Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

Dağıtım Transformatörü Seçiminde Kayıp Maliyetlerinin EN 50464-1’e göre Değerlendirilmesi

1. Giriş
Transformatörler, enerji şebekesinde elektrik enerjisini farklı gerilim seviyeleri arasında dönüştüren elektrik makinalarıdır. Her ne kadar çalışma verimleri oldukça yüksek olsa da, ulaşılan yüksek güç değerleri ve enerji şebekesinde var olan toplam transformatör sayısı göz önünde tutulduğunda, transformatör kayıplarının azaltılması amacıyla yapılan çalışmalar önemini korumaktadır.
[kutusag=8616]Dağıtım transformatörleri, elektrik enerjisinin üretim noktası ile tüketiciler arasında enerji nakil hatlarının ardından elektrik şebekesinde kayıplara neden olan ikinci büyük bileşen konumundadır [1]. Bu kayıplar, transformatörün elektrik dağıtım şirketlerine veya özel sektör kuruluşlarına ait olmasından bağımsız olarak, ciddi boyutta enerji kaybına ve nihayetinde mali yüke neden olmaktadır. Bu kayıpları ve neden olduğu maliyetleri en aza indirebilmek amacıyla enerji sisteminin bütününde planlanan yatırımların ve gerçekleştirilen iyileştirme çalışmalarının önemli bir adımı da, kullanım ömrünü tamamlamakta olan veya ciddi arızalar yaşayan mevcut transformatörleri yeni nesil yüksek verimli transformatörlerle değiştirerek yenilemektir.
Bu çalışmada, endüstriyel bir tesise enerji sağlamak amacıyla kullanılan bir dağıtım transformatörünün yenilenmesi gerekliliği senaryosu üzerine yapılan bir çalışmanın, transformatörlerin güç kayıplarına ve bu kayıplar kaynaklı maliyetlere yönelik karşılaştırmalı bir bölümü sunulmaktadır. Buna göre, öngörülen kullanım ömrü ve yıllık yük artış değerine bağlı olarak gücü belirlenmiş olan dağıtım transformatörünün, uluslararası standartlarda belirtilen farklı kayıp sınıflarından seçilmesi durumunda, satın alma bedeli ve yıllık kayıp enerji maliyetleri de değerlendirilerek karşılaştırması yapılmaktadır. Bu amaçla belirlenen güç değeri için, yağlı tip transformatörler için kayıp sınıflandırmasını içeren  IEC 50464-1 düzenlemesi göz önünde tutulmaktadır.

2. Transformatör Kayıpları
[kutusol=8617]Dağıtım transformatörlerinde, transformatörün çalışması esnasında ortaya çıkan kayıplar; boşta ve yükte çalışma kayıpları olarak iki grupta incelenmektedir.
Demir veya nüve kayıpları olarak da adlandırılan boşta çalışma kayıpları, transformatörün enerjili olduğu süre boyunca meydana gelen histeresis ve eddy akımı kayıplarından oluşmaktadır ve transformatörün yüklenme oranından bağımsızdır. Yükte çalışma kayıpları ise bakır veya kısa devre kayıpları olarak adlandırılmakta ve transformatörün yüklenme oranına bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla, nüve ve sargılar üzerinde gerçekleştirilecek çalışmalar ile bu iki kayıp bileşeninin en aza indirilmesi, transformatörün çalışma veriminin artmasını sağlayacaktır.
Boşta çalışma kayıplarını azaltmanın başlıca yolu, nüve imalatında elektriksel olarak yüksek performansa sahip malzeme kullanmaktır. Bunun dışında, nüve tasarımı, nüve tipi ve nüve malzemesinin kesim ve dizimi de enerji verimini etkiler. Ayrıca nüve boyutlarını artırmak, nüvedeki manyetik akı yoğunluğu değerini azaltacağından dolayı transformatörün verimini iyileştirecektir. Amorf malzemeler günümüzde nüve üretiminde kullanılan en güncel ve düşük kayıp oranına sahip malzemelerdir. Amorf malzemelerin kullanımı ile boşta çalışma kayıplarının %70 oranında azaltılabilmesi mümkün olmaktadır.
Yükte çalışma kayıpları ise transformatör sargı akımının karesi ile orantılı olarak değişmektedir. Bu nedenle transformatörün yüklenme oranı önem taşımaktadır. Bunun haricinde yükte çalışma kayıpları, sargı iletkeninin kesit alanı artırılarak azaltılabilir. Bu durum iletkendeki akım yoğunluğunu ve dolayısıyla kayıpları azaltacak, fakat üretim maliyetlerinin artmasına neden olacaktır. Transformatör sargılarının oluşturulması ve sargıların transformatörün bacakları üzerine yerleştirilmesi de transformatörün verimin etkileyen birer faktördür. Bu süreç transformatörün üretimi aşamasında, özellikle nispeten küçük boyutlar ve ince iletkenlerde otomatikleştirilmiş cihaz ve yöntemlerle yapılabilse de, orta ve büyük boyutlu transformatörlerin imalatında halen insan gücüyle gerçekleştirilen bir süreçtir.

3. Kayıp Standardizasyonunun Gelişimi
[kutusag=8618]Transformatör kayıplarının azaltılmasına yönelik olarak standardizasyon çalışmaları, 1992 yılında CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) tarafından oluşturulan HD428 ve HD538 düzenlemeleri ile başlamış olup, HD428 düzenlemesi yağlı tip, HD538 düzenlemesi ise kuru tip transformatörleri kapsamaktadır. HD428 düzenlemesi ile, transformatörlerin boşta çalışma kayıpları A’, B’ ve C’; yükte çalışma kayıpları ise A, B ve C olarak ifade edilecek şekilde sınıflandırmaktadır. Buna göre transformatörler; CC’ en düşük kaybı, AA’ ise en yüksek kaybı gösterecek şekilde dokuz ayrı kombinasyonla gösterilmektedir [2]. HD538 düzenlemesinde ise farklı kombinasyonlar olmayıp, kayıp değerleri tek bir kombinasyonla ifade edilmektedir [3]. Bu düzenlemelerin oluşumunda amorf malzeme kullanılan nüveler de göz önünde bulundurulmamaktadır. Nominal transformatör gücüne bağlı olarak HD428 kayıp sınıflandırmaları Tablo 1’de verilmektedir.

[kutusol=8619]

Enerji verimliliği üzerine yapılan çalışmaların ardından gelinen güncel nokta ise, 2007 tarihli CEI EN 50464-1 [4] ve 2011 tarihli EN 50541-1 [5] düzenlemeleridir. Buna göre; amorf nüvelerin ulaşabildiği kayıp değerleri de göz önünde tutularak kayıp sınıflandırmaları yeniden düzenlenmektedir.
EN 50464-1’e göre; 24 kV primer gerilimine kadar olan transformatörler için A sınıfı en verimli kategoriyi gösterecek şekilde transformatörün primer gerilimine bağlı olarak boşta çalışma kayıpları beş ayrı kategoride, yükte çalışma kayıpları ise dört ayrı kategoride sınıflandırılmaktadır.
Buna göre, HD428 ile eşleştirildiğinde; boşta çalışma kayıp değerleri için E0, D0 ve C0 sınıfları sırasıyla A’, B’ ve C’ sınıflarına; yükte çalışma kayıp değerleri için ise DK, CK ve BK sınıfları sırasıyla A, B ve C sınıflarına karşılık gelmektedir. Bu sınıflara göre kayıplar Tablo 2 ve Tablo 3’te verilmektedir.

[kutusag=8620]

36 kV gerilim sınıfındaki transformatörler içinse; A sınıfı en verimli kategoriyi gösterecek şekilde transformatörün primer gerilimine bağlı olarak boşta ve yükte çalışma kayıpları üç ayrı kategoride sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflara ait kayıp güçlerin üst sınırları Tablo 4’te verilmektedir.

Ülkemizde ise Türkiye Elektrik Dağıtım A.Ş. (TEDAŞ) teknik şartnameleri, dağıtım şebekesine yeni entegre edilecek transformatörler için temel düzenlemeleri içermektedir. Söz konusu şartnameler, 2013 yılında revize edilmiş olup, yeni transformatörlerden talep edilen en yüksek boşta ve yükte çalışma kayıp değerleri yeniden düzenlenerek EN 50464-1 ile paralellik sağlanmıştır.
Adı geçen şartnamelerin önceki versiyonlarında belirtilen kayıp değerleri, 36 kV gerilim seviyesi için EN 50464-1’in C036BK36 sınıflandırmasına karşılık gelmekte iken, güncel versiyonlar ise A036AK36 sınıflandırmasına göre düzenlenmiştir.
Transformatörün kayıplarının azaltılması amaçlı çalışmalarda, boşta çalışma kayıplarının %1 oranında azaltılması için yapılan iyileştirmelerin E0 sınıfı seviyesinde %0.3 civarından başlayarak C0 sınıfı seviyesinde %1.4’e varan oranda maliyet artışı ile sonuçlandığı görülmektedir. Boşta çalışma kayıplarını C0 sınıfı düzeyinden daha aşağıya indirebilmek için ise bu maliyet artış oranı %20 seviyesine çıkabilmektedir [6].
Yükte çalışma kayıplarının azaltılması için yapılacak çalışmalar ise, DK sınıfı ile BK sınıfı seviyesi arasında
%0.6-%1 maliyet artışına neden olmakta iken, BK sınıfı seviyesinden daha düşük kayıplar için bu oran %15’e çıkmaktadır [6].

4. Transformatör Maliyetlerinin Belirlenmesi
[kutusol=8621]Transformatörlerin kullanım ömrü boyunca ortaya çıkacak toplam maliyet, uluslararası literatürde yer bulan toplam sahip olma maliyeti (TOC – total owning cost) formülasyonu yardımıyla belirlenmektedir. Bu formülasyon, transformatörün endüstriyel tesislere veya dağıtım şirketlerine ait olması durumları için farklı değişkenler entegre edilerek oluşturulmakta ve kullanılmaktadır.
Transformatörün çalışması esnasında ortaya çıkan toplam güç kayıpları  PT,

[kutusatir=8626] (1)

olarak ifade edilmektedir. Burada; P0 boşta çalışma kayıpları, PCu,α ise yüklenme oranının α olması durumunda transformatörün yükte çalışma kayıplarını göstermektedir.  Buna göre yükte çalışma kayıpları;

[kutusatir=8627] (2)

şeklinde yazılır. Burada; PCu,n transformatörün anma yükündeki güç kaybıdır.
MkWh birim enerji fiyatı (¨/kWh) ve t transformatörün yıllık çalışma süresi (saat) olacak şekilde, güç kayıplarının neden olacağı toplam maliyet;

[kutusatir=8628] (3)

olarak ifade edilir. Burada eşitliğin sağ tarafındaki iki terim sırasıyla boşta çalışma ve yükte çalışma kayıplarının maliyetine karşılık gelmektedir.
Kayıpların transformatörün öngörülen kullanım ömrü boyunca sebep olacağı toplam maliyet (¨), bu günkü eşdeğer karşılığı hesaplanarak değerlendirilmektedir.  Buna göre anlık değer çarpanı βm; d değer kaybı oranını ve N transformatörün öngörülen kullanım ömrünü ifade edecek şekilde;

[kutusatir=8629] (4)

olarak yazılır. Buna göre; transformatörün öngörülen kullanım ömrü boyunca ortaya çıkacak kayıpların bu günkü eşdeğer maliyeti;

[kutusatir=8630] (5)

olarak hesaplanır. Bu ifade; A boşta çalışma kayıp katsayısı (¨/W) ve B yükte çalışma kayıp katsayısı (¨/W) olacak şekilde;

[kutusatir=8631] (6)

biçiminde de ifade edilebilir. Burada;

[kutusatir=8632] (7)

[kutusatir=8633] (8)

olarak yazılır. Transformatörün toplam sahip olma maliyeti ise, Milk satın alma bedeli (¨) olacak şekilde;

[kutusatir=8634] (9)

olarak belirlenir [7].

5. Örnek Değerlendirme
Şekil 1’de, bir endüstriyel tesisi beslemekte olan 630 kVA gücündeki bir dağıtım transformatörünün saat bazında elde edilen güç değerleri değerlendirilerek elde edilen 24 saatlik güç değişimi gösterilmektedir.

[kutusag=8622]Transformatörün beslediği endüstriyel tesis için yıllık yük artış değeri %5 ve transformatörün kullanım ömrünün üst sınırı olarak 30 yıl öngörülmesi durumunda, bu süre sonunda transformatörün yük değerinin 1938 kVA olacağı hesaplanmaktadır. Buna göre; güvenilirlik ve sürekliliğin sağlanması amacıyla endüstriyel tesislerin ihtiyaç duydukları enerjiyi birden fazla sayıda transformatörden temin etmesi, ihtiyaç duyulduğunda bu transformatörler arasında yük aktarımının yapılabilmesi ve finansal olarak ilk satın alma maliyetine öncelik vererek daha kısa kullanım süresi öngörülebilmesi gibi gerçekçi kriterler değerlendirilerek 1000 kVA, 1250 kVA, 1600 kVA ve 2000 kVA olmak üzere dört farklı transformatörün seçimi değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda varılan finansal sonuçlar da göz önünde tutularak 2000 kVA gücündeki transformatörün seçiminin uygun olacağı sonucuna varılmaktadır. Bu güçte fakat farklı kayıp sınıflarındaki iki transformatöre ek olarak, bu gücün A036AK36 sınıfı iki adet 1000 kVA gücündeki transformatörden elde edilmesi seçeneği de göz önünde tutularak değerlendirmeler yapılmaktadır.

Buna göre, EN 50464-1’de belirtilmekte olan farklı güçler ve kayıp sınıflarındaki üç farklı transformatörün ilk satın alma maliyetleri Tablo 5’te verilmektedir. Buna göre, A036AK36 sınıfındaki transformatörün ilk satın alma maliyeti, aynı güçteki bir C036BK36 sınıfı transformatöre göre %7.95 daha yüksektir.

A036AK36 sınıfındaki transformatörün boşta ve yükte çalışma kayıpları ise, aynı güçteki C036BK36 sınıfı bir transformatöre göre sırasıyla %20.59 ve %14.29 kadar daha düşüktür.

Buna bağlı olarak, transformatörlerin öngörülen maksimum kullanım ömürleri boyunca yük artış oranı da hesaba katılarak hesaplanan güç kayıpları Şekil 2’de verilmektedir.

Transformatörlerde verim IEC standartlarına göre;

[kutusatir=8635] (10)

şeklinde hesaplanmaktadır. Burada;  transformatörün nominal gücü,  güç katsayısı,  boşta çalışma kaybı,  nominal yükte çalışma kaybı,  yüklenme oranıdır. Tablo 5’te boşta ve yükte çalışma kayıp değerleri verilen transformatörler için elde edilen, yüklenme oranına bağlı verim eğrileri Şekil 3’te verilmektedir.

[kutusol=8623]Öngörülen kullanım ömrü boyunca yıllara bağlı olarak transformatörden talep edilecek güç değeri ve karşılaştırılan transformatörlerin denklem (9) yardımıyla hesaplanan toplam sahip olma maliyetleri sayısal olarak Tablo 6’da, bu maliyetlerin değişimi ise Şekil 4’te verilmektedir.
Hesaplamalarda sadece transformatör maliyetleri dikkate alınmış olup, orta gerilim şalt elemanlarının maliyetleri hesaplamalara dahil edilmemiştir.
İki adet 1000 kVA gücünde transformatörün ekonomik maliyetleri hesaplanırken ise, iki transformatörün aynı anda şebekeye entegre edildiği ve yükün bu iki transformatöre eşit oranda dağıtıldığı öngörülmektedir.

Buna göre, Tablo 5 ve 6’da belirtilen değerler göz önünde tutularak, 2000 kVA gücündeki A036AK36 sınıfı yüksek verimli transformatörün ilk satın alma maliyeti aynı güçteki C036BK36 sınıfı transformatöre göre daha yüksek olmakla birlikte, boşta ve yükte çalışma kayıplarının daha düşük olması nedeniyle üç yıllık kullanım süresinin ardından daha ekonomik bir seçim haline geldiği görülmektedir.

[kutusag=8624]Şekil 2’de görüldüğü üzere bir adet 2000 kVA gücündeki transformatörde oluşan kayıp güç ile iki adet 1000 kVA gücündeki transformatörde oluşan toplam kayıp güç yaklaşık olarak eşittir. Bununla birlikte, ilk satın alma maliyetleri arasındaki fark 2*1000 kVA gücünde transformatör seçimi alternatifinin toplam maliyetini artırmaktadır. Bu alternatif, transformatörlerin işletmede kalacağı 16 yıllık sürenin ardından ekonomik olarak bir adet 2000 kVA gücündeki C036BK36 sınıfı transformatörün önüne geçse de, öngörülen 30 yıllık maksimum kullanım süresi boyunca bir adet 2000 kVA gücündeki A036AK36 sınıfı yüksek verimli transformatörün ardında kalmaktadır.

6. Sonuçlar
Çalışmada, enerji şebekesinde endüstriyel bir tesisi besleyen bir dağıtım transformatörünün yenileneceği senaryosu üzerine hareketle, seçilecek transformatörün kayıp sınıfının enerji kayıpları ve maliyet üzerine etkilerinin belirlenmesi öngörülmektedir.
[kutusol=8625]Mevcut 471 kVA gücün, yıllık %5 oranında yük artışı ile, öngörülen 30 yıllık transformatör ömrü sonunda 1938 kVA değere ulaşacağı hesaplanarak 2000 kVA güce sahip bir transformatöre gereksinim duyulduğu sonucuna varılmıştır. Buna göre, bu güçteki bir adet transformatörün EN 50464-1 standardında en düşük kayıp sınıfı olarak belirtilen A036AK36 sınıfı ile buna kıyasla ilk satın alma maliyeti daha düşük fakat kayıpları daha yüksek olan C036BK36 sınıfından seçilmesi durumları ile, bu gücün A036AK36 sınıfındaki iki adet 1000 kVA gücünde transformatör ile karşılanması durumları incelenmiştir. Bu iki kayıp sınıfı aynı zamanda TEDAŞ şartnamelerinin 2013 yılında yenilenen güncel versiyonları ile bir önceki versiyonlarında kabul edilmiş olan kayıp güç sınırlarına karşılık gelmektedir.
Günümüz ekonomik koşullarında, kuruluşlar için öncelikli olarak değerlendirilen kriter çoğunlukla ilk satın alma maliyeti olmaktadır. Bununla birlikte, kullanım süresi boyunca enerji altında olacak bir transformatörün seçiminde sadece ilk satın alma maliyeti değil, bu süre boyunca enerji kaybının neden olacağı maliyetler de dikkate alınmalıdır.
Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre, mevcut koşullar altında üç yıllık kullanım süresinin sonunda 2000 kVA gücündeki A036AK36 sınıfı transformatörün daha ekonomik hale geldiği görülmektedir. Buradan yola çıkılarak, ilk satın alma maliyetleri yüksek olsa da bu farkın, bir dağıtım transformatörünün kullanım ömrüne kıyasla çok daha kısa sürede amorti edilmesi nedeniyle, düşük kayıp sınıfındaki transformatörün işletmede olduğu uzun süre boyunca çok daha verimli ve ekonomik bir tercih olacağı açıkça anlaşılmaktadır.

Kaynaklar
[1] The Potential for Global Energy Savings from High Efficiency Distribution Transformers”, Leonardo ENERGY, 2005.
[2] CENELEC Harmonisation Document; Three Phase Oil-immersed Distribution Transformers 50 Hz, from 50 to 2500 kVA with highest voltage for equipment not exceeding 36 kV, CENELEC HD428.1 S1, 1992.
[3] CENELEC Harmonisation Document; Three Phase Dry Type Distribution Transformers 50 Hz, from 100 to 2500 kVA with highest voltage for equipment not exceeding 36 kV, CENELEC HD538.1, 1992.
[4] EN 50464-1, Three phase oil-immersed distribution transformers 50 Hz, from 50 kVA to 2500 kVA, with highest voltage for equipment not exceeding 36 kV – Part 1: General requirements, 2007.
[5] EN 50541-1, Three phase dry-type distribution transformers 50 Hz, from 100 kVA to 3150 kVA, with highest voltage for equipment not exceeding 36 kV – Part 1: General requirements, 2011.
[6] Selecting Energy Efficient Distribution Transformers – A Guide for Achieving Least-Cost Solutions, Project Report, 2008
[7] P. Georgilakis, Spotlight on Modern Transformer Design, Springer, 2009.