Yağlı tip güç transformatörünün verimliliği yükten nasıl etkilenir?
Mesaj bırakın
Sıcak bir yaz akşamında (herkesin aynı anda klimaları çalıştırdığı, fırınları çalıştırdığı ve dizileri art arda izlediği) bir elektrik trafo merkezinin yanında durduysanız, havadaki o devasa, alçak uğultuyu hissetmişsinizdir. Bu, ışıkları açık tutmak için fazla mesai yapan yağa batırılmış güç transformatörlerinin sesi. Yıllarca bu birimleri boyutlandırmak, inşa etmek ve sorunlarını gidermek için çalışan bir tedarikçi olarak bana diğerlerinden daha çok bir soru soruluyor: "Tüm bu ekstra yük, bu transformatörlerin verimliliğini gerçekte nasıl değiştiriyor?" Bu basit bir evet/hayır cevabı değil ve sadece Google'da arayıp bir gün diyebileceğiniz bir şey değil. Bu çelik tanklarda ve yalıtım yağında pek çok nüans saklıdır ve bunların atlanması ileride bazı maliyetli baş ağrılarına yol açabilir.
Öncelikle, güç mühendisi olmayanlar için temel bilgileri özetleyelim (endişelenmeyin, bu jargonu hafif tutuyorum). Yağa batırılmış güç transformatörleri şebekenin en güçlü yükleridir; voltajı yükseltir veya azaltırlar, böylece elektriğin çok fazla enerji kaybı olmadan uzun mesafeler kat etmesi sağlanır ve daha sonra onu evler ve işyerleri için güvenli hale getirir. İçerideki yağ iki önemli görevi yerine getiriyor: kısa devre yapmamaları için elektrik sargılarını yalıtıyor ve bu sargılardan akım geçtiğinde oluşan ısıyı dağıtıyor. Bu yağ olmadan, özellikle yük yüksek olduğunda transformatör birkaç dakika içinde aşırı ısınır.
Bu bağlamda yük, transformatörün gerçekte sağladığı güç miktarına karşılık maksimum nominal kapasitesidir. Her transformatörün bir "etiket değeri" vardır - örneğin 10 MVA (megavolt-amper) - bu, kendisine zarar vermeden sürekli olarak taşıyabileceği maksimum yüktür. Ancak olay şu: verimlilik (temel olarak giriş gücünün ne kadarının ısı olarak israf edilmeyen, kullanılabilir çıkış gücü haline geldiğidir), yük yukarı veya aşağı doğru giderken düz bir çizgi izlemez. İşte işin eğlenceli (ve bazen sinir bozucu) kısmı da burada devreye giriyor.
Yağa batırılmış bir güç transformatöründeki iki ana kayıp türünü inceleyelim çünkü verimlilik matematiğinin yaşadığı yer burasıdır. Birincisi, bazen çekirdek kayıpları olarak da adlandırılan "yüksüz kayıplar" vardır. Bunlar, transformatör orada takılıyken, fişe takılıyken ancak herhangi bir yük taşımadığında bile meydana gelir. Transformatörün içindeki manyetik çekirdekten geliyorlar; metalin içinde dönen küçük akımlar (girdap akımları denir) ve AC akım döngüleri sırasında manyetik alanların sürekli değişmesi. Ne kadar yük çekerseniz çekin, bu kayıplar sabittir. Daha sonra, transformatörden ne kadar akım ittiğinize göre değişen "yük kayıpları" vardır. Bunlar bakır sargıların direncinden geliyor; Joule yasası sayesinde daha fazla akım daha fazla ısı anlamına geliyor (odadaki inekler için R'nin karesini aldım).
Bunu somutlaştırmak için hızlı bir örnek yapalım. Boşta kayıpları 10 kW ve yük kayıpları tam yükte 40 kW olan 10 MVA'lık bir transformatörümüz olduğunu varsayalım. %0 yükte çıkış 0 kW'tır, dolayısıyla verimlilik %0'dır; bu mantıklıdır. %25 yükte (2,5 MVA), yük kayıpları 40 kW * (0,25)^2 = 2,5 kW'a düşer. Toplam kayıplar 10 + 2,5 = 12,5 kW'tır. Giriş gücü, çıkış + kayıplardır, dolayısıyla çıkış, örneğin 2500 kW'tır (yük MVA ile orantılı olduğundan, basitlik amacıyla birlik güç faktörü varsayılmaktadır). Verimlilik 2500 / (2500 + 12,5) = ~%99,5'tir. Bu iyi. %50 yükte (5 MVA) yük kayıpları 40 kW * 0,25 = 10 kW'tır. Toplam kayıplar 20 kW. Verimlilik 5000 / 5020 = ~%99,6'dır. Daha da iyi. Şimdi %75 yükte (7,5 MVA), yük kayıpları 40 kW * 0,5625 = 22,5 kW'tır. Toplam kayıp 32,5 kW. Verimlilik 7500 / 7532,5 = ~%99,55'tir. Hala harika ama biraz düşmeye başlıyor. Tam yükte (10 MVA) yük kayıpları 40 kW'tır. Toplam kayıplar 50 kW. Verimlilik 10.000 / 10.050 = ~%99,5'tir. Ah! Yani tam yükte değil, %50 ila %75 yük arasında bir yerde zirveye ulaşır. Çoğu insanın bilmediği kısım bu.
Bekle, peki neden bu? Çünkü yüksüz kayıplar sabittir. Çok düşük yüklerde, bu sabit kayıplar giriş gücünün büyük bir kısmını tüketir. Yük arttıkça yük kayıpları da artar, ancak sıfırdan başlarlar, dolayısıyla bir süreliğine daha fazla yük eklemek, sabit kayıpların daha fazla çıkış gücüne yayılması anlamına gelir, dolayısıyla verimlilik artar. Yük bu tatlı noktayı geçtiğinde, yük kayıpları çıkış gücünden daha hızlı artmaya başlar, dolayısıyla verimlilik düşer. Bu tatlı noktaya “maksimum verimlilik noktası” denir ve bu her transformatör için farklıdır. Bu, tasarıma bağlıdır; sargıların kalınlığı, çekirdek malzemesi, hatta kullanılan yağın türü (bekleyin, yağ türü kayıplar için önemlidir? Biraz, ama çoğunlukla soğutma için).
Peki bu gerçek dünyada neden önemli? Biraz önce bahsettiğim o yaz akşamına dönelim. Bir transformatör tam olarak en yüksek yaz yüküne göre boyutlandırılmışsa (yani zamanın %10'unda tam yükte çalışıyor ve yılın geri kalanında bunun çok altında çalışıyorsa), yıl içindeki ortalama verimliliği, onu biraz daha büyük boyutlandırdığınızdan daha düşük olacaktır, bu nedenle çoğu zaman bu tatlı noktada çalışır. Bunu, istasyon servis transformatörlerimizden birkaçında ilk elden gördüm; bunlar, trafo merkezi kontrol odalarına, soğutma sistemlerine ve diğer yardımcı ekipmanlara güç sağlayan daha küçük ama kritik ünitelerdir. Birkaç yıl önce bir müşterimiz bize geldi ve istasyon servis transformatörünün çok fazla enerji harcadığından ve elektrik faturalarının çok yüksek olduğundan şikayet etti. "Daha büyüğün daha iyi" olduğunu düşündükleri için onu büyük boyutlandırdıkları ortaya çıktı, ancak %90'ında yalnızca %10-15 yükte çalışıyordu. Sabit yüksüz kayıplar onları öldürüyordu. Bunu çoğu zaman %50-60 yükte çalışan doğru boyuttaki bir üniteyle değiştirdik ve enerji faturaları ilk yılda %18 düştü. Bu beni heyecanlandıran türden gerçek dünya etkisi; bu sadece ders kitaplarındaki şeyler değil, insanların ceplerindeki para.
Ama bekleyin, yükün isim plakasındaki değerden çok daha yüksek olduğu durumlarda ne olacak? Örneğin, bir sıcak hava dalgası sırasında, tüm AC üniteleri açıkken ve şebeke gerginken, bir transformatör %110 veya %120 yükte çalışıyor. Orada verimlilik ne olacak? Birincisi, yağ onu da soğutamaz. Yük nominal değerin üzerine çıktıkça, yük kayıpları aşırı yük yüzdesinin karesi ile birlikte artar ve böylece birdenbire yükselir. Yağ sıcaklığının yükselmesi bakır sargıların direncini artırarak yük kayıplarını daha da artırır. Böylece verimlilik hızlı bir şekilde düşer; normal aşırı yükten çok daha hızlı. Ayrıca çok fazla veya çok uzun süreli aşırı yükleme yalnızca verimliliği etkilemez; izolasyon daha yüksek sıcaklıklarda daha hızlı bozulduğu için transformatörün ömrünü kısaltır. Müşterilerime her zaman şunu söylüyorum: Kısa süreler için en yüksek yükler iyidir, ancak haftalarca %105 yükün üzerinde çalışmayı alışkanlık haline getirmeyin. Tasarruf edebileceğiniz az miktardaki ekstra güçten çok daha pahalıya mal olan plansız kesinti riskine değmez.
Dikkate alınması gereken başka bir şey: yükün türü. Tüm yükler eşit yaratılmamıştır. AC motorlar veya buzdolapları gibi endüktif yükler daha düşük güç faktörlerine sahiptir. Güç faktörü, transformatörün sağladığı akımı ne kadar etkili kullandığının bir ölçüsüdür. Düşük güç faktörü, transformatörün aynı miktarda gerçek gücü sağlamak için daha fazla akım taşıdığı anlamına gelir; bu da "güç" (kW cinsinden) aynı olsa bile yük kayıplarını artırır ve verimliliği düşürür. Bu nedenle kamu hizmetleri yüksek güç faktörü için baskı yapıyor; transformatörleri daha verimli ve bu reaktif gücü taşımak için fazladan kapasite oluşturmaları gerekmiyor. Ticari veya endüstriyel müşteriler için üç fazlı yağlı transformatörler tasarladığımızda, tipik güç faktörlerini ayarlamak için her zaman elektrik ekipleriyle birlikte çalışırız, böylece üniteyi doğru şekilde boyutlandırırız ve verimliliği onların özel yük profillerine göre optimize ederiz. Burada herkese uyan tek bir çözüm yok; bu nedenle müşterilerimize en yüksek yüklerini, mevsimsel değişiklikleri ve hatta ne tür ekipmanlara güç verdiklerini sormak için bu kadar çok zaman harcıyoruz.
Sürekli duyduğum bazı yaygın efsanelerden bahsedelim. Efsane 1: Daha büyük transformatörler her zaman daha az verimlidir. Hayır, mutlaka değil. %50 yükte çalışan 10 MVA'lık bir transformatör, küçük olanın tepe verimliliği daha yüksek olsa bile, %100 yükte çalışan 5 MVA'lık bir transformatörden çok daha verimlidir. Her şey transformatörün boyutunu gerçek yüke uydurmakla ilgilidir. Efsane 2: Yağ türü verimliliği etkilemez. Tamam, küçük bir nokta ama bu doğru. Mineral yağ en yaygın olanıdır ancak ester bazlı yağlar biraz daha yüksek dielektrik dayanıma ve daha iyi soğutma özelliklerine sahiptir, bu nedenle özellikle yüksek sıcaklıktaki ortamlarda yük kayıplarını bir miktar azaltmaya yardımcı olabilirler. Fark çok büyük değil (%1'den az) ancak 20 yıl içinde bu, enerji maliyetlerinde binlerce dolara denk geliyor. Efsane 3: Verimlilik yalnızca büyük şebeke transformatörleri için önemlidir. Hayır. Bir alışveriş merkezinin otopark ışıklarına güç sağlayan küçük, yağlı bir transformatör bile, yük ile uyumsuz olması durumunda daha düşük verimlilikle çalışacaktır ve bu durum zamanla artar. Transformatörlerinin aşırı büyük olduğunu fark etmeyen küçük işletme sahipleriyle çalıştım ve enerji israfına yılda fazladan 500 dolar ödüyorlardı. Bu, ofisleri için yeni bir buzdolabı seti veya bir yıllık tesisat anlamına gelir; bu parayı işlerini büyütmek için kullanabilirler.
Peki, yağa batırılmış bir güç transformatörü seçtiğinizde bu ne anlama geliyor? Öncelikle yük profilinizi iyi bir şekilde ele almanız gerekir. Sadece en yüksek yüke bakmayın; yükün saatten saate, günden güne, mevsimden mevsime nasıl değiştiğine bakın. Yalnızca iş günü boyunca meşgul olan bir ticari binanız varsa, yük geceleri çok daha düşüktür, dolayısıyla gündüz en yoğun zamanlarına uygun boyutta bir transformatöre ihtiyacınız yoktur. 7/24 çalışan bir fabrikanız varsa, yavaş üretim dönemlerinde bile maksimum verimlilik noktasına mümkün olduğunca yakın kalacak şekilde boyutlandırmanız gerekir. İkinci olarak, işini gerçekten bilen bir tedarikçiyle konuşun. On yılı aşkın bir süredir yağlı güç transformatörleri üretiyoruz ve sadece satabildiğimiz en büyük üniteyi satmıyoruz. Sorular soruyoruz: En yüksek yükünüz nedir? Minimum yükünüz nedir? Güç faktörünüz nedir? Önümüzdeki 5 yıl içinde büyüme planlarınız var mı? Tüm bunlar, özel ihtiyaçlarınız için verimli bir transformatör seçmenizi etkileyen faktörlerdir.
Yük profilinizin ne olduğundan emin değilseniz çoğu elektrik mühendisi bunu ölçmenize yardımcı olabilir veya yük çalışması yapmak için üçüncü bir tarafla birlikte çalışabiliriz. Bu, daha düşük enerji faturaları ve daha uzun transformatör ömrü açısından karşılığını büyük ölçüde alan küçük bir yatırımdır. Çok fazla müşterinin boyutlandırma konusunda işin ucunu kaçırdığını ve sonunda bunun bedelini yüksek enerji maliyetleriyle ya da tüm siteyi çevrimdışına alan arızalı bir transformatörle ödediğini gördüm.
Günün sonunda, transformatörler oldukça basit makinelerdir, ancak verimlilikleri birçok hareketli parçaya (kelimenin tam anlamıyla çekirdek ve sargılara) bağlıdır. Yük en büyük değişkendir ve bu dengeyi doğru kurmak enerji tasarrufu, para tasarrufu ve gücün güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamanın anahtarıdır. İster bir trafo merkezi transformatörüne ihtiyaç duyan bir kamu hizmeti şirketi, ister ekipmanınıza güç sağlamak için bir üniteye ihtiyaç duyan bir fabrika, ister yeni bir ticari saha inşa eden bir geliştirici olun, yükünüz için doğru yağlı güç transformatörünü seçmek, elektrik sisteminiz için verebileceğiniz en önemli kararlardan biridir.
Transformatörünüzü yükseltmek veya değiştirmek istiyorsanız ya da yükün mevcut ünitenizi nasıl etkilediğine ilişkin sorularınız varsa, yardım etmek için buradayız. Ekibimiz size seçenekler arasında yol gösterebilir, gerekirse yük araştırması yapabilir ve verimli, güvenilir ve ihtiyaçlarınıza uygun bir transformatör aldığınızdan emin olabilir. Yağa batırılmış güç transformatörleri yelpazemizi buradan inceleyebilir veya uygulamanız için en iyi neyin işe yaradığını görmek için istasyon servis transformatörlerimiz veya üç fazlı yağlı transformatörlerimiz gibi özel üniteler hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.
Referanslar
- NEMA Standardı TP 1-2018, Sıvıya Daldırılmış Dağıtım Transformatörleri için Verimlilik Sınıflandırması
- IEEE C57.12.00-2020, Sıvıya Daldırılmış Dağıtım, Güç ve Düzenleme Transformatörleri için Genel Gereksinimler Standardı
- Elektrik İletimi ve Dağıtımı Referans Kitabı, 4. Baskı, Westinghouse Electric Corporation
- Kulkarni, SV ve Khaparde, SA (2004). Trafo Mühendisliği: Tasarım ve Uygulama. CRC Basın
- "Trafo Kayıplarını ve Verimliliğini Anlamak", Enerji Bakanlığı Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi
