ترکیب ترانسفورماتور توزیع آلیاژ آmorphous در سیستم تأمین برق METRO

در سال‌های اخیر، با توسعه سریع مقیاس حمل و نقل ریلی شهری در چین، بار الکتریکی و روشنایی مترو به طور سریع افزایش یافته است و مشکل انرژی الکتریکی مصرف شده توسط خسارات ذاتی ترانسفورماتورهای توزیع بیشتر به نظر می‌رسد. در پس‌زمینه تشویق کشور به صرفه‌جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست، ترانسفورماتورهای هسته آلیاژی آمورف که از نوارهای آلیاژی آمورف با رسانایی مغناطیسی عالی به عنوان مواد مغناطیسی استفاده می‌کنند، کم‌باری خالی و جریان خالی نسبتاً کم داشته و بنابراین یکی از جهات توسعه ترانسفورماتورهای صرفه‌جویی در انرژی شده‌اند. با توجه به خط ۱۴ مترو پکن، این مقاله با اصول، ساختارها و ویژگی‌های فنی ترانسفورماتورهای توزیع هسته آلیاژی آمورف خشک (از این پس به "ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف" اشاره خواهد شد) شروع می‌شود، اثرات اجرایی محلی را به طور خلاصه توصیف می‌کند و پیشنهادات مربوط به عملکرد بلندمدت ارائه می‌دهد تا مرجع و تجربه برای انتخاب و کاربرد ترانسفورماتورهای توزیع در مترو ارائه شود.
ساختار و اصل کار ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف
ساختار ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف
ترانسفورماتورهای توزیع آلیاژی آمورف یک آلیاژ آمورف با ویژگی‌های مغناطیسی نرم را به عنوان ماده هسته‌ای انتخاب می‌کنند. این آلیاژ دارای قابلیت القای مغناطیسی اشباع بالا، کم‌باری بسیار کم، جریان برانگیز کم و ضریب کوانتانس کم است و یک ترانسفورماتور صرفه‌جویی در انرژی و محیط زیست با پایداری خوب است. ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف ویژگی‌های ترانسفورماتورهای خشک ریزپوششی اپوکسی مانند محتوای کم هلوجن، مقاومت در برابر آتش، تولید دود کم و خاموش شدن خودکار را با مزیت کم‌باری نوارهای آلیاژی آمورف ترکیب می‌کنند تا بهترین نحو ممکن نیازهای محیط‌های عمومی مانند مترو را برآورده کنند.

نوارهای آلیاژی آمورف نوعی از مواد مغناطیسی نازک (با ضخامت حدود ۰/۰۳ میلی‌متر) و شکننده هستند. بنابراین، طراحی آن‌ها به ساختار پیچیده مناسب است. در حال حاضر، ساختارهای ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف ریزپوششی اپوکسی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: ساختار سه‌فاز سه‌پایه و ساختار سه‌فاز پنج‌پایه، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. هسته ساختار سه‌فاز پنج‌پایه از ترکیب چهار قاب تشکیل شده است، همانطور که در شکل ۲a نشان داده شده است؛ هسته ساختار سه‌فاز سه‌پایه از ترکیب سه قاب تشکیل شده است، همانطور که در شکل ۲b نشان داده شده است. از آنجا که مقطع هسته ترانسفورماتورهای آلیاژی آمورف مستطیلی است، سیم‌پیچ‌های فشار بالا و پایین معمولاً به ساختار مستطیلی با گوشه‌های گرد طراحی می‌شوند. همچنین، چون چگالی جریان مغناطیسی و عامل لایه‌بندی هسته آلیاژی آمورف کمتر از نوارهای فولاد سیلیسی است، حجم هسته آلیاژی آمورف بسیار بیشتر از حجم هسته فولاد سیلیسی با ظرفیت مشابه است. ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف در یک خط مترو خاص از طراحی هسته سه‌فاز پنج‌پایه استفاده می‌کنند که مزایای تảnش خوب، ساختار کلی فشرده و حجم نسبتاً کم را دارد.

اصل کار ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف

بلورهای ماده هسته آلیاژی آمورف، فولاد سیلیسی، به دلیل ساختار و ویژگی‌های خود، به مغناطیس‌کردن و دموغناطیس‌کردن بیشتر مساعد هستند. یک آلیاژ آمورف معمولی شامل حدود ۸۰٪ آهن است و سایر مولفه‌های اصلی آن موادی مانند سیلیکون و بور هستند. آزمایش‌های زیادی نشان داده‌اند که دمای بلوری شدن آلیاژ آمورف ۵۵۰ درجه سلسیوس است و دمای کوری حدود ۴۱۵ درجه سلسیوس است. این دماها می‌توانند نیازهای پردازش آلیاژ آمورف، حرارت‌پزی پس از شکل‌دهی هسته، دمای عملیاتی معمولی و دمای پایدار حرارتی در حالت کوتاه مدار را برآورده کنند، بنابراین در کاربرد ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف مشکلی وجود ندارد.

به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور توزیع آلیاژی آمورف سه‌فاز چهار قاب پنج‌پایه، از آنجا که هر سیم‌پیچ روی دو قاب با مسیرهای مغناطیسی مستقل نصب شده است، جریان مغناطیسی هر قاب شامل جریان مغناطیسی موج اساسی و برخی از جریان مغناطیسی هارمونیک سوم است. نسبت هارمونیک سوم به موج اساسی بستگی به چگالی مغناطیسی اسمی دارد. با این حال، جریان‌های مغناطیسی هارمونیک سوم در دو قاب هسته یک سیم‌پیچ در فاز مخالف و در مقدار مساوی هستند. بنابراین، بردار جریان مغناطیسی هارمونیک سوم در هر سیم‌پیچ صفر است. وقتی که سیم‌پیچ فشار بالا به شکل دلتا (D) متصل می‌شود، مسیری برای جریان هارمونیک سوم در سیم‌پیچ وجود دارد. بنابراین، معمولاً هیچ مولفه ولتاژ هارمونیک سوم در موج ولتاژ القایی جانب دوم وجود ندارد. با این حال، کم‌باری خالی در هر قاب هنوز تحت تأثیر جریان هارمونیک سوم داخل آن قاب است. دو یوک سمت این ساختار می‌توانند مسیری برای مولفه صفر یا هارمونیک‌های مرتبه بالاتر در جریان مغناطیسی فراهم کنند.

ویژگی‌های فنی اصلی ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف
ویژگی‌های ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف

نوارهای آلیاژی آمورف به فشار بسیار حساس هستند. یک بار آسیب دیده، قابل بازیابی نیستند. بنابراین، در طی فرآیند تولید، دو نکته زیر باید تضمین شود: اولاً، هسته فقط وزن خود را تحمل کند و وزن سیم‌پیچ‌های فشار بالا و پایین توسط اجزای ساختاری فولادی مانند پایه، قطعات بالا و پایین خمیده پشتیبانی شود. ثانیاً، توان تحمل کوتاه مدار از طریق طراحی ساختار بهینه افزایش یابد.

سیم‌پیچ‌های مستطیلی ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف به اندازه سیم‌پیچ‌های دایره‌ای تحت فشار یکنواخت نیستند. وقتی ترانسفورماتور جریان کوتاه مدار را تحمل می‌کند، جهت محور طولی بیشتر معرض تغییر شکل است. در تولید واقعی، سیم‌پیچ‌های فشار بالا با سیم‌های سخت‌ساختاری شده با رزین اپوکسی ریخته و در لایه رزین ثابت شده‌اند. محاسبات پایداری دینامیکی و حرارتی و شبیه‌سازی‌های عملی نشان داده‌اند که سیم‌پیچ‌های فشار بالا می‌توانند نیروی الکترومغناطیسی در حالت کوتاه مدار را تحمل کنند.

سیم‌پیچ‌های فشار پایین بیشتر با نوارهای مسی پیچیده شده و دارای ساختار پایانی رزین اپوکسی خشک‌شده‌اند که کمی کمتر سخت هستند. آن‌ها در حالت کوتاه مدار می‌توانند تغییر شکل دهند و نوارهای آلیاژی آمورف را تحت فشار قرار دهند. بنابراین، در طی فرآیند طراحی، نباید نسبت بزرگی بین محورهای طولی و کوتاه سیم‌پیچ‌های فشار پایین ایجاد شود. علاوه بر این، در طی فرآیند مونتاژ، باید فاصله‌گذارهای پشتیبانی بین هسته و سیم‌پیچ‌های فشار پایین قرار داده شود تا توان تحمل کوتاه مدار افزایش یابد.

صداهای ترانسفورماتور اغلب از مغناطیس‌کشی هسته ناشی می‌شوند. مغناطیس‌کشی آلیاژ آمورف حدود ۱۰٪ بیشتر از فولاد سیلیسی است. با مقایسه استانداردهای ملی "JB/T 10088-2004 سطح صدای ترانسفورماتورهای قدرت ۶ کیلو‌ولت تا ۵۰۰ کیلو‌ولت" و "GB/T 22072-2008 پارامترهای فنی و نیازهای ترانسفورماتورهای توزیع هسته آلیاژی آمورف خشک"، می‌توان دید که نیازهای صوتی ترانسفورماتورهای توزیع هسته آلیاژی آمورف خشک در استانداردهای ملی با ترانسفورماتورهای توزیع هسته فولاد سیلیسی خشک یکسان است.

این موضوع سختی تولید ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف را افزایش می‌دهد. با این حال، با طراحی مناسب ساختار ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف، صدا می‌تواند همچنان در محدوده استاندارد ملی کنترل شود. چگالی مغناطیسی یک عامل مهم در تاثیر بر صدای ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف است.

برای هر ۰/۰۵ تسلا افزایش در چگالی مغناطیسی، صدای خالی حدود ۲ دسی‌بل (A) افزایش می‌یابد و صدای ترانسفورماتور ۵ دسی‌بل (A) افزایش می‌یابد [۱]. بنابراین، چگالی مغناطیسی ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف باید به طور مناسب انتخاب شود تا کاهش صدا به دست آید. در شرایط عادی، چگالی مغناطیسی کمتر از ۱/۲۵ تسلا برای ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف کافی است.

با این حال، با توجه به وضعیت ویژه چگالی بالای مسافران در مترو، سطح صدا باید حتی کمتر کنترل شود و معمولاً چگالی مغناطیسی کمتر از ۱/۲ تسلا انتخاب می‌شود. علاوه بر این، صدای ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف باید با بهینه‌سازی ساختار کاهش یابد. به عنوان مثال، فضای مناسبی باید در قاب تشکیل شده از هسته و قطعات خمیده باقی بماند تا فشار بیش از حد بر هسته و کنترل افزایش ارتعاش هسته اجتناب شود. مواد جاذب صدا باید بین هسته و قاب قرار داده شود تا صدا به طور مؤثر کاهش یابد.

در حین حمل و نصب، ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف باید به طور دقیق و طبق دستورالعمل‌ها و روش‌های عملیاتی انجام شوند تا از وضعیت‌هایی مانند فشار بر هسته یا ضربه به هسته اجتناب شود.

تحلیل عملکرد اقتصادی ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف

ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف اثرات صرفه‌جویی در انرژی واضحی دارند. در ادامه، تحلیل اقتصادی ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف نوع SCBH15 و ترانسفورماتورهای توزیع فولاد سیلیسی نوع SCB10 با ظرفیت‌های مختلف انجام شده است. مقایسه از نظر ارزش مواد آلیاژی و فولاد سیلیسی، صرفه‌جویی سالانه در هزینه برق، تعداد سال‌های بازیابی هزینه اضافی و صرفه‌جویی هزینه انجام شده است، همانطور که در جدول ۱ نشان داده شده است.

می‌توان از جدول ۱ دید که ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف نسبت به ترانسفورماتورهای فولاد سیلیسی سنتی مزیت‌های بیشتری در صرفه‌جویی در انرژی دارند. به صورت هزینه‌های عملیاتی، این مورد بسیار قابل توجه است. حداکثر تعداد سال‌های بازیابی هزینه اضافی تنها ۵ سال است که نشان‌دهنده آینده کاربردی بسیار خوبی است.

کاربرد و اثر ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف در مترو
کاربرد ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف در مترو

با توضیح ساختار و اصل کار ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف و تحلیل عملکرد اقتصادی، در ترکیب با وضعیت مهندسی خط ۱۴ مترو پکن، برای طرح کاربرد ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف، باید تحقیقات کلیدی در مورد جنبه‌های فنی مانند توان تحمل کوتاه مدار، کنترل صدا، شاخص‌های کم‌باری و طرح نصب ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف انجام شود تا عملکرد صرفه‌جویی در انرژی خوب ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف به طور کامل به کار گرفته شود و سطح صرفه‌جویی در انرژی مترو افزایش یابد.

اثر اجرایی محلی

با توجه به ترانسفورماتور خشک آلیاژی آمورف SCBH15-800/10/0.4 که در خط ۱۴ مترو به کار گرفته شده است، در مقایسه با ترانسفورماتور خشک SCB10-800/10.0.4، ΔP0 = ۱.۰۵ کیلووات؛ ΔPk = ۰. کاهش مصرف انرژی سالانه یک واحد می‌تواند به صورت زیر محاسبه شود:

ΔWk = ۸۷۶۰×(۱.۰۵ + ۰.۶۲×۰) = ۹۱۹۸ کیلووات‌ساعت

با محاسبه می‌توان دید که اثر صرفه‌جویی در انرژی ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف نسبتاً مشهود است.

پیشنهادات مربوط به عملکرد بلندمدت آنلاین

برای عملکرد بلندمدت ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف در خطوط مترو، طراحی، تولید، نگهداری و تعمیر آن‌ها باید به طور دقیق و با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد آن‌ها انجام شود. نویسنده پیشنهادات زیر را ارائه می‌دهد:

• با توجه به اینکه چگالی اشباع مغناطیسی مواد آلیاژی آمورف نسبتاً کم و مغناطیس‌کشی آن‌ها نسبتاً زیاد است، در طراحی محصول، چگالی مغناطیسی اسمی نباید بسیار بالا تنظیم شود. به طور کلی، مقداری کمتر از ۱/۲ تسلا مطلوب است.

• در طول فرآیندهای طراحی و تولید، باید توجه ویژه‌ای به توان تحمل کوتاه مدار ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف داده شود. این توان باید از طریق روش‌هایی مانند تکامل فرآیند و بهینه‌سازی ساختار افزایش یابد.

• آلیاژهای آمورف به فشار مکانیکی بسیار حساس هستند. بنابراین، در طراحی ساختاری، باید از رویکرد طراحی سنتی که هسته را به عنوان مؤلفه اصلی تحمل بار می‌داند، پرهیز کرد.

• برای دستیابی به ویژگی‌های کم‌باری عالی، حرارت‌پزی هسته آلیاژی آمورف یک فرآیند ضروری است.

• نگهداری و تعمیر منظم ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف ضروری است. این کار به حذف خطرات احتمالی و افزایش طول عمر ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف کمک می‌کند.

نتیجه‌گیری

در پس‌زمینه ترویج گسترده صرفه‌جویی در انرژی و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای توسط کشور، تمامی صنایع در حال تلاش برای کاهش مصرف انرژی هستند. به عنوان یک مصرف‌کننده مهم انرژی در شبکه‌های برق شهری، گسترش گسترده ترانسفورماتورهای خشک آلیاژی آمورف در مترو با سیاست‌های صنعتی ملی سازگار است و آینده کاربردی گسترده‌ای دارد.

باید توجه داشت که هزینه ترانسفورماتورهای توزیع آلیاژی آمورف بیشتر از ترانسفورماتورهای فولاد سیلیسی سنتی است و نصب آن‌ها نیز ویژگی‌های خاص خود را دارد. بنابراین، باید یک طرح انتخاب ترانسفورماتور منطقی بر اساس تجزیه و تحلیل جامع شرایط منطقه‌ای و خطی تدوین شود.

از آنجا که ترانسفورماتورهای توزیع آلیاژی آمورف نیازمند استانداردهای بالای طراحی و فرآیندهای تولید هستند، در زمان انتخاب تأمین‌کنندگان، توصیه می‌شود به شرکت‌هایی که سابقه موفقیت‌های کاربردی دارند و توانایی‌های فنی پیشرفته را دارا هستند، ترجیح داده شود.