Kierunki rozwoju transformatorów rozdzielczych i transformatorów mocy

Transformatory rozdzielcze i mocy na rynku

Obecnie globalny rynek transformatorów odnotowuje znaczące wzrosty, które napędzane są rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, modernizacją infrastruktury sieciowej oraz integracją rozproszonych źródeł energii. Według raportu z lutego 2023 roku, wartość rynku transformatorów mocy, która wynosiła 34,6 miliarda USD w 2022 roku, ma osiągnąć 63,2 miliarda USD do 2030 roku, co oznacza skumulowany roczny wskaźnik wzrostu (CAGR) na poziomie 7,8% [1]. Czynniki wpływające na ten wzrost to przede wszystkim rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz rozwój odnawialnych źródeł energii. Transformatory rozdzielcze również wykazują znaczący wzrost. Według danych z marca 2023 roku, globalny rynek szacowany na 18,1 miliarda USD w 2022 roku, ma osiągnąć wartość 27,8 miliarda USD do 2030 roku, rosnąc w tempie CAGR 5,5%[2]. W Europie rynek ten dynamicznie się rozwija, z prognozowanym wzrostem w krajach takich jak Niemcy na poziomie około 4,3% CAGR.

Transformatory suche w izolacji żywicznej zyskują na popularności dzięki swoim zaletom w zakresie bezpieczeństwa i ekologii. Według prognoz z lipca 2022 roku, rynek tych transformatorów ma rosnąć w tempie CAGR ponad 6% w okresie 2022–2027 [3]. Wzrost ten jest napędzany przez rosnące zapotrzebowanie na energię, integrację odnawialnych źródeł energii oraz inwestycje w sieci przesyłowe i dystrybucyjne.

Przyczynami ogólnego wzrostu rynku transformatorów są m.in.:

• rozwój elektromobilności – zwiększająca się liczba pojazdów elektrycznych generuje zapotrzebowanie na infrastrukturę ładowania, co wpływa na obciążenie sieci w nowych obszarach,
• urbanizacja – migracja ludności do miast wymusza rozbudowę i modernizację infrastruktury energetycznej,
• inwestycje w odnawialne źródła energii – integracja źródeł energii słonecznej czy wiatrowej wymaga nowoczesnych transformatorów zdolnych do obsługi zmiennych obciążeń,
• efektywność energetyczna i niezawodność dostaw – rosnące ceny energii oraz regulacje prawne skłaniają do inwestowania w urządzenia o wyższej sprawności i niezawodności.

Rozwój techniczny transformatorów rozdzielczych i mocy

Transformatory mocy

W obszarze transformatorów mocy obserwuje się znaczące innowacje mające na celu poprawę efektywności energetycznej i zrównoważonego rozwoju. Unijna dyrektywa ekoprojektu wprowadziła wskaźniki maksymalnej sprawności dla transformatorów mocy, co stymuluje producentów do poszukiwania nowych materiałów i technologii.

Jednym z kluczowych kierunków jest zastąpienie tradycyjnych olejów mineralnych estrami biodegradowalnymi jako medium izolacyjno-chłodzącym w transformatorach. Estry naturalne oferują szereg zalet, takich jak biodegradowalność minimalizująca ryzyko skażenia środowiska, wyższa temperatura zapłonu zwiększająca bezpieczeństwo eksploatacji czy obniżone koszty inwestycyjne, dzięki uproszczeniu zabezpieczeń środowiskowych.

Innowacyjnym rozwiązaniem jest stosowanie ekologicznych blach transformatorowych typu Bluemint® [4], produkowanych przez firmę thyssenkrupp. Wykonane są one ze stali charakteryzującej się obniżoną emisją CO₂ podczas produkcji, co przyczynia się do redukcji śladu węglowego transformatorów.

Następuje również cyfryzacja transformatorów mocy, która pozwala m.in. na ciągłe monitorowanie parametrów pracy, przejście do konserwacji predykcyjnej, a także zwiększenie niezawodności i żywotności urządzeń.

Transformatory rozdzielcze olejowe

Współczesne transformatory rozdzielcze olejowe ewoluują, aby sprostać nowym wyzwaniom sieci elektroenergetycznych. Kluczowym kierunkiem jest zastosowanie przełączników pod obciążeniem (OLTC, ang. On-Load Tap Changer) [5], które umożliwiają dynamiczną regulację napięcia w czasie rzeczywistym.

Sieci dystrybucyjne stoją przed licznymi wyzwaniami. Integracja odnawialnych źródeł energii powoduje wahania napięcia spowodowane niestabilną generacją z OZE. Dodatkowo, rosnące i trudne do przewidzenia obciążenia wynikające, np. z elektromobilności zwiększają zapotrzebowanie na energię w sposób nieprzewidywalny. Tradycyjne metody regulacji napięcia okazują się niewystarczające w obliczu tych dynamicznych zmian, co może prowadzić do problemów z utrzymaniem stabilności sieci. Mając to na uwadze, zastosowanie przełączników pod obciążeniem w transformatorach rozdzielczych umożliwia dynamiczną regulację napięcia, co pozwala na utrzymanie stabilności niezależnie od fluktuacji w sieci. Dzięki temu poprawia się jakość zasilania, zapewniając odpowiednie parametry energii dla odbiorców końcowych. Ponadto, optymalizacja infrastruktury poprzez lepsze wykorzystanie istniejącej sieci eliminuje konieczność kosztownych modernizacji. Automatyzacja procesów regulacji napięcia eliminuje potrzebę ręcznej interwencji, obniżając jednocześnie koszty operacyjne.

Korzyści płynące z tego rozwiązania są znaczące. Przede wszystkim następuje zwiększenie niezawodności sieci, gdyż stabilne napięcie minimalizuje ryzyko awarii. Dodatkowo, efektywna integracja odnawialnych źródeł energii staje się możliwa bez destabilizacji sieci, a to kluczowa kwestia w kontekście rosnącego udziału OZE w miksie energetycznym. Elastyczność systemu pozwala na szybkie dostosowanie do zmieniających się warunków obciążenia i generacji, co jest niezbędne w nowoczesnych, inteligentnych sieciach elektroenergetycznych.

Pierwsze konstrukcje typu RONT pojawiły się już kilkanaście lat temu i od dłuższego czasu są dostępne na rynku. Teraz jednak wydaje się, że zaczną zdobywać duże zainteresowanie wśród operatorów systemów energetycznych, producentów energii oraz przemysłu. Niektóre zakłady energetyczne w Niemczech zaczęły zamawiać wszystkie nowe jednostki z automatyczną regulacją.

Rosnące ceny energii elektrycznej oraz dążenie do ograniczenia strat mocy w sieciach sprawiają, że zwiększenie efektywności energetycznej transformatorów staje się priorytetem. W Unii Europejskiej wprowadzono kilka lat temu rozporządzenie mające na celu ograniczenie strat mocy w transformatorach instalowanych w sieciach krajów wspólnoty. Działanie to zasługuje na pochwałę, gdyż przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii i emisji CO₂. Jednak redukcja strat w transformatorach często wiąże się ze zwiększeniem ich wymiarów i masy, co może stanowić wyzwanie logistyczne i finansowe. W tym kontekście interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie rdzeni amorficznych, które wykonane są z materiałów o nieuporządkowanej strukturze krystalicznej, co pozwala na znaczące zmniejszenie prądów wirowych i strat jałowych w rdzeniach transformatorów. Mimo że rdzenie amorficzne oferują wyraźne korzyści w zakresie efektywności energetycznej, ich wysokie koszty produkcji oraz pewne problemy techniczne, takie jak kruchość materiału i trudności w obróbce, hamują ich szersze zastosowanie. Wymaga to dalszych badań oraz optymalizacji procesów produkcyjnych, aby uczynić tę technologię bardziej dostępną.

Transformatory rozdzielcze suche w izolacji żywicznej

Rynek transformatorów rozdzielczych suchych w izolacji żywicznej rośnie dynamicznie, napędzany zapotrzebowaniem na bezpieczne i ekologiczne rozwiązania. Dynamiczny wzrost liczby sprzedawanych urządzeń jest w pewnej części wynikiem wzrostu cen produkcji transformatorów olejowych oraz okresowych problemów z ich dostępnością. Dlatego też transformatory rozdzielcze suche coraz częściej znajdują zastosowanie w kompaktowych stacjach rozdzielczych.

Niewątpliwymi atutami transformatorów suchych są:

• brak potrzeby stosowania oleju izolacyjnego, co eliminuje ryzyko wycieków i pożarów,
• zmniejszone wymagania dotyczące ochrony środowiska i przeciwpożarowej,
• niskie koszty eksploatacji i prosta instalacja,
• możliwość montażu w miejscach w pobliżu ludzi.

W licznych implementacjach zwiększa to uniwersalność zastosowań oraz pozwala ograniczyć koszty inwestycyjne. Dodatkowo wielu użytkowników przekonało się w ostatnich trzech latach, że mogą z powodzeniem zastępować transformatory rozdzielcze olejowe rozwiązaniami suchymi. Producenci nieustannie pracują nad rozwojem konstrukcji uzwojeń transformatorów suchych, skupiając się na poprawie współczynnika wypełnienia uzwojenia, co przekłada się na mniejsze straty energii i lepszą efektywność. Optymalizacja konstrukcji uzwojeń pozwala na zmniejszenie gabarytów transformatorów przy zachowaniu ich parametrów elektrycznych.

Transformatory rozdzielcze suche, a nowe klasy klimatyczne i środowiskowe

W 2018 roku wprowadzono nową edycję normy IEC 60076-11, która przyniosła zmiany w klasyfikacji transformatorów rozdzielczych suchych. Dokument wprowadził dodatkowe klasy klimatyczne i środowiskowe, mające dostosować różne wykonania do różnorodnych warunków eksploatacji.

Nowe klasy klimatyczne określające zdolność transformatorów do pracy w niskich temperaturach:

• klasa C3 – praca w temperaturze nie niższej niż –25°C; transport i składowanie w temperaturze nie niższej niż –40°C,
• klasa C4 – praca w temperaturze nie niższej niż –40°C; transport i składowanie w temperaturze nie niższej niż –50°C,
• klasa C5 – praca w temperaturze nie niższej niż –50°C; transport i składowanie w temperaturze nie niższej niż -60°C.

Nowe klasy środowiskowe określające odporność transformatorów na kondensację i zanieczyszczenia:

• klasa E3 – częsta kondensacja i średnie zanieczyszczenia,
• klasa E4 – częsta kondensacja i duże zanieczyszczenia.

Wprowadzenie nowych klas klimatycznych i środowiskowych miały sprawić, aby transformatory rozdzielcze suche były lepiej dostosowane do ekstremalnych warunków klimatycznych i środowiskowych. Jednak producenci i praktycy, opierający się na sprawdzonych technologiach produkcji, wyrażają pewien sceptycyzm, co do konieczności wprowadzenia tych rozszerzonych klas w normie. Argumentują, że dotychczasowe klasy były wystarczające, a nowo wprowadzone mogą prowadzić do kolejnego wzrostu kosztów, przy jednoczesnych niewielkich zmianach technologicznych oraz niewielkiej wartości dodanej dla klienta.

Transformatory rozdzielcze i mocy w podsumowaniu

Przed producentami transformatorów stoją liczne wyzwania związane z dynamicznymi zmianami technologicznymi, problemami materiałowymi i zakłóceniami w łańcuchach dostaw. Rosnące wymagania dotyczące efektywności energetycznej, zrównoważonego rozwoju i cyfryzacji wymuszają ciągłe innowacje. Jednak mimo trudności, przed branżą transformatorów obiecującą przyszłość. Inwestycje w infrastrukturę energetyczną, rozwój odnawialnych źródeł energii oraz rosnące zapotrzebowanie na energię napędzają popyt na nowoczesne rozwiązania. Producenci, którzy sprostają tym wyzwaniom, mają szansę umocnić swoją pozycję i kształtować przyszłość energetyki.

Literatura:
1. „Power transformer market to hit $63 B by 2030”, Transformers Magazine, luty 2023.
2. „Distribution transformers market to reach $27.8 B”, Transformers Magazine, marzec 2023.
3. „Dry-type transformer market – forecast 2022–2027”, Transformers Magazine, lipiec 2022.
4. www.thyssenkrupp-steel.com/en/products/bluemint/bluemint.html.
5. https://www.sgb-smit.pl/zastosowania-transformatorow-ront.