Классы потерь распределительных трансформаторов — Ecodesign Tier 2 и почему потери холостого хода доминируют при легко нагруженном трансформаторе

Гид об энергоэффективности по §8-1 в NEN 1010 описывает общую главу об энергоэффективности самого стандарта на установку. Эта статья посвящена связанному, но отдельному элементу регулирования продукции ЕС, который действует ещё до установки трансформатора: минимальным требованиям к КПД силовых трансформаторов согласно регламенту по экодизайну и различию между двумя механизмами потерь, которые эти требования регулируют.

Что охватывает регламент

Регламент (ЕС) № 548/2014, реализующий директиву по экодизайну для силовых трансформаторов, устанавливает минимальные требования к КПД силовых трансформаторов номинальной мощностью 1 кВА и более, используемых в сетях передачи и распределения 50 Гц или для промышленных применений. Регламент (ЕС) 2019/1783 ужесточил эти требования вторым, более строгим этапом — обычно называемым «Tier 2» — действующим с 1 июля 2021 года. Распределительные трансформаторы отвечают за значительную долю (порядка одной пятой) общих потерь в электрической сети, и поскольку трансформатор, будучи установленным, обычно остаётся в эксплуатации десятилетиями, регламент рассматривает эту группу продукции как приоритет для экономии энергии на протяжении всего срока службы.

Два отдельно регулируемых механизма потерь

Трансформатор теряет энергию через два физически различных механизма, и регламент классифицирует и ограничивает каждый из них независимо, а не через единый комбинированный процент КПД:

• Потери холостого хода (потери в сердечнике, потери в железе): потери в магнитном сердечнике трансформатора, вызванные гистерезисом и вихревыми токами, присутствующие непрерывно при нахождении трансформатора под напряжением, полностью независимо от того, сколько тока нагрузки фактически протекает — даже трансформатор, отдающий нулевую нагрузку, всё равно рассеивает свои полные потери холостого хода, 24 часа в сутки.
• Потери под нагрузкой (потери в меди, потери в обмотках): резистивные потери I²R в первичной и вторичной обмотках, масштабирующиеся с квадратом тока нагрузки — незначительные при лёгкой нагрузке, но доминирующий механизм потерь по мере приближения трансформатора к номинальной мощности.

Поскольку эти два механизма потерь ведут себя настолько по-разному в зависимости от нагрузки, регламент определяет отдельные классы минимального КПД (максимальных потерь) для каждого из них, и производители должны декларировать оба показателя — не единственный процент «КПД при номинальной нагрузке», который сам по себе не может отличить трансформатор с низкими потерями холостого хода и более высокими потерями под нагрузкой от трансформатора с обратным балансом.

Почему баланс между ними имеет значение для реального применения

Единый комбинированный процент КПД, указанный при номинальной (100%) нагрузке, может выглядеть идентично для двух трансформаторов с очень разным балансом потерь — однако эти два трансформатора ведут себя совершенно по-разному после установки в реальной сети:

• Трансформатор, который работает большую часть времени близко к своей номинальной мощности (например, сильно нагруженный промышленный фидер), накапливает большую часть своих потерь за срок службы как потери под нагрузкой, поэтому класс потерь под нагрузкой имеет наибольшее значение для его реальных затрат на энергию.
• Трансформатор, который переразмерен относительно своего типичного спроса — распространённое на практике явление, например, сельскохозяйственное или тепличное подключение, рассчитанное на будущий или сезонный пик, который редко достигается — проводит большую часть своей жизни с лёгкой нагрузкой. Для такого трансформатора непрерывно присутствующие потери холостого хода, а не потери под нагрузкой, доминируют в счёте за энергию за весь срок службы, поскольку они возникают круглосуточно независимо от того, как мало тока фактически протекает.

Трансформаторы с аморфным сердечником, материал сердечника которых по своей природе имеет более низкие потери на гистерезис, чем обычные сердечники из кремнистой стали, могут достигать самых низких доступных классов потерь холостого хода и поэтому особенно актуальны там, где заранее известно, что трансформатор будет работать с лёгкой нагрузкой большую часть своей жизни.

Практическое значение

При замене устаревающего распределительного трансформатора или сравнении предложений на новый недостаточно сравнить один указанный процент КПД: показатели потерь холостого хода и потерь под нагрузкой следует запрашивать и сравнивать отдельно, взвешивая их согласно ожидаемому характеру нагрузки конкретной установки — трансформатор, который будет работать с лёгкой нагрузкой большую часть срока службы, выигрывает гораздо больше от низкого класса потерь холостого хода, чем от незначительно лучшего класса потерь под нагрузкой, и наоборот для трансформатора, постоянно сильно нагруженного. Подтверждение того, что трансформатор соответствует минимальным требованиям Tier 2 регламента (ЕС) 2019/1783 (а не только более старому уровню Tier 1), также важно при оценке того, насколько недавно данная модель трансформатора была выпущена на рынок.

Частые ошибки

1. Сравнение трансформаторов только по единому проценту «КПД при номинальной нагрузке» без отдельной проверки показателей потерь холостого хода и потерь под нагрузкой — два трансформатора с одинаковым заявленным КПД могут иметь очень разные затраты на энергию за срок службы в зависимости от фактического характера нагрузки.
2. Предположение, что потери под нагрузкой доминируют для любой установки — для трансформатора, структурно переразмеренного относительно своего типичного спроса, обычно именно непрерывно присутствующие потери холостого хода являются основным вкладом в затраты на энергию за срок службы, а не потери под нагрузкой.
3. Непроверка соответствия трансформатора требованиям Tier 2 регламента (ЕС) 2019/1783 (действующего с 1 июля 2021 года) при оценке недавно изготовленного изделия по текущим минимальным требованиям к КПД.
4. Игнорирование трансформаторов с аморфным сердечником как варианта для установки, заведомо работающей с лёгкой нагрузкой большую часть своей жизни, где их по природе более низкие потери холостого хода наиболее ценны.

Связанные материалы

• §8-1 — Энергоэффективность в NEN 1010
• Группы соединения трансформатора и параллельная работа
• Классификация системы охлаждения трансформатора — ONAN/ONAF (IEC 60076-2)