Klasy strat transformatorów rozdzielczych — Ecodesign Tier 2 i dlaczego straty jałowe dominują przy lekko obciążonym transformatorze

Przewodnik o efektywności energetycznej wg §8-1 w NEN 1010 opisuje ogólny rozdział dotyczący efektywności energetycznej samej normy instalacyjnej. Ten artykuł dotyczy powiązanego, lecz odrębnego elementu unijnych przepisów dotyczących produktów, który obowiązuje jeszcze przed zainstalowaniem transformatora: minimalnych wymagań dotyczących sprawności transformatorów mocy wg rozporządzenia w sprawie ekoprojektu oraz rozróżnienia między dwoma mechanizmami strat, które te wymagania regulują.

Co obejmuje rozporządzenie

Rozporządzenie (UE) nr 548/2014, wdrażające dyrektywę w sprawie ekoprojektu dla transformatorów mocy, ustanawia minimalne wymagania dotyczące sprawności transformatorów mocy o mocy znamionowej 1 kVA lub większej, stosowanych w sieciach przesyłowych i rozdzielczych 50 Hz lub do zastosowań przemysłowych. Rozporządzenie (UE) 2019/1783 zaostrzyło te wymagania poprzez drugi, surowszy etap — powszechnie określany jako „Tier 2" — obowiązujący od 1 lipca 2021. Transformatory rozdzielcze odpowiadają za znaczną część (rzędu jednej piątej) całkowitych strat w sieci elektroenergetycznej, a ponieważ transformator, po zainstalowaniu, pozostaje zwykle w eksploatacji przez dziesięciolecia, rozporządzenie traktuje tę grupę produktów jako priorytet dla oszczędności energii w całym cyklu życia.

Dwa odrębnie regulowane mechanizmy strat

Transformator traci energię poprzez dwa fizycznie odrębne mechanizmy, a rozporządzenie klasyfikuje i ogranicza każdy z nich niezależnie, zamiast poprzez jeden łączny procent sprawności:

• Straty jałowe (straty w rdzeniu, straty w żelazie): strata w rdzeniu magnetycznym transformatora, spowodowana histerezą i prądami wirowymi, obecna nieprzerwanie zawsze, gdy transformator jest pod napięciem, całkowicie niezależnie od tego, ile prądu obciążenia faktycznie płynie — nawet transformator dostarczający zerowe obciążenie nadal rozprasza pełne straty jałowe, 24 godziny na dobę.
• Straty obciążeniowe (straty w miedzi, straty w uzwojeniu): straty rezystancyjne I²R w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym, które skalują się z kwadratem prądu obciążenia — pomijalne przy lekkim obciążeniu, lecz dominujący mechanizm strat w miarę zbliżania się transformatora do jego mocy znamionowej.

Ponieważ te dwa mechanizmy strat zachowują się tak różnie w zależności od obciążenia, rozporządzenie definiuje odrębne klasy minimalnej sprawności (maksymalnych strat) dla każdego z nich, a producenci muszą deklarować obie wartości — nie tylko jeden procent „sprawności przy obciążeniu znamionowym", który sam w sobie nie może odróżnić transformatora o niskich stratach jałowych i wyższych stratach obciążeniowych od transformatora o odwrotnym bilansie.

Dlaczego bilans między nimi ma znaczenie dla rzeczywistego zastosowania

Jeden łączny procent sprawności, podany przy obciążeniu znamionowym (100%), może wyglądać identycznie dla dwóch transformatorów o bardzo różnym bilansie strat — jednak te dwa transformatory zachowują się bardzo różnie po zainstalowaniu w rzeczywistej sieci:

• Transformator, który pracuje przez większość czasu blisko swojej mocy znamionowej (na przykład mocno obciążony zasilacz przemysłowy), gromadzi większość strat w całym cyklu życia jako straty obciążeniowe, więc klasa strat obciążeniowych ma największe znaczenie dla jego rzeczywistego kosztu energii.
• Transformator, który jest przewymiarowany względem swojego typowego zapotrzebowania — powszechne w praktyce, na przykład przyłącze rolnicze lub ogrodnicze dobrane pod przyszły lub sezonowy szczyt, który rzadko jest osiągany — spędza większość swojego życia z lekkim obciążeniem. Dla takiego transformatora nieprzerwanie obecne straty jałowe, a nie straty obciążeniowe, dominują w rachunku za energię w całym cyklu życia, ponieważ są ponoszone przez całą dobę, niezależnie od tego, jak mało prądu faktycznie płynie.

Transformatory z rdzeniem amorficznym, których materiał rdzenia ma z natury niższe straty histerezowe niż konwencjonalne rdzenie z blachy krzemowej, mogą osiągać najniższe dostępne klasy strat jałowych i są przez to szczególnie istotne tam, gdzie z góry wiadomo, że transformator będzie pracował z lekkim obciążeniem przez większość swojego życia.

Znaczenie praktyczne

Przy wymianie starzejącego się transformatora rozdzielczego lub porównywaniu ofert na nowy, nie wystarczy porównać jeden podany procent sprawności: wartości strat jałowych i strat obciążeniowych powinny być pobierane i porównywane osobno, a następnie ważone według oczekiwanego wzorca obciążenia konkretnej instalacji — transformator, który będzie pracował z lekkim obciążeniem przez większość swojego okresu eksploatacji, korzysta znacznie bardziej z niskiej klasy strat jałowych niż z nieznacznie lepszej klasy strat obciążeniowych, i odwrotnie dla transformatora stale mocno obciążonego. Potwierdzenie, że transformator spełnia minimalne wymagania Tier 2 rozporządzenia (UE) 2019/1783 (a nie tylko starszy poziom Tier 1), ma również znaczenie przy ocenie, jak niedawno dany model transformatora został wprowadzony na rynek.

Częste błędy

1. Porównywanie transformatorów wyłącznie na podstawie jednego procentu „sprawności przy obciążeniu znamionowym", bez osobnego sprawdzenia wartości strat jałowych i obciążeniowych — dwa transformatory o tej samej deklarowanej sprawności mogą mieć bardzo różne koszty energii w całym cyklu życia, zależnie od rzeczywistego wzorca obciążenia.
2. Zakładanie, że straty obciążeniowe dominują w każdej instalacji — dla transformatora strukturalnie przewymiarowanego względem swojego typowego zapotrzebowania zwykle to nieprzerwanie obecne straty jałowe stanowią większy wkład w koszt energii w całym cyklu życia, a nie straty obciążeniowe.
3. Niesprawdzanie, czy transformator spełnia wymagania Tier 2 rozporządzenia (UE) 2019/1783 (obowiązujące od 1 lipca 2021) przy ocenie niedawno wyprodukowanej jednostki względem aktualnych minimalnych wymagań dotyczących sprawności.
4. Pomijanie transformatorów z rdzeniem amorficznym jako opcji dla instalacji, o której wiadomo, że będzie pracować z lekkim obciążeniem przez większość swojego życia, gdzie ich z natury niższe straty jałowe są najbardziej wartościowe.

Powiązane

• §8-1 — Efektywność energetyczna w NEN 1010
• Grupy połączeń transformatora i praca równoległa
• Klasyfikacja układu chłodzenia transformatora — ONAN/ONAF (IEC 60076-2)