Ztráty transformátorů a jak se ztrátami pracovat

Snižování ztrát je jedním z cílů ochrany životního prostředí. To samozřejmě platí pouze v případech, kdy na opatření vedoucí ke snížení ztrát nevynaložíme více energie, než jakou jsme schopni daným opatřením celkově ušetřit. Přenos elektrické energie se obecně vyznačuje poměrně nízkými ztrátami, které jsou lineárně závislé na odporu vedení. Výrazněji se však projevuje kvadratická závislost ztrát na přenášeném proudu. Proto je snaha přenášet velké výkony při vyšším napětí, kdy při stejném přenášeném výkonu jsou proudy nižší, a tudíž jsou i nižší ztráty. Pro změnu napětí se využívají transformátory. Vynález transformátoru pro využití v elektroenergetice spadá do let 1884 až 1885. Roku 1891 uskutečnil Nikola Tesla první přenos výkonu na vzdálenost 175 km. Přenášen byl výkon 75 kW při napětí 15 kV. Tím dokázal, že střídavý proud je možné, na rozdíl od stejnosměrného proudu, přenášet na velké vzdálenosti. Od té doby se výrazně zvýšilo přenosové napětí a také se zvýšily přenášené výkony. Princip používání transformátorů se však nezměnil.

Transformátor je elektrický netočivý stroj, který se stal nedílnou součástí elektrizační soustavy. K jeho velkým výhodám patří vysoká spolehlivost, dlouhá životnost a nízké ztráty. Právě pojem „nízké ztráty“ se stal námětem tohoto příspěvku. Dlouhá životnost transformátorů je jistě jejich předností, ale s ohledem na vývoj nových technologií, může být provoz starších transformátorů z pohledu ztrát neúsporný. Ve své praxi jsem se setkal s transformátory, které v síti spolehlivě slouží více než 50 let. Na jedné straně je velice potěšující, že se vyrábí tak spolehlivé transformátory, a věřme, že i ty současně vyráběné budou dosahovat takové spolehlivosti. Avšak na druhou stranu je otázkou, proč jsou dožívající transformátory stále v provozu. Je to skutečně dobré? Jsou důvody k výměně starších transformátorů opodstatněné? Není to jen tlak výrobců transformátorů?

Ztráty transformátoru

Transformátory mají dva druhy ztrát. Jedná se o ztráty naprázdno (P₀) a ztráty nakrátko (P_k). Ztráty naprázdno vznikají v transformátoru bez ohledu na jeho aktuální velikost zatížení. Jedná se o hodnotu ztrát, kterou naměříme při chodu bez zatížení, tj. chodu naprázdno. Ztráty P₀ bývají označovány také jako ztráty v „železe“, tj. ztráty v „železném“ magnetickém obvodu transformátoru. Je logické, že tyto ztráty jsou ovlivňovány kvalitou magnetického obvodu transformátoru. Jedná se o ztráty způsobené vířivými proudy a přemagnetováním magnetického jádra v „rytmu“ síťové frekvence, tj. 50 Hz. Další typ ztrát, označovaný jako ztráty nakrátko, je kvadraticky závislý na proudovém zatížení transformátoru a lineárně na odporu jeho vinutí. Ztráty P_k můžeme ovlivnit konstrukcí vinutí transformátorů, a to zejména snížením odporu vinutí. Tyto ztráty se měří tak, že jedna strana transformátoru je zkratována a u druhé strany transformátoru se postupně zvyšuje napětí až na takovou hodnotu, kdy vinutím protéká jmenovitý proud. Ze způsobu měření těchto ztrát vznikl i jejich název, a to ztráty nakrátko. Protože tyto ztráty vznikají právě na odporu vinutí, jsou také označovány jako ztráty „ve vinutí“. Ztráty naprázdno i ztráty nakrátko patří mezi základní charakteristické údaje transformátoru a jsou udávány výrobci jako katalogový údaj. Pro každý vyrobený stroj jsou ztráty přesně změřeny a uvedeny v jeho průvodní dokumentaci.

Od výroby prvních transformátorů se mnohé změnilo. Změny se projevily rovněž ve snížení velikosti obou výše popsaných ztrát transformátorů. Dále se pokusíme ukázat způsob, jak se ztrátami transformátoru správně pracovat.

Následující tabulka zobrazuje vývoj ztrát distribučního transformátoru o výkonu 400 kVA stejného výrobce v závislosti na jeho roku výroby. Z tabulky je patrné, že od roku 1950 ztráty nakrátko P_k poklesly o cca 45 % a ztráty naprázdno P0 poklesly o cca 79,5 %. Pro zjednodušení budou v následujícím textu používány parametry distribučních transformátorů právě o výkonu 400 kVA.

Pro provoz je důležitá závislost velikosti ztrát transformátoru na jeho zatížení, což znázorňuje následující graf (Obrázek 1). V grafu jsou porovnány celkové ztráty transformátorů vyráběných jedním výrobcem, a to v letech 1950, 1970, 1990 a 2018. Při nízkém zatížení jsou u nově vyrobených transformátorů z roku 2018 celkové ztráty cca čtvrtinové vůči ztrátám transformátorů z roku 1950. Při vzrůstajícím zatížení se rozdíl ztrát mezi výše uvedenými transformátory snižuje. Při jmenovitém zatížení jsou celkové ztráty nových transformátorů z roku 2018 cca poloviční oproti ztrátám transformátorů vyrobených v roce 1950. Z grafu je zřejmé, že i transformátory vyrobené okolo roku 1970 doznaly oproti roku 1950 významné změny v magnetickém obvodu, ale ztráty nakrátko se příliš nezměnily. Pro výrobu magnetického obvodu transformátoru se staly dostupnější nové materiály, kterými byly orientované transformátorové plechy. Využíváním orientovaných transformátorových plechů se snížily ztráty naprázdno na cca 50 % původních ztrát transformátorů vyrobených z neorientovaných transformátorových plechů. Vývoj magnetických materiálů pro transformátory však pokračoval dále. Po snížení ztrát v magnetickém obvodu transformátoru byla věnována pozornost také ztrátám „ve vinutí“, tj. ztrátám nakrátko. Snížení ztrát nakrátko je patrné především u transformátorů vyráběných okolo roku 1990. Na rozdíl i od těchto transformátorů mají moderní v současnosti vyráběné transformátory opět nižší ztráty naprázdno. Došlo k tomu v důsledku použití amorfních transformátorových plechů. Rozdíly transformátorů vyráběných v letech 1950 a 2018 nejsou jen ve vzhledu nádoby, ale zejména v materiálu magnetického obvodu, izolačních materiálech a technologii skládání plechů i vinutí cívek.

Transformátory jsou v běžném provozu zatěžovány proměnlivě. Některé transformátory pracují spíše naprázdno, jiné jsou zatěžovány i na 80 % jejich jmenovitého výkonu. Pro výpočet ztrát transformátoru za sledované období je nutné určit kvadratický průměr jeho zatížení. Jako vstupní data lze pro výpočet použít například údaje z elektroměrů, které obvykle zaznamenávají průměrné 15minutové hodnoty zatížení. Kvadratický průměr zatížení transformátoru lze určit dle následujícího vztahu:

Kde
S_T je kvadratický průměr zdánlivého zatížení transformátoru n je počet naměřených hodnot 
S_i hodnota zdánlivého zatížení „i-tého“ intervalu (např. 15mitová průměrná hodnota zatížení).

Na základě hodnoty kvadratického průměru zatížení je možné určit ztráty transformátoru
za sledované období. Ztráty naprázdno se budou na celkových ztrátách výrazněji projevovat především při nízkém zatížení transformátoru. Při vyšším zatížení, tj. od cca 50 % jmenovitého výkonu transformátoru, představují ztráty nakrátko významnější složku ztrát. Pokud budeme uvažovat ztráty transformátoru vyrobeného v roce 1950 za základ, následující graf (Obrázek 2) zobrazuje rozdíl ročních ztrát vůči stanovenému základu, a to pro transformátory vyrobené v letech 1970, 1990 a 2018. Z grafu je patrné, že transformátory vyrobené okolo roku 1970 mají přibližně stejné ztráty nakrátko jako transformátory vyráběné okolo roku 1950. Celkové ztráty se pak liší především o ztráty naprázdno. U transformátorů vyrobených cca od roku 1990 dále je roční úspora vůči transformátorům z roku 1950 patrná nejen při nízkém zatížení, ale s rostoucím zatížením se úspora elektrické energie výrazně zvyšuje. Tyto transformátory mají nižší ztráty naprázdno i nakrátko. Roční úsporu elektrické energie můžeme pak u distribučních transformátorů počítat v desítkách MWh/rok. Při kvadratickém průměru ročního zatížení přesahujícím 50 % jmenovitého výkonu budou ztráty na transformátorech vyrobených okolo roku 1970 v porovnání s transformátory vyrobenými okolo roku 1990 vyšší o více než 10 MWh/rok.

Z hlediska provozních vlastností transformátorů je vedle technického pohledu důležitý také pohled ekonomický. Cena elektrické energie na krytí ztrát je mimo jiné ovlivněna i tím, zda provozovatelem transformátoru je distribuční společnost nebo koncový zákazník. Provozovatelé distribučních soustav mají možnost na krytí ztrát nakupovat silovou energii. Pro jednoduchost je proto oceňování ztrát dále uvažováno pouze z ceny silové elektrické energie. Zákazníci však musí za ztráty platit i další položky uvedené v platném cenovém rozhodnutí. U koncového zákazníka hraje roli úroveň napětí v místě jeho připojení, velikost rezervovaného příkonu a ceny dodavatele elektrické energie. Je tedy nutné mít na zřeteli, že u koncového zákazníka provozujícího distribuční transformátor může být cena ztrát 2x až 3x vyšší, než je cena silové elektrické energie.

U transformátoru vyrobeného okolo roku 1950 by při kvadratickém průměru zatížení o velikosti jmenovitého výkonu transformátoru bylo zapotřebí na pokrytí jeho ročních ztrát nákladů ve výši 120 000,- Kč/rok (viz. Obrázek 3), a to při uvažování cen pouze za silovou energii. U transformátorů vyrobených okolo roku 1990 by postačily poloviční náklady. Plné zatížení transformátoru je však z provozního hlediska nereálné. Zpravidla při dlouhodobě zvýšeném kvadratickém průměru zatížení cca vyšším než 60 % až 80 % jmenovitého výkonu transformátoru dochází k rozdělení jeho zatížení nebo k výměně původního transformátoru za transformátor o vyšším výkonu. Pokud budeme uvažovat zatížení na úrovni 50 % jmenovitého výkonu transformátoru, budou se roční náklady na silovou energii spotřebovanou na krytí ztrát pohybovat u transformátoru vyrobeného okolo roku 1950 pohybovat na úrovni cca 50 000,- Kč/rok, avšak u transformátoru vyrobeného okolo roku 2018 ve výši cca 19 000,- Kč/rok.

Na grafu Obrázek 4 jsou zobrazeny úspory, které vzniknou náhradou staršího transformátoru. Roční objem těchto úspor se bude pohybovat v rozmezí od několika tisíc Kč/rok až po desítky tisíc Kč/rok. U transformátorů s vyšším průměrným zatížením bude výše uvedených úspor ještě vyšší. Investice spojené s náhradou transformátoru vyráběného technologií z 50 let minulého století by se tak vlivem ročních úspor vynaložených na krytí ztrát vrátily za cca 7 až 10 letech provozu transformátoru, a to při uvažovaném zatížení cca 60 % jmenovitého výkonu. Jak již bylo uvedeno, návratnost je počítána při uvažování úspor vyčíslených pouze z ceny za silovou energii ve výši 1 350,- Kč/MWh. S klesajícím zatížením se doba návratnosti samozřejmě prodlužuje.

Pokud nebudeme pro koncového zákazníka uvažovat cenu ztrát pouze na úrovni silové energie, ale připočteme k této ceně i další složky, které vyplývají z přenosu a distribuce elektrické energie, organizování trhu s elektrickou energií, podporou OZE atd., můžeme se dle výše uvedeného dostat na celkovou cenu elektrické energie i 3x vyšší, než je cena silové energie. V takovém případě se pak výrazně mění ekonomické ukazatele pro ocenění ztrát na transformátorech. Starší transformátory (s technologií výroby okolo roku 1970 a starší) se tak stávají nerentabilní a z ekonomického hlediska provozně ztrátové. V těchto případech se vyplatí jejich náhrada za moderní nízkoztrátové transformátory. Návratnost vynaložených investic potom může být i v řádu jednotek roků. Jak je z předchozího textu patrné, ztráty způsobené transformací jsou závislé na daném typu transformátoru i na jeho zatížení. Velikosti ztrát transformátoru lze optimalizovat již při návrhu transformátorové stanice. Výkon transformátoru je nutné volit s ohledem na jeho předpokládaný způsob provozu a velikost zatížení. Pro stanovení ztrát transformátoru vycházíme ze skutečného průběhu jeho zatížení. Pokud není průběh zatížení znám, jsme schopni ho určit z typových denních diagramů napájených odběratelů. Zásadní otázka je, jaký výkon transformátoru zvolit, aby se minimalizovaly ztráty. Pokud tedy známe hodnotu kvadratického průměru zatížení transformátoru a alespoň částečnou predikci budoucího zatížení, lze s dostatečnou přesností určit jeho optimální výkon.

Často se objevuje názor, že optimální zatížení transformátoru je při cca 50 % jeho jmenovitého výkonu. O optimálním zatížení transformátoru, tj. optimálním přenosu výkonu přes transformátor, hovoříme při nevyšším poměru mezi přeneseným výkonem a příkonem. Jedná se o přenos výkonu s nejvyšší účinností. Ačkoli jde o jednoduchý výpočet, jen málo techniků ho používá. Výpočet optimálního zatížení transformátoru závisí na velikosti jeho ztrát naprázdno a nakrátko. Lze ho stanovit dle následujícího vztahu.

Kde
S_opt je procentní optimální zatížení transformátoru
ΔP₀ jsou ztráty naprázdno
ΔP_k jsou ztráty nakrátko.

Při zatížení transformátoru výkonem S_opt je dosaženo největší účinnosti přenosu elektrické energie přes transformátor. Vzhledem k tomu, že velikost optimálního zatížení je závislá na velikosti ztrát naprázdno i nakrátko, bude se při změně velikosti ztrát transformátoru měnit také velikost jeho optimálního zatížení. To je také důvod, proč se může lišit velikost optimálního zatížení transformátorů od různých výrobců. Někteří výrobci nabízejí pro určitý výkon transformátoru i různé typy provedení, které se mohou lišit také odlišnou hodnotou ztrát naprázdno i nakrátko. Podle očekávaného charakteru zatížení transformátoru určíme, který druh ztrát je rozhodující. Při nízkém kvadratickém průměru zatížení je vhodné vybírat transformátory s nízkými ztrátami naprázdno. Pro více zatěžované transformátory je pak vhodnější upřednostňovat transformátory s nižšími ztrátami nakrátko. Jak se měnila velikost optimálního zatížení distribučního transformátoru o různých výkonech stejného výrobce ukazuje graf Obrázek 5. Z grafu je patrné, že u moderních transformátorů se optimální výkon pohybuje kolem 30 % jeho jmenovitého výkonu.

Při volbě transformátoru si můžeme dle katalogových údajů vybrat takový typ a výkon transformátoru, který bude nejlépe odpovídat velikosti plánovaného zatížení. To však není jediný ukazatel pro vhodný výběr transformátoru. Vždy je nutné sledovat hodnotu celkových ztrát při daném zatížení transformátoru. Různé typy transformátorů se liší ve ztrátách naprázdno i ve ztrátách nakrátko. Pro výběr vhodného typu transformátoru je proto důležité určit závislost ztrát transformátoru na jeho zatížení. Optimálně zvolený typ transformátoru minimalizuje provozní náklady distribuční stanice. Na následujícím grafu Obrázek 6 jsou zobrazeny hodnoty ztrát transformátorů s různými roky výroby o výkonu 400 kVA stejného výrobce vztažené k přenášenému výkonu. Ztráty ve výši 100 % jsou definované při nulovém přenosu elektrické energie s tím, že veškerá dodaná energie do transformátoru se spotřebuje na krytí jeho ztrát. Tento stav nastává pří chodu transformátoru naprázdno. Již při malém zatížení transformátoru prudce klesá velikost procentních ztrát. Z grafu je zřejmé, že transformátory o výkonu 400 kVA vyrobené technologií okolo roku 1950 mají při optimálním zatížení 50 % jmenovitého výkonu (200 kVA) ztráty 2,04 % z hodnoty přenášeného výkonu (4,16 kW). To znamená, že při optimálním zatížení tohoto transformátoru se na krytí ztrát ročně spotřebuje energie ve výši 36,4 MWh. U transformátorů vyrobených v roce 2018 je při optimálním zatížení 31 % z jmenovitého výkonu (124 kW) velikost ztrát 0,7 % z přenášeného výkonu (0,87 kW), čemuž odpovídají roční ztráty 7,6 MWh. Při zatížení tohoto transformátoru 50 % z jmenovitého výkonu (200 kVA) bude však transformátor vykazovat ztráty 1,57 kW. Ročně se pak bude jednat o energii 13,7 MWh.

Rozdělení zatížení a paralelní provoz transformátorů

Pro napájení oblastí s vyšším zatížení se někdy využívá více transformátorů, a to většinou se stejnými parametry. Tam, kde to zkratové výkony dovolují, je možné transformátory provozovat paralelně. Pro snížení celkových ztrát dané oblasti můžeme v době nízkého zatížení provozovat nižší počet transformátorů a v případě vyššího zatížení lze pak oblast napájet např. paralelně zapojenými transformátory nebo rozdělit spotřebu mezi dva či více transformátorů. Opět vyvstává otázka, co je nižší zatížení a kdy je vhodné rozdělit spotřebu například mezi dva transformátory. Na tuto otázku se nabízí „známá“ odpověď, že rozdělení spotřeby je výhodné, pokud bude zatížení překračovat hodnotu 50 % jmenovitého výkonu transformátoru. Je to však skutečně správná odpověď?

Obecná podmínka ekonomického paralelního provozu transformátorů vychází z předpokladu, že při paralelním provozu, nebo při rozdělení spotřeby, budou celkové ztráty na paralelních transformátorech nižší nebo rovny hodnotě ztrát, která odpovídá provozu jednoho transformátoru. Při paralelním provozu dvou transformátorů budou celkové ztráty dány součtem ztrát obou transformátorů, a to jak v případě ztrát naprázdno, tak i ztrát nakrátko. Ztráty nakrátko jednotlivých transformátorů lze určit z hodnoty zatížení, které se bude při paralelním provozu přes transformátor přenášet. Velikost zatížení bude mít při stejných parametrech paralelně pracujících transformátorů poloviční hodnotu oproti přenosu zatížení přes jeden transformátor. Pro dva parametrově stejné transformátory lze stanovit minimální ekonomické zatížení podle následujícího vztahu:

Kde
S_Pmin je minimální ekonomické zatížení dvou paralelně provozovaných transformátorů nebo dvou transformátorů s rozdělenou spotřebou, kde transformátory mají stejné hodnoty ztrát nakrátko i naprázdno
P₀ Ztráty naprázdno
P_k Ztráty nakrátko

Transformátory se shodnými parametry vyráběné technologií okolo roku 1950 mají minimální ekonomické zatížení (S_Pmin) pro přechod na paralelní provoz až při cca 70 % jmenovitého výkonu transformátoru. Důvodem jsou vysoké ztráty naprázdno. Pokud je tedy uvedený transformátor zatěžován výkonem nižším než 70 % není paralelní provoz nebo rozdělení spotřeby mezi dva transformátory s ohledem na velikost ztrát ekonomicky výhodný. V období okolo roku 1965 se ve výrobě transformátorů zavádělo používání orientovaných transformátorových plechů. To se projevilo ve výrazném poklesu ztrát naprázdno. Snížení ztrát naprázdno ovlivnilo samozřejmě i ekonomickou výhodnost přechodu na paralelní provoz. Transformátory vyrobené v tomto období je již výhodné provozovat paralelně při zatížení od cca 50 % jmenovitého výkonu a vyšším. Následná snaha o další snížení ztrát transformátorů byla zaměřena na redukci ztrát v jejich vinutí. Tím se zefektivnilprovoz transformátorů při vyšším zatížení. To mělo za následek, že došlo znovu ke zvýšení minimálního ekonomického zatížení pro provoz paralelních transformátorů, a to opět až na velikost zatížení cca 60 % jmenovitého výkonu transformátoru. Zavedení nových materiálů pro výrobu transformátorových plechů okolo roku 1995 přineslo další snížení ztrát naprázdno. Transformátory z tohoto období je ekonomicky výhodné paralelně provozovat již od zatížení cca 40 % jmenovitého výkonu transformátoru. Při případném dalším omezení ztrát nakrátko a zachování současných ztrát naprázdno bude docházet opět ke zvyšování minimálního výkonu pro ekonomický paralelní provoz transformátorů.

Historický vývoj minimálního ekonomického procentního zatížení pro paralelní chod transformátorů různých výkonů od stejného výrobce je znázorněn na grafu Obrázek 7.

Pokud je zatížení paralelních transformátorů vyšší než minimální ekonomické zatížení pro jejich paralelní chod, dojde při paralelním provozu ke snížení ztrát vůči provozu s jedním transformátorem. Úroveň snížení ztrát paralelních transformátorů při zatížení zvýšeném oproti minimálnímu ekonomickému zatížení o 40 kVA, respektive o 80 kVA, či o 120 kVA je zobrazeno na následující grafu (Obrázek 8), a to pro transformátory o výkonu 400 kVA stejného výrobce. S rostoucím zatížením transformátorů je úroveň snížení ztrát významnější. Snížení ztrát o cca 500 W představuje úsporu roční energie ve výši cca 4,3 MWh.

Pro výrobu vinutí transformátorů se používají kovy s nízkým měrným odporem. Při návrhu vinutí je nutné respektovat i cenu použitých materiálů. Z tohoto důvodu se na výrobu vinutí transformátorů nejčastěji používá měď. Dalším kovem s dobrou vodivostí je hliník. Měrný odpor hliníku je však cca 1,6 x vyšší než je tomu u mědi. Jeho cena vůči mědi je ale třetinová. Zároveň je hliník výrazně lehčím kovem, čímž dochází ke snížení hmotnosti vinutí. Je proto zřejmé, že měď nebo hliník jsou fyzikálně i ekonomicky výhodné materiály na výrobu vinutí transformátorů.

Lze očekávat, že i v budoucím vývoji transformátorů dojde k dalšímu snižování ztrát naprázdno. Výše dosažených úspor již však nebude tak významná. Zlepšení vlastností magnetického obvodu se může více projevit na úspoře materiálu a tím i na snížení hmotnosti transformátorů. Vyšší význam lze i nadále očekávat u ztrát nakrátko. Zde nelze předpokládat významnější pokrok u nových technologií výroby vinutí, je však možné se zaměřit na snížení proudové hustoty vodičů vinutí transformátorů. Tuto cestu k redukci ztráty lze využít již dnes. Avšak rentabilita investic do snížení ztrát transformátoru je jednoznačně závislá na dnešních cenách materiálů i uspořené elektrické energie.

Provoz transformátorů

Výše popsaná opatření pro snížení ztrát spočívají v rozdělení spotřeby mezi více transformátory. Jedná se o často realizovaná opatření. Další možností, jak ovlivnit velikost ztrát, je samotný návrh výkonu transformátoru s ohledem na velikost jeho zatížení. Pro dané zatížení lze většinou volit více výkonových typů transformátorů. Například pro zatížení 200 kVA lze volit transformátory o výkonu 250 kVA, 400 kVA, 630 kVA, 800 kVA a samozřejmě i vyšší výkony. Který je však ten optimální?

Pro volbu optimálního výkonu transformátoru s ohledem na jeho uvažované zatížení je vhodné vycházet z nabídky různých výrobců. Při posuzování vlastností nabízených transformátorů se opět zaměříme na vyhodnocení jejich ztrát naprázdno a nakrátko. Pro názornost je vyhodnocení volby optimálního výkonu transformátoru řešeno na příkladu parametrů uvedených v následující tabulce Tabulka 3.

Následující vztah umožňuje stanovit zatížení, při kterém budou mít transformáty rozdílných výkonů stejné ztráty.

Kde
S … vypočítané zatížení, při kterém mají ztráty na obou transformátorech stejnou velikost
P₀₁, P_k1, S_n1 … parametry transformátoru s nižším výkonem
P₀₂, P_k2, S_n2 … parametry transformátoru s vyšším výkonem.

V tabulce Tabulka 4 je uvedeno ocenění zvýšení ztrát transformátorů různých výkonů vůči transformátoru s optimálním výkonem. Ocenění ztrát vychází z parametrů uvedených v předchozí tabulce Tabulka 3. Transformátor s optimálním výkonem má samozřejmě nulové navýšení ztrát. Z tabulky je zřejmé, že i při nevhodně zvoleném výkonu transformátoru mohou roční platby za jeho ztráty dosahovat i několika desítek tisíc korun.

Tabulka 4 Ocenění zvýšení ztrát transformátorů různých výkonů vůči transformátoru s optimálním výkonem pro dané zatížení (Kč/rok) při ceně silové elektřiny 1350 Kč/MWh (optimální výkon transformátoru s nulovou cenou za navýšení ztrát je barevně zvýrazněn).

Pokud uvažujeme o koupi nového transformátoru, je třeba respektovat vše, co již bylo výše uvedeno, a to včetně určení optimálního výkonu transformátoru. Nákup transformátoru je investice na několik desítek roků a cena transformátoru je samozřejmě závislá na velikosti jeho výkonu. Volbou optimálního výkonu transformátoru docílíme nejnižších ztrát pro jeho uvažované zatížení. Nyní ještě zbývá vyhodnotit, zda navýšené investice do případného vyššího výkonu transformátoru budou mít i reálnou návratnost. Porovnáme-li finanční úspory vzniklé provozem transformátoru o vyšším výkonu nebo nižšími ztrátami s navýšenými investicemi za jeho pořízení, získáme návratnost vynaložených investic.

Budoucnost transformátorů

Jak jsem již v článku uvedl, vývoj technologie i nových materiálů pro výrobu magnetického obvodu transformátoru již zřejmě nepřinese významnou finanční úsporu. Avšak zlepšení vlastností magnetického obvodu umožní použití vyššího sycení jádra při zachování nebo dokonce snížení ztrát. To se může projevit zejména na snížení hmotnosti i rozměrů transformátorů. Zrovna tak i nové izolační materiály ovlivní konstrukci vysokonapěťového vinutí transformátorů. Problémem zůstává vhodná volba materiálu vodiče pro výrobu vinutí.

Zajímavý je vývoj v oblasti supravodičů. Supravodivost objevil roku 1911 fyzik Heike Kammerlingh Onnes. Ten zjistil, že pokud se rtuť ochladí na teplotu 4 K, nebude vykazovat žádný elektrický odpor. Pro dosažení teploty 4 K bylo nutné rtuť chladit kapalným heliem, což je velmi nákladné. Byl to na tehdejší dobu velmi zajímavý objev, který sice neměl technické uplatnění, ale část fyziků se zaměřila právě na studium supravodivosti. Roku 1933 pánové W. Meissner a R. Ochsenfeld odhalili světu další vlastnost supravodivosti, a to schopnost dokonale vytlačovat magnetické pole ze svého objemu. Tento jev se se nazývá „perfektní diamagnetismus“, nebo po svém objeviteli Meissnerův efekt.

V roce 1960 bylo u slitiny niobu a germania dosaženo supravodivého stavu již při teplotě
23 K. Významným milníkem bylo překročení teplotní hranice 90 K pro dosažení supravodivého stavu. K dosažení této teploty bylo možné využít kapalný dusík. Tím se cesta k dosažení supravodivosti výrazně zjednodušila. Pokračující výzkum v této oblasti dosáhl supravodivého stavu při teplotě 138 K. A výzkum supravodivého stavu stále pokračuje. Zaměřuje se jak na teoretickou části fyziky supravodivosti, tak i na praktické docílení supravodivého stavu při vyšších teplotách. Poslední pokusy naznačují, že je možné supravodivosti dosáhnout již při kritické teplotě 212 K (cca -61°C).

Odpověď na otázku, zda se u transformátorů někdy dočkáme používání supravodivých materiálů, je v současné době velmi předčasná. Pokud dojde k výraznému pokroku v rozvoji supravodivých materiálů, které budou vykazovat supravodivost i za běžných teplot, není vyloučeno, že se tyto materiály v budoucnosti objeví i u velkých výkonových transformátorů. U malých distribučních transformátorů lze v současné době spíše předpokládat, že budou nahrazeny polovodičovými spínanými zdroji. V současné době však mají transformátory oproti jejich možným náhradám mnoho výhod. Jedná se zejména o nízkou cenu, nízké ztráty, vysokou spolehlivost a dlouhou životnost. To jsou vlastnosti, pro které se budeme s transformátory setkávat ještě mnoho dalších let. Je tedy na nás, abychom transformátory uměli také správně využívat.

Ing. František Žák, Ph.D.
Energetický regulační úřad
Odborný rada, Oddělení sítí a organizace trhu