Aplicación de transformadores de distribución de aleación amorfa en el sistema de suministro eléctrico METRO
En los últimos años, con el rápido desarrollo de la escala del tránsito ferroviario urbano en China, la carga eléctrica y de iluminación de los subterráneos ha aumentado rápidamente, y el problema del consumo de energía por las pérdidas propias de los transformadores de distribución se ha vuelto cada vez más prominente. Con el telón de fondo de la promoción nacional de la conservación de energía y la protección ambiental, los transformadores de núcleo de aleación amorfa, que utilizan cintas de aleación amorfa con excelente conductividad magnética como material conductor magnético, han logrado pérdidas y corrientes en vacío relativamente bajas, convirtiéndose así en una de las direcciones de desarrollo de los transformadores ahorradores de energía. Tomando como referencia la Línea 14 del Metro de Beijing, este artículo comienza con los principios, estructuras y características técnicas de los transformadores de distribución de núcleo de aleación amorfa tipo seco (en adelante, "transformadores secos amorfos"), describe brevemente los efectos de la implementación in situ y presenta sugerencias relevantes para la operación a largo plazo, con el objetivo de proporcionar referencias y experiencias para la selección y aplicación de transformadores de distribución en subterráneos.
Estructura y Principio de Funcionamiento de los Transformadores Secos Amorfos
Estructura de los Transformadores Secos Amorfos
Los transformadores de distribución de aleación amorfa seleccionan una aleación amorfa con propiedades magnéticas blandas como material del núcleo. Tienen alta intensidad de inducción magnética de saturación, pérdidas ultra bajas, corriente de excitación baja y coercitividad baja, y son transformadores ahorradores de energía y ecológicos con buena estabilidad. Los transformadores secos amorfos combinan las características de los transformadores secos tipo resina epoxi, como bajo contenido de halógenos, retardancia al fuego, baja generación de humo y propiedades autodesaparecibles, con las ventajas de baja pérdida de las cintas de aleación amorfa, lo que les permite satisfacer mejor las necesidades de entornos públicos como los subterráneos.
Las cintas de aleación amorfa son un tipo de material conductor magnético delgado (con un espesor de aproximadamente 0,03 mm) y frágil. Por lo tanto, es razonable diseñarlas en una estructura de núcleo enrollado. Actualmente, las estructuras de los transformadores secos amorfos de resina epoxi se dividen principalmente en dos categorías, a saber, la estructura trifásica de tres patas y la estructura trifásica de cinco patas, como se muestra en la Figura 1. El núcleo de la estructura trifásica de cinco patas se forma combinando cuatro marcos, como se muestra en la Figura 2a; el núcleo de la estructura trifásica de tres patas se forma combinando tres marcos, como se muestra en la Figura 2b. Dado que la sección transversal del núcleo de los transformadores de aleación amorfa es rectangular, las bobinas de alta y baja tensión generalmente se diseñan en una estructura rectangular con esquinas redondeadas. Además, debido a que la densidad de flujo magnético y el factor de laminación del núcleo de aleación amorfa son inferiores a los de las láminas de acero silicio, el volumen del núcleo de aleación amorfa es mucho mayor que el de un núcleo de lámina de acero silicio de la misma capacidad. Los transformadores secos amorfos en cierta línea de metro adoptan un diseño de núcleo trifásico de cinco patas, que tiene las ventajas de una buena disipación de calor, una estructura compacta en general y un volumen relativamente pequeño.
Principio de Funcionamiento de los Transformadores Secos Amorfos
Los cristales del material del núcleo de aleación amorfa, el acero silicio, son más propicios para la magnetización y desmagnetización debido a su estructura y características. Una aleación amorfa típica contiene aproximadamente 80% de hierro, con otros componentes principales como silicio y boro. Numerosas pruebas han demostrado que la temperatura de cristalización de la aleación amorfa es 550°C, y la temperatura de Curie es de aproximadamente 415°C. Estas temperaturas pueden cumplir con los requisitos para el procesamiento de la aleación amorfa, el recocido después de la formación del núcleo, la temperatura de funcionamiento normal y la temperatura térmicamente estable durante cortocircuitos, por lo que no hay problemas en la aplicación de los transformadores secos amorfos.
Tomando como ejemplo un transformador de distribución de aleación amorfa trifásico, de cuatro marcos y cinco patas, dado que cada bobinado está montado sobre dos marcos con circuitos magnéticos independientes, el flujo magnético de cada marco consta de flujo magnético fundamental y algunos flujos magnéticos armónicos de tercera orden. La relación entre el armónico de tercera orden y el fundamental depende de la densidad de flujo magnético nominal. Sin embargo, los flujos magnéticos armónicos de tercera orden en los dos marcos del núcleo de una bobina son opuestos en fase e iguales en valor. Por lo tanto, el vector de flujo magnético armónico de tercera orden en cada bobina es cero. Cuando la bobina de alta tensión está conectada en configuración delta (D), hay un camino para la corriente armónica de tercera orden en la bobina. Como resultado, generalmente no hay un componente de voltaje armónico de tercera orden en la onda de voltaje inducida en el lado secundario. Sin embargo, la pérdida en vacío en cada marco todavía se ve afectada por la corriente armónica de tercera orden dentro de ese marco. Las dos quillas laterales de esta estructura pueden proporcionar un camino para el componente de secuencia cero o armónicos de orden superior en el flujo magnético.
Características Técnicas Principales de los Transformadores Secos Amorfos
Características de los Transformadores Secos Amorfos
Las cintas de aleación amorfa son extremadamente sensibles a la presión. Una vez dañadas, no pueden recuperarse. Por lo tanto, durante el proceso de fabricación, se deben garantizar los siguientes dos puntos: Primero, el núcleo solo soporta su propio peso, y el peso de las bobinas de alta y baja tensión se soporta mediante componentes de estructura de acero como la base, las piezas de sujeción superior e inferior. Segundo, la capacidad de resistencia a cortocircuitos se mejora a través de un diseño estructural optimizado.
Las bobinas de estructura rectangular de los transformadores secos amorfos no están tan uniformemente sometidas a tensión como las bobinas circulares. Cuando el transformador soporta corriente de cortocircuito, la dirección del eje largo es más propensa a deformarse. En la producción real, las bobinas de alta tensión son cables de estructura rígida fundidos con resina epoxi y fijados en la capa de resina. Cálculos de estabilidad dinámica y térmica, así como simulaciones prácticas, han demostrado que las bobinas de alta tensión pueden soportar la fuerza electrodinámica durante los cortocircuitos.
Las bobinas de baja tensión generalmente están enrolladas con láminas de cobre y tienen una estructura de sellado final de resina epoxi termocurada, con una rigidez ligeramente menor. Son propensas a la deformación durante los cortocircuitos, sometiendo las cintas de aleación amorfa a tensión. Por lo tanto, durante el proceso de diseño, se debe evitar una gran relación entre los ejes largo y corto de las bobinas de baja tensión. Además, durante el proceso de ensamblaje, deben colocarse espaciadores de apoyo entre el núcleo y las bobinas de baja tensión para mejorar la capacidad de resistencia a cortocircuitos.
El ruido de un transformador proviene principalmente de la magnetoestrictión del núcleo. La magnetoestrictión de la aleación amorfa es aproximadamente 10% mayor que la de las láminas de acero silicio. Al comparar las normas nacionales "JB/T 10088 - 2004 Niveles de Sonido para Transformadores de Potencia de 6 kV - 500 kV" y "GB/T 22072 - 2008 Parámetros Técnicos y Requisitos para Transformadores de Distribución de Núcleo de Aleación Amorfa Tipo Seco", se puede ver que los requisitos de ruido para los transformadores de distribución de núcleo de aleación amorfa tipo seco en las normas nacionales son los mismos que para los transformadores de núcleo de lámina de acero silicio.
Esto aumenta la dificultad de fabricación de los transformadores secos amorfos. Sin embargo, a través del diseño racional de la estructura de los transformadores secos amorfos, el ruido aún puede controlarse dentro del rango de la norma nacional. La densidad de flujo magnético es un factor importante que afecta el ruido de los transformadores secos amorfos.
Por cada aumento de 0,05 T en la densidad de flujo magnético, el ruido en vacío aumenta aproximadamente 2 dB(A), y el ruido del transformador aumenta 5 dB(A)[1]. Por lo tanto, la densidad de flujo magnético de los transformadores secos amorfos debe seleccionarse de manera razonable para lograr una reducción del ruido. En circunstancias normales, una densidad de flujo magnético inferior a 1,25 T es suficiente para los transformadores secos amorfos.
Sin embargo, considerando la situación especial de alta densidad de pasajeros en los subterráneos, el nivel de ruido debe controlarse aún más, y la densidad de flujo magnético generalmente se selecciona inferior a 1,2 T. Además, el ruido de los transformadores secos amorfos necesita ser suprimido optimizando la estructura. Por ejemplo, se debe dejar espacio adecuado en el marco compuesto por el núcleo y las piezas de sujeción para evitar una tensión excesiva en el núcleo y controlar el aumento de la vibración del núcleo. También se deben colocar materiales absorbentes de sonido entre el núcleo y el marco para reducir eficazmente el ruido.
Durante el transporte e instalación, los transformadores secos amorfos deben operarse estrictamente de acuerdo con las especificaciones y procedimientos de operación para evitar situaciones como que el núcleo se someta a tensión o golpes.
Análisis de Rendimiento Económico de los Transformadores Secos Amorfos
Los transformadores secos amorfos tienen efectos de ahorro de energía evidentes. A continuación, se realiza un análisis económico de los transformadores secos amorfos tipo SCBH15 y los transformadores de distribución de lámina de acero silicio tipo SCB10 con diferentes capacidades. La comparación se realiza en términos del valor de los materiales de aleación amorfa y de lámina de acero silicio, el ahorro anual en costos de electricidad, el número de años para recuperar el costo adicional y el ahorro de costos, como se muestra en la Tabla 1.
Se puede observar en la Tabla 1 que los transformadores secos amorfos tienen más ventajas en cuanto al ahorro de energía en comparación con los transformadores tradicionales de lámina de acero silicio. Traducido en costos de operación, es bastante notable. El número máximo de años para recuperar el costo adicional es solo 5 años, lo que muestra grandes perspectivas de aplicación.
Aplicación y Efecto de los Transformadores Secos Amorfos en Subterráneos
Aplicación de los Transformadores Secos Amorfos en Subterráneos
A través de la elaboración de la estructura y el principio de los transformadores secos amorfos y el análisis de rendimiento económico, combinado con la situación de ingeniería de la Línea 14 del Metro de Beijing, para el esquema de aplicación de los transformadores secos amorfos, se debe realizar una investigación clave en aspectos técnicos como la capacidad de resistencia a cortocircuitos, el control de ruido, el índice de pérdidas y el esquema de instalación de los transformadores secos amorfos, para aprovechar al máximo el buen rendimiento de ahorro de energía de los transformadores secos amorfos y mejorar el nivel de ahorro de energía en los subterráneos.
Efecto de Implementación In Situ
Tomando como ejemplo el transformador seco amorfo SCBH15-800/10/0.4 que ya está en operación en la Línea 14 del metro, en comparación con el transformador seco SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. El ahorro anual de energía de una unidad se puede calcular de la siguiente manera:
ΔWk = 8 760×(1,05 + 0,62×0) = 9 198 kW·h
A través del cálculo, se puede ver que el efecto de ahorro de energía de los transformadores secos amorfos es relativamente evidente.
Sugerencias Relevantes para la Operación a Largo Plazo en Línea
Para la operación a largo plazo de los transformadores secos amorfos en las líneas de metro, su diseño, producción, mantenimiento y revisión deben realizarse meticulosamente de acuerdo con sus características únicas. El autor presenta las siguientes sugerencias:
Dado que la densidad de saturación magnética de los materiales de aleación amorfa es relativamente baja y su magnetoestrictión es relativamente grande, durante el diseño del producto, la densidad de flujo magnético nominal no debe establecerse demasiado alta. Generalmente, es preferible seleccionar un valor inferior a 1,2 T.
A lo largo de los procesos de diseño y producción, se debe prestar la debida atención a la capacidad de resistencia a cortocircuitos de los transformadores secos amorfos. Esta capacidad debe mejorarse mediante medios como el refinamiento del proceso y la optimización estructural.
Las aleaciones amorfas muestran una extrema sensibilidad al estrés mecánico. Por lo tanto, en el diseño estructural, es necesario evitar el enfoque de diseño tradicional que utiliza el núcleo como el componente principal de soporte de carga.
Para lograr excelentes características de baja pérdida, el recocido del núcleo de aleación amorfa es un proceso indispensable.
El mantenimiento y reparación regulares de los transformadores secos amorfos son esenciales. Esto ayuda a eliminar posibles peligros de seguridad y prolongar la vida útil de los transformadores.
Conclusión
Ante el telón de fondo de la promoción vigorosa del ahorro de energía y la reducción de emisiones a nivel nacional, todas las industrias están haciendo esfuerzos arduos para reducir el consumo de energía. Como un consumidor significativo de electricidad dentro de las redes urbanas, la adopción generalizada de transformadores secos amorfos en los subterráneos está en línea con las políticas industriales nacionales y tiene amplias perspectivas de aplicación.
Es importante tener en cuenta que el costo de los transformadores de distribución de aleación amorfa es mayor que el de los transformadores tradicionales de lámina de acero silicio, y su instalación también tiene ciertas características únicas. Por lo tanto, se debe formular un esquema de selección de transformadores razonable basado en un análisis integral de las condiciones regionales y específicas de la línea.
Dado que los transformadores de distribución de aleación amorfa requieren un alto estándar de procesos de diseño y producción, al elegir proveedores, es aconsejable optar por empresas que tengan un historial de aplicaciones exitosas y posean capacidades técnicas avanzadas.
