1 dr inŜ. ElŜbieta Niewiedział dr inŜ. Ryszard Niewiedział
Transkrypt
1 dr inŜ. ElŜbieta Niewiedział dr inŜ. Ryszard Niewiedział
dr inŜ. ElŜbieta Niewiedział dr inŜ. Ryszard Niewiedział Politechnika Poznańska Instytut Elektroenergetyki ANALIZA JEDNOSTKOWYCH KOSZTÓW TRANSFORMACJI W TRANSFORMATORACH ROZDZIELCZYCH SN/nn ZauwaŜalny wzrost zapotrzebowania na moc i energię elektryczną pociąga za sobą rozwój sieci elektroenergetycznych o róŜnych poziomach napięć znamionowych. Podstawowymi elementami sieci są linie napowietrzne i kablowe oraz zainstalowane w stacjach transformatory. Transformatory rozdzielcze SN/nn stanowią najliczniejszą grupę jednostek transformatorowych. Na podstawie danych zamieszczonych w kolejnych rocznikach Agencji Rynku Energii Statystyka Elektroenergetyki Polskiej, w tabelach 1 i 2 zestawiono dla ostatniego dziesięciolecia (lata 1996÷2005) ogólną liczbę transformatorów, liczbę transformatorów rozdzielczych SN/nn oraz sumaryczną moc wszystkich transformatorów i transformatorów rozdzielczych SN/nn. Analizując prezentowane dane liczbowe moŜna stwierdzić, Ŝe transformatory rozdzielcze SN/nn stanowią 98,7% ogólnej liczby zainstalowanych transformatorów. Roczny przyrost liczby transformatorów rozdzielczych na poziomie 1,31% jest praktycznie taki sam jak całej populacji krajowych transformatorów (1,30%). Biorąc pod uwagę moce znamionowe eksploatowanych jednostek, to moce transformatorów rozdzielczych SN/nn stanowią ponad 30% sumarycznej mocy wszystkich transformatorów. NaleŜy przy tym zauwaŜyć, Ŝe średni roczny przyrost mocy transformatorów rozdzielczych SN/nn na poziomie 2,11% jest wyŜszy niŜ odpowiadający wskaźnik dla wszystkich krajowych transformatorów (1,39%). W wyniku tego wzrasta wartość średniej mocy transformatora rozdzielczego SN/nn od 160 kVA w roku 1996 do 172 kVA w roku 2005. Z analiz szczegółowych Autorów, prezentowanych m.in. w [1, 2] wynika, Ŝe w roku 2005 średnia moc transformatora rozdzielczego SN/nn w stacji miejskiej wynosiła 331 kVA, a w stacji wiejskiej – 102 kVA. Transformatory podczas pracy wywołują straty mocy, które są sumą strat jałowych ∆P0 (tzw. strat w Ŝelazie, niezaleŜnych od obciąŜenia transformatora) i strat obciąŜeniowych ∆Pk (tzw. strat w miedzi, zaleŜnych od obciąŜenia). Wartości strat znamionowych dla transformatorów są podawane przez producenta jako wartości maksymalne o sprecyzowanej tolerancji. Wcześniejsze opracowania europejskie [3] określały poziom dopuszczalnych strat 1 mocy w transformatorach jako wydajność energetyczną. W tabeli 3 zestawiono poziomy wydajności (róŜne dla strat jałowych i obciąŜeniowych) dla olejowych transformatorów rozdzielczych. Tabela 1. Ogólna liczba transformatorów i liczba transformatorów rozdzielczych SN/nn Rok 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Średni przyrost ogółem 214 175 217 001 219 474 222 535 225 836 228 210 228 440 230396 238 936 240 554 1,30% Transformatory SN/nn (TR) 211 346 214 158 216 637 219 653 222 958 225 331 225 714 227 520 235 991 237 595 1,31% Udział TR 0,987 0,987 0,987 0,987 0,987 0,987 0,988 0,987 0,988 0,988 --- Tabela 2. Sumaryczna moc transformatorów i suma mocy znamionowych transformatorów rozdzielczych SN/nn Rok 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Średni przyrost Transformatory ogółem SN/nn 111 819 33 859 113 260 34 816 114 634 35615 116 628 36 384 118 772 37 612 120 120 38 354 122 339 38 627 122 716 38 968 125 353 40 375 126 629 40858 1,39% 2,11% Udział TR Średnia moc TR 0,303 0,308 0,311 0,312 0,317 0,319 0,316 0,317 0,322 0,323 --- 160,2 162,6 164,4 165,6 168,7 170,2 171,1 171,3 171,1 172,0 0,79% Tabela 3. Poziomy wydajności energetycznej transformatorów wg [3] Straty obciąŜeniowe Straty jałowe Symbol Poziom Symbol Poziom B +(20 ... 30)% A baza C – (15 ... 20)% A’ baza B’ – (15 ... 25)% C’ –35% Klienci, czyli późniejsi uŜytkownicy transformatorów, dysponując poziomami wydajności energetycznej, mogli dokonać wyboru pomiędzy trzema poziomami strat stanu jałowego i trzema poziomami strat przy obciąŜeniu. Ogólnie jest zatem dziewięć moŜliwych kombinacji – od najniŜszej wydajności (B-A’) do najwyŜszej (C-C’) – co moŜna rozumieć 2 jako zabezpieczenie praktycznie wysokiego standardu wydajności energetycznej dla transformatorów rozdzielczych. Opracowanie [3] podaje pięć preferowanych kombinacji poziomów strat mocy w transformatorach: podstawowy A-A’, a następnie B-B’, A-C’, C-B’, C-C’, przy czym przewidywano rozszerzenie powyŜszej listy o poziomy D i E oraz D’ i E’. Innym rozwiązaniem powodującym zmniejszenie strat w transformatorze jest zastosowanie amorficznego rdzenia. Transformatory rozdzielcze budowane z rdzeniami ze stali amorficznej mogą osiągać ponad 70% zmniejszenie strat jałowych, w porównaniu z najlepszymi konwencjonalnymi konstrukcjami. Pomimo tego, według opublikowanych danych [3], europejskie doświadczenie w produkcji i instalacji transformatorów rozdzielczych ze stali amorficznej w Unii Europejskiej jest bardzo niewielkie. Projekt normy europejskiej z 2005 roku [4] wprowadza zmiany w klasyfikacji transformatorów rozdzielczych SN/nn z punktu widzenia poziomów strat obciąŜeniowych i jałowych. W dokumencie tym podane są konkretne wartości liczbowe: znamionowych strat obciąŜeniowych, w tym: • cztery poziomy Dk, Ck, Bk, Ak dla transformatorów o górnym napięciu Um ≤ 24 kV, • trzy poziomy Ck36, Bk36, Ak36 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. Wzorując się na klasyfikacji przedstawionej w tabeli 3 oraz wykorzystując dane liczbowe z projektu normy [4], opracowano aktualną wersję klasyfikacji poziomów strat obciąŜeniowych i jałowych dla transformatorów o górnym napięciu znamionowym Um ≤ 24 kV i mocach znamionowych 100÷630 kVA, którą przedstawiono w tabeli 4. Jako wartości bazowe przyjęto straty obciąŜeniowe na poziomie Ck (odpowiadające poziomowi oznaczonemu poprzednio A) i straty jałowe na poziomie E0 (odpowiadające poziomowi oznaczonemu poprzednio A’). Porównanie zestawionych w tabelach 3 i 4 wartości liczbowych wskazuje na duŜe podobieństwo obu klasyfikacji. DuŜa róŜnorodność typów i mocy znamionowych transformatorów wskazują na konieczność przeprowadzania analiz, w wyniku których będzie moŜna dobrać optymalną jednostkę transformatorową dla konkretnych warunków obciąŜenia. Optymalna jednostka to taka, która pozwoli nie tylko na transformację odpowiedniej mocy przy minimalnych stratach mocy i energii elektrycznej, ale zagwarantuje minimalne koszty transformacji w całym 3 okresie eksploatacji transformatora. Koszty te obejmują tak nakłady inwestycyjne jak i koszty eksploatacyjne stałe oraz zmienne. Tabela 4. Poziomy strat obciąŜeniowych i jałowych transformatorów o górnym napięciu znamionowym Um ≤ 24 kV i mocach znamionowych 100÷630 kVA Straty obciąŜeniowe Symbol Dk Ck Bk Ak - Poziom +(23÷32)% Baza –(15÷17)% –(28÷29)% - Straty jałowe Symbol E0 D0 C0 B0 A0 Poziom Baza –(18÷21)% –(32÷35)% –(43÷45)% –(53÷55)% Referat stanowi próbę wskazania optymalnej jednostki transformatorowej, spośród transformatorów o tej samej mocy znamionowej lecz róŜnych poziomach wydajności energetycznej, przy zadanych warunkach obciąŜenia oraz rzeczywistych nakładach inwestycyjnych i cenach energii elektrycznej. Opracowana metodyka porównuje jednostkowe koszty transformacji róŜnych transformatorów przy róŜnych wskaźnikach i przebiegach obciąŜenia transformatora oraz danych „kosztowych”. Praktyczne zastosowanie metody zilustrowano porównując cztery następujące serie produkowanych transformatorów o mocy znamionowej Sn = 400 kVA, róŜniących się poziomami wydajności energetycznej: seria podstawowa (o stratach standardowych) – umowny symbol T – odpowiadająca klasie A – A’ (Ck – D0), seria o optymalnych stratach – umowny symbol TE – odpowiadająca klasie B – A’ (Dk – C0), seria o obniŜonym poziomie strat jałowych – umowny symbol TL – odpowiadająca klasie A – B’ (Ck – B0), seria o obniŜonym poziomie strat jałowych i obciąŜeniowych – umowny symbol TU – odpowiadająca klasie C – C’ (Ak – A0). Wartości znamionowych strat jałowych i obciąŜeniowych analizowanych transformatorów zestawiono w tabeli 5. W tabeli podano równieŜ względne nakłady inwestycyjne transformatorów odniesione do nakładu transformatora serii podstawowej. Tabela 5. Znamionowe straty jałowe i obciąŜeniowe oraz względne nakłady inwestycyjne analizowanych transformatorów Moc znamionowa Dane wejściowe 400 kVA ∆P0 [kW] ∆Pk [kW] Kn [%] Transformator TE TL 0,65 0,53 5,25 4,10 T 0,72 4,10 100 90 4 126 TU 0,46 3,20 166 Ocena sprawności energetycznej analizowanych transformatorów Jednym ze szczególnie waŜnych wskaźników eksploatacyjnych transformatora jest sprawność transformacji, rozumiana jako stosunek mocy obciąŜenia transformatora po stronie wtórnej do sumy tej mocy i strat mocy w transformatorze. Dla oceny sprawności energetycznej transformatorów poddanych analizie wykonano obliczenia przy następujących załoŜeniach: 1) stopień wykorzystania mocy transformatora, definiowany stosunkiem mocy obciąŜenia transformatora po stronie wtórnej do mocy znamionowej transformatora, zmienia się w granicach β s = 0,1 ÷ 1,0 2) roczny czas mocy uŜytkowania szczytowej zmienia się w granicach Τs = 1000 ÷ 8760 h/rok 3) rzeczywisty τ i względny υ czas występowania maksymalnych strat wyznaczano według modelu Horaka [5]: 1 T T τ = s + 2 ⋅ s 3 T T 2 ⋅T ϑ= τ T Przykładową ilustrację graficzną wyników obliczeń dla transformatorów o mocy znamionowej 400 kVA przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Przebiegi sprawności czterech badanych transformatorów w funkcji czasu uŜytkowania mocy szczytowej dla βs = 0,4 pokazuje rys. 1., natomiast w funkcji obciąŜenia szczytowego transformatora (czyli dla róŜnych stopni wykorzystania mocy znamionowej transformatora) przy czasie uŜytkowania mocy szczytowej Ts = 3000 h/rok – rys. 2. 99,5 99,5 99,0 99,0 98,5 98,5 98,0 98,0 97,5 97,5 97,0 97,0 96,5 T 96,5 TL 96,0 TE 96,0 95,5 TU T TL TU TE 95,0 94,5 95,5 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Rys. 1. Zmiany sprawności czterech badanych transformatorów w funkcji czasu uŜytkowania mocy szczytowej dla βs = 0,4 Rys. 2. Zmiany sprawności czterech badanych transformatorów w funkcji obciąŜenia szczytowego dla czasu Ts = 3000 h/rok 5 Na podstawie otrzymanych wyników obliczeń moŜna stwierdzić, Ŝe: 1. Straty jałowe w transformatorach serii TL są niŜsze od strat jałowych transformatorów serii podstawowej T przy jednakowych stratach obciąŜeniowych w obu seriach transformatorów. W związku z tym transformatory serii TL będą powodowały niŜsze straty mocy i energii elektrycznej w całym zakresie wykorzystania mocy transformatora (βs = 0,1 ÷ 1,0). 2. Transformatory serii TU charakteryzują się niŜszymi stratami jałowymi i obciąŜeniowymi w stosunku do transformatorów serii T. Transformatory serii TU będą zatem powodowały niŜsze straty energii elektrycznej w kaŜdych warunkach pracy transformatorów (podobnie jak w przypadku transformatora serii TL). 3. Transformatory serii TE charakteryzują się niŜszymi stratami jałowymi od analogicznych strat w transformatorach serii T, ale wyŜszymi znamionowymi stratami obciąŜeniowymi. Na rys. 1 i 2 przedstawiono przebiegi sprawności transformacji (dla analizowanych jednostek transformatorowych o mocy znamionowej 400 kVA) dla zakresu czasu uŜytkowania mocy szczytowej od 1000 h/rok do 5000 h/rok oraz pełnego zakresu stopnia wykorzystania mocy znamionowej βs = 0,1 ÷ 1,0 (tzn. od 40 kVA do 400 kVA). Analizując przebiegi na rys. 1 i 2 moŜna stwierdzić, Ŝe im niŜszy jest czas uŜytkowania mocy szczytowej, tym mniejsze straty energii będzie powodował transformator serii TE o obniŜonych stratach jałowych. Natomiast im mniejszy jest stopień wykorzystania mocy znamionowej transformatora, tym korzystniejsza byłaby praca transformatora energooszczędnego serii TE, lecz tylko do wartości granicznej βs = 0,6. Ogólny wniosek z przeprowadzonej analizy moŜna sformułować następująco: produkowane transformatory energooszczędne serii TL i TU będą powodowały przy kaŜdym obciąŜeniu straty energii niŜsze niŜ transformatory serii T i TE; w przypadku moŜliwości wyboru między transformatorami serii T i TE powinno zbadać się wartość strat energii uwzględniając stopień obciąŜenia transformatora i spodziewany przebieg obciąŜenia w czasie. Ocena średniego jednostkowego kosztu transformacji Pełna analiza opłacalności zastosowania danego rodzaju transformatora powinna uwzględniać wszystkie koszty transformacji, w tym przede wszystkim koszty samego transformatora i koszty straty energii. Jest rzeczą oczywistą, Ŝe transformatory energooszczędne są droŜsze inwestycyjnie od transformatorów standardowych, ale charakteryzują się niŜszymi stratami mocy i energii, co rzutuje na niŜsze koszty 6 eksploatacyjne zmienne. Wskazanie warunków pracy, dla których łączne koszty transformacji przy zastosowaniu analizowanego transformatora będą niŜsze od kosztów innych transformatorów, wydaje się ze wszech miar korzystne. W związku z powyŜszym przeprowadzono obliczenia jednostkowych kosztów transformacji dla czterech serii transformatorów przy róŜnych przebiegach obciąŜenia oraz danych „kosztowych”. Koszt ten dla konkretnego roku kr_TR [zł/kWh] moŜna, zgodnie z [6], zapisać zaleŜnością: k r _ TR = gdzie: kn_TR k n _ TR ⋅ (r + re ) k A 1 2 + ( ∆ P + β ⋅ ∆ P ⋅ υ ) o k s βśr ⋅ cos ϕśr T Sn - jednostkowy koszt inwestycyjny transformatora [zł/kVA], Sn - moc znamionowa transformatora [kVA], kA - jednostkowy koszt (cena) energii [zł/kWh], T - liczba godzin w roku [h/rok], υ - względny czas występowania maksymalnych strat, r - rata rozszerzonej reprodukcji, re - współczynnik kosztów eksploatacyjnych stałych, βśr - względne średnie obciąŜenie transformatora, βs - względne szczytowe obciąŜenie transformatora, cos φśr - średnia wartość współczynnika mocy. Obliczając róŜnicę jednostkowych kosztów transformacji dla dwóch transformatorów moŜna wskazać na ekonomiczną energooszczędność jednego z nich tzn. na oszczędność kosztów strat energii w powiązaniu z kosztem inwestycyjnym 1 kVA mocy znamionowej. Dla analizowanych czterech serii transformatorów moŜna zapisać: k n _ TR _ TE < k n _ TR _ T < k n _ TR _ TL < k n _ TR _ TU ∆Po _ TR _ T > ∆Po _ TR _ TE > ∆Po _ TR _ TL > ∆Po _ TR _ TU ∆Pk _ TR _ T = ∆Pk _ TR _ TL > ∆Pk _ TR _ TU oraz ∆Pk _ TR _ T < ∆Pk _ TR _ TE 7 Transformatory serii T i TL róŜnią się tylko stratami jałowymi, pozostałe i stratami jałowymi i obciąŜeniowymi znamionowymi. W związku z tym porównano oddzielnie transformatory serii T i TL oraz pozostałe. Transformatory serii TL w porównaniu z transformatorami serii T RóŜnica w jednostkowych kosztach transformacji analizowanych transformatorów będzie funkcją róŜnicy w nakładach inwestycyjnych z jednej strony, a z drugiej strony od róŜnicy w kosztach jałowych strat energii zaleŜnych jednostkowego kosztu energii. Zmiany obciąŜenia nie odgrywają roli w tym przypadku ze względu na to, Ŝe równe są straty obciąŜeniowe znamionowe w transformatorach serii T i TL. Straty mocy i nakłady inwestycyjne transformatorów są wielkościami zdeterminowanymi. Jako parametr zmienny przyjęto jednostkowy koszt energii. Wyznaczono więc graniczny koszt energii elektrycznej, przy którym transformatory serii TL i T (droŜszy inwestycyjnie, lecz o niŜszym poziomie strat jałowych) charakteryzują się jednakowymi jednostkowymi kosztami transformacji: kA_gr = 280 zł/MWh W przypadku gdy rzeczywisty jednostkowy koszt energii będzie wyŜszy od granicznego opłacalnym będzie zastosowanie transformatora serii TL, jeŜeli będzie niŜszy korzystniejszym będzie transformator serii podstawowej T. Transformatory serii TE i TU w porównaniu z transformatorem serii T Przy porównywaniu transformatorów serii TE bądź TU z transformatorem serii podstawowej T naleŜało ponownie określić parametr, który będzie zmienną niezaleŜną przy wyznaczaniu jednostkowego kosztu transformacji. W niniejszej pracy przyjęto jako tę zmienną czas uŜytkowania mocy szczytowej Ts, odzwierciedlający równomierność obciąŜenia transformatora. Czas Ts wpływa bezpośrednio na wartość obciąŜeniowych strat energii i kosztów tych strat. Obliczenia przeprowadzono dla róŜnych wartości jednostkowego kosztu energii oraz róŜnych stopni średniego wykorzystania mocy znamionowej transformatora. Dla kaŜdej pary transformatorów wyznaczono graniczną wartość czasu uŜytkowania mocy szczytowej Tsgr, dla której jednostkowe koszty transformacji są równe. Po przekroczeniu Tsgr niŜszym jednostkowym kosztem transformacji charakteryzuje się transformator o niŜszym poziomie strat obciąŜeniowych. W obliczeniach przyjmowano, Ŝe transformator oznaczony wyróŜnikiem TR_1 posiada wyŜszy poziom strat obciąŜeniowych, co jest jednoznaczne z niŜszym poziomem strat obciąŜeniowych w jednostce oznaczonej wyróŜnikiem TR_2. 8 Obliczenia przeprowadzono przy następujących danych wejściowych: • stopa dyskonta p = 0,054 (zgodna z zaleceniami Urzędu Regulacji Energetyki), • współczynnik kosztów eksploatacyjnych stałych re = 0,01, • okres eksploatacji transformatora N = 20 lat, • szczytowy stopień wykorzystania mocy znamionowej βs = 1. Transformatory serii T i TU – zgodnie z danymi przedstawionymi w tabeli 5, w obliczeniach załoŜono, Ŝe transformatorem TR_1 będzie transformator serii T, natomiast transformatorem TR_2 będzie transformator serii TU. Wyniki obliczeń granicznego czasu uŜytkowania mocy szczytowej Tsgr zestawiono w tabeli 6. Transformatory serii T i TE – w tym przypadku zgodnie z danymi z tabeli 5, w obliczeniach załoŜono, Ŝe transformatorem TR_1 będzie transformator serii TE, natomiast transformatorem TR_2 będzie transformator serii T. Wyniki obliczeń granicznego czasu uŜytkowania mocy szczytowej Tsgr zestawiono takŜe w tabeli 6. Tabela 6. Graniczne wartości uŜytkowania mocy szczytowej Tsgr T ÷ TU T ÷ TE 150 7090 3310 Jednostkowy koszt energii kA [zł/MWh] 175 200 225 250 6280 5600 5020 4500 3130 2990 2880 2790 Analizując wartości graniczne czasu uŜytkowania mocy szczytowej Tsgr 300 3610 2640 moŜna stwierdzić, Ŝe: 1. Czasy graniczne dla transformatora serii TU są znacznie wyŜsze niŜ w przypadku transformatora typu TE; wynika to przede wszystkim ze znacznie zróŜnicowanych nakładów inwestycyjnych – transformatory serii TU są prawie dwukrotnie droŜsze inwestycyjnie. 2. Jednostkowy koszt energii bardzo silnie wpływa na wartość granicznego czasu szczególnie przy transformatorze serii TU; duŜe oszczędności w stratach tak jałowych jak i obciąŜeniowych tego transformatora w porównaniu z transformatorem serii T będą decydujące przy wysokich jednostkowych kosztach energii. 3. Jednostkowy koszt energii słabiej wpływa na wartość czasu granicznego w przypadku transformatora serii TE; wynika to z faktu, Ŝe ten transformator charakteryzuje się nie tylko niŜszymi stratami jałowymi, ale przede wszystkim niŜszym kosztem inwestycyjnym w porównaniu z transformatorem serii T. 9 Podsumowanie Zagadnienia prezentowane w niniejszym referacie wychodzą naprzeciw ofertom producentów transformatorów, którzy w swych materiałach katalogowych oferują moŜliwość wyboru konstrukcji transformatora z uwzględnieniem kapitalizacji strat energii elektrycznej, w celu zoptymalizowania całkowitego kosztu zakupu i kosztu eksploatacji transformatora. Literatura [1] Niewiedział E., Niewiedział R.: Ocena aktualnego stanu wiejskich elektroenergetycznych sieci rozdzielczych. W: Mat. III Ogólnopolskiej Konferencji nt. Elektroenergetyka na terenach wiejskich. Nałęczów 2006. [2] Niewiedział E., Niewiedział R.: Aktualny stan wiejskich elektroenergetycznych sieci średniego i niskiego napięcia. Biblioteka Polskiego Centrum Promocji Miedź Nr 27/11/2006. Wrocław 2006. [3] Projekt Thermie B nr STR-1678-980be: Potencjał oszczędności energii w Unii Europejskiej poprzez zastosowanie energooszczędnych transformatorów rozdzielczych. Wyd. ENERGIE [4] CENELEC – DRAFT pr EN 50464-1: Three-phase oil-immersed distribution transformers 50 Hz, from 50 kVA to 2500 kVA with highest voltage equipment not exceeding 36 kV, Part 1: General requirements. April 2005. [5] Horak J., Gawlak A., Szkutnik J.: Sieć elektroenergetyczna jako zbiór elementów. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1998. [6] Niewiedział E., Niewiedział R.: Wstępna analiza sprawności i jednostkowych kosztów transformacji dla transformatorów rozdzielczych SN/nn. Opracowanie własne na prawach rękopisu. Poznań 2007. 10