Które połączenie dla transformatora 100 kVA?

Czas czytania: ok. 7 minut.

Jak wybrać układ połączeń, który zapewni stabilność, zgodność z wymaganiami OSD i spokój w eksploatacji?

Nie ma w polskiej elektroenergetyce pytania, które wraca częściej niż to: „Które połączenie uzwojeń wybrać dla transformatora 100 kVA?".

Dlaczego?

Bo 100 kVA to moc graniczna. Transformator jeszcze niewielki, ale już decydujący o stabilności lokalnej sieci, jakości napięcia i komforcie dziesiątek odbiorców. Od tej decyzji zależy nie tylko to, czy projekt przejdzie odbiór, ale też jak sieć zachowa się przy asymetrii, harmonicznych i wzroście mocy prosumenckich.

To tekst dla projektantów, wykonawców i inwestorów, którzy nie chcą bazować na przyzwyczajeniach, lecz na wiedzy i praktyce. Na końcu zrozumiesz, dlaczego wybór połączenia to nie kwestia gustu, ale strategiczna decyzja techniczno-ekonomiczna, której skutki czuć przez kolejne 20 lat eksploatacji.

W kolejnych sekcjach:

• pokażemy, dlaczego 100 kVA to moc „na granicy dwóch światów",
• porównamy zachowanie układów Yzn i Dyn w rzeczywistych warunkach pracy,
• przeanalizujemy wpływ asymetrii i harmonicznych na eksploatację,
• wskażemy, jak dobierać połączenia zgodnie z wymaganiami OSD,
• podsumujemy, kiedy które rozwiązanie się opłaca.

 

Połączenie uzwojeń a charakter pracy transformatora

Każdy transformator średniego napięcia to kompromis pomiędzy teorią a praktyką sieci.

Układ połączeń determinuje, jak urządzenie reaguje na obciążenia niesymetryczne, prądy harmoniczne czy zakłócenia po stronie odbiorczej.

W sieciach niskiego napięcia o wysokim udziale odbiorników jednofazowych – a tak wygląda większość sieci wiejskich i podmiejskich – kluczowym problemem jest asymetria faz.

Jedna faza bywa przeciążona nawet o 40% względem pozostałych, co prowadzi do wędrówki punktu neutralnego i odchyłek napięciowych.

W klasycznej gwieździe (układ Yyn) punkt neutralny jest „miękki". Gdy pojawia się nierównowaga, neutralny zaczyna „dryfować", a napięcia międzyfazowe stają się niestabilne.

Efektem są migotania oświetlenia, błędy w pracy falowników i większe straty w przewodach.

Tu właśnie pojawia się przewaga układu Yzn – tzw. połączenia zigzag, które „zamyka" prądy składowych trzeciego rzędu w obrębie transformatora, stabilizując neutralny i redukując zakłócenia. Warto wiedzieć, że w transformatorach 100 kVA różnica w jakości napięcia między Yyn a Yzn potrafi być zauważalna nawet gołym okiem na rejestratorze parametrów sieci.

 

Charakterystyka pracy transformatora 100 kVA

Aby zrozumieć, dlaczego właśnie w tej mocy wybór połączenia jest tak istotny, trzeba spojrzeć na parametry pracy.

Przy napięciu 15/0,4 kV transformator 100 kVA generuje po stronie niskiego napięcia prąd znamionowy około 144 A. To wartość wystarczająca do zasilania kilkunastu gospodarstw domowych lub niewielkiej hali warsztatowej.

W typowej sieci wiejskiej taka moc oznacza jednak pracę z dużą zmiennością obciążenia. W ciągu dnia jedna faza może być mocno obciążona pompami i chłodniami, druga praktycznie pusta, a trzecia zasila jedynie oświetlenie i elektronikę.

W takich warunkach transformator o połączeniu Yzn zachowuje się stabilniej.

Układ zigzag redukuje napięcia zerowe, tłumi składowe trzeciego rzędu i zapobiega zjawisku pływania punktu neutralnego. Dzięki temu napięcia fazowe pozostają w dopuszczalnych granicach, nawet gdy jedna faza odbiera 40% więcej mocy niż pozostałe.

 

Asymetria i harmoniczne – podstępny zabójca małych stacji

Nowoczesne odbiorniki – pompy ciepła, falowniki PV, ładowarki EV – wprowadzają do sieci harmoniczne. Te dodatkowe składowe prądu, szczególnie 3., 9. i 15. rzędu (tzw. tripleny), sumują się w przewodzie neutralnym.

W transformatorach połączonych w prostą gwiazdę prąd w przewodzie neutralnym potrafi osiągać nawet 70% prądu fazowego. W praktyce to oznacza, że przewód N nagrzewa się, jego izolacja starzeje się szybciej, a odbiorcy skarżą się na losowe wyłączanie urządzeń elektronicznych.

Układ Yzn ogranicza ten efekt. Składowe trzeciego rzędu zamykają się w uzwojeniach zigzag, co zmniejsza prąd neutralny do poziomu 20–30% prądu fazowego. Dla operatorów sieci i eksploatatorów oznacza to mniejsze ryzyko przegrzewania i mniej reklamacji.

• Zachęcamy do lektury naszego artykułu:

Współczynnik K transformatora: Klucz do ochrony przed harmonicznymi

 

Straty i koszty – dlaczego prostota nie zawsze oznacza oszczędność

Konstrukcja układu Yzn jest bardziej złożona. Wymaga większej ilości miedzi i dodatkowych połączeń między uzwojeniami, co przekłada się na nieco wyższy koszt produkcji. Straty obciążeniowe rosną przeciętnie o 2–4% w stosunku do transformatorów Dyn.

Na pierwszy rzut oka wydaje się to niekorzystne. Ale w dłuższej perspektywie różnica ta jest często kompensowana przez niższą awaryjność, lepszą jakość napięcia i mniejsze straty po stronie odbiorczej.

Transformator Dyn może być tańszy przy zakupie, lecz w sieci z dużą liczbą urządzeń jednofazowych – typowej dla terenów wiejskich – potrafi generować większe straty systemowe i skracać żywotność izolacji. Dlatego wielu operatorów w Polsce i w Niemczech rekomenduje stosowanie Yzn dla mocy do 160 kVA w sieciach o wysokiej asymetrii.

 

Wymagania OSD i praktyka przyłączeniowa

Wybór połączenia uzwojeń nigdy nie odbywa się w próżni. Każdy transformator 100 kVA musi być zgodny z warunkami przyłączenia wydanymi przez lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego (OSD).

Operatorzy – jak PGE, Tauron, Energa czy E.ON – coraz częściej precyzują, jakie połączenie uzwojeń powinno być stosowane w danym typie sieci.

W dokumentach można znaleźć zalecenia, że w obszarach o dużej liczbie odbiorców jednofazowych zaleca się Yzn11, natomiast w sieciach przemysłowych z przewagą obciążeń trójfazowych – Dyn5 lub Dyn11.

Z perspektywy formalnej oznacza to, że projektant musi znać charakter sieci, do której przyłączany jest transformator, oraz uwzględnić te dane już na etapie koncepcji.

 

• Może Cię zainteresować także:

Dyn5 vs Dyn11 vs Yzn: jak wybrać połączenie uzwojeń transformatora w praktyce

 

Stabilność napięcia a bezpieczeństwo odbiorców

Zbyt duże odchyłki napięć fazowych są jednym z głównych powodów reklamacji w sieciach niskiego napięcia. Wystarczy różnica kilku procent, aby czuła elektronika w gospodarstwach domowych – zasilacze impulsowe, sterowniki pomp czy falowniki PV – zaczęła sygnalizować błędy.

Układ Yzn pozwala ograniczyć te wahania i stabilizuje napięcie nawet w sytuacjach, gdy obciążenie jednej fazy przekracza 40% mocy znamionowej.

W konsekwencji operatorzy notują mniej skarg, a eksploatatorzy – mniej interwencji serwisowych.

W Niemczech przeprowadzono analizę porównawczą dla ponad 300 stacji SN/nn o mocach od 50 do 160 kVA. W sieciach wiejskich z dużym udziałem pomp ciepła i PV transformator Yzn11 notował o 27% mniej zgłoszeń o wahaniach napięcia w porównaniu do układów Dyn11.

 

Co się dzieje przy awarii jednej fazy

Transformator 100 kVA z połączeniem Yzn zachowuje się również stabilniej w przypadku awarii jednej fazy po stronie niskiego napięcia. Dzięki temu, że neutralny jest wewnętrznie „usztywniony", pozostałe dwie fazy utrzymują napięcie bliższe znamionowemu.

W układach Dyn neutralny jest jedynie geometrycznym punktem połączenia uzwojeń.

Gdy jedna faza zostanie przerwana lub przeciążona, napięcia na pozostałych ulegają przesunięciu, a urządzenia trójfazowe mogą doznać uszkodzenia.

To ryzyko szczególnie istotne w rozproszonych sieciach wiejskich, gdzie linie niskiego napięcia mają kilkusetmetrowe długości i są narażone na przepięcia atmosferyczne.

 

Perspektywa ekonomiczna – całkowity koszt posiadania

Cena zakupu transformatora 100 kVA to tylko początek. Rzeczywisty koszt ujawnia się w trakcie jego życia technicznego, które może przekraczać 25 lat. W tym czasie transformator przechodzi setki cykli obciążeniowych, dziesiątki przeglądów i tysiące godzin pracy z asymetrią.

Analizy przeprowadzone przez kilku operatorów europejskich pokazują, że w okresie 20 lat łączny koszt eksploatacji transformatora Yzn jest o 8–12% niższy niż Dyn, mimo wyższej ceny początkowej.

Niższa liczba interwencji, mniejsze straty energii w przewodzie neutralnym i lepsza jakość napięcia przekładają się na wymierne oszczędności.

 

Kiedy Dyn ma przewagę?

Nie oznacza to jednak, że Yzn jest rozwiązaniem uniwersalnym.

W sieciach o wysokiej symetrii, z przewagą odbiorników trójfazowych (np. hale przemysłowe, stacje pomp, infrastruktura komunalna), układ Dyn11 będzie bardziej efektywny.

Dyn jest prostszy, tańszy i odporny na zwarcia międzyfazowe.

W takich warunkach asymetria jest niewielka, a harmoniczne niskiego rzędu nie dominują w widmie prądu, więc zalety Yzn nie są już tak widoczne.

W praktyce projektowej często stosuje się zasadę:

• Yzn dla sieci rozproszonych i asymetrycznych,
• Dyn dla sieci przemysłowych i miejskich.

 

Nowe wyzwania: transformator w epoce prosumentów

Dynamiczny rozwój fotowoltaiki, pomp ciepła i ładowarek samochodowych całkowicie zmienia profil obciążenia sieci niskiego napięcia. Transformator 100 kVA musi dziś radzić sobie nie tylko z odbiorami, ale też z generacją energii.

Gdy w sieci pojawia się wielu prosumentów, prądy płyną w obie strony, a amplituda harmonicznych rośnie. To kolejne środowisko, w którym Yzn pokazuje swoją przewagę.

Stabilizuje napięcie podczas wahań mocy czynnej i ogranicza wpływ prądów trzeciego rzędu generowanych przez falowniki.

W praktyce coraz częściej spotyka się hybrydowe rozwiązania – transformatory o połączeniu Yzn z wbudowanym uziemieniem punktu neutralnego i pomiarem prądów harmonicznych, które współpracują z magazynami energii.

 

Wnioski dla projektanta i eksploatatora

Decyzja o wyborze połączenia uzwojeń dla transformatora 100 kVA nie może być przypadkowa. To wybór, który wpływa na bezpieczeństwo, jakość energii i koszty eksploatacji przez następne dekady.

Układ Yzn oferuje lepszą stabilność napięcia w sieciach asymetrycznych, redukuje prąd neutralny i zmniejsza ryzyko reklamacji, kosztem nieco większych strat i wyższej ceny początkowej.

Układ Dyn sprawdza się tam, gdzie sieć jest symetryczna, obciążenia równomierne, a kluczowe są koszty inwestycyjne i prostota konstrukcji.

Transformator 100 kVA to urządzenie z pogranicza dwóch światów: lekkiej dystrybucji i małej energetyki. Właśnie dlatego wybór połączenia uzwojeń ma tu kluczowe znaczenie.

W sieciach wiejskich i podmiejskich, z dużą liczbą odbiorników jednofazowych i obecnością fotowoltaiki, Yzn zapewnia większą stabilność i dłuższą żywotność transformatora.
W sieciach przemysłowych i miejskich, z obciążeniami symetrycznymi, Dyn pozostaje wyborem racjonalnym.

Świadome dopasowanie układu połączeń do charakteru sieci to nie detal techniczny, ale decyzja strategiczna, która decyduje o spokoju eksploatatora przez następne dwie dekady.

____________________________________________________________________________________

Wybór połączenia uzwojeń to decyzja, która decyduje o spokojnej pracy sieci przez kolejne dekady.

W Energeks łączymy techniczną precyzję z praktyką terenu, pomagając dobrać układ transformatora nie tylko pod parametry, ale pod realne warunki przyłączenia i charakter obciążenia.

Jeśli planujesz zakup transformatora 100 kVA lub chcesz poznać naszą pełną ofertę urządzeń spełniających wymagania Ecodesign Tier 2, zapraszamy zapoznania się z pełną ofertą transformatorów średniego napięcia Energeks

Transformator potrzebny „na już"? Sprawdź nasz aktualny katalog jednostek dostępnych z półki, gotowych do dostawy, z kompletem dokumentacji DTR, CE i UDT.

Dziękujemy, że jesteś częścią społeczności, która buduje niezawodną, czystą i nowoczesną energetykę. Każda rozmowa, każde wspólne doświadczenie i każdy komentarz inspirują nas do dalszego dzielenia się wiedzą i wspólnego rozwoju branży.

Dołącz do naszej społeczności Energeks na LinkedIn, gdzie razem budujemy sieć partnerską, w której wiedza zamienia się w realne projekty i przewagę technologiczną.

Referencje:

• CIGRE Technical Brochure 906: "Impact of Distributed Energy Resources on Distribution Transformers", 2023.
• IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 37, Issue 4: "Mitigation of Triplen Harmonics in Zigzag Transformers", 2022.