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].

Ochrona gruntu

Transformator energetyczny jest wypełniony mineralnym olejem izolacyjnym. Z punktu widzenia ochrony środowiska najlepiej byłoby unikać jakichkolwiek wycieków oleju. Objętości oleju wahają się od kilku do kilkudziesięciu metrów sześciennych, w zależności od mocy transformatora. W przypadku awarii wyciekający olej stanowi źródło skażenia gruntu, a w konsekwencji skażenia zbiorników i cieków wodnych.

Zapobieganie takim skażeniom polega na budowaniu szczelnych mis olejowych pod transformatorami (rys. 3). Misy te zbierają wody opadowe i olej wyciekający z kadzi (w przypadku awarii lub nieszczelności). Ścieki są kierowane do separatorów, w których dokonuje się rozdziału oleju i wody. Olej po separacji można zebrać i wywieźć, natomiast woda jest kierowana do kanalizacji deszczowej, rowów czy zbiorników naturalnych.

Stanowiska transformatorów zbudowane w czasach, gdy nie było wymagań dotyczących konieczności budowy zabezpieczeń przed wylaniem się oleju, powinny być przebudowane tak, aby spełniały warunki ekologiczne zapobiegające zanieczyszczeniu gruntu i wody olejem (np. jak na rys. 4).

Hałas i wibracje

Obowiązujące normy poziomu hałasu dopuszczają dla terenów przemysłowych hałas w granicach od 40 do 65 dB(A) w dzień i od 30 do 50 dB(A) w nocy. Transformator jest źródłem hałasu głównie z dwóch przyczyn: magnetostrykcji rdzenia i pracy wentylatorów przy chłodzeniu wymuszonym. Problem ten winien być dostrzegany już na etapie projektowania transformatora, gdyż rejestrowane poziomy hałasu generowanego przez transformatory najwyższych napięć i mocy mogą przekraczać 80 dB(A).

Stosowanie nowych gatunków blach transformatorowych i zmniejszanie indukcji w nowoczesnych rozwiązaniach przyczyniło się do zmniejszenia poziomu hałasu poniżej 70 dB(A) [4]. Głoszone są nawet poglądy, że hałas powodowany przepływem prądu (od strat obciążeniowych), wskutek ograniczenia hałasu powodowanego magnetostrykcją rdzenia, może stać się problemem pierwszoplanowym.

Budowa wentylatorów o zmniejszonym poziomie hałasu pozwoli ograniczyć tę część hałasu (6 do 8 dB(A)), za którą odpowiada układ chłodzenia. Takie specjalne wentylatory zaprojektowano i zbudowano w Japonii już na początku lat dziewięćdziesiątych, z przeznaczeniem do transformatorów chłodzonych i izolowanych sześciofluorkiem siarki [10].

W celu ograniczenia wpływu hałasu transformatora na otoczenie, w warunkach konkretnej stacji elektroenergetycznej, można:

• lokalizować transformator centralnie na terenie stacji, tak aby odległości do ogrodzenia były jak największe,
• lokalizować transformator w miejscu maksymalnie odległym od istniejących lub przewidywanych budynków mieszkalnych,
• stosować ekrany akustyczne w postaci szpalerów drzew wzdłuż ogrodzenia stacji,
• budować ekrany akustyczne w postaci betonowych ścian (ściana o grubości 5 cm może ograniczyć hałas o 10 do 25 dB(A), zależnie od jej wymiarów i usytuowania,
• obudować transformator budynkiem tłumiącym hałas.

Oddziaływania elektromagnetyczne

Przy częstotliwości 50 Hz (gdzie zawsze jesteśmy w tzw. polu bliskim) można oddzielnie rozpatrywać obie składowe: magnetyczną i elektryczną pola elektromagnetycznego. Składowa elektryczna jest ekranowana przez kadź transformatora i może pochodzić jedynie od wyprowadzeń, w przypadku gdy transformator jest podłączony do linii napowietrznej. Składowa magnetyczna pochodzi od strumienia rozproszenia (strumień główny zamyka się w rdzeniu) i ma niewielką wartość, rejestrowaną bezpośrednio na powierzchni kadzi.

Na rysunku 5 pokazano wyniki badań własnych. Jak widać, rejestrowane wartości są znacznie poniżej ekspozycji społecznych dopuszczalnych na poziomie 1 kV/m dla składowej elektrycznej i 75 μT (60 A/m) dla składowej magnetycznej.

Ochrona zwierząt i ludzi

Transformatory rozdzielcze

Transformatory o dużych mocach i wysokich napięciach znamionowych są instalowane w obrębie stacji elektroenergetycznych zamkniętych dla osób postronnych. Odstępy izolacji zewnętrznej są wówczas – ze względu na wysokie napięcia – odpowiednio duże. Porażenie ludzi lub dużych zwierząt jest więc mało prawdopodobne ze względu na brak dostępu, a porażenie małych zwierząt czy ptaków – ze względu na duże odstępy izolacyjne.

Inaczej jest w przypadku transformatorów rozdzielczych, szczególnie transformatorów wiejskich (słupowych). W tych przypadkach względy ekologiczne nakazują zwrócić uwagę na dwa aspekty:

• odstępy izolacji zewnętrznej winny być tak dobrane, aby nie było możliwe porażenie zwierząt (np. wiewiórki, lisa, kota czy większego ptaka),
• transformatory słupowe powinny być instalowane w sposób utrudniający do nich dostęp. Można to osiągnąć poprzez zamontowanie odpowiednich zapór (poręczy) utrudniających wejście lub poprzez konieczność stosowania specjalnego sprzętu (słupołazów), aby móc dojść do transformatora.

Powyższe problemy znikają po zastosowaniu nowoczesnych, małogabarytowych stacji transformatorowych SN/nn. Dotyczy to stacji SN/nn w miastach. Warunki ekologiczne spełnione są wówczas całkowicie:

• transformator jest zamknięty w obudowie (stalowej lub betonowej), co uniemożliwia dostęp, a tym samym porażenie osób postronnych i zwierząt,
• ograniczony jest obszar zajętego terenu, szczególnie w stacjach z obsługą z zewnątrz,
• stacje wyposażone są w szczelne misy olejowe do awaryjnego zrzutu oleju (o objętości gwarantującej przyjęcie całej objętości oleju z transformatora), co zapewnia ochronę przed zanieczyszczeniem gleby i wody.

Rys. 7. Przykłady kontenerowych stacji transformatorowych [11]: a) stacja typu słup ogłoszeniowy, b) przekrój stacji kontenerowej

Producenci transformatorów proponują nowe rozwiązania transformatorów rozdzielczych, np. wdrożone w Kanadzie, w postaci tzw. zanurzalnych transformatorów dystrybucyjnych. Są to na razie transformatory jednofazowe do mocy 167 kVA na napięcie 14,4 kV/240 V w izolacji żywicznej i obudowie kompozytowej.Transformator taki można zakopać bezpośrednio w ziemi. Konstrukcja
jest wodoodporna, niewrażliwa na korozję i nie wymaga konserwacji [13].

Media izolacyjne

Oddzielnym zagadnieniem związanym z ochroną ludzi jest toksyczność ciekłych mediów izolacyjnych używanych w transformatorach. Powszechnie stosowany mineralny olej transformatorowy ma wskaźnik zagrożenia ekologicznego dwukrotnie większy niż woda, jeżeli jest w stanie czystym i bez domieszek polichlorobifenyli (PCB). Oleje zestarzone mogą zawierać jednak znaczące ilości policyklicznych związków aromatycznych, które mają właściwości rakotwórcze. Wskaźnik zagrożenia ekologicznego może wówczas wzrosnąć nawet trzykrotnie w porównaniu z olejami świeżymi.

Chociaż olej nie wymaga ostrzegawczego oznakowania (czaszka ze skrzyżowanymi piszczelami), to – szczególnie zestarzony – nie może być traktowany jako ekologicznie niegroźny. Wylewanie oleju do gleby jest zawsze niedopuszczalne, a kontakt poprzez skórę może być szkodliwy. Oleje w stanie dostawy powinny mieć atest na zawartość polichlorobifenyli (PCB poniżej 50 ppm). Przekroczenie 50 ppm powinno wymagać oznakowania o zagrożeniu. Oleje o zawartości powyżej 50 ppm nadają się jedynie do utylizacji [9].

W transformatorach niepalnych stosuje się obecnie oleje silikonowe, złożone estry organiczne (np. Midel) lub inne oleje syntetyczne. Ciecze te są mało lub bardzo mało toksyczne i w dużej mierze biodegradalne. Dla porównania, olej mineralny określany jest jako słabo toksyczny i biodegradalny.

Działaniem proekologicznym jest również zastępowanie mediów ciekłych izolacją gazową (transformatory suche, transformatory z SF6 ). Dotyczy to w szczególności transformatorów rozdzielczych, a jest uzasadnione zarówno wzrostem bezpieczeństwa pożarowego, jak i zmniejszaniem zagrożenia ludzi i gleby. W przypadku izolacji SF6 pojawiają się jednak nowe (mniejsze) problemy ekologiczne, związane m.in. z toksycznością produktów jego rozkładu i przenikaniem gazu do atmosfery.

 Stopień biodegradacji wybranych cieczy izolacyjnych (w odniesieniu do 1000 ml)

Wnioski

• Transformator energetyczny nie jest urządzeniem wywierającym nadmierny wpływ na środowisko naturalne.
• Szczególnie bulwersujące opinię publiczną oddziaływania elektromagnetyczne są w przypadku transformatorów energetycznych całkowicie nieistotne z punktu widzenia dopuszczalnych wartości granicznych dla ekspozycji społecznych.
• Możliwość wyboru transformatora o optymalnej wartości strat mocy oraz poprawność doboru do przewidywanych obciążeń zapewniają minimalizację strat, które globalnie stanowią istotny ułamek przesyłanej energii.
• Szczególnej uwagi wymagają transformatory rozdzielcze, występujące w dużej liczbie i usytuowane w ogólnie dostępnym środowisku. Utrudnienie w dostępie osób nieupoważnionych oraz modernizacja (dodatkowa izolacja) zewnętrznych odstępów izolacyjnych zapobiegają porażeniom ludzi i zwierząt.

AUTOR

Prof. dr inż. Franciszek Mosiński

Instytut Elektroenergetyki Politechniki Łódzkiej

LITERATURA