Amorphous legat fordelingstransformator anvendelse i METRO strømforsyningsystem

I de seneste år har den hurtige udvikling af byernes jernbaneinfrastruktur i Kina ført til en hurtig stigning i elforbrug og belysningsbelastning i metroer, og problemet med energiforbrug som følge af egenforbrug hos fordelingstransformatorer er blevet stadigt mere fremherskende. Mod baggrund af landets opfordring til energibesparelse og miljøbeskyttelse har amorfallegyrde kerner, der anvender amorfale legeringer med fremragende magnetledningsevne som magnetisk ledningsmateriale, opnået relativt lave tomgangstab og tomgangsstrøm, og er derfor blevet en af de udviklingsretninger for energibesparende transformatorer. Med Beijing Metro Linje 14 som baggrund starter denne artikel med principper, strukturer og tekniske karakteristika for tørtype amorfallegyrdedistributions-transformatorer (herunder omtalt som "amorfe tørtype-transformatorer"), giver en kort beskrivelse af effekten af den påstedlige implementering, og stiller relevante forslag til langtidsdrift, med henblik på at give referencer og erfaringer for valg og anvendelse af distributions-transformatorer i metroer.
Struktur og arbejdssætning af amorfe tørtype-transformatorer
Struktur af amorfe tørtype-transformatorer
Amorfallegyrdedistributions-transformatorer vælger et amorfalt legierungsmaterial med bløde magnetiske egenskaber som kernemateriale. Det har høj mættelsesmagnetisk induktion, ultra-lave tab, lav opspændingsstrøm og lav coercitivitet, og er en energibesparende og miljøvenlig transformator med god stabilitет.

Amorfale legeringer er et tyndt (med en tykkelse på ca. 0,03 mm) og skrøbeligt magnetisk ledningsmateriale. Derfor er det rimeligt at designe dem til en viklet kernestruktur. I øjeblikket falder strukturerne af epoxihårdførte amorfe tørtype-transformatorer hovedsagelig inden for to kategorier, nemlig trefase-trefod-strukturen og trefase-femfod-strukturen, som vist på figur 1. Kerne til trefase-femfod-strukturen dannes ved at kombinere fire rammer, som vist på figur 2a; kernen til trefase-trefod-strukturen dannes ved at kombinere tre rammer, som vist på figur 2b. Da krydsafsnittet af amorfallegyrdekerner er rektangulært, er høj- og lavspændingsbobiner generelt designet til en rektangulær struktur med afrundede hjørner. Også fordi magnetfeltstætheden og laminationsfaktoren for amorfallegyrdekerner er lavere end for siliciumstålplader, er volumenet af amorfallegyrdekernen meget større end for en siliciumstålkerne med samme kapacitet. De amorfe tørtype-transformatorer på en bestemt metrolinje anvender et trefase-femfod-kernedesign, hvilket har fordelene med god varmeafgivning, kompakt overordnet struktur og relativt lille volumen.

Arbejdssætning af amorfe tørtype-transformatorer

Krysdannelsen af amorfallegyrdemateriale, siliciumstål, er mere gavnlig for magnetisering og demagnetisering på grund af dens struktur og egenskaber. En typisk amorfallegyrde indeholder ca. 80% jern, med andre hovedkomponenter som materiale som silicium og bor. Et stort antal test har vist, at krystalliserings temperaturen for amorfallegyrden er 550°C, og Curie-temperaturen er ca. 415°C. Disse temperaturer kan opfylde kravene for behandlingen af amorfallegyrden, udstødelsen efter kerneformning, normal driftstemperatur og termisk stabil temperatur under kortslutninger, så der ikke er problemer i anvendelsen af amorfe tørtype-transformatorer.

Med en trefase, fire-ramme, fem-fod amorfallegyrdedistributions-transformator som eksempel, da hver spole er sat på to rammer med uafhængige magnetiske kredsløb, består magnetfloden i hver ramme af grundbølge-magnetflod og nogle tredje-harmoniske magnetfloder. Forholdet mellem tredje-harmoniske og grundbølge afhænger af den nominerede magnetiske flodstæthed. Men tredje-harmoniske magnetfloder i de to kerneframe af en spole er modsat fase og lige i værdi. Derfor er tredje-harmoniske magnetflodevektor i hver spole nul. Når højspændingsbobinen er forbundet i en trekant (D)-konfiguration, findes der en vej for tredje-harmoniske strøm i bobinen. Derved findes der generelt ingen tredje-harmoniske spændingskomponent i den inducerede sekundære side spændingsbølgeform. Imidlertid påvirkes tomgangstab i hver ramme stadig af tredje-harmoniske strøm i den ramme. De to side-yokes i denne struktur kan give en vej for null-sekvenskomponent eller højere harmoniske i magnetfloden.

Hovedtekniske karakteristika af amorfe tørtype-transformatorer
Karakteristika af amorfe tørtype-transformatorer

Amorfallegyrdestribler er yderst følsomme over for pres. Når de er skadet, kan de ikke genoprettes. Derfor skal følgende to punkter være sikret i produktionen: For det første bør kernen kun bære sin egen vægt, og vægten af høj- og lavspændingsbobiner bør understøttes af stålstrukturkomponenter som bund, øvre og nedre klemmekomponenter. For det andet bør kortslutningsudholdenhed forbedres gennem optimeret konstruktion.

Rektangulære strukturerede spoler i amorfe tørtype-transformatorer er ikke så uniformt belasted som cirkulære spoler. Når transformatorerne udmærker sig i kortslutningsstrøm, er langakset retning mere tilbøjelig til deformation. I virkelig produktion er højspændingsbobiner faste strukturtråde formet med epoxy-resin og fastgjort i resinlaget. Dynamiske og termiske stabilitetsberegninger og praktiske simuleringer har bevist, at højspændingsbobiner kan udmærke sig i elektriske krafter under kortslutninger.

Lavspændingsbobiner er ofte viklet med kobberfolier og har en termisk hårdnede epoxy-resin-endesealingsstruktur med noget lavere rigiditet. De er tilbøjelige til deformation under kortslutninger, hvilket udsætter amorfallegyrdestribler for spænding. Derfor bør et stort forhold mellem den lange og korte akse af lavspændingsbobinspoler undgås under designprocessen. Desuden skal støttestandere placeres mellem kernen og lavspændingsbobiner under montering for at forbedre kortslutningsudholdenhed.

Transformatorernes støj kommer hovedsageligt fra magnetostrikkelsen i kernen. Magnetostrikkelsen af amorfallegyrde er ca. 10% højere end for siliciumstålplader. Ved sammenligning af nationale standarder "JB/T 10088 - 2004 Lyd niveauer for 6 kV - 500 kV strømtransformatorer" og "GB/T 22072 - 2008 Tekniske parametre og krav til tørtype amorfallegyrdedistributions-transformatorer", kan det ses, at lyd kravene for tørtype amorfallegyrdedistributions-transformatorer i nationale standarder er de samme som for siliciumstålkerne distributions-transformatorer.

Dette øger vanskeligheden i produktionen af amorfe tørtype-transformatorer. Dog kan støj stadig kontrolleres inden for national standardområde gennem rationelt design af strukturen af amorfe tørtype-transformatorer. Magnetflodstæthed er en vigtig faktor, der påvirker støj fra amorfe tørtype-transformatorer.

For hver 0,05 T stigning i magnetflodstæthed, stiger tomgangsstøj med ca. 2 dB(A), og transformatorstøj stiger med 5 dB(A)[1]. Derfor bør magnetflodstætheden af amorfe tørtype-transformatorer valgfrit for at reducere støj. Under normale omstændigheder er en magnetflodstæthed på mindre end 1,25 T tilstrækkelig for amorfe tørtype-transformatorer.

Men med hensyn til den specielle situation med høj passagerdannethed i metroer, bør støjniveauet kontrolleres endnu lavere, og magnetflodstætheden er generelt valgt til at være mindre end 1,2 T. Desuden skal støj fra amorfe tørtype-transformatorer supprimeres ved at optimere strukturen. For eksempel bør der være passende plads i rammen, der er sammensat af kernen og klemmekomponenter, for at undgå overdreven spænding i kernen og kontrollere stigningen i kernestabilhed. Støjabsorberende materialer bør også være lagt imellem kernen og rammen for at effektivt reducere støj.

Under transport og installation skal amorfe tørtype-transformatorer strengt operere i overensstemmelse med operationsregler og procedurer for at undgå situationer, hvor kernen er under pres eller rammes.

Økonomisk præstationanalyse af amorfe tørtype-transformatorer

Amorfe tørtype-transformatorer har klare energibesparelser. Følgende foretager en økonomisk analyse af SCBH15-type amorfe tørtype-transformatorer og SCB10-type siliciumstålpladedistributions-transformatorer med forskellig kapacitet. Sammenligningen foretages i forhold til værdien af amorfe materialer og siliciumstålmaterialer, årlige elomkostningsspare, antallet af år til at genvinde den ekstra omkostning, og omkostningsspare, som vist i tabel 1.

Det kan ses fra tabel 1, at amorfe tørtype-transformatorer har flere fordele i forhold til traditionelle siliciumståltransformatorer i henseende til energibesparelse. Oversat til driftsomkostninger er det ret bemærkelsesværdigt. Det maksimale antal år til at genvinde den ekstra omkostning er kun 5 år, hvilket viser store anvendelsesmuligheder.

Anvendelse og effekt af amorfe tørtype-transformatorer i metroer
Anvendelse af amorfe tørtype-transformatorer i metroer

Gennem uddybningen af struktur og princip for amorfe tørtype-transformatorer og økonomisk præstationanalyse, kombineret med ingeniørsituationen for Line 14 i Beijing Metro, bør for anbringelsesplanen for amorfe tørtype-transformatorer, der fokuserer på tekniske aspekter som kortslutningsudholdenhed, støjkontrol, tabindex og installationsplan for amorfe tørtype-transformatorer, således at fuldt ud udnytte de gode energibesparelsesegenskaber af amorfe tørtype-transformatorer og forbedre energibesparelsesniveauet i metroer.

Påstedlig implementerings effekt

Med SCBH15-800/10/0,4 amorfe tørtype-transformator, der er taget i drift på Line 14 i metroen, som eksempel, sammenlignet med SCB10-800/10,0,4 tørtype-transformator, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Årlig reduktion i elforbrug for en enhed kan beregnes som følger:

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

Gennem beregning kan det ses, at energibesparelsen for amorfe tørtype-transformatorer er ret betydelig.

Relevante forslag til langtids online drift

For langtidsdriften af amorfe tørtype-transformatorer på metrolinjer, bør deres design, produktion, vedligeholdelse og overhauling udføres grundigt i overensstemmelse med deres unikke egenskaber. Forfatteren stiller følgende forslag:

• Eftersom magnetisk mættelsesdensiteten for amorfallegyrdematerialer er relativt lav, og deres magnetostrikkelse er relativt stor, bør den nominerede magnetiske flodstæthed ikke sættes for højt under produkt design. Generelt set er det bedst at vælge en værdi under 1,2 T.

• Gennem hele design- og produktionsprocessen skal der gives passende opmærksomhed på kortslutningsudholdenhed for amorfe tørtype-transformatorer. Denne evne bør forbedres gennem midler som procesforfining og strukturopbygning.

• Amorfallegyrder viser ekstrem følsomhed over for mekanisk stress. Derfor er det nødvendigt at undgå det traditionelle designtilgang, der bruger kernen som hovedbelastningskomponent, i strukturdesign.

• For at opnå fremragende lavtabegenskaber er annealing af amorfallegyrdekernen en uundværlig proces.

• Regelmæssigt vedligehold og reparation af amorfe tørtype-transformatorer er essentielt. Dette hjælper med at eliminere potentielle sikkerhedshensyn og forlænge servicelejetiden for transformatorerne.

Konklusion

Mod baggrund af landets ivrige fremme af energibesparelse og emissionsreduktion gør alle sektorer en intens indsats for at nedbringe energiforbrug. Som en vigtig elforbruger inden for bystrømnettet er bred anvendelse af amorfe tørtype-transformatorer i metroer i overensstemmelse med nationale industripolitikker og har bredt anvendelsespotentiale.

Det skal bemærkes, at omkostningen til amorfallegyrdedistributions-transformatorer er højere end traditionelle siliciumståltransformatorer, og deres installation har også visse unikke træk. Derfor bør en rationel transformatorvalgplan formuleres baseret på en alment analyse af regionale og linjespecifikke forhold.

Da amorfallegyrdedistributions-transformatorer kræver et højt standard for design- og produktionsprocesser, er det fornuftigt at vælge virksomheder, der har en rekord for vellykkede anvendelser og har avancerede tekniske evner, når man vælger leverandører.