Ekologiczne aspekty eksploatacji transformatorów energetycznych

fot. ndrwfgg // CC flickr.com

Transformator energetyczny jest urządzeniem nie stwarzającym szczególnie dokuczliwych problemów ekologicznych, tym niemniej współczesne przemiany świadomości społecznej wymuszają proekologiczne spojrzenie na każde urządzenie techniczne, szczególnie jeśli występuje powszechnie i w dużej liczbie egzemplarzy. Do zagadnień ekologicznych związanych z budową i eksploatacją transformatorów należy zaliczyć straty mocy, ochronę gruntów, ochronę zwierząt i ludzi, hałas i wibracje.

Straty mocy

30% strat przesyłowych to straty w transformatorach, co stanowi 2% wyprodukowanej energii elektrycznej. W liczbach bezwzględnych wygląda to jeszcze bardziej przekonująco. Autorzy [3] podają, że w roku 2003 globalna populacja przemysłowych transformatorów rozdzielczych była szacowana na 100 000 do 150 000 jednostek, o ogólnej mocy 100 do 150 GVA i globalnych stratach ok. 10 TWH/a. Jest to liczba duża i tę wielkość energii elektrycznej trzeba wyprodukować po to, by została stracona w transformatorze rozdzielczym w procesie przesyłu energii elektrycznej. Do tego trzeba dodać straty mocy w dużych transformatorach sieciowych i blokowych, gdzie straty mocy liczone są w megawatach.

Każde działanie zmierzające do oszczędności energii elektrycznej jest działaniem proekologicznym, gdyż zmierza do ograniczenia produkcji energii elektrycznej, a więc do zmniejszenia chemicznych i elektromagnetycznych oddziaływań na środowisko naturalne. Jest to szczególnie istotne w Polsce, gdzie niemal cała energia elektryczna jest uzyskiwana ze spalania węgla (brunatnego i kamiennego), co szczególnie naraża środowisko na zanieczyszczenia chemiczne.

Straty energii w transformatorze można ograniczyć na etapie projektu, podczas doboru i eksploatacji transformatora, oraz można je utylizować, np. poprzez wykorzystanie do celów grzewczych.

Etap projektu

Straty jałowe w transformatorach można zmniejszyć poprzez zmniejszenie grubości blach krzemowych transformatorowych do 0,15 mm i naświetlanie blach laserem impulsowym dla ustabilizowania domen magnetycznych [4]. Problem ten może być rozwiązany również poprzez budowę rdzeni transformatorów ze stali amorficznej (metglass, power-core), co pozwala zmniejszyć straty w stali do ok. 50%. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono zależności pozwalające minimalizować jałowe straty mocy powstające w transformatorach.

Rys. 1. Straty w rdzeniu w zależności od indukcji [4] 1 – blacha M5-30, 0,3 mm, 2 – blacha o podwyższonej indukcji MOH-23, 0,23 mm, 3 – blacha obrabiana laserowo ZDKH-23, 0,23 mm, 4 – blacha amorficzna 0,13 mm	Rys. 2. Straty w rdzeniu w zależności od sił prasujących [4]

W eksploatowanym transformatorze znaczące są również straty obciążeniowe. Na etapie projektowania transformatora straty te można zmniejszyć poprzez stosowanie przewodów transponowanych i ekranów oraz boczników magnetycznych [4].

Dla transformatorów rozdzielczych problematyka optymalizacji konstrukcji transformatora z uwzględnieniem kosztów materiałów i kapitalizacji strat została rozwiązana za pomocą odpowiednich programów numerycznych pozwalających konstruktorowi i odbiorcy wybrać najkorzystniejszy wariant transformatora [2].

Etap eksploatacji

Na etapie projektowania elementów systemu elektroenergetycznego straty można zmniejszać poprzez prawidłowy dobór transformatora do przewidywanych obciążeń i pracy równoległej z innymi transformatorami.

Innym sposobem proekologicznego działania związanego ze stratami energii w transformatorze jest wykorzystanie ciepła strat do ogrzewania budynków stacyjnych, a nawet pobliskich budynków mieszkalnych. Sposoby odzysku ciepła z transformatorów za pomocą wymienników olej/woda, olej/powietrze lub nawet poprzez wykorzystanie ciepła powietrza opływającego specjalnie obudowane radiatory transformatora czy odprowadzanego z chłodnic powietrznych opisano w [5].

Zastosowanie pomp cieplnych umożliwia wykorzystanie ciepła strat nawet przy małych obciążeniach transformatora [6]. Daje to możliwość korzystania z energii strat przez cały rok. W publikacji [6] opisano przykład takiej instalacji dla transformatora 10 MVA, służącej do ogrzewania pomieszczeń stacyjnych i uzyskiwania ciepłej wody do celów socjalno-bytowych pracowników.

Szacunki zysków w Północnym Okręgu Energetycznym, związane z wykorzystaniem ciepła strat transformatorów, już w roku 1989 sięgały 3000 MWh [5].