اگر چه ترانسفورماتورها در صنعت برق به عنوان تجهيزات با بازدهي بالا شناخته‌مي‌شوند اما تفاوت بسيار زياد ميزان مصرف انرژي الكتريكي در زمانهاي اوج مصرف وكم باري و نيز لزوم توجه به رشد سالانه بار ترانسفورماتورها باعث دشواري انتخاب‌بهينه ظرفيت ترانسفورماتورهاي توزيع و در نتيجه بالا بودن تلفات كلي آنها مي‌شود. اين‌تفاوت ميزان مصرف زمانهاي مختلف را نمي‌توان به مقدار زيادي تغيير داد بنابراين بايدبا بكارگيري روشهاي مديريت بار ترانسفورماتورهاي توزيع و نيز استفاده از طراحي ومواد مناسب‌تر و با در نظر گرفتن طرحهاي فني – اقتصادي با زمانهاي برگشت سرمايه‌كوتاه مدت، نسبت به بهبود بازده ترانسفورماتورهاي توزيع و كاهش تلفات آنها اقدامات‌موثري انجام داد. بررسيهاي انجام شده در نوشتار حاضر نشان مي‌دهد كه بازده واقعي‌ترانسفورماتورهاي توزيع نصب شده در كشور (ظرفيت متوسط) در شرايط بارگيري،سالانه در حدود 96 تا 97 درصد است.
طراحي اوليه و ساخت ترانسفورماتورهاي توزيع با استفاده از مواد و طرحهاي‌مناسب‌تر باعث افزايش بازدهي آنها تا حدود 98 الي 99 درصد با زمان برگشت سرمايه 3 تا 5/3 سال خواهد شد.
ارزيابي تلفات و روشهاي كاهش آن دربخشهاي توليد، انتقال و توزيع انرژي‌الكتريكي از جمله مسائل مورد توجه در چندسال اخير در كشور بوده است و در اين ميان باتوجه به سهم بسيار بالاي تلفات سيستم توزيع، اهميت كاهش اين نوع تلفات بيش ازساير بخشهاست. از جمله مسائل فني وغيرفني كه باعث افزايش ناخواسته تلفات‌سيستم توزيع كشور شده است مي‌توان به‌طراحيهاي غيرمهندسي، استانداردهاي قديمي و ناكارآمد، گستردگي و پراكندگي‌فراوان شبكه‌هاي فشار ضعيف و روستايي، استفاده‌هاي غيرمجاز برق و… اشاره كرد كه درهر حال آشنايي با سهم هر يك از مولفه‌هاي‌تلفات شبكه توزيع و ظرفيت واقعي كاهش‌اين تلفات از طرق عملي و اقتصادي ارزش‌فراواني داشته و تصميم‌گيري در اين زمينه را آسانتر مي‌كند.
در ميان تجهيزات مختلف شبكه توزيع،ترانسفورماتورها كه وظيفه تبديل ولتاژ را درپستها و خطوط برعهده دارند، همواره به‌عنوان دستگاههايي با بازدهي بسيار بالامطرح بوده‌اند. بر اين اساس در كشور ما سهم‌كمي از تلفات انرژي الكتريكي را ناشي از آنهادانسته و يا آن كه لااقل پتانسيل فني -اقتصادي ناچيزي را براي كاهش تلفات توزيع‌كشور از طريق بهبود بازدهي آنها در نظرداشته‌اند كه دليل عمده اين امر نيز از يك‌طرف عدم لحاظ شرايط بارگيري واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع در طولاني مدت وتاثير فراوان اين نحوه بارگيري بر بازده وتلفات واقعي اين تجهيزات (مسائل فني)است. از طرف ديگر با توجه به غيررقابتي‌بودن صنعت ساخت ترانسفورماتورها واستفاده از فن‌آوريهاي نسبتٹ ارزان و قديمي وحمايت از اين سيستم در كشور در بيشترحالتها با اهميت دادن فراوان به مسائل فني‌ديگر نظير بهبود ولتاژ و عامل قدرت شبكه ازطريق خازن گذاري و… و نيز مهم دانستن‌مسائل غيرفني نظير استفاده‌هاي غيرمجاز ازبرق و… لزوم توجه بيشتر به اين مساله مهم ازنظر اولويت بندي در رده‌هاي پايين‌تري قرار گرفته است.
بررسيهاي انجام شده در اورپا و آمريكاي‌شمالي نشان داده است كه در ميان عوامل‌موثر و روشهاي مناسب براي كاهش تلفات‌شبكه‌هاي توزيع، بهبود بازده و مديريت بارترانسفورماتورهاي توزيع، بالاترين ارزش افزوده را دارد. استفاده از روشهاي ديگر نظيرخازن گذاري، بهبود و افزايش ولتاژ شبكه ياافزايش سطح مقطع هاديهاي مورد استفاده در خطوط انتقال و توزيع در اولويتهاي بعد قرارمي‌گيرند. همچنين تحقيقات صورت گرفته دركشورهاي مختلف نشان داده است كه در ميان‌تجهيزات الكتريكي، پس از موتورها،ترانسفورماتورهاي توزيع، بيشترين پتانسيل را براي كاهش اقتصادي تلفات دارند.
بنابراين مشخص است كه بررسي بازده وتلفات واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع نصب‌شده در كشور و امكان كاهش اين تلفات با درنظر گرفتن مسائل اقتصادي اهميت فراواني‌داشته و در اين نوشتار اين موضوع موردارزيابي قرار مي‌گيرد.
تلفات و بازده واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع كشور
اگر چه ترانسفورماتورهاي توزيع مانندساير ترانسفورماتورها از جمله تجهيزات بابازده بالاي ساخته شده توسط بشر به حساب‌مي‌آيند اما دو نوع اصلي تلفات انرژي در اين‌گونه تجهيزات مي‌تواند سبب كاهش بازده كلي آنها شود كه عبارتند از: تلفات بي باري‌ناشي از تلفات هسته و پراكندگي‌ترانسفورماتورها و تلفات بار كه به طور عمده‌شامل تلفات اهمي و پراكندگي سيم پيچ‌هاي‌ترانسفورماتور است.
براي دانستن بازده يا تلفات واقعي‌ترانسفورماتورها، نياز به دانستن ضريب بار ونحوه بارگيري از آنها و نيز عامل قدرت(COSF) اين تجهيزات است. ضريب بارترانسفورماتورهاي توزيع كه به نحو قابل‌ملاحظه‌اي بر روي تلفات بار و در نتيجه بازده‌كلي آنها تاثير مي‌گذارد عموما براي ترانسفورماتورهاي مختلف موجود در شبكه ودر زمانهاي متفاوت، تغييرات وسيعي‌مي‌يابد(حالتهاي بي باري كامل و شرايط اوج‌بار). لازم به ذكر است اين تغييرات ضريب بار،تاثير چنداني بر تلفات بي باري ترانسفورماتورها نداشته و عمومٹ فرض‌مي‌شود كه در هر ضريب باري تلفات بي‌باري‌ترانسفورماتورها ثابت است. محاسبه وتخمين دقيق اين ضريب بار متوسط و موثربراي ترانسفورماتورهاي توزيع، بسيار دشوار بوده و بخصوص با توجه به گستردگي فراوان‌انواع مختلف ترانسفورماتورها در بخشهاي‌خانگي، تجاري، صنعتي و… و رژيمهاي بارگيري متفاوت از اين تجهيزات، عملاتعيين مقدار دقيق اين ضريب، ممكن نيست. براي حل اين مشكل و ارزيابي نحوه‌بارگيري و ضريب بار موثر ترانسفورماتورهاي‌توزيع در يك محدوده زماني مشخص (مثلايك سال) روشهاي مختلف و پيچيده‌اي ارايه‌شده كه تخمين‌هاي قابل قبولي از شرايطواقعي ترانسفورماتور ارايه كرده است.
بررسيهاي انجام شده توسط محققان‌مختلف و همچنين دپارتمان انرژي آمريكانكات جالبي را در مورد ضرايب بارترانسفورماتورهاي توزيع نشان مي‌دهد. بار متوسط، اوج بار و ضريب بارمتوسط ترانسفورماتورهاي توزيع سه فازنمونه را در آمريكا در محدوده سالهاي 1995تا 1996 ميلادي نشان مي‌دهد. همان گونه‌كه ديده مي‌شود متوسط ضريب بار سالانه‌ترانسفورماتورهاي مورد نظر براي‌ظرفيت‌هاي مختلف در محدوده 4/0 تا 15/0 است كه اين امر مي‌تواند نمايانگر تعداد بسيار زياد ترانسفورماتورهاي توزيع نصب‌شده در آمريكا باشد. در كشورهاي مختلف،اين ضريب بار متوسط و موثر بستگي به‌مقدار و الگوي مصرف انرژي، تعدادترانسفورماتورهاي موجود، اعمال روشهاي مديريت بار اين تجهيزات، صنعتي بودن‌كشور و… دارد اما در هر حال به نظر مي‌رسدكه ضريب بار متوسط ترانسفورماتورهاي‌توزيع در كشورهاي مختلف تقريبا در همين‌محدوده قرار مي‌گيرد و عملا نحوه بارگيري ازترانسفورماتور توزيع در يك كشور يك‌منحني شبه نرمال خواهد بود كه متوسطضريب بار ترانسفورماتورها نيز همان مقادير را خواهد داشت.
در اين نوشتار با توجه به نبود اطلاعات مناسب براي تعيين دقيق ضرايب بارترانسفورماتورهاي توزيع در كشور و نيز ساده‌تر كردن بحث، ضريب بار ترانسفورماتورهاي توزيع به صورت سه كميت متفاوت براي سه محدوده زماني‌مختلف، ارايه شده است. به اين ترتيب كه فرض شده است ترانسفورماتورهاي توزيع در15 درصد از ساعتهاي سال در شرايط نزديك به اوج با ضريب بار تقريبي 9/0 تا يك، در40 درصد از ساعتهاي سال در شرايط بارگيري متوسط با ضريب بار تقريبي 5/0 تا 6/0 و در 45 درصد از ساعتهاي سال درشرايط كم باري با ضريب بار تقريبي 1/0 درحال بهره برداري هستند. تحت چنين حالتي‌ضريب بار متوسط سالانه ترانسفورماتورهاي‌توزيع نصب شده در حدود 4/0 به دست‌مي‌آيد و اين امر با در نظر داشتن آن كه‌ظرفيت ترانسفورماتورهاي توزيع نصب شده‌در كشور در حدود سه تا چهار برابر مقدارانرژي توليدي در هر سال است و تقريبٹ هيچ‌گونه مديريت باري در زمينه اين تجهيزات‌صورت نمي‌گيرد منطقي است. براي محاسبه بازده ترانسفورماتورها، تعيين مقدار متوسطعامل قدرت (CosF)نيز لازم است كه دراين نوشتار مقدار 85/0 براي آنها لحاظ شده‌است. همچنين با توجه به آن كه‌ترانسفورماتورهاي توزيع در رده‌هاي ولتاژي مختلف و در ظرفيتهاي متفاوت در حال‌بهره‌برداري در شبكه است، متوسط ظرفيت‌آنها محاسبه شده كه درحدود 150 تا 160كيلوولت آمپر است. ولتاژ اوليه اين‌ترانسفورماتورها نيز 20 كيلوولت آمپر در نظرگرفته شده است.
مقادير تلفات بي‌باري و تلفات‌بار ترانسفورماتورهاي مورد نظر براساس استاندارد IEC76انتخاب شده كه همان‌مقادير پذيرفته شده در كشور ما حين طراحي‌و ساخت ترانسفورماتورهاست. تنها با در نظرگرفتن نحوه بارگيري و ضرايب بار عملي ترانسفورماتورهاي در حال بهره‌برداري، بازده‌واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع نصب شده‌در كشور در حدود 96 تا 97 درصد به دست‌مي‌آيد و در صورت لحاظ كردن ساير عوامل‌تاثير گذار بر روي بازده ترانسفورماتورهاي‌درحال بهره‌برداري نظير تاثير تغييرات ولتاژشبكه و هارمونيكها، كاهش بازده‌ترانسفورماتورها به مرور زمان و… بازده اين‌تجهيزات حتي از اين مقادير نيز كمتر خواهدبود. براي تخمين مقدار انرژي تلف شده دراين تجهيزات در سال پاياني برنامه سوم‌توسعه (1383)، با در نظر گرفتن مقدار انرژي‌پيش بيني شده براي توليد در اين سال و نيزلحاظ كردن تلفات انرژي در مراحل توليد وانتقال و با فرض آن كه 85 درصد از انرژي‌عبور كرده از شبكه انتقال از طريق‌ترانسفورماتورهاي توزيع به مصرف‌كنندگان‌نهايي مي‌رسد، مقدار انرژي تلف شده ناشي‌از ترانسفورماتورهاي توزيع در اين سال درحدود 2/4 تا 5 ميليارد كيلووات ساعت خواهدبود. براساس ضرايب بار انتخابي، سالانه در حدود 12 هزارو 350 كيلووات ساعت انرژي الكتريكي دريك ترانسفورماتور 160 كيلوولت آمپر تلف‌مي‌شود و با در نظر گرفتن تعدادترانسفورماتورهاي موجود در شبكه توزيع‌كشور در پايان برنامه توسعه (حدود 350 هزارعدد)، همان مقدار چهار تا پنج ميلياردكيلووات ساعت تلفات كلي به دست مي‌آيد.
نقش مواد و طراحي اوليه در كاهش تلفات
با توجه به تلفات بسيار زياد تخمين زده‌شده در اين نوشتار در رابطه با ترانسفورماتورهاي توزيع، بديهي است كه‌استفاده از مواد و فن‌آوريهاي مناسب كه‌بتوانند به نحو اقتصادي و با زمانهاي برگشت‌سرمايه معقول و كوتاه مدت باعث افزايش‌بازده ترانسفورماتورها شوند اهميت بسيار زيادي خواهد داشت. در اين رابطه به منظورمقايسه، سه حالت ديگر براي طراحي اوليه‌ترانسفورماتورها در نظر گرفته مي‌شود امانحوه بارگيري از ترانسفوماتورها بدون‌هيچ‌گونه تغييري مانند حالت قبل لحاظ مي‌شود. اين سه حالت شامل ساخت‌ترانسفورماتور مطابق با استاندارد اروپايي CENELEC HD 428(سطح CCس)،استفاده از هسته‌هاي آمورف همراه باتلفات‌بار معادل IEC و نيز استفاده از هسته‌هاي آمورف همراه با سطح تلفات بار معادل‌استاندارد HD 428(سطح C) هستند. بااستفاده از اين حالتها،بازده واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع تا حدود 98 الي 99درصد افزايش خواهد يافت. اما نكته قابل‌ملاحظه افزايش قيمت اين نوع‌ترانسفورماتورهاي جديد نسبت به‌ترانسفورماتورهاي ساخته شده مطابق بااستاندارد IEC است. با بررسي اطلاعات‌مختلف به نظر مي‌رسد كه افزايش قيمت ترانسفورماتورهاي حالت اول -HD428)سطح CCس) نسبت به ترانسفوماتورهاي IECدر حدود 20 درصد و در حالتهاي دوم وسوم اين افزايش قيمت به ترتيب 30 و 45درصد خواهد بود كه هر يك از اين حالتهاي سه گانه به ترتيب در حدود 1/1، 6/1 و 2درصد بازده كلي را افزايش خواهد داد. در اين‌مرحله توجه به اين نكته ضروري است كه اگرچه در نگاه اوليه به نظر مي‌رسد ميزان‌تلفات ترانسفورماتورهاي داراي بازده كلي(سالانه) بالاتر، بايد كمتر از تلفات‌ترانسفورماتورهايي باشد كه بازده كلي وسالانه آنها پايين‌تر است اما با توجه به آن كه مقادير تلفات بارداري در حالتهاي مختلف‌مي‌تواند بيش از چند برابر تلفات بي باري‌ترانسفورماتورها باشد بنابراين با در نظرگرفتن ضرايب بار انتخابي و ساعتهايي ازسال كه ترانسفورماتورها در ضرايب بار مختلف قرار مي‌گيرند ميزان تلفات آنهاممكن است از روند بازده متوسط سالانه آنهاتبعيت نكند.
براي تعيين ميزان تلفات سالانه هر يك‌از ترانسفورماتورهاي مورد بررسي و مدت‌زمان برگشت سرمايه‌هاي لازم براي خريد ترانسفورماتورهاي با بازده بالاتر،ترانسفورماتورهاي 160 كيلوولت آمپر(متوسط ظرفيت در كشور) با نحوه بارگيري‌انتخابي در نوشتار حاضر و عامل قدرت 85/0 انتخاب مي‌شوند. با در نظر گرفتن بازده واقعي‌اين ترانسفورماتورها، تلفات انرژي سالانه دريك ترانسفورماتور 160 كيلوولت آمپر موجوددر كشور (جدول 6) در حدود 12 هزار و 350كيلووات ساعت، در مورد ترانسفورماتورساخته شده مطابق با استاندارد HD 428(سطح CCس) در حدود 7990 كيلووات ساعت،براي ترانسفورماتور Amorph-IECدرحدود 8880 كيلووات‌ساعت و براي‌ترانسفورماتور Amorph-HD428(Cس)درحدود 5970 كيلووات‌ساعت خواهد بود. باتوجه به اينكه قيمت ترانسفورماتورهاي 160كيلوولت آمپر موجود در كشور در حدود 10 تا15 ميليون ريال است و نيز با اين فرض كه‌متوسط قيمت هر كيلووات ساعت انرژي‌الكتريكي تلف شده در ترانسفورماتورهاي‌توزيع در حدود 200 ريال است، مدت زمان‌برگشت سرمايه براي حالتهاي ذكر شده به‌ترتيب در حدود4/3، 4/6 و 2/5 سال خواهدبود و اين امر با درنظر داشتن عمر 30 تا 40ساله ترانسفورماتورها اهميت بسيار زيادي‌دارد. بديهي است كه در صورت درنظر گرفتن‌ساير محاسن مربوط به افزايش بازده‌ترانسفورماتورها نظير افزايش عمر آنها،كاهش نياز اوج بار و نياز معمولي شبكه،كاهش انتشار آلاينده‌هاي زيست محيطي‌ناشي از نياز به افزايش توليد و… اين مدت‌زمان برگشت سرمايه بسيار كوتاهتر خواهدشد.
با توجه به تمام مسائل ذكر شده،پتانسيل قابل توجيه كاهش تلفات انرژي‌الكتريكي در شبكه توزيع از طريق بهبودبازده ترانسفورماتورهاي توزيع با زمان‌برگشت سرمايه كمتر از 5/3 سال، در سال1383 در حدود 5/1 ميليارد كيلووات ساعت‌تخمين زده مي‌شود و بنابراين لازم است تا به‌اين امر مهم بيشتر توجه شود.
نتيجه‌گيري
1- بازده واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع‌نصب شده در كشور (ظرفيت متوسط) درشرايط بارگيري، سالانه در حدود 97 تا 98درصد است.
2- در سال پاياني برنامه سوم توسعه كشور درحدود چهار تا پنج ميليارد كيلووات ساعت ازانرژي الكتريكي توليدي در كشور به دليل تلفات ترانسفورماتورهاي توزيع به هدرمي‌رود كه اين رقم معادل انرژي مصرفي‌توسط حدود 5/1 تا 2 ميليون خانواده است.
3- استفاده از مواد و طراحيهاي بهينه‌مي‌تواند بازده واقعي ترانسفورماتورهاي توزيع كشور را به نحو اقتصادي و با زمان‌برگشت سرمايه 3 تا 3/5 سال تا حد مطلوبي‌افزايش دهد.
4- پتانسيل افزايش بازده واقعي‌ترانسفورماتورهاي توزيع كشور 98 تا 99درصد است و به اين وسيله مي‌توان تلفات‌شبكه توزيع را سالانه 5/1ميليارد كيلووات‌ساعت كاهش داد.
مهندس محمدرضا جهانگيري
منابع:
1) W.M.Ritchie et al, “LossReduction – An Overview of theProblems and Solutions”, PowerTechnology International, 1988
2) R.J.Sarfi et al, “Practical Aspectsof Performing a Distribution SystemLoss Reduction study”, Proc. IEEEInt. Conf. Power Delivery andEnergy Manage., Vol.10, 1995.
3) H.De Keulenaer et al, “TheScope for Energy Saving in the EUThrough the Use of Energy EfficientElectricity Distribution Transfo-rmers”, THermie Project Workshop,Sep.27, 1999.
4) M.Ellis et al, “Analysis of Potetialfor Minimum Energy PerformanceStandards for Distribution Transfo-rmers”, Australian Greenhous Off-ice, Final Report, March 8, 2000.
5) R.F.Chang et al, “DistributionTransformer Load Modeling UsingLoad Research Data”, IEEE Trans.Power Delivery , Vol.17, No.2, 2002.
6) P.R.Barnes et al, “DeterminationAnalysis Of Energy ConservationStandards for DistributionTransformers”,ORNL-6847,Oak Ri-dge, DOE, 1996.
7) J.A.Jardini et al, “DistributionTransformer Loading EvaluationBased on Load Profiles Measurem-ents”, IEEE Trans. Power Delivery,Vol.12, 1997.
8) Z.Zisman et al, “Application ofFuzzy Logic for Distribution SystemLoad Estimation”, Proc. Seminar ofFundamentals of Electrotechnics andCircuit Theory, Poland , May 1999.
9) T.F.Garrity et al, “AmorphousMetal Distribution Transformers,The Energy Efficient Alternative “,US/Korea Electric Power Techn-ologies, Seminar Mission, Seoul,Korea , Oct.24-28, 1994.
10) محمدرضا جهانگيري، كاربرد آلياژهاي‌مغناطيسي آمورف در ساخت هسته‌ترانسفورماتورها و كاهش تلفات انرژي‌الكتريكي، ماهنامه علمي تخصصي‌صنعت‌برق، سازمان توانير، مهرماه 1380.
ماهنامه صنعت برق