Aplicació del transformador de distribució d'aleaci amòrfia al sistema d'electrificació METRO
En els darrers anys, amb el ràpid desenvolupament de l'escala del transport urbà ferroviari a la Xina, la càrrega elèctrica i d'enllumenat dels metro ha augmentat ràpidament, i el problema de l'energia elèctrica consumida pels perdues propis dels transformadors de distribució s'ha fet cada cop més prominent. En el context de la promoció estatal de l'estalvi energètic i la protecció ambiental, els transformadors de nucli d'aleació amorfa, que utilitzen taules d'aleació amorfa amb excel·lents propietats magnétiques com a material conductor magnètic, han assolit perdues en buit i corrents en buit relativament baixes, i així han esdevingut una de les direccions de desenvolupament dels transformadors d'estalvi d'energia. Amb el fons de la Línia 14 del Metro de Beijing, aquest article comença amb els principis, estructures i característiques tècniques dels transformadors de distribució secs de nucli d'aleació amorfa (d'ara endavant anomenats "transformadors secs amorfos"), descriu breument els efectes de la implementació in situ, i proposa suggeriments rellevants per a l'operació a llarg termini, amb l'objectiu de proporcionar referències i experiències per a la selecció i aplicació de transformadors de distribució al metro.
Estructura i Principi de Funcionament dels Transformadors Secs Amorfos
Estructura dels Transformadors Secs Amorfos
Els transformadors de distribució d'aleació amorfa seleccionen una aleació amorfa amb propietats magnètiques suaus com a material de nucli. Té una intensitat magnètica de saturació alta, perdues ultra baixes, corrent d'excitació baixa i coercivitat baixa, i és un transformador d'estalvi d'energia i respectuós amb l'ambient amb bona estabilitat. Els transformadors secs amorfos combinen les característiques dels transformadors secs impregnats d'epoxi, com ara el baix contingut en halògens, la retardança a l'ignició, la generació de fum reduïda i les propietats d'autopagament, amb les avantatges de perdues baixes de les taules d'aleació amorfa, permetent-los complir millor les necessitats d'entorns públics com el metro.
Les taules d'aleació amorfa són un tipus de material conductor magnètic fin (amb un gruix d'aproximadament 0,03 mm) i fràgil. Per tant, és raonable dissenyar-les en una estructura de nucli enrotllat. Actualment, les estructures dels transformadors secs amorfos impregnats d'epoxi principalment es divideixen en dues categories, és a dir, l'estructura de tres fases amb tres braços i l'estructura de tres fases amb cinc braços, tal com es mostra a la Figura 1. El nucli de l'estructura de tres fases amb cinc braços es forma combinant quatre marcades, tal com es mostra a la Figura 2 a; el nucli de l'estructura de tres fases amb tres braços es forma combinant tres marcades, tal com es mostra a la Figura 2 b. Com que la secció transversal del nucli dels transformadors d'aleació amorfa és rectangular, els voltants d'alta i baixa tensió generalment són dissenyats en una estructura rectangular amb cantonades arrodonides. També, degut a que la densitat de flux magnètic i el factor de laminació del nucli d'aleació amorfa són inferiors als de les fulls de ferro siliciós, el volum del nucli d'aleació amorfa és molt més gran que el d'un nucli de fulls de ferro siliciós de la mateixa capacitat. Els transformadors secs amorfos d'una certa línia de metro adopten un disseny de nucli de tres fases amb cinc braços, que té les avantatges de dissipació de calor adequada, una estructura compacta global i un volum relativament petit.
Principi de Funcionament dels Transformadors Secs Amorfos
Els cristalls del material de nucli d'aleació amorfa, el ferro siliciós, són més propensos a la magnetització i desmagnetització degut a la seva estructura i característiques. Una aleació amorfa típica conté aproximadament un 80% de ferro, amb altres components principals com el silici i el bori. Molts experiments han demostrat que la temperatura de cristallització de l'aleació amorfa és de 550°C, i la temperatura de Curie és d'aproximadament 415°C. Aquestes temperatures poden satisfer els requisits per al processament de l'aleació amorfa, la reveniment després de la formació del nucli, la temperatura operativa normal i la temperatura termostable durant els circuits oberts, de manera que no hi ha problemes en l'aplicació dels transformadors secs amorfos.
Prenent com a exemple un transformador de distribució d'aleació amorfa de tres fases, quatre marcades i cinc braços, ja que cada bobina està enmangada en dues marcades amb circuits magnètics independents, el flux magnètic de cada marcada consta de flux magnètic de ona fonamental i algun flux magnètic d'armònica tercera. La proporció de l'armònica tercera a la ona fonamental depèn de la densitat de flux magnètic nominal. No obstant això, els fluxos magnètics d'armònica tercera en les dues marcades de nucli d'una bobina són en fase oposada i iguals en valor. Per tant, el vector de flux magnètic d'armònica tercera en cada bobina és zero. Quan el voltant d'alta tensió està connectat en configuració delta (D), hi ha un camí per a la corrent d'armònica tercera en el voltant. Com a resultat, generalment no hi ha cap component de tensió d'armònica tercera en la forma d'ona de la tensió induïda secundària. No obstant això, la pèrdua en buit en cada marcada encara està afectada per la corrent d'armònica tercera dins d'aquesta marcada. Les dues branques laterals d'aquesta estructura poden proporcionar un camí per a la component de seqüència zero o armòniques d'ordre superior en el flux magnètic.
Característiques Tècniques Principals dels Transformadors Secs Amorfos
Característiques dels Transformadors Secs Amorfos
Les taules d'aleació amorfa són extremadament sensibles a la pressió. Un cop endegades, no es poden restablir. Per tant, durant el procés de fabricació, s'han d'assegurar els dos punts següents: Primer, el nucli només porta el seu propi pes, i el pes dels voltants d'alta i baixa tensió es porta mitjançant components estructurals d'acer com la base, les peces de fixació superior i inferior. Segon, la capacitat de suport de curts circuits s'ha millorat a través d'una estructura de disseny optimitzada.
Els voltants rectangulars dels transformadors secs amorfos no estan tan uniformement estressats com els voltants circulars. Quan el transformador suporta corrent de curt circuit, la direcció de l'eix major és més propensa a deformar-se. En la producció real, els voltants d'alta tensió són fils de estructura rígida impregnats d'epoxi i fixats a la capa de resina. Els càlculs de estabilitat dinàmica i tèrmica, juntament amb simulacions pràctiques, han provat que els voltants d'alta tensió poden suportar la força electrodinàmica durant els curts circuits.
Els voltants de baixa tensió solen ser enrotllats amb foils de cobre i tenen una estructura de sell final d'epoxi termocurat, amb una rigidesa lleugerament menor. Són propensos a deformar-se durant els curts circuits, subjectant les taules d'aleació amorfa a tensions. Per tant, durant el procés de disseny, s'ha d'evitar una gran relació entre els eixos major i menor dels voltants de baixa tensió. A més, durant el procés d'assembleig, cal col·locar espaiadors de suport entre el nucli i els voltants de baixa tensió per augmentar la capacitat de suport de curts circuits.
El soroll d'un transformador prové principalment de la magnetoestracció del nucli. La magnetoestracció de l'aleació amorfa és aproximadament un 10% més alta que la dels fulls de ferro siliciós. Comparant les normes nacionals "JB/T 10088 - 2004 Nivells de Soroll per a Transformadors d'Energia de 6 kV - 500 kV" i "GB/T 22072 - 2008 Paràmetres Tècnics i Requisits per a Transformadors de Distribució Secs de Nucli d'Aleació Amorfa", es pot veure que els requisits de soroll per als transformadors de distribució secs de nucli d'aleació amorfa en les normes nacionals són els mateixos que els dels transformadors de distribució de nucli de fulls de ferro siliciós.
Això augmenta la dificultat de fabricació dels transformadors secs amorfos. No obstant això, a través d'un disseny estructural raonable dels transformadors secs amorfos, el soroll encara es pot controlar dins del rang de la norma nacional. La densitat de flux magnètic és un factor important que afecta el soroll dels transformadors secs amorfos.
Per cada increment de 0,05 T en la densitat de flux magnètic, el soroll en buit augmenta aproximadament 2 dB(A), i el soroll del transformador augmenta 5 dB(A)[1]. Per tant, la densitat de flux magnètic dels transformadors secs amorfos s'ha de seleccionar de manera raonable per aconseguir una reducció del soroll. En circumstàncies normals, una densitat de flux magnètic inferior a 1,25 T és suficient per als transformadors secs amorfos.
No obstant això, considerant la situació especial de la densitat de passatgers altes al metro, el nivell de soroll s'hauria de controlar encara més baix, i la densitat de flux magnètic generalment s'ha de seleccionar inferior a 1,2 T. A més, el soroll dels transformadors secs amorfos s'ha de reprimir mitjançant l'optimització de l'estructura. Per exemple, s'ha de deixar un espai adequat en el marc format pel nucli i les peces de fixació per evitar tensions excessives al nucli i controlar l'augment de la vibració del nucli. També s'han de col·locar materials absorbents de so entre el nucli i el marc per reduir eficientment el soroll.
Durant el transport i la instal·lació, els transformadors secs amorfos s'han de manipular estrictament segons les especificacions i procediments d'operació per evitar situacions com la tensió o l'impacte del nucli.
Anàlisi de Rendiment Econòmic dels Transformadors Secs Amorfos
Els transformadors secs amorfos tenen efectes d'estalvi d'energia evidents. Es du a terme l'anàlisi econòmica dels transformadors secs amorfos de tipus SCBH15 i dels transformadors de distribució de fulls de ferro siliciós de tipus SCB10 amb diferents capacitats. La comparació es fa en termes del valor dels materials amorfos i dels fulls de ferro siliciós, l'estalvi anual en costos d'electricitat, el nombre d'anys per recuperar el cost addicional i l'estalvi de costos, tal com es mostra a la Taula 1.
Es pot veure de la Taula 1 que els transformadors secs amorfos tenen més avantatges en l'estalvi d'energia en comparació amb els transformadors tradicionals de fulls de ferro siliciós. Traduït en costos d'operació, és bastant remarcable. El nombre màxim d'anys per recuperar el cost addicional és només de 5 anys, mostrant un gran prospecte d'aplicació.
Aplicació i Efecte dels Transformadors Secs Amorfos al Metro
Aplicació dels Transformadors Secs Amorfos al Metro
A través de l'elaboració de l'estructura i el principi dels transformadors secs amorfos i l'anàlisi del rendiment econòmic, juntament amb la situació enginyerística de la Línia 14 del Metro de Beijing, per al pla d'aplicació dels transformadors secs amorfos, s'ha de portar a terme una recerca clau en aspectes tècnics com la capacitat de suport de curts circuits, el control de soroll, l'índex de perdues i el pla d'instal·lació dels transformadors secs amorfos, a fi de treure profit de la bona prestació d'estalvi d'energia dels transformadors secs amorfos i millorar el nivell d'estalvi d'energia al metro.
Efecte de la Implementació In Situ
Prenent com a exemple el transformador sec amorfo SCBH15-800/10/0.4 que s'ha posat en funcionament a la Línia 14 del metro, en comparació amb el transformador sec SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. La reducció anual de consum d'energia d'una unitat es pot calcular com segueix:
ΔWk = 8 760×(1,05 + 0,62×0) = 9 198 kW·h
A través del càlcul, es pot veure que l'efecte d'estalvi d'energia dels transformadors secs amorfos és relativament evident.
Suggeriments Rellevants per a l'Operació a Llarg Termini en Línia
Per a l'operació a llarg termini dels transformadors secs amorfos a les línies de metro, el seu disseny, producció, manteniment i reparació s'han de portar a terme meticulosament en conformitat amb les seves característiques úniques. L'autor proposa els següents suggeriments:
Atès que la densitat de saturació magnètica dels materials d'aleació amorfa és relativament baixa i la magnetoestracció és relativament gran, durant el disseny del producte, no s'ha de definir la densitat de flux magnètic nominal excessivament alta. Generalment, és preferible seleccionar un valor inferior a 1,2 T.
A tot arreu dels processos de disseny i producció, s'ha de prestar atenció adequada a la capacitat de suport de curts circuits dels transformadors secs amorfos. Aquesta capacitat s'ha de millorar mitjançant mitjans com la refinament de processos i l'optimització estructural.
Les aleacions amorfs mostren una extrema sensibilitat a la tensió mecànica. Per tant, en el disseny estructural, s'ha d'evitar l'enfocament de disseny tradicional que utilitza el nucli com a component principal de suport de càrrega.
Per aconseguir excel·lents característiques de perdues baixes, la reveniment del nucli d'aleació amorfa és un procés indispensable.
El manteniment i la reparació regulars dels transformadors secs amorfos són essencials. Això ajuda a eliminar possibles perillos de seguretat i a prolongar la vida útil dels transformadors.
Conclusió
En el context de la promoció vigorosa de l'estalvi d'energia i la reducció d'emissions a nivell nacional, totes les indústries estan fent esforços per reduir el consum d'energia. Com a significatiu consumidor d'electricitat dins de les xarxes elèctriques urbanes, l'adopció generalitzada dels transformadors secs amorfos al metro és conforme amb les polítiques industrials nacionals i té amplis prospects d'aplicació.
Cal tenir en compte que el cost dels transformadors de distribució d'aleació amorfa és més elevat que el dels transformadors tradicionals de fulls de ferro siliciós, i la seva instal·lació també té certes característiques úniques. Per tant, s'ha de formular un pla de selecció de transformadors raonable basat en una anàlisi completa de les condicions regionals i específiques de la línia.
Com que els transformadors de distribució d'aleació amorfa requereixen un alt estàndard en els processos de disseny i producció, quan es trien els subministradors, és recomanable optar per empreses que tinguen un historial d'aplicacions exitoses i disposin de capacitats tècniques avançades.
