Click here to load reader

Totally Integrated Power Technische Schriftenreihe Ausgabe 16 d... · PDF file 2020. 12. 4. · Last in kVA 630 kVA 1.000 kVA 800 kVA 1.250 kVA 2.000 kVA 1.600 kVA Belastungsdauer

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Totally Integrated Power Technische Schriftenreihe Ausgabe 16 d... · PDF file 2020. 12....

  • Technische Schriftenreihe Ausgabe 16 Transformatorauswahl in Abhängigkeit von Belastungsprofilen

    Totally Integrated Power

    siemens.de/tip-cs

  • Im Juni 2014 ist die Verordnung Nr. 548/2014 der EU- Kommission [1] in Kraft getreten. Darin werden die Öko- design-Anforderungen an Leistungstransformatoren beschrieben, die nach dem 1. Juli 2015 in der EU in Ver- kehr gebracht und in Betrieb genommen worden sind und werden. Sie gilt für Transformatoren mit einer Mindest- nennleistung von 1 kVA. In der Verordnung wird zudem bereits die zweite Stufe der Wirkungsgradverbesserungen, bzw. der Verlustreduktionen, für das Inverkehrbringen von Transformatoren ab dem 1. Juli 2021 angegeben.

    Zu den darin beschriebenen Anforderungen gehört die Festlegung der höchstzulässigen Grenzwerte für Kurz- schlussverluste und Leerlaufverluste oder des Mindest- werts für den maximalen Wirkungsgrad des Transforma- tors. Durch die Reduktion der Transformatorverluste sollen die jährlichen CO2-Emissionen im Betrieb vermindert werden.

    1. Bestimmungen zu Wirkungsgradan- forderungen an Trockentransformatoren

    Die Verordnung gibt damit den Stand der Technik vor, der durch die internationale Norm IEC 60076-20 (VDE 0532- 76-20) normativ festgelegt wird. Gegenwärtig hat die Norm Entwurfsstatus. Für Trockentransformatoren werden in Abschnitt 6.3.2 der Norm die maximal zulässigen Verlustwerte angegeben (Tab. 1). Dabei wird zwischen einfacher Energieeffizienz (Effizienzklasse 1, im Folgenden mit EEF1 abgekürzt) und hoher Energieeffizienz (Effizienzklasse 2, im Folgenden mit EEF2 abgekürzt) unterschieden. Im Wesentlichen werden bei EEF2 die Lastverluste um 10 % reduziert. Für Transformatoren unter 800 kVA Nennleistung werden auch die Leerlaufverluste bei EEF2 reduziert. Entspre- chend der Ökodesign-Verordnung Nr. 548/2014 dürfen ab 1. Juli 2021 innerhalb der EU nur noch Transformatoren der Effizienzklasse 2 in Umlauf gebracht werden.

    Achtung: Hier wird der Begriff „Effizienz“ im Sinne von Wirkungsgrad (englisch: efficiency) verwendet: als Ver- hältnis der Ausgangsscheinleistung zur Eingangsschein- leistung.

    Tab. 1: Verlustangaben für die Energieeffizienzklassen (EEF) von Trockentransformatoren nach IEC 60076-20 (VDE 0532-76-20)

    Transformatornennleistung Sr

    EEF1 EEF2

    Lastverluste Pk

    Leerlaufverluste P0

    Lastverluste Pk

    Leerlaufverluste P0

    630 kVA 7,6 kW 1,1 kW 7,1 kW 0,99 kW

    800 kVA 8 kW 1,3 kW 8 kW 1,17 kW

    1.000 kVA 9 kW 1,55 kW 9 kW 1,395 kW

    1.250 kVA 11 kW 1,8 kW 11 kW 1,62 kW

    1.600 kVA 13 kW 2,2 kW 13 kW 1,98 kW

    2.000 kVA 16 kW 2,6 kW 16 kW 2,34 kW

    2.500 kVA 19 kW 3,1 kW 19 kW 2,79 kW

    3.150 kVA 22 kW 3,8 kW 22 kW 3,42 kW

    2

  • Im Juni 2014 ist die Verordnung Nr. 548/2014 der EU-Ver- luste und Wirkungsgrade sind produkt- bzw. systemspezi- fische Eigenschaften, die für einen bestimmten Betriebs- zustand (zumeist für den Nennzustand) gelten. Für andere Betriebsbedingungen sind Verluste und Wirkungsgrade zudem von den Betriebsbedingungen abhängig. Dadurch sind Effizienzbetrachtungen während der Planungsphasen nur möglich, wenn bereits Annahmen zu den Betriebsbe- dingungen gegeben sind. Die Auswahl eines effizienten Transformators berücksichtigt also sowohl seine spezifi- schen Kennwerte (lastabhängige Wirkungsgradangaben) als auch seine Betriebsbelastung (Lastprofil).

    In der Norm IEC 60364-8-1 (VDE 0100-801: Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 8-1: Energieeffizienz) wird explizit auf die Lastabhängigkeit der Effizienz von Trans- formatoren hingewiesen. Damit hängen auch die Umwelt- auswirkungen von Transformatoren vom Arbeitspunkt und von der Lastabhängigkeit der Verluste ab.

    Die Gesamtverlustleistung (PV) im Betrieb wird aus der Summe von Leerlauf- und Lastverlusten bei einer spezifi- schen Last (SLast) berechnet. Die Leerlaufverluste sind lastunabhängig und entstehen, sobald an einer der Trans- formatorwicklungen (Primär- oder Sekundärseite) Span- nung anliegt. Die Lastverluste sind hingegen abhängig vom quadratischen Belastungsverhältnis (SLast / Sr)2 und den Lastverlustwerten Pk (siehe Tab. 1). Das Belastungs- verhältnis ist das Verhältnis von Last- (SLast) zur Bemes- sungsscheinleistung (Sr) des Transformators.

    Ein Minimum der Verluste wird erreicht, wenn Leerlauf- und Lastverluste gleich sind. Damit ergeben sich aus dem sogenannten Lastfaktor k

    die in Tab. 2 (und Bild 1) aufgeführten optimalen Arbeits- punkte (k · Sr) mit dem höchsten Wirkungsgrad.

    2. Energieeffizienz-Management

    Tab. 2: Arbeitspunkte von EEF1-Trockentransformatoren entsprechend der Norm IEC 60076-20 (VDE 0532-76-20)

    Sr Lastfaktor k k · Sr

    630 kVA 38,044 % 239,7 kVA

    800 kVA 40,311 % 322,5 kVA

    1.000 kVA 41,500 % 415,0 kVA

    1.250 kVA 40,452 % 505,6 kVA

    1600 kVA 41,138 % 658,2 kVA

    2.000 kVA 40,311 % 806,2 kVA

    2.500 kVA 40,393 % 1.009,8 kVA

    3.150 kVA 41,560 % 1.309,1 kVA

    4000 800600200 98,5

    99,0

    98,9

    98,8

    98,7

    98,6

    99,2

    99,3

    99,1

    Leistung in kVA

    99,4 Wirkungsgrad in %

    630 kVA

    1.000 kVA

    800 kVA

    1.000

    Bild 1: Wirkungsgradkurven für die aktuellen Transformatortypen EEF1 mit 630, 800 und 1.000 kVA aus Tab. 2

    PV = P0 + ( ) 2 · PkS

    r

    SLast

    k = Pk

    P0

    3

  • Gebäude wie zum Beispiel Bürogebäude, Hotels, Kranken- häuser und Rechenzentren benötigen häufig Anschluss- leistungen, die nicht aus dem Niederspannungsnetz bedient werden können. Entsprechend den technischen Anschlussbedingungen des örtlichen Verteilnetzbetreibers (VNB) werden diese Gebäude aus dem Mittelspannungs- netz gespeist.

    Zur Übergabestation gehört üblicherweise ein Messfeld. Es dient zur Energiekostenabrechnung, wobei die aus dem Verteilungsnetz bezogene elektrische Arbeit im ¼-Stun- den-Takt gemessen wird (Bild 2). Die Messdaten können dem Kunden zur Verfügung gestellt werden (erfolgt in vielen Fällen erst auf Anfrage).

    Die ¼-Stunden-Messwerte dienen als Basis für die Darstel- lung von Lastprofilen und Belastungsprofilen (Bild 3).

    Beim Lastprofil werden die ¼-Stunden-Werte der bezoge- nen Energie (bzw. der mittleren Leistung für den ¼-Stun- den-Abschnitt) über einen Zeitraum von typischerweise einem Jahr aufgetragen: Abszisse (x-Achse) ist die Zeit und als Ordinate (y-Achse) wird die elektrische Arbeit bzw. Leistung angegeben.

    Ein Belastungsprofil kann als grafische Auswertung des Lastprofils interpretiert werden. Aufgetragen sind die aufsummierten Belastungsstunden eines Jahres (y-Achse), die zu einem bestimmten übertragenen Leistungswert (x-Achse) gehören. Durch den Zeitbezug kennzeichnet das Lastprofil den zeitlichen Verlauf der bezogenen Leistung, auf den beim Belastungsprofil nicht mehr rückgeschlossen werden kann. Dafür wird beim Belastungsprofil der Zu- sammenhang zwischen bezogener Leistung und Nut- zungsdauer über die betrachtete Zeitperiode deutlich.

    3. Last- und Belastungsprofile

    1U 1V 1W

    00:15 85 00:30 88 00:45 80

    … … … 23:30 86 23:45 79 00:00 75

    Zähler

    Messwerte

    Datum Uhrzeit Elektr. Arbeit

    in kWh

    Verteilnetz Niederspannungs- Energieverteilung

    Messfeld

    Verteilnetz- betreiber

    Messstellen- betreiber

    Betreibernetz

    01.01.2014 01.01.2014 01.01.2014

    31.12.2014 31.12.2014 31.12.2014

    Bild 2: Mittelspannungsanschluss und Messung an der Übergabestelle

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    in kWh 00:15 85

    00:30 88 00:45 80

    … … … 23:30 86 23:45 79 00:00 75

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Belastung in kW

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    Kaufhaus allgemein Nutzungsdauer: 51,55 %

    Krankenhaus mit KWK Nutzungsdauer: 43,18 %

    Justizvollzugsanstalt Nutzungsdauer: 27,95 %

    Nutzungs- dauer in h

    Messwerte

    Lastprofil Belastungsprofil

    Datum Uhrzeit Elektr. Arbeit

    Leistung in kW

    Peakleistung

    Januar Februar März SeptemberAugustJuliJuniMaiApril Oktober November Dezember

    01.01.2014

    01.01.2014 01.01.2014

    31.12.2014 31.12.2014 31.12.2014

    Bild 3: Erstellung von Last- und Belastungsprofilen aus den Messdaten

    4

  • Für die Bestimmung der Transformatorenverluste und der entsprechenden Verlustarbeit stellt das Belastungsprofil direkt die Daten zur Verfügung (Leistung und zugehörige Stunden).

    Die Nutzungsdauer definiert sich als Quotient aus der gemessenen elektrischen Arbeit zur Peak-Leistung:

    Sie gibt an, wie lange die Peak-Leistung theoretisch anste- hen muss, um die Arbeit / Energie im gesamten betrachte- ten Zeitraum zu übertragen. Vergleichbar kann eine mitt- lere Belastung (Betriebsscheinleistung im Jahresmittel) über die betrachtete Zeitdauer (8.760 Stunden im Jahr) angegeben werden:

    sodass der Lastfaktor a definiert ist durch:

    Aus dem Lastprofil bzw. Belastungsprofil wird ersichtlich, dass die Transformatoren nicht nur im Betriebspunkt mit dem höchsten Wirkungsgrad betrieben werden. Dement- sprechend hängen die Betriebsverluste sowohl von der Wirkungsgradkurve (Bild 2) als auch vom Last- bzw. Belas- tungsprofil der versorgten Verbraucher ab. In Bild 4 und Bild 5 werden die Wirkungsgradkurven (Transformatorleis- tungen von 630 kVA bis 2.000 kVA)

Search related