Wymagania dotyczące transformatorów według rozporządzenia KE

Wymagania dotyczące transformatorów według rozporządzenia KE

Wymagania dotyczące transformatorów według rozporządzenia KE

Rozporządzenie Komisji Europejskiej w sprawie realizacji Ekoprojektu w odniesieniu do transformatorów elektroenergetycznych małej, średniej i dużej mocy dotyczy urządzeń wprowadzanych na rynek od 1 lipca 2015 r. W tekście podano również wymagania, które będą obowiązywać od 1 lipca 2021 r.

Rozporządzenie wprowadziło wymogi dotyczące sprzedawanych obecnie lub oddawanych do użytku transformatorów elektroenergetycznych o mocy znamionowej od 1 kVA do 40 MVA, wykorzystywanych w sieciach przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej 50 Hz lub stosowanych w obiektach przemysłowych.

Od lat Unia Europejska prowadzi działania nazywane Ekoprojektem, których celem jest zwiększenie efektywności energetycznej. Polegają na wydawaniu rozporządzeń nakazujących stosowanie energooszczędnych urządzeń. Przepisy te obejmują m.in. sprzęty ADG oraz źródła światła, czy właśnie transformatory.

Sprawa jest istotna. W 2000 roku w Polsce tylko w sieciach należących do przedsiębiorstw zajmujących się przesyłem energii było zainstalowanych ponad 230 000 transformatorów. Według szacunków w energetyce jedynie 25% transformatorów ma mniej niż dziesięć lat. Wiele jednostek eksploatowanych jest od ponad 25 lat i dłużej. Tymczasem z reguły im starszy transformator, tym użyte do jego produkcji komponenty były gorszej jakości. Powoduje to, że charakteryzują go większe niż nowego urządzenia straty zarówno jałowe, jak i obciążeniowe (tablica 1).

Tablica 1. Zmiany wielkości strat w transformatorach na przestrzeni lat na przykładzie jednostki o mocy 100 kVA Źródło: [2]

Rodzaj strat

Rok produkcji transformatora

1957

1967

1977

2000

Straty jałowe [W]

710

430

385

210

Straty obciążeniowe [W]

2308

2284

1827

1750

Straty w transformatorach

Transformatory obok silników i prądnic zaliczane są do maszyn elektrycznych (pomimo że nie posiadają części wirujących), ponieważ zachodzące w nich przemiany energii odbywają się za pośrednictwem pola magnetycznego. W transformatorach następuje zmiana parametrów elektrycznych przy tej samej częstotliwości. Rozróżnia się dwa charakterystyczne stany pracy transformatora:

– stan jałowy, w czasie którego transformator wprawdzie jest włączony do sieci, ale po jego stronie wtórnej nie jest pobierana energia,

– stan obciążenia, czyli normalnej pracy urządzenia, w czasie którego strona wtórna jest obciążona pobieraną mocą.

W stanie jałowym transformatora prąd pobierany z sieci posiada dwie składowe:

– składową bierną, niezbędną do wzbudzenia strumienia magnetycznego w rdzeniu transformatora,

– składową czynną – na pokrycie strat mocy czynnej w rdzeniu (histereza, prądy wirowe, straty dodatkowe w rdzeniu).

Występują jeszcze straty w uzwojeniu pierwotnym, wywołane przepływem prądu stanu jałowego, ale ich wartość można uznać za pomijalną. Natomiast przepływ prądu stanu jałowego wywołuje straty mocy czynnej w sieci zasilającej, których wartość jest problemem dla eksploatatorów tych sieci. W stanie obciążenia nawet wtedy, gdy jest ono czysto rezystancyjne, prąd pobierany z sieci ma również składową bierną wynikającą z istnienia reaktancji zwarcia transformatora.

W transformatorach mamy więc do czynienia zarówno ze stratami jałowymi, jak i stratami obciążeniowymi, które powodują koszty obciążające odbiorców i dostawców energii elektrycznej. Z tego względu od lat producenci starają się tak konstruować transformatory, aby straty były jak najniższe. Wiąże się to jednak z koniecznością nie tylko wprowadzania zmian technologicznych, ale i stosowaniem komponentów wysokiej jakości, a więc ze wzrostem kosztów produkcji. Proces udoskonalania transformatorów trwa od dawna, ale poza zmianami w normach nie było dotychczas przepisu nakazującego obligatoryjne stosowanie urządzeń, w których wielkość strat byłaby limitowana. Tę lukę wypełnia unijne rozporządzenie.

Etapy wprowadzenia w życie rozporządzenia UE i użyta terminologia

Rozporządzenie Komisji (UE) nr 548/2014 z 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 było opublikowane w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej L 152/1 z 22 maja 2014 r.

Rozporządzenie ustanawia wymogi dotyczące wprowadzanych do obrotu lub oddawania do użytku olejowych i żywicznych transformatorów elektroenergetycznych o mocy znamionowej od 1 kVA do 40 MVA wykorzystywanych w sieciach przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej lub stosowanych w obiektach przemysłowych. Przepisy dotyczą transformatorów wprowadzanych na rynek Unii Europejskiej po 30 czerwca 2015 r.

W rozporządzeniu określono maksymalnie dopuszczalne wartości strat obciążeniowych oraz strat biegu jałowego, a także sprawności tych urządzeń.

Ograniczenie strat ma odbywać się w dwóch etapach. Pierwszy wszedł w życie 1 lipca 2015 r., a drugi, który powinien doprowadzić do dalszego ograniczenia strat, wejdzie w życie 1 lipca 2021 r.

Terminologia użyta w rozporządzeniu

W artykule 2 rozporządzenia zawarto niektóre określenia nieco odbiegające od używanych potocznie, a ponadto niezbyt zręcznie sformułowane. Na potrzeby tego tekstu i by zrozumieć rozporządzenie, poniżej przytoczone zostało kilka z tych definicji:

– transformator elektroenergetyczny oznacza urządzenie statyczne o co najmniej dwóch uzwojeniach, które na zasadzie indukcji elektromagnetycznej przetwarza układ napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów przemiennych o innych na ogół wartościach, lecz o tej samej częstotliwości, na potrzeby przesyłu;

– transformator elektroenergetyczny małej mocy oznacza transformator elektroenergetyczny, którego najwyższe napięcie do uzwojenia nie przekracza 1,1 kV;

– transformator elektroenergetyczny średniej mocy oznacza transformator elektroenergetyczny o napięciu wyższym niż 1,1 kV, ale nieprzekraczającym 36 kV i mocy znamionowej nie mniejszej niż 5 kVA, ale niższej niż 40 MVA;

– transformator nasłupowy średniej mocy oznacza transformator elektroenergetyczny o mocy znamionowej nieprzekraczającej 315 kVA przeznaczony do eksploatacji na wolnym, otwartym terenie i umieszczenia na elementach wsporczych napowietrznych linii elektroenergetycznych;

– transformator elektroenergetyczny dużej mocy oznacza transformator elektroenergetyczny o najwyższym napięciu do urządzeń przekraczającym 36 kV i mocy znamionowej wynoszącej co najmniej 5 kVA lub mocy znamionowej nieprzekraczającej 40 MVA bez względu na najwyższe napięcie do urządzeń;

straty obciążeniowe (Pk) oznaczają moc czynną pobieraną przy znamionowej częstotliwości oraz temperaturze odniesienia i związaną z jedną parą uzwojeń, wtedy gdy przez zaciski liniowe jednego uzwojenia płynie prąd znamionowy (prąd odczepowy), a zaciski drugiego uzwojenia są zwarte na odczepach znamionowych, a zaciski dalszych uzwojeń, jeśli istnieją, pozostają rozwarte;

straty stanu jałowego (Po) oznaczają moc czynną pobieraną przez transformator przy doprowadzeniu napięcia o znamionowej częstotliwości przy rozwartym obwodzie wtórnym; doprowadzone napięcie oznacza napięcie znamionowe, a w przypadku gdy uzwojenie, do którego doprowadzono napięcie jest wyposażone w odczep, jest podłączone do odczepu znamionowego;

wskaźnik maksymalnej sprawności (PEI) oznacza maksymalną wartość stosunku przenoszonej przez transformator mocy pozornej pomniejszonej o straty w transformatorze do znamionowej mocy pozornej transformatora.

Zgodnie z artykułem 3 transformatory elektroenergetyczne małej mocy, średniej i dużej mocy muszą spełniać wymogi określone w załączniku I. Przy czym dla transformatorów nasłupowych średniej mocy określono łagodniejsze wymagania. Zgodnie z artykułem 7 po upływie trzech lat od dnia wejścia w życie rozporządzenia Komisja Europejska rozważy, czy należy utrzymywać nadal ustępstwa dla transformatorów nasłupowych.

W myśl artykułu 8 do stosowania rozporządzenia zobowiązane są wszystkie państwa członkowskie Unii. Minimalne wymogi w zakresie zużycia energii lub efektywności energetycznej dla transformatorów elektroenergetycznych określają poszczególne punkty załącznika I do rozporządzenia. Wartości dotyczące powszechnie stosowanych jednostek zestawiono w tablicach od 2 do 7.

Dopuszczalne wielkości strat według przepisów UE

Tablica 2. Maksymalne dopuszczalne wartości strat obciążeniowych i strat stanu jałowego dla trójfazowych olejowych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy z jednym uzwojeniem o wartości Um ≤ 24 kV i drugim o wartości Um ≤ 1,1 kV. ETAP 1 od 1 lipca 2015 r.

Moc znamionowa transformatora (kVA)

Maksymalne straty obciążeniowe Pk (W)

Maksymalne straty stanu jałowego Po (W)

≤ 25

900

70

50

1100

90

100

1750

145

160

2350

210

250

3250

300

315

3900

360

400

4600

430

500

5500

510

630

6500

600

800

8400

650

1000

10 500

770

1250

11 000

950

1600

14 000

1200

2000

18 000

1450

2500

22 000

1750

3150

27 500

2200

Tablica 3. Maksymalne dopuszczalne wartości strat obciążeniowych i strat stanu jałowego dla trójfazowych suchych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy z jednym uzwojeniem o wartości Um ≤ 24 kV i drugim o wartości Um ≤ 1,1 kV. ETAP 1 od 1 lipca 2015 r.

Moc znamionowa (kVA)

Maksymalne straty obciążeniowe Pk (W)

Maksymalne straty stanu jałowego Po (W)

≤ 50

1700

200

100

2050

280

160

2900

400

250

3800

520

400

5500

750

630

7600

1100

800

8000

1300

1000

9000

1550

1250

11 000

1800

1600

13 000

2200

2000

16 000

2600

2500

19 000

3100

3150

22 000

3800

Tablica 4. Maksymalne dopuszczalne wartości strat obciążeniowych i strat stanu jałowego dla trójfazowych olejowych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy z jednym uzwojeniem o wartości Um ≤ 24 kV i drugim o wartości Um ≤ 1,1 kV. ETAP 2 od 1 lipca 2021 r.

Moc znamionowa transformatora (kVA)

Maksymalne straty obciążeniowe Pk (W)

Maksymalne straty stanu jałowego Po (W)

≤ 25

600

63

50

750

81

100

1250

130

160

1750

189

250

2350

270

315

2800

324

400

3250

387

500

3900

459

630

4600

540

800

6000

585

1000

7600

693

1250

9500

855

1600

12 000

1080

2000

15 000

1305

2500

18 500

1575

3150

23 000

1980

Tablica 5. Maksymalne dopuszczalne wartości strat obciążeniowych i strat stanu jałowego dla trójfazowych suchych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy z jednym uzwojeniem o wartości Um ≤ 24 kV i drugim o wartości Um≤ 1,1 kV. ETAP 2 od 1 lipca 2021 r.

Moc znamionowa (kVA)

Maksymalne straty obciążeniowe Pk (W)

Maksymalne straty stanu jałowego Po (W)

≤ 50

1 500

180

100

1800

252

160

2600

360

250

3400

468

400

4500

675

630

7100

990

800

8000

1170

1000

9000

1395

1250

11 000

1620

1600

13 000

1980

2000

16 000

2340

2500

19 000

2790

3150

22 000

3420

Tablica 6. Maksymalne dopuszczalne straty obciążeniowe i straty stanu jałowego dla nasłupowych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy. ETAP 1 od 1 lipca 2015 r.

Moc znamionowa (kVA)

Maksymalne straty obciążeniowe (W)

Maksymalne straty stanu jałowego ( W)

25

900

70

50

1100

90

100

1750

145

160

3102

300

200

2750

356

250

3250

425

315

3900

520

Tablica 7. Maksymalne dopuszczalne straty obciążeniowe i straty stanu jałowego dla nasłupowych transformatorów elektroenergetycznych średniej mocy. ETAP 2 od 1 lipca 2021 r.

Moc znamionowa (kVA)

Maksymalne straty obciążeniowe ( W)

Maksymalne straty stanu jałowego ( W)

25

725

70

50

875

90

100

1475

145

160

3102

270

200

2333

310

250

2750

360

315

3250

440

 

 

Podsumowanie

Wymogom zawartym w rozporządzeniu muszą od 1 lipca 2015 r. odpowiadać transformatory wprowadzane do obrotu na terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego (państwa Unii oraz Islandia, Norwegia i Liechtenstein). Jako świadectwo wdrożenia tych wymogów stosowane jest oznaczenie CE oraz potwierdzenie zgodności z wymogami UE. Transformatory wprowadzone do obrotu i uruchomione przed 1 lipca 2015 r. mogą być w dalszym ciągu użytkowane.

Wymogi zawarte w rozporządzeniu nie dotyczą wyrobów eksportowanych poza teren EOG.

Odpowiedzialność za wprowadzenie do obrotu właściwych transformatorów spoczywa na podmiocie wprowadzającym produkt na teren EOG. Może to być producent lub importer produktu, ewentualnie ich pełnomocnicy.

Decydujący jest moment wprowadzenia transformatora do obrotu. Jeżeli transformator nie był wprowadzany do obrotu, gdyż został wytworzony na użytek własny producenta, decyduje data jego uruchomienia.

Powstaje pytanie, jak się mają straty w transformatorach produkowanych w Polsce w stosunku do nowych wymagań unijnych? W tablicy 8 zestawiono dane katalogowe wybranych transformatorów olejowych dwóch polskich producentów z wymaganiami zawartymi w rozporządzeniu UE.

Tablica 8. Porównanie wartości strat przedstawionych w katalogach producentów z wymogami unijnymi dla 1 etapu

Moc znamionowa (kVA)

Straty jałowe (W)

Straty obciążeniowe ( W)

Producent 1

Producent 2

Wymagania unijne

Producent 1

Producent 2

Wymagania unijne

100

200

219

145

1500

1750

1750

400

650

650

430

4600

5250

4600

630

800

870

600

6750

7000

6500

800

1050

1150

650

8500

8200

8400

1000

1500

1500

770

8500

8500

10 500

2500

2200

b.d.

1750

23000

b.d.

22 000

b.d. – brak danych

Jak widać, dane katalogowe dotyczące strat jałowych są znacznie wyższe od wymogów unijnych, natomiast wartości strat obciążeniowych w wielu przypadkach jest nawet mniejsza niż dopuszczalna przez Unię.

Materiały źródłowe:

  1. ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) NR 548/2014 z 21 maja 2014 r. (Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 152/1 z 22 maja 2015 r.).
  2. Kersz I., Pinkiewicz I., Babiński A., Targosz R. Wpływ dodatkowych strat energii w sieci na ocenę efektywności energetycznej transformatorów rozdzielczych.Nowa Elektrotechnika” 9.2005.
  3. Latosiński M., Zmniejszenie zużycia energii: obniżenie strat nowych transformatorów instalowanych po 1 lipca 2015 r. (strona internetowa Elektro.info).
  4. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza kosztów transformacji w transformatorach rozdzielczych SN/nN. Politechnika Poznańska. Instytut Elektroenergetyki. www.stelen.pl
  5. Strzałka K., Analiza możliwości zmniejszenia strat w transformatorach rozdzielczych. „Elektrotechnika i Elektronika” t. 25, z. 1 z 2006 r.
Autor: mgr inż. Janusz Strzyżewski członek Centralnego Kolegium Sekcji Instalacji i Urządzeń Elektrycznych, członek Polskiego Komitetu Oświetleniowego SEP, członek Izby Inżynierów Budownictwa