Loading, Loss ও Efficiency

"1000 kVA Transformer, Load 1050 kVA — সমস্যা কী, একটু তো বেশি?" উত্তর নির্ভর করে কতক্ষণ, কত গরম দিনে, আর কতদিন ধরে। Transformer-এর Load-এর সীমা আসলে তাপমাত্রার সীমা, আর তাপমাত্রা ঠিক করে Insulation কত বছর টিকবে। এই Lesson-এ Load, তাপ, Loss আর টাকার হিসাব।

সীমা আসলে তাপমাত্রা

Winding-এর সবচেয়ে গরম বিন্দুকে বলে Hot-spot। এর তাপমাত্রা যত বেশি, Paper insulation তত দ্রুত বুড়ো হয় — ভঙ্গুর হয়ে যায়, আর একদিন Short circuit-এর ধাক্কায় ভেঙে Fault।

একটি পরিচিত নিয়ম (সাধারণ Paper-এর জন্য, Loading guide-এ ব্যবহৃত): নির্ধারিত Hot-spot তাপমাত্রার ওপরে প্রতি প্রায় 6 °C বাড়লে আয়ু ক্ষয়ের হার প্রায় দ্বিগুণ। মানে:

• কয়েক ঘণ্টা একটু বেশি Load, পরে ঠান্ডা রাত — সামান্য বাড়তি ক্ষয়, অনেক সময় গ্রহণযোগ্য।
• প্রতিদিন গ্রীষ্মের দুপুরে Overload — বছরের পর বছর জমে Transformer-এর আয়ু অনেক কমে।

তাই Overload-এর প্রশ্নে তিনটি জিনিস একসাথে দেখুন: কত %, কতক্ষণ, আর কত Ambient তাপমাত্রায়। স্বল্প সময়ের Overload-এর নির্দিষ্ট সীমা প্রস্তুতকারক ও Loading guide (যেমন IEC 60076-7) থেকে নিন।

গরম আবহাওয়া ও বন্ধ ঘর

Nameplate Rating একটি নির্দিষ্ট Ambient ধরে করা (Lesson 2)। বাংলাদেশে:

• গ্রীষ্মে বাইরের তাপমাত্রা অনেক দিন 35 °C-এর ওপরে।
• ছোট, বায়ুচলাচলহীন Substation room-এ Transformer-এর নিজের তাপে ঘরের তাপমাত্রা আরও বেশি।
• Radiator-এর গায়ে ধুলা, পাশে দেওয়াল — তাপ বের হতে পারে না।

এসব ক্ষেত্রে পূর্ণ Rating-এর Load-ও বেশি গরম করে। Room-এ নিচে বাতাস ঢোকা ও ওপরে বের হওয়ার পথ, প্রয়োজনে Exhaust fan; আর গ্রীষ্মে OTI ও WTI-এর রেকর্ড নিয়মিত দেখুন।

Load মাপা

• প্রতিটি Phase-এর Current মাপুন — সবচেয়ে বেশি Current-এর Phase-ই সীমা ঠিক করে।
• % Load = সর্বোচ্চ Phase current ÷ Rated LV current। 1000 kVA-তে Rated 1391 A; কোনো Phase-এ 1250 A মানে প্রায় 90%। হিসাব: Transformer Current Calculator।
• এক মুহূর্তের মাপ নয় — দিনের Peak কখন, কতক্ষণ, সেটা Data logger বা Energy meter-এর Demand রেকর্ড থেকে।

অসমান Load

তিন Phase-এ Load সমান না হলে বেশি Load-এর Phase-এর Winding আগে গরম হয়, অথচ মোট kVA দেখে মনে হয় যথেষ্ট জায়গা আছে। উদাহরণ: 1100 A, 900 A, 700 A — গড় 900 A (65%), কিন্তু একটি Phase 79%-এ। Neutral-এও Current চলে। Single-phase Load তিন Phase-এ সমানভাবে ভাগ করুন।

Harmonic

UPS, VFD, LED driver, Computer-এর মতো Load-এর Current-এ Harmonic থাকে। Harmonic current Winding-এ বাড়তি Eddy loss তৈরি করে (Frequency-র সাথে দ্রুত বাড়ে), আর তৃতীয় Harmonic Neutral-এ জমে। ফলে একই kVA-তে Transformer বেশি গরম। Harmonic বেশি এমন Load-এ:

• Transformer-এর Rating কমিয়ে ধরুন (Derating), অথবা এমন Load-এর জন্য তৈরি (K-factor rated) Transformer নিন।
• Neutral-এর Cable ও Busbar যথেষ্ট বড় রাখুন।
• বড় VFD-তে Harmonic filter।

Power Factor-এর প্রভাব

Transformer kVA-তে Rated (Lesson 1)। Load-এর PF 0.7 হলে 1000 kVA Transformer মাত্র 700 kW দিতেই পূর্ণ Load। PF 0.95-এ উন্নীত করলে একই Transformer প্রায় 950 kW — নতুন Transformer না কিনেই বাড়তি ক্ষমতা। কারখানায় Capacitor bank-এর এটি বড় লাভ।

দুই ধরনের Loss আবার

• Core loss (P0) — Transformer চালু থাকলেই, 24 ঘণ্টা, 365 দিন। Load-এর ওপর নির্ভর করে না।
• Copper loss — Load-এর বর্গের সমানুপাতিক: Load x অংশ হলে x² × Pk (Pk = পূর্ণ Load-এর Load loss)।

$$\text{Loss} = P_0 + x^2 P_k \qquad \eta = \frac{x \cdot S \cdot PF}{x \cdot S \cdot PF + P_0 + x^2 P_k}$$

উদাহরণ: 1000 kVA, P0 = 1.7 kW, Pk = 10.5 kW, 50% Load, PF 0.8

• Copper loss = 0.5² × 10.5 = 2.625 kW
• মোট Loss = 1.7 + 2.625 = 4.325 kW
• Output = 0.5 × 1000 × 0.8 = 400 kW
• Efficiency = 400 ÷ 404.325 = 98.93%

98.9% শুনতে অনেক, কিন্তু 4.3 kW সারা বছর মানে প্রায় 38 000 kWh। (এখানকার Loss-এর মান শুধু উদাহরণ — নিজের Transformer-এর Test certificate দেখুন।) হিসাব করুন: Loss ও Efficiency Calculator।

সর্বোচ্চ Efficiency কোন Load-এ

Copper loss যখন Core loss-এর সমান, তখন Efficiency সর্বোচ্চ:

$$x_{best} = \sqrt{\frac{P_0}{P_k}}$$

উপরের উদাহরণে √(1.7 ÷ 10.5) ≈ 40%। বেশিরভাগ Distribution transformer এভাবে নকশা করা যাতে সর্বোচ্চ Efficiency মাঝামাঝি Load-এ — কারণ বাস্তবে গড় Load পূর্ণ Rating-এর অনেক কম থাকে।

হালকা Load-এর অপচয়

একটি বড় Transformer প্রায় খালি অবস্থায় মাসের পর মাস চালু — শুধু Core loss-এ বছরে হাজার হাজার ইউনিট। উদাহরণ: 1.7 kW × 8760 h ≈ 14 900 kWh, শুধু চালু রাখার খরচ।

• দুটি Transformer Parallel-এ থাকলে আর রাতে বা ছুটির দিনে Load অনেক কম হলে, একটি বন্ধ রাখা লাভজনক হতে পারে (অবশ্যই নিরাপদ Switching পদ্ধতি ও প্রয়োজনীয় Redundancy বিবেচনা করে)।
• নতুন Transformer কেনার সময় শুধু দাম নয়, Loss-এর মূল্য দেখুন — কম Loss-এর Transformer-এর বাড়তি দাম প্রায়ই কয়েক বছরের বিদ্যুৎ বিলে উঠে আসে। Amorphous core-এর Transformer-এ Core loss অনেক কম।

Loading-এর সাধারণ দিকনির্দেশনা

• স্বাভাবিক Peak Load Rating-এর মোটামুটি ৭০–৮০% রাখলে গ্রীষ্ম, ভবিষ্যৎ বৃদ্ধি আর অসমান Load সামলানোর জায়গা থাকে।
• স্থায়ীভাবে 100%-এর ওপরে — নতুন Transformer, Load ভাগ, বা PF উন্নয়নের পরিকল্পনা করুন।
• Overload-এর সময় WTI/OTI-র Alarm উপেক্ষা করবেন না; Fan থাকলে চালু আছে কিনা দেখুন।

সংক্ষেপে

• Load-এর সীমা = Hot-spot তাপমাত্রার সীমা; প্রায় 6 °C বেশিতে আয়ু ক্ষয় দ্বিগুণ।
• Overload-এ দেখুন কত %, কতক্ষণ, কত গরম দিনে।
• সবচেয়ে বেশি Load-এর Phase সীমা ঠিক করে; Load সমানভাবে ভাগ করুন।
• Harmonic Transformer-কে বেশি গরম করে — Derating বা K-factor Transformer।
• PF উন্নয়ন মানে একই Transformer-এ বেশি kW।
• Loss = P0 + x²Pk; সর্বোচ্চ Efficiency x = √(P0/Pk)-এ।
• খালি চালু Transformer-ও সারা বছর Core loss খায়।

পরের Lesson: Transformer Protection।