Класи втрат розподільних трансформаторів — Ecodesign Tier 2 і чому втрати холостого ходу домінують у легко навантаженому трансформаторі

Гід про енергоефективність за §8-1 в NEN 1010 описує загальний розділ про енергоефективність самого стандарту на установку. Ця стаття присвячена пов'язаному, але окремому елементу регулювання продукції ЄС, який діє ще до встановлення трансформатора: мінімальним вимогам до ККД силових трансформаторів згідно з регламентом з екодизайну та відмінності між двома механізмами втрат, які ці вимоги регулюють.

Що охоплює регламент

Регламент (ЄС) № 548/2014, що реалізує директиву з екодизайну для силових трансформаторів, встановлює мінімальні вимоги до ККД силових трансформаторів номінальною потужністю 1 кВА і більше, що використовуються в мережах передавання та розподілу 50 Гц або для промислових застосувань. Регламент (ЄС) 2019/1783 посилив ці вимоги другим, суворішим етапом — зазвичай іменованим «Tier 2» — що діє з 1 липня 2021 року. Розподільні трансформатори відповідають за значну частку (порядку однієї п'ятої) загальних втрат в електричній мережі, і оскільки трансформатор, будучи встановленим, зазвичай залишається в експлуатації десятиліттями, регламент розглядає цю групу продукції як пріоритет для економії енергії протягом усього строку служби.

Два окремо регульовані механізми втрат

Трансформатор втрачає енергію через два фізично різні механізми, і регламент класифікує та обмежує кожен з них незалежно, а не через єдиний комбінований відсоток ККД:

• Втрати холостого ходу (втрати в осерді, втрати в залізі): втрати в магнітному осерді трансформатора, спричинені гістерезисом і вихровими струмами, присутні безперервно коли трансформатор перебуває під напругою, повністю незалежно від того, скільки струму навантаження фактично протікає — навіть трансформатор, що віддає нульове навантаження, все одно розсіює свої повні втрати холостого ходу, 24 години на добу.
• Втрати під навантаженням (втрати в міді, втрати в обмотках): резистивні втрати I²R у первинній та вторинній обмотках, що масштабуються з квадратом струму навантаження — незначні за легкого навантаження, але домінуючий механізм втрат у міру наближення трансформатора до номінальної потужності.

Оскільки ці два механізми втрат поводяться настільки по-різному залежно від навантаження, регламент визначає окремі класи мінімального ККД (максимальних втрат) для кожного з них, і виробники мають декларувати обидва показники — не лише один відсоток «ККД за номінального навантаження», який сам собою не може відрізнити трансформатор з низькими втратами холостого ходу та вищими втратами під навантаженням від трансформатора зі зворотним балансом.

Чому баланс між ними має значення для реального застосування

Єдиний комбінований відсоток ККД, вказаний за номінального (100%) навантаження, може виглядати ідентично для двох трансформаторів з дуже різним балансом втрат — проте ці два трансформатори поводяться абсолютно по-різному після встановлення в реальній мережі:

• Трансформатор, який працює більшу частину часу близько до своєї номінальної потужності (наприклад, сильно навантажений промисловий фідер), накопичує більшу частину своїх втрат за строк служби як втрати під навантаженням, тому клас втрат під навантаженням має найбільше значення для його реальних витрат на енергію.
• Трансформатор, який перерозмірений відносно свого типового попиту — поширене на практиці явище, наприклад, сільськогосподарське чи тепличне підключення, розраховане на майбутній чи сезонний пік, який рідко досягається — проводить більшу частину свого життя з легким навантаженням. Для такого трансформатора безперервно присутні втрати холостого ходу, а не втрати під навантаженням, домінують у рахунку за енергію за весь строк служби, оскільки вони виникають цілодобово незалежно від того, як мало струму фактично протікає.

Трансформатори з аморфним осердям, матеріал осердя яких за своєю природою має нижчі втрати на гістерезис, ніж звичайні осердя з кремнистої сталі, можуть досягати найнижчих доступних класів втрат холостого ходу і тому особливо актуальні там, де заздалегідь відомо, що трансформатор працюватиме з легким навантаженням більшу частину свого життя.

Практичне значення

Під час заміни застарілого розподільного трансформатора чи порівняння пропозицій на новий недостатньо порівняти один вказаний відсоток ККД: показники втрат холостого ходу та втрат під навантаженням слід запитувати й порівнювати окремо, зважуючи їх згідно з очікуваним характером навантаження конкретної установки — трансформатор, який працюватиме з легким навантаженням більшу частину строку служби, виграє набагато більше від низького класу втрат холостого ходу, ніж від незначно кращого класу втрат під навантаженням, і навпаки для трансформатора, що постійно сильно навантажений. Підтвердження того, що трансформатор відповідає мінімальним вимогам Tier 2 регламенту (ЄС) 2019/1783 (а не лише старішому рівню Tier 1), також важливе під час оцінювання того, наскільки нещодавно дану модель трансформатора було випущено на ринок.

Типові помилки

1. Порівняння трансформаторів лише за одним відсотком «ККД за номінального навантаження» без окремої перевірки показників втрат холостого ходу та втрат під навантаженням — два трансформатори з однаковим заявленим ККД можуть мати дуже різні витрати на енергію за строк служби залежно від фактичного характеру навантаження.
2. Припущення, що втрати під навантаженням домінують для будь-якої установки — для трансформатора, структурно перерозмірованого відносно свого типового попиту, зазвичай саме безперервно присутні втрати холостого ходу є основним внеском у витрати на енергію за строк служби, а не втрати під навантаженням.
3. Неперевірка відповідності трансформатора вимогам Tier 2 регламенту (ЄС) 2019/1783 (що діє з 1 липня 2021 року) під час оцінювання нещодавно виготовленого виробу за поточними мінімальними вимогами до ККД.
4. Ігнорування трансформаторів з аморфним осердям як варіанту для установки, яка свідомо працюватиме з легким навантаженням більшу частину свого життя, де їхні за природою нижчі втрати холостого ходу найцінніші.

Пов'язані матеріали

• §8-1 — Енергоефективність у NEN 1010
• Групи з'єднання трансформатора та паралельна робота
• Класифікація системи охолодження трансформатора — ONAN/ONAF (IEC 60076-2)