Ograniczenie strat w transformatorach rozdzielczych – co możemy jeszcze zrobić?
Przejście na energooszczędne transformatory dystrybucyjne może zaoszczędzić w Europie 18,5 TWh rocznego zużycia energii, fot. EURO-ELEKTRO Polska
Straty w sieci energetycznej różnią się znacznie w poszczególnych krajach na całym świecie. Liczby wahają się od mniej niż 4% do ponad 20%. W większości krajów daje to możliwość znacznych oszczędności. Transformatory rozdzielcze są wykorzystywane do przekształcania energii elektrycznej ze średniego napięcia – poziomu, na którym energia jest przesyłana lokalnie i dostarczana do wielu odbiorców przemysłowych – do poziomu niskiego napięcia – zazwyczaj wykorzystywanego przez konsumentów indywidualnych i sektor usługowy.
W artykule:
|
StreszczenieW artykule omówiono zagadnienia dotyczące możliwości ograniczenia strat w rdzeniach transformatorów rozdzielczych. AbstractThe article discusses issues related to the possibility of reducing of energy losses in the cores of distribution transformers. |
Transformatory rozdzielcze mogą charakteryzować się stosunkowo wysoką efektywnością energetyczną w porównaniu do innych urządzeń elektrycznych. Sprawność nowoczesnych jednostek waha się od 90 do ponad 99%. Pracują one jednak w trybie ciągłym i mają długą żywotność – zwykle od 30 do 40 lat. W rezultacie niewielki wzrost wydajności może skutkować znacznymi oszczędnościami energii w całym okresie eksploatacji transformatora. Jednak w wielu firmach budżet zakupowy jest oddzielony od budżetu operacyjnego. W rezultacie decyzje zakupowe często opierają się wyłącznie na cenie dostawy (analiza krótkoterminowa), zamiast uwzględniać całkowity koszt eksploatacji transformatora (analiza długoterminowa). Takie decyzje mają negatywne skutki utrzymujące się przez dziesięciolecia.
Szacuje się, że przejście na energooszczędne transformatory dystrybucyjne może zaoszczędzić w Europie 18,5 TWh rocznego zużycia energii elektrycznej (UE-25). Odpowiada to rocznej produkcji trzech elektrowni jądrowych (1000 MW) [1]. Potencjał oszczędności energii i wpływ na środowisko liczony jest do roku 2050 w Unii Europejskiej i na poziomie światowym. Potencjalne oszczędności w roku 2050 będą wynosiły około 35 TWh energii elektrycznej w Europie, co odpowiada około czterem milionom ton zmniejszonej emisji CO2 [2].
Straty w transformatorach
Straty energii dzielą się na trzy odrębne klasy [1, 2]:
Straty stanu jałowego: spowodowane histerezą i prądami wirowymi w rdzeniu transformatora. Jest to stała strata energii, która występuje od momentu podłączenia transformatora do sieci elektroenergetycznej. W przeciętnej europejskiej sieci dystrybucyjnej straty bez obciążenia stanowią nawet 70% strat całkowitych [1].
Straty obciążeniowe: spowodowane stratami rezystancyjnymi w uzwojeniach i przewodach oraz prądami wirowymi w konstrukcji stalowej i uzwojeniach.
Straty na chłodzenie: niektóre transformatory wymagają dodatkowo chłodzenia mechanicznego – co wymaga dodatkowego zużycia energii. Im większe są straty wewnętrzne urządzenia, tym większa potrzeba chłodzenia i większe zużycie energii przez układ wentylacji. Straty te są stosunkowo małe w porównaniu ze stratami obciążeniowymi i stanu jałowego.
Istnieje kilka sprawdzonych rozwiązań technicznych poprawiających efektywność energetyczną transformatora rozdzielczego [1]. Straty stanu jałowego można zmniejszyć poprzez zastosowanie materiałów o ograniczonych stratach oraz właściwą konstrukcję i montaż. Straty obciążenia w przybliżeniu są proporcjonalne do kwadratu prądu obciążenia. Można je zmniejszyć, zwiększając przekrój poprzeczny uzwojeń. Zużycie energii na potrzeby chłodzenia można zmniejszyć, utrzymując pozostałe rodzaje strat energii na niskim poziomie.
Łącząc te techniki, można zbudować transformator dystrybucyjny oparty na najlepszej dostępnej technologii, który ma również – w zdecydowanej większości przypadków – najniższy koszt „cyklu życia”. Straty operacyjne zazwyczaj stanowią od 30% do 70% całkowitego kosztu posiadania transformatorów rozdzielczych [1, 2]. Okresy zwrotu inwestycji w transformatory o wysokiej sprawności są stosunkowo krótkie, często poniżej dwóch lat w przypadku wysokich cen energii elektrycznej. Wewnętrzna stopa zwrotu w wydajnych transformatorach stale przekracza 10%, a czasami nawet 70% w stosunku do starszych modeli transformatorów [1].
Dalszy wzrost sprawności transformatorów można osiągnąć poprzez wymianę rdzeni ze stali krzemowej na nowe rodzaje materiałów magnetycznych, np. taśmy amorficzne. Materiały amorficzne zostały opracowane w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku [1]. Materiały te powstają w wyniku szybkiego chłodzenia ciekłego stopu na wirującym walcu, co zapewnia powstanie struktury pozbawionej sieci krystalicznej, ktora jest podobna do szkła.
Amorficzny materiał stopowy charakteryzuje się małą grubością, niskimi stratami i niskimi kosztami produkcji [2]. Dlatego w porównaniu z konwencjonalnym transformatorem ze stali krzemowej zastosowanie transformatora ze stopu amorficznego jest skutecznym sposobem zmniejszenia strat energii w dystrybucyjnej sieci elektroenergetycznej [2].
Istnieje kilka sprawdzonych rozwiązań technicznych poprawiających efektywność energetyczną transformatora rozdzielczego, fot. EURO-ELEKTRO Polska
Badania wykazały, że przy tej samej mocy znamionowej strata bez obciążenia w transformatorze ze stopu amorficznego wynosi 35,4% w przypadku tradycyjnego transformatora typu S11, zgodnego z Ekoprojektem [2]. Obecnie amorficzny stop na bazie żelaza jest stosowany w transformatorach rozdzielczych klasy premium, gdzie rdzenie transformatorów są wykonane z nawiniętego materiału ze stopu amorficznego uformowanego w prostokątne jarzma. Z jednej strony budowa rdzenia i kształt uzwojenia transformatora ze stopu amorficznego różnią się od tradycyjnych, natomiast stop amorficzny często charakteryzuje się mniejszą indukcją nasycenia (Bs) i jest wrażliwy na naprężenia [2]. W tabeli 1. porównano właściwości stopu amorficznego i powszechnie stosowanej stali krzemowej.
Tab. 1. Porównanie właściwości stopu amorficznego i powszechnie stosowanej stali krzemowej [3] Bs – indukcja nasycenia, ρ – opór elektryczny właściwy, W1,3/50 – straty, d – grubość materiału magnetycznego
Transformator z rdzeniem amorficznym w obwodzie magnetycznym jest zbudowany z metalowych taśm ze stopu amorficznego. Pozwala to na budowanie transformatorów o bardzo niskich stratach na biegu jałowym (do 70–80% mniej niż typy konwencjonalne sprzed kilkudziesięciu lat). Ze względu na elastyczną konstrukcję rdzenia, moc transformatorów z rdzeniem amorficznym jest obecnie ograniczona do 10 MVA. Transformatory z rdzeniem amorficznym są od 5 do 20% cięższe niż transformatory konwencjonalne o tej samej mocy [1, 3]. Najczęściej są zanurzone w oleju, choć obecnie można spotkać wykonania suche, oferowane w specjalnych obudowach z uwagi na łatwość uszkodzenia mechanicznego rdzenia w transporcie. Przykładowe straty stanu jałowego oraz straty obciążeniowe zaprezentowane są w tabeli 2.
Tab. 2. Przykładowe straty stanu jałowego oraz straty obciążeniowe produkowanych transformatorów [3]
Harmoniczne
Na efektywność energetyczną transformatora negatywny wpływ mają także harmoniczne prądu. W europejskiej sieci publicznej prądy harmoniczne powodują dodatkowe straty energii w transformatorach rozdzielczych wynoszące około 10% (źródło: projekt SEEDT w ramach programu Inteligentna Energia Unii Europejskiej. SEEDT tworzy uzasadnienie biznesowe dla rozwoju i rozpowszechniania energooszczędnych transformatorów dystrybucyjnych). Poza tym prądy harmoniczne również skracają żywotność transformatora [1].
Rozporządzenia Komisji Europejskiej
W 2009 r. Parlament Europejski uchwalił obowiązującą obecnie wersję dyrektywy 2009/125/WE (z dnia 21 października 2009 r.), zwanej Ekoprojektem, która nakazała wyznaczenie grup produktów związanych z energią, mogących na etapie projektowania i produkcji spowodować zmniejszenie jej zużycia. Na kolejnym etapie wdrażania Ekoprojektu wybrano produkty różnych branż poprzez wydanie kolejnych rozporządzeń wykonawczych do dyrektywy. Są to między innymi: urządzenia gospodarstwa domowego, oświetlenie, pompy elektryczne, wentylatory napędzane silnikiem elektrycznym, zasilacze. Transformatory uznaje się za produkty związane z energią w rozumieniu art. 2 ust. 1 dyrektywy 2009/125/WE [5-7].
Po długich pracach uzgodniono, jakie parametry techniczne są wymagane dla transformatorów i zapisane w Rozporządzeniu Komisji Europejskiej nr 548/2014 [6]. Rozporządzenie odnosi się do transformatorów energetycznych wprowadzanych na rynek Unii Europejskiej po 30 czerwca 2015 r. i dotyczy energetycznych transformatorów olejowych oraz transformatorów suchych o minimalnej mocy znamionowej 1 kVA, wykorzystywanych w sieciach dystrybucji i przesyłu energii oraz w zastosowaniach przemysłowych [5].
Rozporządzenie Komisji (UE) 2019/1783 z dnia 1 października 2019 r. [7] zmieniło rozporządzenie (UE) nr 548/2014 z dnia 21 maja 2014 r. [6] w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do transformatorów elektroenergetycznych małej, średniej i dużej mocy. Rozporządzenie [8] wprowadziło również definicję „transformatora nasłupowego średniej mocy” to jest o mocy znamionowej od 25 kVA do 400 kVA.
W artykule 1. nowelizacji rozporządzenia [7] wprowadzone zostały następujące zapisy dotyczące przedmiotu i zakresu stosowania.
Punkt pierwszy mówi, że rozporządzenie ustanawia wymogi dotyczące Ekoprojektu odnośnie wprowadzania do obrotu lub oddawania do użytku transformatorów elektroenergetycznych o minimalnej mocy znamionowej wynoszącej 1 kVA, wykorzystywanych w sieciach przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej 50 Hz lub do zastosowań przemysłowych. Dodatkowo rozporządzenie ma zastosowanie do transformatorów nabytych po dniu 11 czerwca 2014 r.
Punkt drugi stwierdza, że rozporządzenie [7] nie ma zastosowania do transformatorów specjalnie zaprojektowanych do następujących zastosowań:
a) przekładników zaprojektowanych specjalnie w celu przekazywania sygnału informacyjnego do przyrządów pomiarowych, mierników oraz urządzeń ochronnych lub sterujących lub podobnych urządzeń;
b) transformatorów zaprojektowanych specjalnie i przeznaczonych do zasilania prądem stałym prostowników elektronicznych lub prostowników obciążenia. Wyłączenie to nie obejmuje transformatorów, które są przeznaczone do zasilania prądem przemiennym ze źródeł prądu stałego, takich jak transformatory do zastosowań w turbinach wiatrowych i zastosowań fotowoltaicznych lub transformatory zaprojektowane do zastosowań w zakresie przesyłu i dystrybucji prądu stałego;
c) transformatorów zaprojektowanych specjalnie do celów bezpośredniego podłączenia do pieca;
d) transformatorów zaprojektowanych specjalnie do celów instalacji na stałych lub pływających platformach morskich, morskich turbinach wiatrowych lub na pokładach statków i wszelkich innych jednostkach pływających;
e) transformatorów zaprojektowanych specjalnie na potrzeby sytuacji (o ograniczonym czasie trwania), w których dochodzi do przerwy w normalnym zasilaniu energią elektryczną w wyniku nieprzewidzianego zdarzenia (jak np. awaria zasilania) lub remontu stacji, ale nie w celu trwałego ulepszenia istniejącej podstacji;
f) transformatorów (z odrębnymi lub automatycznie połączonymi uzwojeniami) podłączonych do sieci trakcyjnej zasilanej prądem stałym lub przemiennym, bezpośrednio lub za pośrednictwem przetwornika, wykorzystywanych w stałych instalacjach do zastosowań kolejowych;
g) transformatorów uziemiających zaprojektowanych specjalnie w celu podłączenia ich do systemu zasilania w celu uzyskania punktu zerowego na potrzeby uziemienia systemu, bezpośrednio lub poprzez impedancję;
h) transformatorów trakcyjnych zaprojektowanych specjalnie do celów zamontowania na taborze, podłączonych do sieci trakcyjnej zasilanej prądem stałym lub przemiennym, bezpośrednio lub za pośrednictwem przetwornika, do użytku specjalnego w stałych instalacjach do zastosowań kolejowych;
i) transformatorów rozruchowych zaprojektowanych specjalnie na potrzeby uruchamiania trójfazowego silnika indukcyjnego, tak aby wyeliminować spadki napięcia zasilania, które w trakcie normalnego działania są pozbawione zasilania;
j) transformatorów probierczych zaprojektowanych specjalnie do stosowania w obwodzie w celu uzyskania określonego napięcia lub prądu na potrzeby badań urządzeń elektrycznych;
k) transformatorów spawalniczych zaprojektowanych specjalnie do stosowania w urządzeniach do spawania łukiem elektrycznym lub do spawania oporowego;
l) transformatorów zaprojektowanych specjalnie na potrzeby zastosowań wymagających zabezpieczenia przeciwwybuchowego zgodnie z dyrektywą 94/9/WE Parlamentu Europejskiego i Rady oraz zastosowań w górnictwie podziemnym;
m) transformatorów zaprojektowanych specjalnie do zastosowań głębinowych (podwodnych);
n) transformatorów sprzęgających sieci średniego napięcia (SN) o mocy do 5 MVA, stosowanych w systemie konwersji napięcia sieciowego, które są umieszczane w miejscu połączenia dwóch poziomów napięcia dwóch sieci średniego napięcia i które muszą być w stanie poradzić sobie z przeciążeniami w sytuacjach awaryjnych;
o) transformatorów elektroenergetycznych średniej i dużej mocy zaprojektowanych specjalnie jako element systemu zapewnienia bezpieczeństwa obiektów jądrowych zdefiniowanych w art. 3 dyrektywy Rady 2009/71/Euratom;
p) trójfazowych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy o mocy znamionowej poniżej 5 kVA, z wyjątkiem wymogów określonych w pkt 4 lit. a), b) i d) załącznika I do rozporządzenia [7].
Dodatkowo w punkcie trzecim znajduje się zapis, że transformatory elektroenergetyczne średniej i dużej mocy, niezależnie od tego, kiedy zostały po raz pierwszy wprowadzone do obrotu lub oddane do użytku, są poddawane ponownej ocenie zgodności i muszą spełniać wymogi niniejszego rozporządzenia, jeżeli zostały poddane wszystkim następującym działaniom [7]:
a) wymiana rdzenia (lub jego części);
b) wymiana pełnego uzwojenia (lub większej liczby pełnych uzwojeń).
Ma to zastosowanie bez uszczerbku dla zobowiązań prawnych wynikających z innych przepisów unijnego prawodawstwa harmonizacyjnego, którym produkty te mogą podlegać.
Ograniczenie strat odbyło się w dwóch etapach – pierwszy zakończył się 1 lipca 2021 roku. W tym dniu wszedł w życie drugi etap, obniżający straty. Dla transformatorów rozdzielczych o mocach poniżej ≤ 3150 kVA i napięciach Um ≤ 24 kV, transformujących z napięcia średniego na niskie, wykorzystano jako referencyjne normy CENELEC dla transformatorów olejowych EN 50464 1 i suchych EN 50541-1. Parametry transformatorów do mocy 2500 kVA wprowadzone w załączniku nr I do Rozporządzenia Komisji (UE) nr 548/2014, są bardzo zbliżone do parametrów przedstawionych w normach, i z nich też zostało zaczerpnięte nazewnictwo określające poziomy strat, odpowiednio dla strat jałowych A0, a dla obciążeniowych Ak, Bk i Ck [7].
Ciekawostką jest załącznik IV do rozporządzenia [7], w którym podano parametry najlepszych rozwiązań technicznych dostępnych na rynku transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy w dniu przyjęcia tego rozporządzenia [5, 6]:
a) olejowe transformatory elektroenergetyczne średniej mocy: A0 – 20%, Ak – 20%;
b) suche transformatory elektroenergetyczne średniej mocy: A0 – 20%, Ak – 20%;
c) transformatory elektroenergetyczne z rdzeniem amorficznym: A0 – 50%, Ak – 50%.
Znajduje się tam uwaga, że dostępność materiału do produkcji transformatorów z rdzeniem amorficznym wymaga dalszego opracowania, zanim w przyszłości będzie można uznać, że takie wartości strat stały się minimalnymi wymogami. Możliwości zatem są...
Literatura
- R. Targosz, Energy efficiency of distribution transformers, Leonardo Energy-whyte papers, maj 2009.
- A. De Almeida, B. Santos, F. Martins, Energy-efficient distribution transformers in Europe: impact of Ecodesign regulation, Energy Efficiency (2016) 9:401–424, DOI: 10.1007/s12053-015-9365-z.
- M. Najgebauer, K. Chwastek, J. Szczygłowski, Energy efficient distribution transformers, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 87 NR 2/2011, s. 111–114.
- Z. Liu, L.Zhang, B. Wu, M. Jin, D. Yao, D. Zhang, D. Chen, Measurement Analysis and Improvement of Vibroacoustic Characteristics of Amorphous Alloy Transformer, Energies 2022, 15, 949, DOI:10.3390/en15030949.
- K. Kuczyński, Transformatory rozdzielcze – jak ograniczyć straty energii elektrycznej?, „elektro.info” 12/2023.
- Rozporządzenie Komisji Europejskiej nr 548/2014.
- Rozporządzenie Komisji (UE) 1783/2019 z dnia 1 października 2019 r. zmieniające Rozporządzenie (UE) nr 548/2014 z dnia 21 maja 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do transformatorów elektroenergetycznych małej, średniej i dużej mocy, Dz. UE nr L 272 z dn. 25.10.2019.
