W rozległym systemie elektroenergetycznym energia elektryczna wytwarzana przez elektrownie musi-przechodzić przez dalekobieżne linie przesyłowe i warstwy redukcji napięcia, zanim ostatecznie zapali lampę i uruchomi silnik. Kluczowym sprzętem umożliwiającym konwersję napięcia „ostatniej mili” jest transformator rozdzielczy. Nie wyróżnia się w dużych podstacjach koncentracyjnych, takich jak transformatory ultra-wysokiego napięcia, ani nie deklaruje głośno konwersji energii, jak agregaty prądotwórcze. Jednakże jest on rozprowadzany w dużych ilościach, setek tysięcy, na rogach ulic miejskich, poboczach dróg wiejskich, w dystrybucjach mieszkalnych i na narożnikach zakładów przemysłowych, po cichu realizując podstawowe zadanie polegające na redukcji energii elektrycznej średniego napięcia do niskiego napięcia, z którego użytkownicy mogą bezpiecznie korzystać. Jakim więc rodzajem sprzętu jest transformator rozdzielczy? Jaka jest różnica między nim a powszechnie określanym transformatorem mocy? W obliczu trendu oszczędzania energii, ochrony środowiska i integracji nowej energii, z jakimi ulepszeniami technologicznymi i rozważaniami dotyczącymi wyboru muszą się zmierzyć transformatory dystrybucyjne?
Z punktu widzenia definicji, atransformator rozdzielczy, w skrócie „transformator rozdzielczy”, odnosi się do statycznego urządzenia elektrycznego, które działa w systemie dystrybucyjnym i przetwarza napięcie i prąd przemienny zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej w celu przesyłania energii elektrycznej prądu przemiennego. W praktyce transformatory o poziomach napięcia poniżej 35 kV (przeważnie 10 kV i poniżej), mocy 6300 kVA i poniżej oraz bezpośrednim zasilaniu odbiorców końcowych są zwykle klasyfikowane jako transformatory dystrybucyjne. Niezależnie od tego, czy jest to transformator wewnętrzny zainstalowany w pomieszczeniu dystrybucyjnym, podstacja skrzynkowa umieszczona na zewnątrz, czy transformator montowany na słupie zawieszony na słupie energetycznym, o ile poziom napięcia mieści się w zakresie 20 kV lub niższym, wszystkie należą dotransformatory rozdzielcze. Natomiast transformatory mocy, jak sama nazwa wskazuje, służą do przesyłania energii elektrycznej pomiędzy sieciami elektroenergetycznymi o różnych poziomach napięcia. Na przykład w regionalnych podstacjach instaluje się duże transformatory o poziomach napięcia od 500 kV do 220 kV w celu wymiany energii elektrycznej między dwiema sieciami elektroenergetycznymi. Transformatory te mają ogromną moc, ale nie podejmują bezpośrednio zadania dostarczenia energii do odbiorców końcowych. Krótko mówiąc, transformatory mocy rozwiązują „połączenie między sieciami elektroenergetycznymi”, podczas gdy transformatory dystrybucyjne uzupełniają „połączenie między sieciami elektroenergetycznymi a użytkownikami”.
W dużej rodzinie transformatorów rozdzielczych można je podzielić głównie na dwie kategorie w zależności od różnych mediów izolacyjnych i chłodzących: transformatory dystrybucyjne zanurzone w oleju i transformatory dystrybucyjne typu suchego. Transformatory rozdzielcze zanurzone w oleju całkowicie zanurzają żelazny rdzeń i uzwojenie w oleju izolacyjnym, opierając się na doskonałej przewodności cieplnej i właściwościach izolacyjnych oleju transformatorowego, aby uzyskać rozpraszanie ciepła i izolację. Jego maksymalna znamionowa moc trójfazowa-może osiągnąć 2500 kVA i może być instalowana na słupach, gdy moc wynosi 315 kVA lub mniej. Nadaje się do scenariuszy dystrybucji zewnętrznej w przedsiębiorstwach przemysłowych i górniczych oraz budynkach cywilnych. W transformatorach rozdzielczych typu suchego stosuje się metody izolacji stałej, takie jak odlewanie próżniowe żywicy epoksydowej lub impregnowana farba izolacyjna zamiast mediów ciekłych, co całkowicie eliminuje ryzyko wycieku oleju i pożaru, szczególnie nadaje się do obiektów wewnętrznych o rygorystycznych wymaganiach przeciwpożarowych, takich jak wysokie-budynki, szpitale, kompleksy handlowe, stacje metra itp. Ponadto, w zależności od różnych materiałów i konstrukcji żelaznego rdzenia, transformatory dystrybucyjne można również podzielić na różne typy, takie jak tradycyjne transformatory z rdzeniem żelaznym laminowanym stalą krzemową, transformatory ze stopu amorficznego, oraz szybko rozwijający się w ostatnich latach-trójwymiarowy transformator z żelaznym rdzeniem.
W ewolucji technologicznej transformatorów rozdzielczych główną siłą napędową zawsze była oszczędność energii i redukcja zużycia. Transformatory rozdzielcze zanurzone w oleju dzielą się na serie S9, S11, S13 i inne w zależności od ich strat. Strata bez obciążenia w przypadku serii S11 jest o około 20% niższa niż w przypadku serii S9, podczas gdy seria S13 dodatkowo zmniejsza ją o około 25% w porównaniu z S11. Pojawienie się transformatorów ze stopów amorficznych wyniosło oszczędność energii na nowy poziom. - Jako materiał rdzenia wykorzystuje się paski amorficznego stopu na bazie żelaza-, a straty-bez obciążenia wynoszą tylko około 20% w przypadku transformatorów zanurzonych w oleju serii S9, co zmniejsza utratę żelaza o 70–80% w porównaniu z tradycyjnymi transformatorami z blachy krzemowej. Za tą cechą kryje się wyjątkowa, nieuporządkowana struktura atomowa amorficznych materiałów stopowych, których strata histerezy wynosi około jednej-do jednej-niż w przypadku tradycyjnych blach ze stali krzemowej, co zapewnia znaczne korzyści w zakresie redukcji emisji dwutlenku węgla, jednocześnie znacznie zmniejszając-zużycie energii bez obciążenia. Transformatory ze stopów amorficznych są szczególnie odpowiednie do scenariuszy zużycia energii, takich jak wiejskie sieci energetyczne o niskim obciążeniu i długich czasach bez obciążenia, ponieważ straty operacyjne transformatorów w stanie jałowym dominują w takich sytuacjach. Należy jednak zaznaczyć, że same amorficzne materiały stopowe mają wadę polegającą na dużej kruchości. Łącząc taśmy ze stopu amorficznego z tradycyjnymi metodami nawijania na płasko, istnieje ryzyko pęknięcia żelaznego rdzenia podczas-długiej eksploatacji. W tym celu krajowe instytucje badawcze i przedsiębiorstwa skupiły się w ostatnich latach na rozwiązaniu problemu trójkątnej,-wymiarowej struktury uzwojenia z żelaznym rdzeniem, - ciągłego nawijania pierwotnie płaskich arkuszy stali krzemowej lub amorficznych pasków w trójwymiarowy-trójkątny sposób, tworząc bezszwową i symetryczną zamkniętą strukturę żelaznego rdzenia. Chociaż stabilność żelaznego rdzenia została znacznie poprawiona,-straty bez obciążenia można zmniejszyć o 20–50% w porównaniu z tradycyjnymi transformatorami z żelaznym rdzeniem piętrowym, a także znacznie zmniejszono hałas podczas pracy. Produkt łączący amorficzne materiały stopowe z trójwymiarową-strukturą uzwojonego rdzenia żelaznego stał się jedną z najbardziej-najbardziej energooszczędnych dróg technicznych w obecnej dziedzinie transformatorów dystrybucyjnych.
Jeśli chodzi o standardy i zasady dotyczące efektywności energetycznej, w ostatnich latach Chiny stale zwiększały-wymagania w zakresie oszczędzania energii w odniesieniu do transformatorów rozdzielczych. Obowiązkowa norma krajowa GB 20052-2024 „Granice i stopnie efektywności energetycznej transformatorów mocy” została oficjalnie wdrożona 1 lutego 2025 r. Norma ta ma zastosowanie do transformatorów dystrybucyjnych zanurzonych w oleju i suchych-o poziomie napięcia trójfazowego 10 kV i mocy znamionowej od 30 kVA do 2500 kVA. Określa przejrzysty trzy{19}}system wskaźników efektywności energetycznej i w porównaniu z wersją z 2020 r. po raz pierwszy dodaje wymagania dotyczące stopni efektywności energetycznej dla nowych transformatorów po stronie wytwarzania energii (fotowoltaika, energia wiatrowa, magazynowanie energii), jeszcze bardziej poprawiając efektywność wykorzystania nowej energii od strony wytwarzania. W ramach promocji polityki wysokostratne transformatory rozdzielcze S9 i poniżej przyspieszają wychodzenie z etapu historycznego. Według statystyk około 42% działających transformatorów rozdzielczych w Chinach to modele S9 i poniżej o niskiej sprawności, a nowa runda renowacji sieci energetycznej uwolni setki miliardów juanów w zakresie zapotrzebowania na wymianę. Dla zespołów handlu zagranicznego przedsiębiorstw produkujących transformatory tendencja ta oznacza, że zapotrzebowanie na modernizację na rynku krajowym w dalszym ciągu jest duże, przy jednoczesnym gromadzeniu dojrzałych, energooszczędnych technologii i systemów produktów w celu promocji na rynkach zagranicznych.
Na scenie handlu międzynarodowego certyfikat eksportowy i zgodność z normami technicznymi transformatorów rozdzielczych są niezbędnym ogniwem. Seria IEC 60076, jako najbardziej autorytatywna norma międzynarodowa w dziedzinie transformatorów mocy, stanowi techniczną podstawę dostępu do rynku w większości krajów i regionów. Obejmuje elementy testu typu rdzenia, takie jak granica wzrostu temperatury, poziom izolacji i wytrzymywana-wytrzymałość zwarciowa. Na tej podstawie różne rynki docelowe mają własne, specyficzne ścieżki certyfikacji: w przypadku eksportu na rynek północnoamerykański produkty muszą być zgodne z normami serii ANSI/IEEE C57 i kanadyjskimi normami CSA oraz uzyskać certyfikat UL od laboratoriów NRTL akredytowanych przez amerykańską Agencję Bezpieczeństwa i Higieny Pracy; Jednocześnie Departament Energii Stanów Zjednoczonych ustalił obowiązkowe wartości graniczne wydajności dla-bez obciążenia i strat obciążeniowych transformatorów rozdzielczych, a eksporterzy muszą również uwzględnić wymagania zgodności DOE w swoich programach certyfikacji. Wchodząc na rynek UE transformatory pomocnicze i izolacyjne o napięciu maksymalnym nieprzekraczającym 1000 V objęte są zakresem regulacyjnym Dyrektywy Niskonapięciowej CE. Zazwyczaj są one oceniane pod kątem bezpieczeństwa elektrycznego zgodnie z normami serii IEC/EN 61558 i spełniają wymagania dotyczące efektywności energetycznej dyrektywy ErP (rozporządzenie wykonawcze WE 548/2014) dla małych i średnich-transformatorów mocy. W przypadku Rosji i Euroazjatyckiej Unii Gospodarczej transformatory rozdzielcze muszą przejść certyfikację EAC i podlegać obowiązkowym przepisom technicznym unii celnej, takim jak TR CU 004/2011 i TR CU 020/2011. Duże transformatory mocy muszą również uzyskać certyfikat zgodności od jednostki certyfikującej uznanej przez związek. Regiony Bliskiego Wschodu i Afryki (takie jak SABRE w Arabii Saudyjskiej, PVoC w Kenii i SONCAP w Nigerii) generalnie przyjmują tryb weryfikacji zgodności przed eksportem, wymagając od importowanego sprzętu elektrycznego uzyskania certyfikatu zgodności przed wysyłką w celu odprawy celnej. Rozsądne zastosowanie systemu CB (Międzynarodowego Systemu Testowania Kwalifikacji Produktów Elektrotechnicznych i Wzajemnego Uznawania) może znacznie skrócić cykl wielokrotnej certyfikacji - po otrzymaniu raportu z testu CB opartego na normach IEC w kraju członkowskim producenci mogą na tej podstawie ubiegać się w innych krajach członkowskich o certyfikację krajową, unikając ogromnych kosztów związanych z przesyłaniem i testowaniem podwójnych próbek.
Patrząc w przyszłość, transformatory dystrybucyjne szybko ewoluują w kierunku inteligencji, oszczędzania energii, ochrony środowiska i wysokiej niezawodności. Według danych branżowych wielkość światowego rynku transformatorów dystrybucyjnych osiągnie do 2025 r. około 21,95 miliardów dolarów i oczekuje się, że do 2034 roku wzrośnie do 39,67 miliardów dolarów, przy łącznej rocznej stopie wzrostu wynoszącej około 6,8%. Rynek inteligentnych transformatorów rośnie szybko, a jego łączna roczna stopa wzrostu wynosi ponad 15%, a region Azji i Pacyfiku dominuje na rynku światowym z udziałem na poziomie 42%, co w pełni odzwierciedla ogromne inwestycje gospodarek wschodzących w modernizację i transformację sieci elektroenergetycznych. W Chinach całkowita wartość produkcji branży transformatorów przekroczyła 300 miliardów juanów do 2025 roku, co stanowi ponad 50% światowej produkcji. Odsetek-transformatorów energooszczędnych pracujących w sieci wzrósł o dziesięć punktów procentowych w porównaniu z 2020 rokiem. Jednocześnie promocja i zastosowanie transformatorów izolowanych olejem roślinnym przyniosło także przełom w dziedzinie ochrony środowiska, - zastępując tradycyjny olej mineralny płynem izolacyjnym na bazie estru naturalnego, stopień biodegradacji może sięgać prawie 100% i wykazał dobre działanie w obszarach wrażliwych ekologicznie i na obszarach-na dużych wysokościach.
Kiedy klienci pytają o sugestie dotyczące wyboru transformatorów rozdzielczych, pomocne może być poproszenie ich o rozważenie następujących pytań: Czy sprzęt będzie instalowany wewnątrz czy na zewnątrz? Jakie szczególne wymagania mają lokalne przepisy bezpieczeństwa przeciwpożarowego dotyczące odległości oddzielenia ognia i wyboru medium? Czy obciążenie energią należy do-długoterminowego, ciągłego dużego obciążenia, czy też istnieje wyraźny okres lekkiego obciążenia, który określa kompromis-masy pomiędzy utratą-bez obciążenia a utratą obciążenia? Czy system certyfikacji i standardy efektywności energetycznej rynku, na którym realizowany jest projekt, opierają się na ramach IEC lub ANSI/IEEE? Po wyjaśnieniu tych kluczowych kwestii po kolei, ujawniony zostanie wybór pomiędzy transformatorami rozdzielczymi zanurzonymi w oleju a transformatorami rozdzielczymi-suchymi, wybór stali krzemowej i materiałów ze stopów amorficznych oraz równowaga pomiędzy tradycyjnymi konstrukcjami z rdzeniem laminowanym i trójwymiarowym-z uzwojonym rdzeniem żelaznym. Jako kluczowy węzeł łączący sieć elektroenergetyczną z użytkownikami systemu elektroenergetycznego, transformatory dystrybucyjne nie są może najbardziej olśniewającym sprzętem, ale są rozmieszczone w setkach tysięcy w każdym węźle energetycznym, po cichu wspierając zasilanie, bez którego współczesne społeczeństwo nie może się obejść.
