Problematyka strat mocy i energii w transformatorach rozdzielczych SN/nn
Problem of power loss in MV/LV distribution transformers
Energia
elektryczna jest szczególną postacią energii ze względu na szerokie
zastosowanie we wszystkich dziedzinach działalności człowieka bez możliwości
zastąpienia jej – w wielu przypadkach – inną postacią energii. Istotną
wadą energii elektrycznej jest brak urządzeń, które magazynowałyby ją
w dużych ilościach. Przedsiębiorstwa wytwórcze muszą zatem wytwarzać moc
i energię skorelowaną z zapotrzebowaniem odbiorców.
Zobacz także
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
Michał Skurosz Rozwiązania cyfrowe wspierające efektywność energetyczną w rozdziale energii
Współczesne zakłady produkcyjne stają przed coraz większymi wyzwaniami, które wykraczają poza samą wydajność – kluczowe stają się również efektywność energetyczna i racjonalne zarządzanie mediami. Dogłębna...
Współczesne zakłady produkcyjne stają przed coraz większymi wyzwaniami, które wykraczają poza samą wydajność – kluczowe stają się również efektywność energetyczna i racjonalne zarządzanie mediami. Dogłębna analiza procesów produkcyjnych pozwala zidentyfikować obszary wymagające optymalizacji oraz wdrożyć precyzyjne usprawnienia, które nie tylko spełnią te wymagania, ale również zapewnią długoterminowe korzyści ekonomiczne i środowiskowe.
W artykule:• Ustawa o efektywności energetycznej w kontekście ograniczania strat mocy transformatorów rozdzielczych SN/nn• Charakterystyka strat mocy w transformatorach rozdzielczych • Moc znamionowa transformatora rozdzielczego w funkcji zmian przewidywanego obciążenia oraz czas trwania maksymalnych strat |
Przez dziesięciolecia energia elektryczna wytwarzana była głównie w elektrowniach węglowych (i nadal jest przy mniejszym udziale). Procesowi spalania węgla towarzyszy powstawanie dwutlenku węgla, który – według klimatologów – jest główną przyczyną niebezpiecznego ocieplania się klimatu na naszej planecie.
W konsekwencji stwierdzono, że należy ograniczyć produkcję energii elektrycznej w elektrowniach węglowych oraz również ze względu na wyczerpywanie się zasobów kopalnych. Nie byłoby to możliwe bez wprowadzenia do eksploatacji nowych technologii wytwarzania opartych na odnawialnych źródłach energii (OZE). Elektrownie te z jednej strony mniej ingerują w środowisko, ale z drugiej, charakteryzują się bardzo niekorzystną dla wytwarzania energii niestabilnością.
Ponadto wprowadzanie do eksploatacji źródeł OZE o małych mocach przez odbiorców indywidualnych (tzw. prosumentów) skomplikowało proces zarządzania i funkcjonowania systemu elektroenergetycznego.
Inną możliwością ograniczenia zużycia energii jest wprowadzanie innowacyjnych technologii, urządzeń i odbiorników, które będą charakteryzowały się mniejszym zużyciem energii, czyli większą efektywnością energetyczną.
Protokół z Kioto do Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych z 11 grudnia 1997 r. (podpisany przez Polskę) stwierdza, że każdy kraj winien realizować zobowiązania do ograniczenia i redukcji emisji CO2 oraz będzie rozwijać działania na rzecz poprawy efektywności energetycznej w odpowiednich sektorach gospodarki krajowej.
W ślad za przyjęciem protokołu ustanowiono wspólne ramy działań na rzecz promowania efektywności energetycznej w Unii Europejskiej, w tym ograniczenie o 20% zużycia energii pierwotnej w porównaniu z prognozami do 2020 roku.
Dla wywiązania się z nałożonych zobowiązań w Polsce wprowadzono 20 maja 2016 roku w życie znowelizowaną Ustawę o efektywności energetycznej, która w art. 1. określa:
- zasady opracowywania krajowego planu działań dotyczącego efektywności energetycznej;
- zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej;
- zasady realizacji obowiązku uzyskania oszczędności energii;
- zasady przeprowadzania audytu energetycznego przedsiębiorstwa,
a w rozdziale 4 w art. 19.1 wymienia rodzaje przedsięwzięć służące poprawie efektywności energetycznej, w tym w podpunkcie 5 – ograniczenie strat na transformacji.
Reprezentatywnym przykładem wskazującym na efektywne możliwości obniżenia zużycia energii na potrzeby własne sieci elektroenergetycznych jest transformator rozdzielczy SN/nn.
W artykule scharakteryzowano grupę elektroenergetycznych transformatorów SN/nn oraz wykazano możliwości uzyskiwania oszczędności w stratach energii elektrycznej, czyli sposoby poprawy efektywności energetycznej zgodnie z podanymi wyżej zapisami w Ustawie.
Transformatory rozdzielcze SN/nn
Transformatory rozdzielcze SN/nn stanowią najliczniejszą grupę jednostek transformatorowych w polskim systemie elektroenergetycznym. Wykorzystując dane statystyczne zamieszczone w rocznikach Statystyka Elektroenergetyki Polskiej [1] z ostatniego pięciolecia (tj. z lat 2011–2015) w tab. 1. i tab. 2. zestawiono:
- ogólną liczbę transformatorów, w tym liczbę transformatorów rozdzielczych SN/nn,
- sumaryczną moc wszystkich transformatorów i transformatorów rozdzielczych SN/nn.
Analizując powyższe dane – a także podobne dane statystyczne prezentowane we wcześniejszej publikacji Autorów [2] – można stwierdzić, że transformatory rozdzielcze SN/nn stanowią około 98% ogólnej liczby zainstalowanych w kraju transformatorów.
Natomiast znacznie mniejszy – bo przekracza nieco 30% – jest udział łącznej mocy znamionowej transformatorów rozdzielczych w sumarycznej mocy wszystkich transformatorów.
Interesującym jest także poznanie tendencji wzrostowych liczby i mocy znamionowych transformatorów. Dla transformatorów rozdzielczych SN/nn średnioroczny przyrost ich liczby waha się na poziomie 0,9%, a średnioroczny przyrost ich mocy znamionowych – na poziomie 1,8%. Tendencje takie występują praktycznie w całym piętnastoleciu XXI wieku [2].
Bardziej szczegółowa analiza pracy sieci odbiorczej niskiego napięcia powinna uwzględniać również lokalizację odbiorców i stacji transformatorowych SN/nn – tereny miejskie czy tereny wiejskie.
Z danych zawartych w [1] wynika, że w roku 2015 – na ogólną liczbę odbiorców końcowych zasilanych z sieci niskiego napięcia OSD wynoszącą 17131 tys. odbiorców – 66,1% stanowili odbiorcy miejscy, a 33,9% – odbiorcy wiejscy.
Podobne proporcje występują również w dostawach energii elektrycznej z sieci niskiego napięcia OSD odbiorcom końcowym – ogółem w roku 2015 było to 53847 GWh, z czego 65,2% wynosiły dostawy do odbiorców miejskich, a 34,8% dostawy do odbiorców wiejskich.
W powyższych danych widać nieduże różnice w jednostkowych dostawach energii elektrycznej niskiego napięcia na jednego odbiorcę zlokalizowanego na terenach wiejskich i miejskich (3,22 kWh/odb. – tereny wiejskie oraz 3,10 kWh/odb. – tereny miejskie); wskaźniki te w ostatnim pięcioleciu pozostają na tym samym poziomie [2].
W rocznikach Statystyka Elektroenergetyki Polskiej [1] brak szczegółowych danych rozróżniających sieci elektroenergetyczne na terenach miejskich i wiejskich. Opierając się na danych sprzed kilku lat [3] można stwierdzić, że udziały liczby i mocy stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nn wynosiły odpowiednio:
- na terenach miejskich 31,5% i 56,9%,
- na terenach wiejskich 68,5% i 43,1%,
co oznacza, że na terenach wiejskich było dwa razy więcej stacji niż na terenach miejskich. Natomiast średnia moc transformatora była równa 110 kVA w sieci wiejskiej i 315 kVA w sieci miejskiej.
Charakterystyka strat mocy w transformatorach rozdzielczych
Spośród wszystkich urządzeń elektroenergetycznych wytwarzających, przetwarzających, przesyłających energię elektryczną – transformatory charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością mocową, definiowaną ilorazem mocy czynnej oddawanej do sieci odbiorczej przez transformator do mocy czynnej pobieranej z sieci zasilającej. Transformatory podczas pracy wywołują straty mocy i energii, które są sumą strat jałowych P0 (tzw. strat w żelazie, niezależnych od obciążenia transformatora) i strat obciążeniowych Pk (tzw. strat w miedzi, zależnych od obciążenia).
Wartości znamionowych strat mocy w transformatorach podawane są przez producentów i stanowić mogą – przy danej wartości mocy znamionowej – kryterium podziałowe ze względu na wydajność energetyczną (inaczej sprawność mocową).
Norma PN-EN 50464-1:2007 [4] wprowadza klasyfikację transformatorów rozdzielczych SN/nn z punktu widzenia poziomów strat obciążeniowych i jałowych. Zgodnie z tym dokumentem podane są określone wartości:
- znamionowych strat obciążeniowych, w tym:
— cztery poziomy Dk, Ck, Bk, Ak dla transformatorów o górnym napięciu Um ≤ 24 kV,
— trzy poziomy Ck-36, Bk-36, Ak-36 dla transformatorów o górnym napięciu Um = 36 kV, - strat jałowych, w tym:
— pięć poziomów E0, D0, C0, B0, A0 dla transformatorów o górnym napięciu Um ≤ 24 kV,
— trzy poziomy C0-36, B0-36, A0-36 dla transformatorów o górnym napięciu Um = 36 kV,
które określają tzw. klasę transformatora.
W tab. 3. przedstawiono przykładową klasyfikację poziomów strat obciążeniowych i jałowych dla transformatorów o górnym napięciu znamionowym Um ≤ 24 kV i mocach znamionowych 100÷1000 kVA. Jako wartości bazowe przyjęto umownie straty obciążeniowe na poziomie Ck i straty jałowe na poziomie D0.
Moc znamionowa transformatora rozdzielczego w funkcji zmian przewidywanego obciążenia
Dobór transformatorów w stacjach elektroenergetycznych polega na ustaleniu liczby jednostek oraz ich mocy znamionowych, z uwzględnieniem przekładni i sposobu regulacji napięcia, układu i grupy połączeń, napięcia zwarcia, rodzaju wykonania i sposobu chłodzenia [5].
Moce znamionowe i liczba transformatorów zainstalowanych w stacji powinny być wystarczające do pokrycia szczytowego spodziewanego obciążenia w normalnych warunkach pracy układu przy zachowaniu wymaganego poziomu niezawodności zasilania odbiorców.
Przy doborze mocy znamionowych transformatorów należy również uwzględnić spodziewany przyrost obciążenia w horyzoncie 5–10 lat, aby nie było konieczności zwiększenia liczby transformatorów lub wymiany jednostek na większe.
Zakres analiz prezentowanych w niniejszym artykule ograniczony zostanie do najczęściej spotykanych jednotransformatorowych stacji elektroenergetycznych SN/nn. W stacjach jednostransformatorowych moc znamionowa transformatora SnT musi spełniać warunek:
gdzie
Sos – obliczeniowa szczytowa moc pozorna.
Przy doborze mocy znamionowej transformatora analizuje się często jednostkowe straty mocy ΔPjedn oraz sprawność transformatora h[6]. Wielkości te definiowane są następującymi zależnościami:
przy czym:
gdzie:
SnT – znamionowa moc transformatora,
P – obciążenie transformatora mocą czynną,
S – obciążenie transformatora mocą pozorną,
ΔP – straty mocy czynnej przy obciążeniu transformatora mocą pozorną S,
P0 – znamionowe straty jałowe transformatora,
Pk – znamionowe straty obciążeniowe transformatora,
β – względne obciążenie transformatora (stopień wykorzystania mocy znamionowej transformatora).
Wykorzystując powyższe wzory można wyznaczyć optymalną wartość mocy Ss = Sopt, przy której sprawność transformatora jest największa, a jednostkowe straty mocy czynnej są najmniejsze:
Z zależności (5) wynika, że optymalna wartość mocy wynika z klasy transformatora. W tab. 4. zestawiono wartości wskaźnika bopt dla czterech wybranych wartości mocy znamionowych transformatorów.
Z danych liczbowych zestawionych w tab. 4. wynika, że największe sprawności procesu transformacji mocy (sprawności mocowe) praktycznie nie zależą od poziomu mocy znamionowej transformatora, a głównie od klasy transformatora i występują przy obciążeniach od 26% do 54% mocy znamionowej transformatora.
Na rys. 1. przedstawiono przykładowo zależność strat jednostkowych, natomiast na rys. 2. sprawności mocowe transformatora o mocy znamionowej SnT = 630 kVA [6] wykonanego w czterech następujących klasach:
- klasy Ck – D0 (transformator serii podstawowej o stratach standardowych),
- klasy Ak – A0 (transformator energooszczędny – o najmniejszych znamionowych stratach obciążeniowych i jałowych),
- klasy Ak – E0 (transformator o najmniejszych znamionowych stratach obciążeniowych i największych znamionowych stratach jałowych),
- klasy Dk – A0 (transformator o największych znamionowych stratach obciążeniowych i najmniejszych znamionowych stratach jałowych).
Należy zauważyć, że zmniejszanie się współczynnika sprawności mocowej przy obciążeniach od Sopt do SnT jest stosunkowo niewielkie. Wynika to z faktu, że powyżej obciążenia optymalnego transformatora funkcja strat jednostkowych mocy jest płaska i w stosunkowo dużym zakresie obciążenia transformator ma jednostkowe straty niewiele wyższe od minimalnych.
Obciążenia transformatorów są zmienne w czasie, co pociąga za sobą zmianę czasową strat mocy.
Działania zapisane w Ustawie o efektywności energetycznej dotyczące procesu transformacji, mają doprowadzić nie tylko do ograniczenia strat mocy, ale – przede wszystkim – strat energii elektrycznej. W konsekwencji jednostkowe straty energii elektrycznej w transformatorze winny być minimalne [6], co można zapisać:
gdzie:
- E – ilość energii transformowanej w ciągu roku,
- ΔE – roczne straty energii w transformatorze.
Zgodnie z powyższym optymalne obciążenie transformatora, które wywołuje minimalne względne straty energii, można obliczyć z zależności [5, 6]:
gdzie:
Tp – czas pracy transformatora w ciągu roku,
τ – roczny czas trwania maksymalnych strat.
Optymalna moc obciążenia transformatora wyliczona z warunku najmniejszych względnych strat energii jest zatem większa niż z warunku największej sprawności mocowej transformatora (βopt_E > βopt).
Należy podkreślić, że transformator energetyczny jest odbiornikiem mocy biernej indukcyjnej zużywanej na potrzeby własne, czyli inaczej na pokrycie strat mocy biernej ΔQt.
Moc bierna dosyłana do transformatora powoduje dodatkowe straty mocy czynnej w sieci zasilającej transformator. W związku z tym przy dokładniejszych obliczeniach należy wyznaczać sumę strat rzeczywistych i strat dodatkowych od mocy biernej. Poziom tych dodatkowych strat zależy od miejsca w sieci, z którego moc bierna jest odbierana.
Do określenia liczbowego strat mocy czynnej spowodowanych przesyłem mocy biernej w praktyce wykorzystuje się tzw. energetyczny równoważnik mocy biernej [6]. Wskaźnik ten – o symbolu ke [kW/kvar] – informuje, o ile wzrosną straty mocy czynnej w elemencie sieci przy wzroście przesyłanej mocy biernej o jedną jednostkę.
Czas trwania maksymalnych strat
Analizując postać wzoru (7) można stwierdzić, iż istotnym parametrem eksploatacyjnym jest roczny czas trwania maksymalnych strat. Zagadnienia wyznaczania tego czasu Autorzy przedstawili m.in. w swoich wcześniejszych publikacjach [6, 7].
Stosowane powszechnie modele obliczeniowe określają najczęściej wartość względną czasu występowania maksymalnych strat tw na podstawie wzorów empirycznych opracowanych przez wielu autorów w postaci:
W tab. 5. przedstawiono rezultaty liczbowe przykładowych obliczeń optymalnych mocy obciążenia transformatorów wymaganej obecnie klasy Ck – A0 o różnych mocach znamionowych w zależności od czasu trwania strat maksymalnych. Pozwala to na wstępne oszacowanie mocy znamionowej transformatora na podstawie przewidywanego obciążenia szczytowego i czasu trwania strat maksymalnych.
Podsumowanie
W artykule ogólnie zaprezentowano współzależność optymalnego obciążenia transformatora rozdzielczego gwarantującego minimum jednostkowych strat mocy oraz minimum jednostkowych strat energii, oraz jego mocy znamionowej.
Wartości ww. mocy optymalnych wynikają głównie z różnicy znamionowych strat jałowych P0 i znamionowych strat obciążeniowych Pk.
Procentowa wartość P0% wynosi około 0,1% mocy znamionowej transformatora, podczas gdy procentowa wartość Pk% jest na poziomie 1%.
Transformatory rozdzielcze SN/nn zasilają odbiorców o znacznych różnicach zapotrzebowania mocy.
Skalę zmian wyraża czas użytkowania mocy szczytowej Ts. W konsekwencji obciążeniowe straty mocy – bardziej zróżnicowane – będą decydowały o obciążeniowych stratach energii w przyjętym do analizy okresie Tp.
Im bardziej zróżnicowane obciążenie transformatora, tym niższa wartość czasu trwania maksymalnych strat τ i wyższa wartość Sopt_E (wzór 7 – licznik ułamka pod pierwiastkiem jest wartością stałą przy zmieniającej się wartości mianownika).
Stąd wniosek – występujące różnice między wartościami mocy Sopt i Sopt_E wynikają głównie z faktu, że straty obciążeniowe zmieniają się z kwadratem obciążenia, czyli zmieniają się znacząco w stosunku do stałych strat jałowych.
Literatura
- Statystyka Elektroenergetyki Polskiej 2015, Wyd. Agencja Rynku Energii, Warszawa 2016 (oraz wcześniejsze roczniki).
- Niewiedział E., Niewiedział R., Charakterystyka krajowej sieci dystrybucyjnej w XXI wieku, elektro.info, 2017, Nr 9 (157), s. 24÷30.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Potrzeby rozwojowe i modernizacyjne sieci elektroenergetycznej na terenach wiejskich, Wiadomości Elektrotechniczne, 2012, nr 8 (1030), s. 3÷10.
- Norma PN-EN 50464-1: 2007 Trójfazowe olejowe transformatory rozdzielcze 50 Hz od 50 kVA do 2500 kVA o najwyższym napięciu urządzenia nieprzekraczającym 36 kV – Część 1: Wymagania ogólne.
- Bełdowski T., Markiewicz H., Stacje i urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 1992.
- Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych (Praca zbiorowa pod redakcją J. Kulczyckiego), Wydawnictwo PTPiREE, Poznań 2009.
- Niewiedział R., Niewiedział E., Ocena modeli wyznaczania czasu trwania strat maksymalnych w sieciach elektroenergetycznych, w: Mat. Konferencji n.t. „Szacowanie i prognozowanie obciążeń w sieciach elektroenergetycznych”, Wisła 2013.
- Rozporządzenie Komisji UE nr 548/2014 z dnia 21.05.2014. ujednolicające poziomy strat mocy w transformatorach rozdzielczych i sposoby ustalania strat w transformatorach mocy.
![Rys. 1. Jednostkowe straty mocy ΔP<sub>jedn</sub> [W/kVA] transformatorów dla przykładowo wybranych klas w funkcji stopnia obciążenia β; rys. archiwum autorów (E. Niewiedział, R. Niewiedział)](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/problematyka-strat-rys1.jpg)
