Anwendung von amorphen Legierungsverteilstransformatoren im METRO-Stromversorgungssystem

In den letzten Jahren hat sich die Skala des städtischen Schienenverkehrs in China rasant entwickelt. Die elektrische Belastung und die Beleuchtungsbelastung der U-Bahnen haben stark zugenommen, und das Problem des von den Verlusten der Verteilungstransformatoren verbrauchten Stroms ist immer ausgeprägter geworden. Im Kontext der staatlichen Förderung von Energieeinsparung und Umweltschutz haben amorpher Legierungskern-Transformatoren, die amorphe Legierungsstreifen mit exzellenter magnetischer Leitfähigkeit als magnetisches Material verwenden, relativ geringe Leerlaufverluste und Leerlaufströme erreicht und sind somit eine der Entwicklungsrichtungen energieeffizienter Transformatoren geworden. Am Beispiel der Linie 14 der Peking-U-Bahn beginnt dieser Artikel mit den Prinzipien, Strukturen und technischen Merkmalen von trockenen Transformatoren mit amorphen Legierungskernen (im Folgenden als "amorphe Trocken-Transformatoren" bezeichnet), beschreibt kurz die Wirkung der vor Ort umgesetzten Maßnahmen und gibt relevante Empfehlungen für den langfristigen Betrieb, um Referenzen und Erfahrungen für die Auswahl und Anwendung von Verteilungstransformatoren in U-Bahnen bereitzustellen.
Aufbau und Arbeitsprinzip von amorphen Trocken-Transformatoren
Aufbau von amorphen Trocken-Transformatoren
Amorphe Legierungskern-Verteilungstransformatoren wählen eine weiche magnetische Legierung als Kernmaterial. Sie haben eine hohe Sättigungsmagnetisierung, extrem geringe Verluste, einen niedrigen Anregungsstrom und eine geringe Koezität und sind ein energieeffizienter und umweltfreundlicher Transformer mit guter Stabilität. Amorphe Trocken-Transformatoren kombinieren die Eigenschaften von Epoxidharz-gestützten Trocken-Transformatoren, wie geringen Halogengehalt, Brandhemmung, geringe Rauchentwicklung und Selbstlösch-Eigenschaften, mit den Vorteilen geringer Verluste von amorpher Legierung, was es ihnen ermöglicht, besser den Anforderungen öffentlicher Umgebungen wie U-Bahnen gerecht zu werden.

Amorphe Legierungsstreifen sind dünne (mit einer Dicke von etwa 0,03 mm) und spröde magnetische Leiter. Daher ist es sinnvoll, sie in eine gewickelte Kernstruktur zu gestalten. Derzeit fallen die Strukturen von Epoxidharz-gestützten amorphen Trocken-Transformatoren hauptsächlich in zwei Kategorien, nämlich die Drei-Phasen-Drei-Schenkel-Struktur und die Drei-Phasen-Fünf-Schenkel-Struktur, wie in Abbildung 1 gezeigt. Der Kern der Drei-Phasen-Fünf-Schenkel-Struktur wird durch die Kombination von vier Rahmen gebildet, wie in Abbildung 2a gezeigt; der Kern der Drei-Phasen-Drei-Schenkel-Struktur wird durch die Kombination von drei Rahmen gebildet, wie in Abbildung 2b gezeigt. Da der Querschnitt des amorpher Legierungskerns rechteckig ist, werden die Hoch- und Niederspannungswicklungen in der Regel in einer rechteckigen Struktur mit abgerundeten Ecken entworfen. Da die Flussdichte und die Laminierungsfaktor des amorpher Legierungskerns niedriger sind als bei Siliziumstahlblechen, ist das Volumen des amorpher Legierungskerns viel größer als das eines Siliziumstahlblechkerns gleicher Kapazität. Die amorphen Trocken-Transformatoren auf einer bestimmten U-Bahn-Linie verwenden einen Drei-Phasen-Fünf-Schenkel-Kern, der die Vorteile guter Wärmeabfuhr, kompakter Gesamtstruktur und relativ kleines Volumen bietet.

Arbeitsprinzip von amorphen Trocken-Transformatoren

Die Kristalle des amorphen Legierungskernmaterials, Siliziumstahl, sind aufgrund ihrer Struktur und Eigenschaften förderlicher für die Magnetisierung und Demagnetisierung. Eine typische amorphe Legierung enthält etwa 80% Eisen, wobei die anderen Hauptkomponenten Materialien wie Silizium und Bor sind. Zahlreiche Tests haben gezeigt, dass die Kristallisations Temperatur der amorpher Legierung 550°C beträgt und die Curie-Temperatur etwa 415°C. Diese Temperaturen erfüllen die Anforderungen an die Verarbeitung der amorpher Legierung, die Glühbehandlung nach dem Formen des Kerns, die normale Betriebstemperatur und die thermische Stabilität während Kurzschlüssen, so dass es keine Probleme bei der Anwendung von amorphen Trocken-Transformatoren gibt.

Am Beispiel eines Drei-Phasen-Vier-Rahmen-Fünf-Schenkel-amorphen Legierungskern-Verteilungstransformators, da jede Wicklung auf zwei Rahmen mit unabhängigen magnetischen Kreisen aufgesteckt wird, besteht der magnetische Fluss jedes Rahmens aus Grundwellenmagnetfluss und einigen Drittharmonischenmagnetfluss. Das Verhältnis der Drittharmonischen zur Grundwelle hängt von der Nennmagnetflussdichte ab. Allerdings sind die Drittharmonischenmagnetflüsse in den beiden Kernrahmen einer Wicklung phasengleich und gleichwertig. Daher ist der Drittharmonischenmagnetflussvektor in jeder Wicklung null. Wenn die Hochspannungswicklung in einer Delta (D)-Konfiguration verbunden ist, gibt es einen Pfad für den Drittharmonischenstrom in der Wicklung. Daher gibt es in der Regel keine Drittharmonischen-Spannungskomponente im induzierten Sekundärspannungswellenform. Dennoch wird der Leerlaufverlust in jedem Rahmen noch vom Drittharmonischenstrom innerhalb dieses Rahmens beeinflusst. Die beiden Seitenschenkel dieser Struktur können einen Pfad für die Nullfolgekomponente oder höhere Harmonische im magnetischen Fluss bieten.

Haupttechnische Merkmale von amorphen Trocken-Transformern
Merkmale von amorphen Trocken-Transformern

Amorphe Legierungsstreifen sind extrem empfindlich gegenüber Druck. Einmal beschädigt, können sie nicht wiederhergestellt werden. Daher müssen während des Fertigungsprozesses die folgenden zwei Punkte sichergestellt werden: Erstens trägt der Kern nur sein eigenes Gewicht, und das Gewicht der Hoch- und Niederspannungswicklungen wird durch Stahlkonstruktionsteile wie Basis, obere und untere Klemmstücke getragen. Zweitens wird die Kurzschlussbelastbarkeit durch eine optimierte Konstruktionsstruktur verbessert.

Die rechteckig strukturierten Wicklungen von amorphen Trocken-Transformern sind nicht so gleichmäßig belastet wie kreisförmige Wicklungen. Wenn der Transformer Kurzschlussströme aushält, neigt die Richtung der langen Achse eher zur Verformung. In der tatsächlichen Produktion werden die Hochspannungswicklungen mit Epoxidharz gegossene starre Drahtstrukturen und in der Harzschicht fixiert. Dynamische und thermische Stabilitätsberechnungen sowie praktische Simulationen haben bewiesen, dass die Hochspannungswicklungen die elektrodynamischen Kräfte während Kurzschlüssen aushalten können.

Die Niederspannungswicklungen bestehen meist aus Kupferfolien und haben eine thermisch gehärtete Epoxidharz-Endversiegelungsstruktur mit etwas geringerer Steifigkeit. Sie neigen während Kurzschlüssen zur Verformung und setzen die amorpher Legierungsstreifen unter Spannung. Daher sollte während des Entwurfsprozesses ein großes Verhältnis zwischen der langen und kurzen Achse der Niederspannungswicklungen vermieden werden. Darüber hinaus müssen während des Montageprozesses Stützabstände zwischen dem Kern und den Niederspannungswicklungen platziert werden, um die Kurzschlussbelastbarkeit zu erhöhen.

Das Geräusch eines Transformers stammt hauptsächlich aus der Magnetostriction des Kerns. Die Magnetostriction der amorpher Legierung ist etwa 10% höher als die von Siliziumstahlblechen. Durch den Vergleich der nationalen Normen "JB/T 10088-2004 Lautstärken für 6 kV-500 kV-Stromtransformer" und "GB/T 22072-2008 Technische Parameter und Anforderungen an trockene Verteilungstransformer mit amorphen Legierungskernen" kann man sehen, dass die Lärmanforderungen für trockene Verteilungstransformer mit amorphen Legierungskernen in den nationalen Normen dieselben sind wie für Verteilungstransformer mit Siliziumstahlblechkernen.

Dies erhöht die Schwierigkeiten bei der Herstellung von amorphen Trocken-Transformern. Durch eine vernünftige Gestaltung der Struktur von amorphen Trocken-Transformern kann jedoch das Geräusch noch innerhalb des nationalen Normbereichs kontrolliert werden. Die magnetische Flussdichte ist ein wichtiger Faktor, der den Lärm von amorphen Trocken-Transformern beeinflusst.

Für jede 0,05 T Erhöhung der magnetischen Flussdichte steigt der Leerlauflärm um etwa 2 dB(A) und der Transformatorlärm um 5 dB(A)[1]. Daher sollte die magnetische Flussdichte von amorphen Trocken-Transformern vernünftig ausgewählt werden, um Lärmminderung zu erreichen. Unter normalen Umständen reicht eine magnetische Flussdichte von weniger als 1,25 T für amorphen Trocken-Transformer aus.

Allerdings, wenn man die besondere Situation der hohen Passagierdichte in U-Bahnen berücksichtigt, sollte der Lärmpegel sogar noch weiter gesenkt werden, und die magnetische Flussdichte wird in der Regel auf weniger als 1,2 T festgelegt. Darüber hinaus muss der Lärm von amorphen Trocken-Transformern durch die Optimierung der Struktur unterdrückt werden. Zum Beispiel sollte in dem Rahmen, der aus Kern und Klemmstücken besteht, ausreichend Platz gelassen werden, um übermäßigen Druck auf den Kern zu vermeiden und die Steigerung der Kernvibration zu kontrollieren. Schallschluckende Materialien sollten auch zwischen dem Kern und dem Rahmen gepolstert werden, um den Lärm effektiv zu reduzieren.

Während des Transports und der Installation sollten amorphen Trocken-Transformern strikt nach den Betriebsanweisungen und -verfahren vorgegangen werden, um Situationen wie Belastung oder Beschädigung des Kerns zu vermeiden.

Wirtschaftliche Leistungsanalyse von amorphen Trocken-Transformern

Amorphe Trocken-Transformator haben offensichtliche Energiespareffekte. Die folgende wirtschaftliche Analyse bezieht sich auf SCBH15-Typ amorphen Trocken-Transformator und SCB10-Typ Siliziumstahlblech-Verteilungstransformator mit unterschiedlichen Kapazitäten. Der Vergleich erfolgt in Bezug auf den Wert der amorphen Materialien und Siliziumstahlbleche, jährliche Stromkosteneinsparungen, die Anzahl der Jahre, um die zusätzlichen Kosten zurückzuholen, und Kosteneinsparungen, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Aus Tabelle 1 geht hervor, dass amorphen Trocken-Transformator im Vergleich zu traditionellen Siliziumstahlblech-Transformator mehr Vorteile in Bezug auf Energieeinsparungen bieten. In Betriebskosten übersetzt, ist dies sehr bemerkenswert. Die maximale Anzahl der Jahre, um die zusätzlichen Kosten zurückzuholen, beträgt nur 5 Jahre, was großartige Anwendungsaussichten zeigt.

Anwendung und Wirkung von amorphen Trocken-Transformern in U-Bahnen
Anwendung von amorphen Trocken-Transformern in U-Bahnen

Durch die Erläuterung der Struktur und des Prinzips von amorphen Trocken-Transformern und die wirtschaftliche Leistungsanalyse, in Verbindung mit der Ingenieurbausituation der Linie 14 der Peking-U-Bahn, sollte für die Anwendungsschemata von amorphen Trocken-Transformern, insbesondere auf technische Aspekte wie die Kurzschlussbelastbarkeit, Lärmdämpfung, Verlustindizes und Installationspläne, intensiv geforscht werden, um die gute Energiespareigenschaften von amorphen Trocken-Transformern voll auszuschöpfen und die Energieeinsparungsstufe der U-Bahnen zu verbessern.

Wirkung der vor Ort implementierten Maßnahmen

Am Beispiel des in Betrieb genommenen SCBH15-800/10/0,4-amorphen Trocken-Transformers auf der Linie 14 der U-Bahn, verglichen mit dem SCB10-800/10,0,4-trockenen Transformator, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Die jährliche Reduktion des Stromverbrauchs pro Einheit kann wie folgt berechnet werden:

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

Durch Berechnung kann man sehen, dass der Energiespareffekt von amorphen Trocken-Transformern relativ deutlich ist.

Relevante Vorschläge für den langfristigen Online-Betrieb

Für den langfristigen Betrieb von amorphen Trocken-Transformern auf U-Bahnlinien sollten deren Design, Herstellung, Wartung und Überholung sorgfältig gemäß ihren einzigartigen Eigenschaften durchgeführt werden. Der Autor gibt die folgenden Vorschläge:

• Angesichts der relativ niedrigen magnetischen Sättigungsstärke der amorphen Legierungsmaterialien und ihrer größeren Magnetostriction sollte die Nennmagnetflussdichte im Produktdesign nicht zu hoch eingestellt werden. Im Allgemeinen ist es ratsam, einen Wert unter 1,2 T zu wählen.

• Im gesamten Design- und Fertigungsprozess muss die Kurzschlussbelastbarkeit von amorphen Trocken-Transformern angemessen beachtet werden. Diese sollte durch Mittel wie Prozessverfeinerung und Strukturoptimierung verbessert werden.

• Amorphe Legierungen zeigen extreme Empfindlichkeit gegenüber mechanischem Druck. Daher sollte in der Strukturplanung der herkömmliche Ansatz vermieden werden, der den Kern als Haupttragkomponente verwendet.

• Um exzellente Eigenschaften mit geringen Verlusten zu erreichen, ist die Glühbehandlung des amorpher Legierungskerns ein unerlässlicher Prozess.

• Regelmäßige Wartung und Reparatur von amorphen Trocken-Transformern sind notwendig. Dies hilft, potenzielle Sicherheitsrisiken zu beseitigen und die Lebensdauer der Transformatoren zu verlängern.

Fazit

Im Kontext der intensiven Förderung von Energieeinsparung und Emissionsreduzierung durch den Staat machen alle Branchen große Anstrengungen, den Energieverbrauch zu senken. Als bedeutender Stromverbraucher in städtischen Stromnetzen entspricht die weite Verbreitung von amorphen Trocken-Transformern in U-Bahnen den nationalen Industriepolitiken und bietet breite Anwendungsaussichten.

Es ist zu beachten, dass die Kosten für Verteilungstransformatoren mit amorphen Legierungskernen höher sind als die für traditionelle Verteilungstransformatoren mit Siliziumstahlblechen, und ihre Installation hat auch bestimmte einzigartige Merkmale. Daher sollte ein rationales Transformatorauswahlprogramm auf der Grundlage einer umfassenden Analyse der regionalen und spezifischen Linienbedingungen formuliert werden.

Da Verteilungstransformatoren mit amorphen Legierungskernen hohe Standards in Bezug auf Design- und Fertigungsprozesse erfordern, ist es ratsam, bei der Wahl von Lieferanten Unternehmen zu bevorzugen, die eine erfolgreiche Anwendungsnachweise und fortschrittliche technische Fähigkeiten besitzen.