Zimą wszystko wychodzi na jaw.

Przez większą część roku instalacja działa poprawnie.

Transformator olejowy ma zapas mocy. Napięcie trzyma się w normie. Nie ma skarg, nie ma alarmów, nie ma telefonów od użytkowników.

A potem przychodzi pierwsza fala mrozów i nagle zaczyna się dziać coś, czego nikt nie planował.

Migające światła. Komunikaty o zbyt niskim napięciu.

Pompy ciepła, które wyłączają się dokładnie wtedy, gdy są najbardziej potrzebne.

W tle transformator, który według dokumentacji „powinien to udźwignąć”, a w rzeczywistości pracuje na granicy stabilności.

To nie jest historia o wadliwej technologii.

To nie jest też opowieść o błędach użytkowników.

To historia o zderzeniu nowego sposobu korzystania z energii z infrastrukturą, która była projektowana w zupełnie innych realiach.

Pompy ciepła zmieniły profil obciążenia sieci.

Zrobiły to szybko, masowo i często bez równoległej zmiany myślenia o transformatorach średniego napięcia. Roczne zużycie energii nadal się zgadza. Moc znamionowa wygląda rozsądnie.

A jednak zimą pojawiają się spadki napięcia, alarmy i pytania, na które trudno odpowiedzieć jednym zdaniem.

Dlaczego problemy zaczynają się właśnie wtedy, gdy temperatura spada poniżej zera?

Dlaczego transformator olejowy, który latem pracuje spokojnie, zimą reaguje zupełnie inaczej?

I dlaczego klasyczne podejście do doboru mocy przestaje wystarczać w świecie masowych pomp ciepła?

Ten artykuł powstał po to, żeby te zjawiska uporządkować.

Bez straszenia awariami. Bez upraszczania fizyki. Bez przerzucania winy na jedną stronę.

Pokażemy, jak naprawdę wygląda obciążenie generowane przez pompy ciepła w sezonie grzewczym, jak reaguje na nie transformator olejowy, gdzie pojawiają się spadki napięcia i dlaczego nie są one przypadkowe.

I co można zrobić, zanim jedyną odpowiedzią stanie się kosztowna modernizacja.

Jeżeli odpowiadasz za sieć, projekt, obiekt albo decyzje inwestycyjne, ten tekst pomoże Ci spojrzeć na problem z szerszej perspektywy.

Takiej, która uwzględnia zarówno technikę, jak i realne warunki eksploatacji.

Czas czytania: około 13 minut

Jak pompy ciepła naprawdę obciążają sieć zimą

Latem pompa ciepła jest niemal niewidzialna dla sieci.

Pracuje sporadycznie, głównie na potrzeby ciepłej wody użytkowej. Jej moc chwilowa jest umiarkowana, a profil obciążenia rozmywa się w tle innych odbiorników. Transformator olejowy widzi ją jako jeden z wielu elementów krajobrazu.

Zimą sytuacja zmienia się radykalnie.

Pompa ciepła przestaje być dodatkiem. Staje się podstawowym źródłem energii cieplnej, a więc urządzeniem pracującym długo, intensywnie i często w sposób zsynchronizowany z setkami innych podobnych instalacji w tej samej sieci.

Kluczowe jest tu jedno słowo: moc chwilowa.

W dokumentach projektowych najczęściej analizuje się zużycie roczne. Kilowatogodziny się zgadzają, współczynniki SCOP wyglądają dobrze, a bilans energetyczny wypada rozsądnie. Problem polega na tym, że transformator nie widzi kilowatogodzin. On widzi ampery tu i teraz.

A zimą „tu i teraz” wygląda inaczej niż latem.

Gdy temperatura spada poniżej zera, rośnie zapotrzebowanie na ciepło. Sprężarka pompy ciepła pracuje dłużej i częściej. Spada sprawność chwilowa, więc do wytworzenia tej samej ilości energii cieplnej potrzeba więcej energii elektrycznej. Do tego dochodzą cykle odszraniania parownika, które generują krótkotrwałe, ale powtarzalne skoki poboru mocy.

W skali pojedynczego domu to nadal wygląda niewinnie.

W skali osiedla, zakładu lub obszaru zasilanego przez jeden transformator SN/nn zaczyna się efekt kumulacji.

Wszyscy grzeją w tym samym czasie.

Najzimniejsze dni oznaczają szczyt obciążenia dokładnie w tych samych godzinach porannych i wieczornych. Sieć nie ma czasu na „oddech”, a transformator wchodzi w długotrwałą pracę blisko granicy swoich możliwości cieplnych i napięciowych.

Tu pojawia się pierwszy paradoks, który często zaskakuje inwestorów i projektantów.

Transformator olejowy może nie być przeciążony mocowo, a mimo to powodować problemy.

Dlaczego?

Bo problemem nie zawsze jest przekroczenie mocy znamionowej. Często jest nim spadek napięcia wynikający z charakteru obciążenia.

Pompy ciepła, szczególnie te zasilane falownikowo, nie są odbiornikami liniowymi. Ich pobór prądu zmienia się dynamicznie. Przy niskich temperaturach rośnie prąd po stronie niskiego napięcia, a każdy dodatkowy amper oznacza większy spadek napięcia na impedancji transformatora i linii zasilającej.

Latem ten sam transformator pracuje przy wyższym napięciu wtórnym, mniejszym prądzie i dużym zapasie regulacyjnym. Zimą margines znika.

Jeżeli do tego dołożymy sieci projektowane kilkanaście lub kilkadziesiąt lat temu, z założeniem, że głównym odbiornikiem będzie oświetlenie, AGD i sporadyczne grzanie elektryczne, obraz zaczyna się klarować.

To nie jest awaria.

To jest zmiana warunków brzegowych, której infrastruktura po prostu nie była uczona.

W kolejnej części przyjrzymy się temu, jak transformator olejowy reaguje na takie obciążenie od strony fizyki. Bez mitów o „przegrzewaniu się zimą” i bez magicznych wyjaśnień. Tylko to, co naprawdę dzieje się w rdzeniu, uzwojeniach i oleju, gdy sieć zaczyna oddychać mrozem.

Co naprawdę dzieje się w transformatorze olejowym podczas mrozów

Z zewnątrz transformator wygląda tak samo w lipcu i w styczniu.

Ta sama obudowa. Ten sam olej. Te same parametry na tabliczce znamionowej.

Różnica zaczyna się w środku.

Transformator olejowy nie reaguje na zimę w sposób intuicyjny. Niska temperatura otoczenia nie jest dla niego problemem sama w sobie. Wręcz przeciwnie. Chłodzenie działa wtedy efektywniej. Olej łatwiej oddaje ciepło do otoczenia, a zapas cieplny wydaje się większy niż latem.

I właśnie tu rodzi się złudne poczucie bezpieczeństwa.

Bo zimą problemem nie jest temperatura transformatora. Problemem jest napięcie i prąd.

Gdy rośnie obciążenie po stronie niskiego napięcia, rośnie prąd w uzwojeniach. Wraz z nim rosną straty miedziane proporcjonalne do kwadratu prądu. To zjawisko jest dobrze znane i uwzględnione w projektowaniu.

Ale jednocześnie rośnie spadek napięcia na impedancji transformatora.

Każdy transformator ma swoją impedancję zwarciową. To nie jest wada ani przypadkowa cecha. To parametr konstrukcyjny, który decyduje o tym, jak transformator zachowa się przy obciążeniu i zwarciu.

Im większy prąd, tym większy spadek napięcia.

Latem ten spadek jest mało zauważalny. Zimą, przy długotrwałym obciążeniu bliskim szczytowemu, zaczyna być odczuwalny przez odbiorniki.

Pompy ciepła są na to szczególnie wrażliwe.

Falowniki sterujące sprężarkami mają swoje dolne progi napięciowe. Gdy napięcie spada zbyt nisko, elektronika reaguje natychmiast. Najpierw ogranicza moc. Potem przechodzi w alarm. Na końcu wyłącza urządzenie.

Z punktu widzenia użytkownika wygląda to jak losowa awaria.

Z punktu widzenia transformatora to logiczna konsekwencja pracy w warunkach, do których sieć nie była projektowana.

Dochodzi do kolejnego efektu domina.

Gdy część pomp ciepła wyłącza się z powodu niskiego napięcia, obciążenie chwilowo spada. Napięcie odbija się w górę. Urządzenia próbują się ponownie załączyć. Prąd rozruchowy pojawia się jednocześnie w wielu punktach sieci.

Transformator dostaje serię impulsów obciążeniowych, które dodatkowo destabilizują napięcie.

To nie jest przeciążenie w klasycznym sensie.

To jest niestabilność pracy wynikająca z charakteru odbiorników i ich synchronizacji.

W tym miejscu często pojawia się pytanie o zaczepy regulacyjne transformatora.

Skoro napięcie spada, to może wystarczy je podnieść.

Czasem to pomaga. Czasem tylko przesuwa problem w inne miejsce.

Podniesienie napięcia po stronie wtórnej zwiększa margines dla pomp ciepła, ale jednocześnie podnosi napięcie w godzinach mniejszego obciążenia. Może to prowadzić do przekroczeń dopuszczalnych wartości u innych odbiorników. Szczególnie tam, gdzie sieć jest krótka i sztywna.

Transformator nie działa w próżni. Jest elementem systemu.

Jeżeli system się zmienił, transformator zaczyna pokazywać jego słabe punkty.

W kolejnej części przyjrzymy się temu, dlaczego klasyczne metody doboru mocy transformatora przestają wystarczać w świecie masowych pomp ciepła i jakie sygnały ostrzegawcze pojawiają się na długo przed pierwszym zimowym alarmem.

Dlaczego klasyczny dobór mocy przestaje działać

Przez lata wszystko było logiczne i przewidywalne.

Dobór transformatora opierał się na mocy zainstalowanej, współczynnikach jednoczesności i rocznym zużyciu energii. Do tego niewielki zapas bezpieczeństwa, czasem 10 procent, czasem 20. W większości przypadków to wystarczało.

Bo odbiorniki były pasywne i rozproszone w czasie.

Oświetlenie, silniki, urządzenia AGD. Każde z nich miało swój rytm pracy. Nawet jeśli kilka urządzeń włączało się jednocześnie, skala zjawiska była ograniczona.

Pompy ciepła zmieniły ten porządek.

Nie dlatego, że są wadliwe. Nie dlatego, że pobierają „za dużo prądu”. Zmieniły go, bo wprowadzają silną korelację czasową obciążenia.

Gdy robi się zimno, wszystkie chcą pracować. W tym samym momencie. Przez wiele godzin bez przerwy.

Klasyczne współczynniki jednoczesności zaczynają kłamać. Na papierze wszystko się zgadza. W rzeczywistości sieć widzi niemal pełne obciążenie przez długi czas, a nie krótkie piki rozruchowe.

Do tego dochodzi jeszcze jeden element, często pomijany w analizach.

Transformator dobiera się do mocy czynnej. Problemy zimowe bardzo często zaczynają się od mocy biernej i charakteru prądu.

Falowniki w pompach ciepła poprawiają cos φ, ale nie eliminują całkowicie odkształceń prądu. Harmoniczne, szczególnie niskiego rzędu, zwiększają prąd skuteczny bez proporcjonalnego wzrostu mocy czynnej. Transformator widzi większe obciążenie prądowe, choć licznik energii tego nie pokazuje wprost.

To kolejny powód, dla którego „kW się zgadzają”, a napięcie spada.

W praktyce oznacza to, że transformator dobrany idealnie według starej metodologii może zimą pracować w warunkach, których nikt nie brał pod uwagę. Nie jako krótkotrwały wyjątek, ale jako nowa norma.

Pierwsze sygnały ostrzegawcze pojawiają się wcześnie.

Nie są to awarie ani wyłączenia zabezpieczeń.

To drobne objawy, które łatwo zignorować.

Napięcie na dolnej granicy normy w godzinach porannych. Zwiększona liczba alarmów napięciowych w falownikach. Skargi użytkowników, że „czasem coś miga”. Logi z systemów monitoringu pokazujące długie okresy wysokiego obciążenia bez wyraźnych szczytów.

To moment, w którym sieć jeszcze działa. Ale już nie ma marginesu.

Wiele decyzji inwestycyjnych zapada dopiero wtedy, gdy pojawi się pierwszy poważny problem. Zimą, pod presją czasu, niezadowolenia użytkowników i warunków pogodowych. To najgorszy możliwy moment na spokojną analizę.

Dlatego w kolejnej części przejdziemy do tego, co można zrobić wcześniej.

Jakie narzędzia diagnostyczne naprawdę dają odpowiedzi, jak odróżnić problem mocy od problemu napięcia i kiedy transformator faktycznie jest za mały, a kiedy po prostu źle osadzony w zmienionej sieci.

Co można sprawdzić, zanim zacznie się prawdziwy problem

Zimą sieć nie wybacza złudzeń.

Jeżeli pojawiają się pierwsze objawy niestabilności, to znaczy, że fizyka już wysłała sygnał ostrzegawczy. Tylko jeszcze nie krzyczy.

Najczęstszym błędem jest próba odpowiedzi jednym parametrem. Moc transformatora. Przekrój kabla. Nastawa zabezpieczenia. Tymczasem problemy zimowe rzadko mają jedną przyczynę.

Zaczyna się od pomiarów. Ale nie takich, które trwają kilka godzin w losowy dzień.

Potrzebny jest obraz sezonowy.

Profil obciążenia z okresu letniego i zimowego. Minimum kilka tygodni danych. Najlepiej z rozdzielczością piętnastominutową lub krótszą. Dopiero wtedy widać, czy obciążenie ma charakter impulsowy, czy ciągły. Czy napięcie opada wolno, czy zapada się gwałtownie przy określonych godzinach.

Transformator rzadko kłamie. On po prostu pokazuje to, co sieć mu robi.

Kolejnym krokiem jest analiza napięcia w kilku punktach sieci niskiego napięcia, nie tylko na zaciskach transformatora. Spadek napięcia przy trafie może wyglądać akceptowalnie, podczas gdy na końcu linii odbiorczej przekracza dopuszczalne granice.

To szczególnie ważne tam, gdzie pompy ciepła zostały dołożone do istniejących obiektów, bez przebudowy linii i rozdzielnic.

Warto też spojrzeć na to, co dzieje się z mocą bierną i prądem skutecznym.

Jeżeli prąd rośnie szybciej niż moc czynna, to sygnał, że transformator jest obciążany w sposób, którego nie widać w standardowych zestawieniach zużycia energii. Harmoniczne, asymetria faz, nierównomierne załączenia odbiorników potrafią zjeść zapas szybciej, niż się wydaje.

Często pomijanym elementem jest regulacja napięcia.

Zaczepy transformatora bywają ustawione historycznie, pod warunki sprzed modernizacji obiektu. Zmiana jednego stopnia może poprawić sytuację zimą, ale tylko wtedy, gdy została poprzedzona analizą napięć w całym zakresie obciążenia. Inaczej problem przeniesie się na lato.

W tym miejscu pojawia się ważne rozróżnienie.

Nie każdy problem zimowy oznacza, że transformator jest za mały.

Czasem jest wystarczający mocowo, ale pracuje w sieci o zbyt dużej impedancji. Czasem jest dobrany poprawnie, ale obciążenie jest zbyt silnie skorelowane czasowo. A czasem rzeczywiście przekroczono granicę, tylko nikt nie chciał tego wcześniej nazwać po imieniu.

Dobra diagnoza pozwala wybrać właściwe narzędzie.

Modernizacja transformatora to jedno z nich. Ale nie zawsze pierwsze i nie zawsze najrozsądniejsze.

Ten temat opisaliśmy szerzej w osobnym materiale:
Odnowić czy wymienić? Ostatnia szansa dla twojego transformatora!

W kolejnej części pokażemy, jakie scenariusze działań są realne w praktyce. Od najprostszych korekt eksploatacyjnych, przez zmiany w konfiguracji sieci, aż po decyzje inwestycyjne, które mają sens tylko wtedy, gdy wynikają z danych, a nie z zimowej paniki.

Jak projektować i eksploatować transformatory w świecie pomp ciepła

Największa zmiana, jaka dokonała się w ostatnich latach, nie dotyczy samych transformatorów.

Dotyczy sposobu myślenia o sieci.

Przez dekady projektowanie było próbą przewidywania średnich. Średniego zużycia. Średnich szczytów. Średniego zachowania odbiorców. Ten model działał, dopóki odbiorniki miały różne rytmy i nie reagowały masowo na ten sam bodziec.

Pompy ciepła reagują na temperaturę. Jednocześnie. Bez negocjacji.

To oznacza, że sieć musi być projektowana pod scenariusze ekstremalne, a nie tylko pod bilans roczny.

Transformator przestaje być jedynie źródłem mocy. Staje się elementem stabilizacji napięcia w warunkach długotrwałego obciążenia. To zmienia kryteria doboru.

Coraz większego znaczenia nabiera nie tylko moc znamionowa, ale impedancja transformatora, charakterystyka regulacji napięcia oraz współpraca z resztą infrastruktury. Dwa transformatory o tej samej mocy mogą zachowywać się zupełnie inaczej zimą, jeśli mają inną impedancję zwarciową lub inne możliwości regulacyjne.

Eksploatacja również wymaga nowego podejścia.

Zamiast reagować na awarie, warto obserwować trendy. Czy minimalne napięcia z roku na rok spadają. Czy czas pracy przy wysokim obciążeniu się wydłuża. Czy liczba odbiorników o charakterze energoelektronicznym rośnie szybciej niż zakładano.

To są sygnały, które pojawiają się na długo przed kryzysem.

Dobrze zaprojektowana sieć z transformatorami olejowymi nie boi się zimy. Ma zapas. Ma elastyczność. I przede wszystkim ma świadomość, że sposób korzystania z energii już się zmienił i nie wróci do stanu sprzed masowych pomp ciepła.

Dlatego kluczowe pytanie nie brzmi dziś: czy transformator wytrzyma tę zimę.

Pytanie brzmi: czy za pięć lat nadal będzie pracował stabilnie w sieci, która coraz bardziej reaguje na pogodę, automatykę i jednoczesność.

Jeżeli odpowiedź nie jest jednoznaczna, to najlepszy moment na działanie jest właśnie teraz. Spokojnie. Z danymi. Bez zimowej paniki.

Bo zima zawsze przyjdzie. A sieć powinna być na nią gotowa, zanim zrobi się naprawdę zimno.

Na koniec warto postawić kropkę w miejscu, które nie zamyka tematu, tylko otwiera możliwości.

Transformator olejowy nie jest dziś pasywnym elementem infrastruktury.

W realiach masowych pomp ciepła staje się narzędziem świadomego zarządzania napięciem, stratami i stabilnością sieci. Dobrze dobrany, właściwie skonfigurowany i zgodny z aktualnymi wymaganiami Ecodesign Tier 2 potrafi odzyskać margines, taki jak MarkoEco2 od Energeks którego zimą najbardziej brakuje. Nie przez przewymiarowanie, ale przez lepszą jakość energetyczną, niższe straty obciążeniowe i realne dopasowanie do współczesnych profili pracy.

Nasza aktualna oferta transformatorów została zaprojektowana właśnie z myślą o takich scenariuszach, w których sieć musi pracować stabilnie nie tylko dziś, ale również w kolejnych sezonach grzewczych.

Obejmuje zarówno transformatory olejowe, sprawdzone w wymagających warunkach eksploatacyjnych i odporne na długotrwałe obciążenia zimowe, jak i transformatory suche, wybierane tam, gdzie kluczowe znaczenie mają bezpieczeństwo pożarowe, warunki środowiskowe lub zabudowa wewnętrzna.

W obu przypadkach punkt wyjścia jest ten sam. Stabilność napięcia, niskie straty, zgodność z aktualnymi wymaganiami efektywności energetycznej oraz realne dopasowanie do współczesnych profili obciążenia, w których pompy ciepła nie są już wyjątkiem, lecz normą.

Dziękujęmy za czas i uwagę. Jeżeli interesują Cię takie analizy, realne doświadczenia z projektów i spokojne rozmowy o tym, jak zmienia się energetyka od środka, zapraszamy do społeczności na LinkedIn

Źródła:

International Energy Agency (IEA) – elektryfikacja ogrzewania i pompy ciepła

https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps

ENTSO E – stabilność napięciowa i nowe profile obciążenia

https://www.entsoe.eu/publications/system-development-reports/