Применение на трансформатори с аморфен сплав в системата за електроосигуряване на МЕТРО

В последните години, с бързото развитие на мащаба на градската железопътна транспортна мрежа в Китай, електроенергийната и осветителната нагрузка на метрото са нараснали бързо, а проблемът с енергията, изразходвана от собствените загуби на разпределителните трансформатори, става все по-изразен. На фона на държавните призиви за спестяване на енергия и защита на околната среда, безаморфни трансформатори с ядро от сплав, които използват ленти от безаморфна сплав с отлични магнитни проводими свойства като материал за магнитно проводимост, са постигнали относително ниски загуби при празно ходене и токове при празно ходене, и така са станали един от насоките за развитие на енергоэффективните трансформатори. С позаден план Линия 14 на Пекинското метро, настоящата работа започва с принципите, структурите и техническите характеристики на сухи трансформатори с безаморфно ядро (по-нататък се наричат "безаморфни сухи трансформатори"), кратко описва ефектите от приложението на място, и предлага свързани препоръки за дългосрочно функциониране, с цел да предоставят референции и опит за избора и приложението на разпределителни трансформатори в метрото.
Структура и работен принцип на безаморфните сухи трансформатори
Структура на безаморфните сухи трансформатори
Разпределителните трансформатори с безаморфна сплав избират безаморфна сплав с меки магнитни свойства като материал за ядрото. Тя има висока насищаемост на магнитната индукция, ултра-ниски загуби, нисък ток на възбуда и ниска коерцитивна сила, и е енергоэффективен и екологичен трансформатор с добра стабилност. Безаморфните сухи трансформатори комбинират характеристиките на сухите трансформатори с епоксидно леене, като ниско съдържание на халогени, противопожарни, малко дим и самоизгасващи се свойства, с нискоуровничните предимства на лентите от безаморфна сплав, позволявайки им да по-добре удовлетворяват нуждите на обществени среди като метрото.

Лентите от безаморфна сплав са вид тънки (с дебелина около 0,03 мм) и хрупки магнитно проводими материали. Ето защо е рационално да бъдат проектирани в структура с намотено ядро. В момента структурите на сухите трансформатори с епоксидно леене с безаморфна сплав основно се делят на две категории, а именно трифазна структура с три стълба и трифазна структура с пет стълба, както е показано на Фигура 1. Ядрото на трифазната структура с пет стълба се формира чрез комбиниране на четири рамки, както е показано на Фигура 2 а; ядрото на трифазната структура с три стълба се формира чрез комбиниране на три рамки, както е показано на Фигура 2 б. Тъй като сечението на ядрото на трансформаторите с безаморфна сплав е правоъгълно, обикновено високо- и нисковолтовите обмотки се проектират в правоъгълна структура с закръглени ъгли. Освен това, тъй като плътността на магнитния поток и факторът на ламиниране на ядрото от безаморфна сплав са по-ниски от тези на лентите от силициден желяз, обемът на ядрото от безаморфна сплав е много по-голям от обема на ядрото от силициден желяз със същата капацитет. Безаморфните сухи трансформатори на определена линия на метрото използват дизайн на ядро с трифазна структура с пет стълба, което има предимства като добра разпространение на топлина, компактна общо структура и относително малък обем.

Работен принцип на безаморфните сухи трансформатори

Кристалите на материала за ядрото от безаморфна сплав, силициден желяз, са по-благоприятни за намагничаване и демагнетизация поради своите структури и характеристики. Типичната безаморфна сплав съдържа приблизително 80% желязо, с други основни компоненти като силиций и бор. Голям брой тестове са показали, че температурата на кристализация на безаморфната сплав е 550°C, а температурата на Кюри е около 415°C. Тези температури могат да удовлетворят изискванията за обработка на безаморфната сплав, отпускане след формиране на ядрото, нормална работна температура и термически стабилна температура при краткосрочни замръзване, така че няма проблеми в приложението на безаморфните сухи трансформатори.

Вземайки за пример трифазен, четиринадравен, петстълбен трансформатор с разпределение на безаморфна сплав, тъй като всяка обмотка е намотана върху две рамки с независими магнитни пътища, магнитният поток на всяка рамка се състои от основен-вълнов магнитен поток и някои трети-гармонични магнитни потоци. Отношението на третата гармоника към основната вълна зависи от номиналната плътност на магнитния поток. Но третата гармоника на магнитния поток в двата ядра на една обмотка са противофазни и равни по стойност. Следователно, векторът на третата гармоника на магнитния поток във всяка обмотка е нула. Когато високоволтовата обмотка е свързана в делта (D) конфигурация, има път за третата гармоника на тока в обмотката. В резултат, обикновено няма компонент на третата гармоника на напрежението в индуцираната вторична напрежение. Все пак, загубите при празно ходене във всяка рамка все още са влияни от третата гармоника на тока в тази рамка. Двете странични рамки на тази структура могат да предоставят път за нулевия компонент или висши гармоники в магнитния поток.

Основни технически характеристики на безаморфните сухи трансформатори
Характеристики на безаморфните сухи трансформатори

Лентите от безаморфна сплав са изключително чувствителни към налягането. Веднъж повредени, не могат да бъдат възстановени. Затова, в процеса на производство, трябва да се гарантират следните две точки: Първо, ядрото трябва да носи само собствената си тегло, а теглото на високо- и нисковолтовите обмотки трябва да бъде поддържано от стоманени конструктивни елементи като основа, горни и долни зажимни части. Второ, способността да се издържа на краткосрочни замръзване се подобрява чрез оптимизирана конструктивна структура.

Правоъгълните обмотки на безаморфните сухи трансформатори не са равномерно напрегнати като кръговите обмотки. Когато трансформаторът издържа краткосрочен ток, посоката на дълга ос е по-склонна към деформация. В действителното производство, високоволтовите обмотки са жилки с жестка структура, леени с епоксидна смола и фиксирани в слоя от смола. Динамични и термични изчисления и практически симулации са доказали, че високоволтовите обмотки могат да издържат електродинамичната сила при краткосрочни замръзване.

Нисковолтовите обмотки най-често са намотени с медни фолии и имат термично застивна епоксидна смола, с леко по-ниска жесткост. Те са склонни към деформация при краткосрочни замръзване, подлагайки лентите от безаморфна сплав на напрежение. Затова, в процеса на проектиране, трябва да се избегне голямо отношение между дълга и къса ос на нисковолтовите обмотки. Освен това, в процеса на сборка, трябва да се поставят подпорни промеждутъци между ядрото и нисковолтовите обмотки, за да се увеличи способността да се издържа на краткосрочни замръзване.

Шумът на трансформатора идва главно от магнитострикции на ядрото. Магнитострикцията на безаморфната сплав е приблизително 10% по-висока от тази на лентите от силициден желяз. Чрез сравнение на националните стандарти "JB/T 10088 - 2004 Уровни на звука за трансформатори с 6 kV - 500 kV" и "GB/T 22072 - 2008 Технически параметри и изисквания за сухи трансформатори с безаморфно ядро", може да се види, че изискванията за шума на сухите трансформатори с безаморфно ядро в националните стандарти са същите като тези за трансформатори с ядро от силициден желяз.

Това увеличава трудността в производството на безаморфни сухи трансформатори. Въпреки това, чрез рационално проектиране на структурата на безаморфните сухи трансформатори, шумът все още може да бъде контролиран в рамките на националния стандарт. Плътността на магнитния поток е важен фактор, влияещ на шума на безаморфните сухи трансформатори.

За всяко 0,05 T увеличение на плътността на магнитния поток, шумът при празно ходене се увеличава приблизително с 2 dB(A), а шумът на трансформатора се увеличава с 5 dB(A)[1]. Затова плътността на магнитния поток на безаморфните сухи трансформатори трябва да бъде рационално избрана, за да се постигне намаление на шума. При нормални условия, плътността на магнитния поток под 1,25 T е достатъчна за безаморфните сухи трансформатори.

Още повече, като се вземе предвид специалната ситуация с висока плътност на пътниците в метрото, нивото на шума трябва да бъде контролирано още по-строго, и плътността на магнитния поток обикновено се избира под 1,2 T. Освен това, шумът на безаморфните сухи трансформатори трябва да бъде подтиснат чрез оптимизиране на структурата. Например, трябва да се остави подходящо пространство в рамката, съставена от ядрото и зажимните части, за да се избегне прекомерно напрежение върху ядрото и контрол върху увеличаването на вибрацията на ядрото. Акустични материали трябва да бъдат поставени между ядрото и рамката, за да се намали ефективно шума.

По време на транспортиране и инсталиране, безаморфните сухи трансформатори трябва да бъдат стриктно извършени в съответствие с операционните спецификации и процедури, за да се избегне ситуацията, в която ядрото е под напрежение или удари.

Икономически анализ на безаморфните сухи трансформатори

Безаморфните сухи трансформатори имат явни ефекти за спестяване на енергия. По-долу се прави икономически анализ на SCBH15-тип безаморфни сухи трансформатори и SCB10-тип трансформатори с разпределение на силициден желяз с различни капацитети. Сравнението се прави по стойността на безаморфните материали и материали от силициден желяз, годишно спестяване на разходите за електроенергия, броя на годините за възстановяване на допълнителните разходи и спестяване на разходи, както е показано в Таблица 1.

Може да се види от Таблица 1, че безаморфните сухи трансформатори имат повече предимства в спестяването на енергия в сравнение с традиционните трансформатори с разпределение на силициден желяз. Преобразувано в операционни разходи, това е доста значително. Максималният брой години за възстановяване на допълнителните разходи е само 5 години, показвайки големи перспективи за приложение.

Приложение и ефект на безаморфните сухи трансформатори в метрото
Приложение на безаморфните сухи трансформатори в метрото

Чрез разяснението на структурата и принципа на безаморфните сухи трансформатори и икономическия анализ, в съчетание с инженерната ситуация на Линия 14 на Пекинското метро, за приложението на безаморфните сухи трансформатори, ключови изследвания трябва да бъдат проведени върху технически аспекти като способността да се издържа на краткосрочни замръзване, контрол на шума, показатели на загуби и инсталационна схема на безаморфните сухи трансформатори, за да се даде максимално използване на добрите енергоэффективни характеристики на безаморфните сухи трансформатори и подобряване на нивото на спестяване на енергия в метрото.

Ефект от приложението на място

Вземайки за пример SCBH15-800/10/0.4 безаморфния сух трансформатор, който вече е въведен в действие на Линия 14 на метрото, в сравнение с SCB10-800/10.0.4 сух трансформатор, ΔP0 = 1.05 kW; ΔPk = 0. Годишното намаление на потреблението на електроенергия на един агрегат може да бъде изчислено както следва:

ΔWk = 8 760×(1.05 + 0.62×0) = 9 198 kW·h

Чрез изчисление, може да се види, че ефектът от спестяване на енергия на безаморфните сухи трансформатори е относително очевиден.

Свързани препоръки за дългосрочно онлайн функциониране

За дългосрочното функциониране на безаморфните сухи трансформатори на линии на метрото, техният дизайн, производство, поддръжка и ремонти трябва да бъдат внимателно извършени в съответствие с уникалните им характеристики. Авторът предлагa следните препоръки:

• Учитывайки, че магнитната насищаемост на материали от безаморфна сплав е относително ниска и магнитострикцията им е относително голяма, при дизайна на продукта, номиналната плътност на магнитния поток не трябва да бъде установена прекалено висока. Обикновено, е предпочитано да се избере стойност под 1,2 T.

• През целия процес на дизайн и производство, трябва да се обърне внимание на способността на безаморфните сухи трансформатори да издържат на краткосрочни замръзване. Тази способност трябва да бъде подобрена чрез средства като усъвършенстване на процеса и оптимизация на структурата.

• Безаморфните сплави показват изключителна чувствителност към механичното напрежение. Затова, в структурния дизайн, трябва да се избегне традиционния подход, който използва ядрото като основен носител на товара.

• За да се постигнат отлични ниски загуби, отпускането на ядрото от безаморфна сплав е незаменим процес.

• Редовната поддръжка и ремонт на безаморфните сухи трансформатори са необходими. Това помага да се елиминират потенциални опасности и да се продължи срокът на служба на трансформаторите.

Заключение

На фона на държавните усилия за спестяване на енергия и намаляване на емисиите, всички отрасли правят усилия за намаляване на енергийното потребление. Като значителен потребител на електроенергия в градските електрически мрежи, широко прилагането на безаморфните сухи трансформатори в метрото е в съответствие с националните индустриални политики и има широки перспективи за приложение.

Трябва да се отбележи, че цената на трансформаторите с разпределение на безаморфна сплав е по-висока от тази на традиционните трансформатори с разпределение на силициден желяз, и техният инсталиране има определени уникални особености. Затова, рационална схема за избор на трансформаторите трябва да бъде формулирана на основата на комплексен анализ на регионалните и линейни условия.

Тъй като трансформаторите с разпределение на безаморфна сплав изискват високи стандарти на дизайн и производство, при избора на доставчици, е препоръчително да се изберат предприятия, които имат успешен опит в приложението и разполагат с напредък технически възможности.