Aplikace transformátoru s amorfním slitinovým jádrem v zásobovacím systému METRO

V posledních letech, s rychlým rozvojem městského kolejového dopravního systému v Číně, se značně zvýšila spotřeba elektrické energie pro osvětlení a elektrické zařízení v metru, a problém s elektrickou energií spotřebovanou vlastními ztrátami distribučních transformátorů se stává stále zjevnější. Na pozadí státního prosazování energetické úspornosti a ochrany životního prostředí, amorfické slitiny jako magnetické materiály s vynikající magnetickou vodivostí dosahují relativně nízkých bezzaťových ztrát a prázdných proudů, a tak se stávají jedním z směrů vývoje energeticky úsporných transformátorů. Tento článek, který má za pozadí linku 14 pekingského metra, popisuje principy, struktury a technické charakteristiky suchých distribučních transformátorů s jádrem z amorfické slitiny (dále jen "suché transformátory s amorfickým jádrem"), stručně popisuje efekty provedení na místě a předkládá relevantní návrhy pro dlouhodobou operaci, aby poskytl referenční informace a zkušenosti pro výběr a použití distribučních transformátorů v metru.
Struktura a pracovní princip suchých transformátorů s amorfickým jádrem
Struktura suchých transformátorů s amorfickým jádrem
Distribuční transformátory s amorfickou slitinou vybírají amorfickou slitinu s měkkými magnetickými vlastnostmi jako materiál jádra. Má vysokou nasycenou magnetickou indukci, ultranízké ztráty, nízký buzený proud a nízkou koercivitu, a je to energeticky úsporný a ekologický transformátor s dobrými stabilizačními vlastnostmi. Suché transformátory s amorfickým jádrem kombinují vlastnosti epoxidově odlitéch suchých transformátorů, jako jsou nízké obsahy halogenů, odolnost proti hoření, nízká produkce kouře a samovytlačovací vlastnosti, s výhodami nízkých ztrát amorfických slitin, což jim umožňuje lépe splňovat požadavky veřejných prostředí, jako je metro.

Amorfické slitiny jsou tenké (s tloušťkou asi 0,03 mm) a křehké magnetické materiály. Proto je rozumné je navrhnout do struktury vinutého jádra. V současné době se struktury epoxidově odlitéch suchých transformátorů s amorfickým jádrem dělí do dvou kategorií, totiž třífázové tříramenné struktury a třífázové pětihranné struktury, jak je znázorněno na obrázku 1. Jádro třífázové pětihranné struktury je tvořeno kombinací čtyř rámců, jak je znázorněno na obrázku 2a; jádro třífázové tříramenné struktury je tvořeno kombinací tří rámců, jak je znázorněno na obrázku 2b. Protože průřez jádra transformátorů s amorfickou slitinou je obdélníkový, jsou vysokonapěťové a níkonapěťové cívky obvykle navrženy do obdélníkové struktury s zaoblenými rohy. Protože magnetická indukce a faktor laminace jádra z amorfické slitiny jsou nižší než u litiny, je objem jádra z amorfické slitiny mnohem větší než objem jádra ze silnější litiny stejné kapacity. Suché transformátory s amorfickým jádrem na určité lince metra používají třífázovou pětihrannou konstrukci jádra, která má výhody dobrého chladicího systému, kompaktní celkové struktury a relativně malého objemu.

Pracovní princip suchých transformátorů s amorfickým jádrem

Krstaly materiálu jádra z amorfické slitiny, hliník, jsou díky své struktuře a vlastnostem výhodnější pro magnetizaci a demagnetizaci. Typická amorfická slitina obsahuje přibližně 80 % železa, s dalšími hlavními složkami jako jsou křemík a bór. Velké množství testů ukázalo, že teplota krystalizace amorfické slitiny je 550°C a Curieova teplota je přibližně 415°C. Tyto teploty splňují požadavky na zpracování amorfické slitiny, annealing po formování jádra, normální provozní teplotu a tepelně stabilní teplotu při krátkých zkrutech, takže neexistují žádné problémy s aplikací suchých transformátorů s amorfickým jádrem.

Na příkladu třífázového, čtyřrámového, pětihranného distribučního transformátoru s amorfickou slitinou, protože každé vinutí je obloženo na dvou rámcích s nezávislými magnetickými okruhy, magnetický tok každého rámce se skládá z základního vlnového toku a některých třetích harmonických toků. Poměr třetích harmonických k základnímu vlnovému toku závisí na nominální magnetické indukci. Nicméně, třetí harmonické toky v obou jáderných rámcích jednoho vinutí jsou opačné fáze a mají stejnou hodnotu. Proto je vektor třetí harmonického toku v každém vinutí nulový. Když je vysokonapěťová cívka spojena v delta (D) konfiguraci, existuje cesta pro třetí harmonický proud v cívkách. V důsledku toho obvykle neexistuje třetí harmonická složka napětí v indukovaném sekundárním napětím. Nicméně, bezzaťové ztráty v každém rámci jsou stále ovlivněny třetími harmonickými proudy v tom rámci. Dva boční yoky této struktury mohou poskytnout cestu pro nulovou sekvenci nebo vyšší harmonické v magnetickém toku.

Hlavní technické charakteristiky suchých transformátorů s amorfickým jádrem
Charakteristiky suchých transformátorů s amorfickým jádrem

Amorfické slitiny jsou extrémně citlivé na tlak. Jakmile jsou poškozeny, nelze je obnovit. Proto musí být v průběhu výrobního procesu zajištěny následující dva body: Za prvé, jádro nese pouze svou vlastní hmotnost, a hmotnost vysokonapěťových a níkonapěťových civek je podporována ocelovými konstrukčními částmi, jako jsou základna, horní a dolní stiskové části. Za druhé, odolnost vůči krátké zkrutě je zlepšena optimalizovanou konstrukční strukturou.

Obdélníkově strukturované vinutí suchých transformátorů s amorfickým jádrem není stejně rovnoměrně namáhané jako kulatá vinutí. Když transformátor odolává krátké zkrutě, délka osy je více náchylná k deformaci. V reálné výrobě jsou vysokonapěťová vinutí tvrdá struktura drátů odlitých epoxidovou smolou a upraveny v smolném vrstvě. Dynamické a tepelné stabilitní výpočty a praktické simulace dokázaly, že vysokonapěťové cívky mohou odolat elektrodynamické síle při krátké zkruti.

Níkonapěťová vinutí jsou nejčastěji vinuta měděnými foliemi a mají termicky tuhostnou epoxidovou smolu na koncích, s mírně nižší tuhostí. Jsou náchylné k deformaci při krátké zkruti, což amorfické slitiny vystavuje namáhání. Proto by v návrhovém procesu měla být vyhnutí velkému poměru mezi délkou a šířkou níkonapěťových civek. Kromě toho, během montážního procesu musí být mezi jádrem a níkonapěťovými cívkami umístěny podpěrné mezery, aby byla zvýšena odolnost vůči krátké zkruti.

Šum transformátoru pochází převážně z magnetostrinkce jádra. Magnetostrinkce amorfické slitiny je přibližně 10% vyšší než u litiny. Při porovnání národních standardů "JB/T 10088 - 2004 Hladiny hluku pro 6 kV - 500 kV distribuční transformátory" a "GB/T 22072 - 2008 Technické parametry a požadavky pro suché distribuční transformátory s jádrem z amorfické slitiny", lze vidět, že národní standardy pro hladiny hluku suchých distribučních transformátorů s jádrem z amorfické slitiny jsou stejné jako pro distribuční transformátory s jádrem z litiny.

To zvyšuje obtížnost výroby suchých transformátorů s amorfickým jádrem. Nicméně, prostřednictvím racionálního návrhu struktury suchých transformátorů s amorfickým jádrem, lze šum stále kontrolovat v rámci národních standardů. Magnetická indukce je důležitý faktor ovlivňující šum suchých transformátorů s amorfickým jádrem.

Pro každé 0,05 T zvýšení magnetické indukce se bezzaťový šum zvýší přibližně o 2 dB(A), a šum transformátoru se zvýší o 5 dB(A)[1]. Proto by měla být magnetická indukce suchých transformátorů s amorfickým jádrem řádně vybrána, aby bylo dosaženo snížení šumu. V běžných situacích je magnetická indukce menší než 1,25 T dostatečná pro suché transformátory s amorfickým jádrem.

Nicméně, s ohledem na speciální situaci vysoké hustoty cestujících v metru by měl být šum kontrolován i nižší, a magnetická indukce je obvykle volena menší než 1,2 T. Kromě toho, šum suchých transformátorů s amorfickým jádrem potřebuje být potlačen optimalizací struktury. Například, by mělo být v rámu tvořeném jádrem a stiskovými částmi ponecháno vhodné prostory, aby se zabránilo přílišnému namáhání jádra a kontrole zvýšení vibrací jádra. Mezi jádro a rámy by měly být vloženy zvukově absorbující materiály, aby byl šum efektivně snížen.

Při přepravě a instalaci by měly být suché transformátory s amorfickým jádrem přesně provozovány podle operačních specifikací a postupů, aby se zabránilo situacím, jako je namáhání jádra nebo narážení.

Ekonomická analýza suchých transformátorů s amorfickým jádrem

Suché transformátory s amorfickým jádrem mají zřetelné energetické úspory. Následuje ekonomická analýza SCBH15 - typu suchých transformátorů s amorfickým jádrem a SCB10 - typu distribučních transformátorů s litinovým jádrem s různou kapacitou. Srovnání se provádí vzhledem k hodnotě amorfických materiálů a materiálů z litiny, ročním úsporám na elektrické energii, počtu let nutných k návratu dodatečných nákladů a úsporám, jak je znázorněno v tabulce 1.

Z tabulky 1 lze vidět, že suché transformátory s amorfickým jádrem mají v energetických úsporách výrazné výhody oproti tradičním distribučním transformátorům s litinovým jádrem. Převedeno na provozní náklady, je to velmi značné. Maximální počet let nutných k návratu dodatečných nákladů je pouze 5 let, což ukazuje velké možnosti aplikace.

Aplikace a efekt suchých transformátorů s amorfickým jádrem v metru
Aplikace suchých transformátorů s amorfickým jádrem v metru

Prostřednictvím vysvětlení struktury a principu suchých transformátorů s amorfickým jádrem a ekonomické analýzy, spolu s inženýrskou situací linky 14 pekingského metra, by pro aplikační schéma suchých transformátorů s amorfickým jádrem měly být klíčově zkoumány technické aspekty, jako jsou odolnost vůči krátké zkruti, kontrola šumu, index ztrát a instalace suchých transformátorů s amorfickým jádrem, aby byly plně využity jejich vynikající energetické úsporné vlastnosti a zlepšena energetická úroveň metra.

Efekt provedení na místě

Na příkladu SCBH15 - 800/10/0.4 suchého transformátoru s amorfickým jádrem, který byl již uveden do provozu na lince 14 metra, ve srovnání s SCB10 - 800/10.0.4 suchým transformátorem, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Roční snížení spotřeby elektrické energie jedné jednotky lze vypočítat následovně:

ΔWk = 8 760×(1,05 + 0,62×0) = 9 198 kW·h

Z výpočtu lze vidět, že energetické úsporné vlastnosti suchých transformátorů s amorfickým jádrem jsou relativně zřetelné.

Relevantní návrhy pro dlouhodobou online operaci

Pro dlouhodobou operaci suchých transformátorů s amorfickým jádrem na liniích metra by měly být jejich návrh, výroba, údržba a opravy pečlivě prováděny v souladu s jejich unikátními charakteristikami. Autor předkládá následující návrhy:

• S ohledem na to, že magnetická nasycovací hustota materiálů z amorfické slitiny je relativně nízká a jejich magnetostrinkce je relativně vysoká, by v návrhu produktu by neměla být nominální magnetická indukce nastavena příliš vysoko. Obecně řečeno, je preferována hodnota nižší než 1,2 T.

• Celý návrhový a výrobní proces musí pečlivě zohlednit odolnost vůči krátké zkruti suchých transformátorů s amorfickým jádrem. Tato schopnost by měla být zvýšena prostřednictvím způsobů, jako je zdokonalení technologií a optimalizace struktury.

• Amorfické slitiny jsou extrémně citlivé na mechanické namáhání. Proto je v návrhu struktury nutné vyhnout se tradičnímu návrhu, který používá jádro jako hlavní nosnou část.

• Pro dosažení vynikajících vlastností s nízkými ztrátami je annealing jádra z amorfické slitiny nezbytným procesem.

• Pravidelná údržba a opravy suchých transformátorů s amorfickým jádrem jsou nezbytné. To pomáhá eliminovat potenciální bezpečnostní rizika a prodloužit životnost transformátorů.

Závěr

Na pozadí intenzivního státního prosazování energetické úspornosti a snižování emisí, všechny odvětví se snaží snížit spotřebu energie. Jako významný spotřebitel elektrické energie v městských elektrických sítích, rozšířené použití suchých transformátorů s amorfickým jádrem v metru odpovídá národním průmyslovým politikám a má široké možnosti aplikace.

Je třeba poznamenat, že náklady na distribuční transformátory s amorfickou slitinou jsou vyšší než u tradičních distribučních transformátorů s litinovým jádrem, a jejich instalace má také určité unikátní rysy. Proto by měla být formulována rozumná schémata výběru transformátorů na základě komplexní analýzy regionálních a linií specifických podmínek.

Protože distribuční transformátory s amorfickou slitinou vyžadují vysokou úroveň návrhu a výrobních procesů, je při výběru dodavatelů vhodné vybírat podniky, které mají záznam o úspěšných aplikacích a disponují pokročilými technickými schopnostmi.