще один важный аспект производственного процесса, который часто упускается из виду, — это количество материала, используемого в обоих типах сердечников. Аморфные сердечники требуют меньше материала по сравнению с сердечниками из кремниевой стали при одинаковом номинальном значении мощности, поскольку они работают с значительно меньшими потерями магнитного потока.
Таблица экологического сравнения
| Экологический фактор | Сухой тип | Масло-иммерсионные |
|---|---|---|
| Объем жидкого диэлектрика | Ничего | 700–1,000 л на 1,000 кВА |
| Риск разлива / загрязнения почвы | Ничего | Да (требуется контейнер) |
| Пожароопасная жидкость | Нет (самозатухающая смола) | Горючее минеральное масло |
| Строительство хранилища / контейнера | Не требуется в большинстве норм | Часто требуется |
| Испытания масла и утилизация | Ничего | Годовая выборка, регулируемая утилизация |
| Потенциал снижения потерь | Аморфные сердечники 60–80% ниже | Ограничено дизайном CRGO |
| Переработка по окончании срока службы | Медь/сталь легко перерабатываемы | Сначала требуется деконтаминация масла |
Регулирование, определяющее изменения
Множество регулирующих факторов требует от сектора перехода к сухим и эффективным конструкциям.
- Строительные нормы - NFPA 70 или другие аналогичные нормы запрещают использование заполненных жидкостью устройств в помещениях, тем самым заставляя отрасль в большинстве случаев использовать сухие трансформаторы.
- Мандаты по эффективности - стандарты, установленные Министерством энергетики США для распределительных трансформаторов, Регламент по экодизайну ЕС (ЕС) 2019/1783, а также китайский стандарт GB 20052 требуют все более высоких уровней минимальной эффективности, что требует использования или высокого интереса к трансформаторам из аморфного металла.
- Строительные нормы - множество муниципалитетов теперь требуют использования несгораемой изоляции в лифтах, небоскребах, туннелях и больницах.
- Закупки с учетом ESG - корпоративные клиенты начали отказываться от покупки трансформаторов с масляным заполнением из-за их влияния на устойчивость компаний.
Эти влияния взаимно усиливают друг друга.
Применения, ведущие к зеленому переходу
Сухие трансформаторы являются стандартом для экологически чистых высотных коммерческих зданий, поскольку их безмасляная конструкция и компактные размеры соответствуют нормам пожарной безопасности и требованиям к планировке. Центры обработки данных покупают эти трансформаторы в первую очередь из-за их высокой надежности и минимальных потерь в помещениях. Больницы и школы используют сухие трансформаторы из-за безопасности и качества воздуха в помещениях. Проекты с зеленой сертификацией — LEED, BREEAM и т.д. — требуют сухие трансформаторы, а электрические компании указывают аморфные сухие трансформаторы для городов и экологически чувствительных мест. В каждом случае есть две основные характеристики, почему клиенты выбирают сухие трансформаторы: они не содержат масла и имеют низкие потери.
Сколько стоит экологически чистый трансформатор
Сухие трансформаторы, как правило, имеют более высокую первоначальную стоимость, чем масляные трансформаторы, и такие тенденции, как использование аморфных сердечников, увеличивают первоначальные инвестиции. Средние цены, оцененные на условиях FOB, зависят от характеристик материала, производителя и местоположения.
| Рейтинг | Конвенционный сухой | Аморфный сухой |
|---|---|---|
| 250 кВА | $6,500–$11,000 | $9,000–$15,000 |
| 400 кВА | $9,000–$16,000 | $12,000–$20,000 |
| 630 кВА | $13,000–$22,000 | $17,000–$28,000 |
| 1,000 кВА | $20,000–$38,000 | $25,000–$45,000 |
| 2,500 кВА | $45,000–$85,000 | $55,000–$95,000 |
Экологическая надбавка действительно существует, хотя и в небольшом объеме в абсолютных цифрах, в то время как экономия затрат обычно компенсирует ее примерно за 3-5 лет, а после этого экологически чистая машина становится менее дорогой.
Бренды и как проверить экологические заявления
| Бренд | Эко-позиционирование | Примечания |
|---|---|---|
| ABB | Эко-эффективная литая смола | Полная документация по типовым испытаниям |
| Siemens (GEAFOL) | Перерабатываемые материалы | Опубликованные оценки жизненного цикла |
| Schneider (Trihal) | Программа зеленой надбавки | Данные о продуктах ESG доступны |
| Hitachi Energy | Портфель с низким уровнем углерода | Аморфные и эфирные варианты |
| Субиан Электрик Пауэр | Аморфная сухая серия SCB | Документация IEC 60076-11 по ценам с хорошим соотношением цена-качество |
Престижные производители, такие как ABB, Siemens, Schneider Electric и Hitachi Energy, стали пионерами в публикации оценок жизненного цикла и каталогов продуктов ESG, которые стали стандартом. Существуют надежные сертифицированные китайские производители, которые продают оборудование, соответствующее стандарту IEC 60076-11, по доступной цене и с сертифицированными потерями единиц. Jiangsu Subian Electric Power производит трансформаторы с сухим аморфным сердечником и смолой, которые не содержат масла и снижают потери в холостом режиме на 60%-80%, поставляемые вместе с полными отчетами о тестировании.
Часто задаваемые вопросы
Являются ли трансформаторы с сухим типом более экологичными, чем погруженные в масло?
Да, во многих аспектах. Масла нет, следовательно, нет разливов, нет утилизации и нет горючих жидкостей; нет необходимости в конструкциях для хранения или удержания; и поскольку сердечники по своей природе аморфные, потери в холостом режиме могут быть снижены на 60-80%. Единственный недостаток здесь — это производство: отливочная смола требует много энергии, но анализ жизненного цикла показывает, что эффективность, приводящая к потерям, является общим выводом.
Сколько CO₂ может сэкономить аморфный трансформатор с сухим типом?
Устройство мощностью 1,000 кВА, работающее с нагрузкой 40% в течение 20 лет, может сократить примерно 120-150 тонн CO₂ по сравнению с традиционным трансформатором с сухим типом из кремниевой стали. Эти цифры основаны на среднем уровне выбросов 0.4 кг CO₂/кВтч. В сетях, где источник энергии производства больше зависит от угля, сэкономленные выбросы будут увеличены, в то время как при использовании возобновляемых источников энергии выбросы будут меньше.
Устраняют ли трансформаторы с сухим типом затраты на утилизацию масла?
Действительно. Масла нет, которое требует тестирования, замены или утилизации. Единственное, что потребуется, это система охлаждения с воздушной фильтрацией (если установлены вентиляторы охлаждения). Когда она достигает конца своего срока службы, медные обмотки и стальные или аморфные сердечники могут быть переработаны без необходимости в дезактивации, что дает отличную возможность для экономичной утилизации.
Почему строительные нормы предпочитают трансформаторы с сухим типом?
Поскольку минеральное масло может гореть, такие нормы безопасности, как NFPA 70, утверждают, что необходимо использовать огнестойкие контейнеры и системы удержания масла для трансформаторов, заполненных маслом, выше определенного класса, в то время как огнестойкие трансформаторы с сухим типом из смолы могут использоваться в стандартных электрических помещениях.
Являются ли аморфные трансформаторы с сухим типом более дорогими, и стоит ли это того?
В общем, цена на 20-40% выше, чем у стандартных трансформаторов с сухим типом. Оценивается, что их цена составляет около $25,000-$45,000 против $20,000-$38,000 за 1,000 кВА. Эта дополнительная сумма пытается быть компенсирована за счет экономии на потерях примерно за 3-5 лет по коммерческим тарифам.
Ссылки
- IEC 60076-11: Сухие силовые трансформаторы — Международный стандарт, регулирующий проектирование и тестирование трансформаторов с сухим типом.
- Стандарты трансформаторов распределения Министерства энергетики США — Официальные нормы эффективности, которые вознаграждают конструкции с низкими потерями.
- NFPA 70 (Национальный электрический кодекс) — Кодекс, который ограничивает использование трансформаторов, заполненных маслом, в помещениях и способствует принятию трансформаторов с сухим типом.
- IEEE — Издатель технических стандартов по теплоте, тестированию и жизненному циклу трансформаторов.
- NEMA — Североамериканский стандартный орган по эффективности трансформаторов и экологическим оболочкам.
- Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd. — Производитель трансформаторов сухого типа без масла с низкими потерями и документацией IEC 60076-11.
Заключение
Трансформаторы сухого типа создают настоящий прорыв в области охраны окружающей среды в энергетической отрасли, устраняя три основных экологических недостатка, способствующих загрязнению, связанному с трансформаторами: отсутствие разливов масла, отсутствие опасных жидкостей, приводящих к пожарам, и очень низкие потери в холостом режиме с помощью аморфных сердечников, которые обеспечивают значения на 60–80% ниже, чем у трансформаторов из кремниевой стали. Первоначальные затраты на покупку варьируются от $5,000 до $10,000 за трансформатор мощностью 1,000 кВА и могут быть покрыты в течение трех-пяти лет за счет экономии на потерях. Независимо от вашего акцента на строительных нормах, правилах энергоэффективности или экологической сознательности с экономической точки зрения, вы определенно должны выбрать зарегистрированные трансформаторы сухого типа с низкими потерями. Поставщики, такие как Jiangsu Subian Electric Power делают этот переход практичным по разумным ценам.