کاربرد ترانسفورماتور توزیع آلیاژ ناپایدار در سیستم تأمین برق مترو

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 مصرف انرژی الکتریکی توسط خسارات ذاتی ترانسفورماتورهای توزیع بیشتر شده است. در پشت‌زمینه تشویق کشور به صرفه‌جویی در انرژی و حفاظت از محیط زیست، ترانسفورماتورهای هسته آلیاژی آمورف که از نوارهای آلیاژی آمورف با هدایت مغناطیسی عالی به عنوان مواد هدایت‌کننده مغناطیسی استفاده می‌کنند، خسارات بدون بار و جریان‌های بدون بار نسبتاً کم داشته و بنابراین یکی از جهات توسعه ترانسفورماتورهای صرفه‌جویی در انرژی شده‌اند. با توجه به خط ۱۴ مترو پکن به عنوان پشت‌زمینه، این مقاله با اصول، ساختارها و ویژگی‌های فنی ترانسفورماتورهای توزیع هسته آلیاژی آمورف خشک (از این پس "ترانسفورماتورهای خشک آمورف" نامیده می‌شود) شروع می‌کند، اثرات عملیاتی محلی را به طور خلاصه توصیف می‌کند و پیشنهادات مربوط به عملیات بلندمدت را مطرح می‌کند تا مرجع و تجربه‌ای برای انتخاب و کاربرد ترانسفورماتورهای توزیع در مترو ارائه دهد.
ساختار و اصل کار ترانسفورماتورهای خشک آمورف
ساختار ترانسفورماتورهای خشک آمورف
ترانسفورماتورهای توزیع آلیاژی آمورف از یک آلیاژ آمورف با خاصیت مغناطیسی نرم به عنوان ماده هسته‌ای انتخاب می‌کنند. این آلیاژ دارای قابلیت القای مغناطیسی اشباع بالا، خسارات بسیار کم، جریان تحریک کم و ضریب کویرسی کم است و یک ترانسفورماتور صرفه‌جویی در انرژی و محیط زیست با پایداری خوب است. ترانسفورماتورهای خشک آمورف ویژگی‌های ترانسفورماتورهای خشک ریزپودری اپوکسی مانند محتوای کم هالوژن، مقاومت در برابر آتش، تولید دود کم و خاصیت خودنشانه را با مزیت‌های خسارت کم نوارهای آلیاژی آمورف ترکیب می‌کنند که به آنها اجازه می‌دهد بهترین نیازهای محیط‌های عمومی مانند مترو را برآورده کنند.

نوارهای آلیاژی آمورف نوعی مواد هدایت‌کننده مغناطیسی نازک (با ضخامت حدود ۰.۰۳ میلی‌متر) و لخت هستند. بنابراین، طراحی آنها به ساختار پیچیده هسته منطقی است. در حال حاضر، ساختارهای ترانسفورماتورهای خشک آمورف ریزپودری اپوکسی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: ساختار سه‌فاز سه‌پا و ساختار سه‌فاز پنج‌پا، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. هسته ساختار سه‌فاز پنج‌پا از ترکیب چهار قاب تشکیل شده است، همانطور که در شکل ۲a نشان داده شده است؛ هسته ساختار سه‌فاز سه‌پا 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، معمولاً پیچه‌های ولتاژ بالا و پایین به ساختار مستطیلی با گوشه‌های گرد طراحی می‌شوند. همچنین، چون چگالی شار 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 یکسان است. ترانسفورماتورهای خشک آمورف در یک خط مترو خاص از طرح هسته سه‌فاز پنج‌پا استفاده می‌کنند که مزایای خنک‌سازی خوب، ساختار کلی فشرده و حجم نسبتاً کم را دارا هستند.

اصل کار ترانسفورماتورهای خشک آمورف

بلورهای ماده هسته آلیاژی آمورف، فولاد سیلیسی، به دلیل ساختار و خصوصیات خود، به مغناطیس‌کردن و دی‌مغناطیس‌کردن مساعدتر هستند. یک آلیاژ آمورف نمونه شامل حدود ۸۰٪ آهن است و مولفه‌های اصلی دیگر آن موادی مانند سیلیکون و بور هستند. آزمایش‌های متعدد نشان داده‌اند که دمای بلوری آلیاژ آمورف ۵۵۰ درجه سانتیگراد و دمای کوری حدود ۴۱۵ درجه سانتیگراد است. این دماها می‌توانند نیازهای پردازش آلیاژ آمورف، خنثی‌سازی پس از شکل‌دهی هسته، دمای عملیاتی معمولی و دمای ثابت حرارتی در طول خطاها را برآورده کنند، بنابراین در کاربرد ترانسفورماتورهای خشک آمورف مشکلی وجود ندارد.

به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور توزیع آلیاژی آمورف سه‌فاز چهار قاب پنج‌پا، از آنجا که هر پیچه روی دو قاب با مدارهای مغناطیسی مستقل پوشیده شده است، شار مغناطیسی هر قاب شامل شار مغناطیسی موج اساسی و برخی از شار مغناطیسی هارمونیک سوم است. نسبت هارمونیک سوم به موج اساسی به چگالی شار مغناطیسی اسمی بستگی دارد. با این حال، شارهای مغناطیسی هارمونیک سوم در دو قاب هسته یک پیچه در فاز معکوس و در مقدار برابر هستند. بنابراین، بردار شار مغناطیسی هارمونیک سوم در هر پیچه صفر است. وقتی پیچه ولتاژ بالا در پیکربندی دلتا (D) اتصال داده می‌شود، مسیری برای جریان هارمونیک سوم در پیچه وجود دارد. بنابراین، معمولاً هیچ مولفه ولتاژ هارمونیک سوم در موج ولتاژ القایی سمت دوم وجود ندارد. با این حال، خسارت بدون بار در هر قاب هنوز با جریان هارمونیک سوم در آن قاب تحت تأثیر قرار می‌گیرد. دو سینه جانبی این ساختار می‌توانند مسیری برای مولفه توالی صفر یا هارمونیک‌های مرتبه بالاتر در شار مغناطیسی فراهم کنند.

ویژگی‌های فنی اصلی ترانسفورماتورهای خشک آمورف
ویژگی‌های ترانسفورماتورهای خشک آمورف

نوارهای آلیاژی آمورف به فشار بسیار حساس هستند. یک بار خسارت دیده، قابل بازیابی نیستند. بنابراین، در طی فرآیند تولید، دو نکته زیر باید تضمین شود: اولاً، هسته فقط وزن خود را تحمل می‌کند و وزن پیچه‌های ولتاژ بالا و پایین توسط اجزای ساختاری فولادی مانند پایه، قطعات بالا و پایین فشار داده می‌شود. ثانیاً، توان تحمل خطا از طریق طراحی ساختار بهینه افزایش می‌یابد.

پیچه‌های مستطیلی ترانسفورماتورهای خشک آمورف به طور یکنواخت فشار نمی‌بینند مانند پیچه‌های دایره‌ای. وقتی ترانسفورماتور جریان خطا را تحمل می‌کند، جهت محور طولانی بیشتر می‌تواند تغییر شکل کند. در تولید واقعی، پیچه‌های ولتاژ بالا از سیم‌های سخت‌ساختاری شده با رزین اپوکسی و در لایه رزین ثابت شده‌اند. محاسبات پایداری دینامیکی و حرارتی و شبیه‌سازی‌های عملی نشان داده‌اند که پیچه‌های ولتاژ بالا می‌توانند نیروی الکترومغناطیسی در طول خطا را تحمل کنند.

پیچه‌های ولتاژ پایین بیشتر با نوارهای مسی پیچیده شده و دارای ساختار پایانه‌بندی رزین اپوکسی تثبیت‌شده حرارتی هستند که سختی کمتری دارند. آنها در طول خطا می‌توانند تغییر شکل کنند و نوارهای آلیاژی آمورف را تحت فشار قرار دهند. بنابراین، در طی فرآیند طراحی، نباید نسبت بزرگی بین محور طولانی و کوتاه پیچه‌های ولتاژ پایین را انتخاب کرد. علاوه بر این، در طی فرآیند مونتاژ، باید فاصله‌های پشتیبانی بین هسته و پیچه‌های ولتاژ پایین قرار داد تا توان تحمل خطا افزایش یابد.

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

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

برای هر افزایش ۰.۰۵ تسلا در چگالی شار مغناطیسی، صدای بدون بار حدود ۲ دسی‌بل (A) افزایش می‌یابد و صدای ترانسفورماتور ۵ دسی‌بل (A) افزایش می‌یابد [1]. بنابراین، باید چگالی شار مغناطیسی ترانسفورماتورهای خشک آمورف به طور منطقی انتخاب شود تا کاهش صدا به دست آید. در شرایط معمول، چگالی شار مغناطیسی کمتر از ۱.۲۵ تسلا برای ترانسفورماتورهای خشک آمورف کافی است.

با این حال، با توجه به وضعیت خاص تراکم بالای مسافران در مترو، سطح صدا باید حتی کمتر کنترل شود و معمولاً چگالی شار مغناطیسی کمتر از ۱.۲ تسلا انتخاب می‌شود. علاوه بر این، صدای ترانسفورماتورهای خشک آمورف باید با بهینه‌سازی ساختار کاهش یابد. به عنوان مثال، باید فضای مناسبی در قاب تشکیل شده از هسته و قطعات فشار داده شده باقی بماند تا فشار بیش از حد بر هسته و کنترل افزایش ارتعاش هسته را جلوگیری کند. مواد جاذب صدا باید بین هسته و قاب قرار داده شوند تا صدا به طور موثر کاهش یابد.

در طی حمل و نصب، ترانسفورماتورهای خشک آمورف باید به طور دقیق طبق دستورالعمل‌ها و رویه‌های عملیاتی عمل کنند تا از موقعیت‌هایی مانند فشار بر هسته یا ضربه به آن جلوگیری شود.

تحلیل عملکرد اقتصادی ترانسفورماتورهای خشک آمورف

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

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

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

با توضیح ساختار و اصل کار ترانسفورماتورهای خشک آمورف و تحلیل عملکرد اقتصادی آنها، در ترکیب با وضعیت مهندسی خط ۱۴ مترو پکن، برای طرح کاربرد ترانسفورماتورهای خشک آمورف، باید بر اصول فنی مانند توان تحمل خطا، کنترل صدا، شاخص خسارت و طرح نصب ترانسفورماتورهای خشک آمورف تمرکز شود تا عملکرد صرفه‌جویی در انرژی خوب ترانسفورماتورهای خشک آمورف به طور کامل مورد استفاده قرار گیرد و سطح صرفه‌جویی در انرژی مترو افزایش یابد.

اثر عملیاتی محلی

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

ΔWk = ۸ ۷۶۰×(۱.۰۵ + ۰.۶۲×۰) = ۹ ۱۹۸ کیلووات‌ساعت

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

پیشنهادات مربوط به عملیات بلندمدت آنلاین

برای عملیات بلندمدت ترانسفورماتورهای خشک 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 مطرح می‌کند:

• با توجه به اینکه چگالی مغناطیسی اشباع مواد آلیاژی آمورف نسبتاً کم و مغناطیس‌کشی آنها نسبتاً زیاد است، در طراحی محصول، چگالی شار مغناطیسی اسمی نباید خیلی بالا تنظیم شود. به طور کلی، مقداری کمتر از ۱.۲ تسلا ترجیح داده می‌شود.

• در طول فرآیندهای طراحی و تولید، باید توجه کافی به توان تحمل خطا ترانسفورماتورهای خشک آمورف شود. این توان باید از طریق روش‌هایی مانند ریزپردازش و بهینه‌سازی ساختاری افزایش یابد.

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

• برای دستیابی به خصوصیات خسارت کم عالی، خنثی‌سازی هسته آلیاژی آمورف یک فرآیند ضروری است.

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

نتیجه‌گیری

در پشت‌زمینه ترویج بسیاری کشور برای صرفه‌جویی در انرژی و کاهش تصفیه، تمامی صنایع تلاش می‌کنند تا مصرف انرژی را کاهش دهند. به عنوان یک مصرف‌کننده مهم برق در شبکه‌های برق شهری، گسترش گسترده ترانسفورماتورهای خشک آمورف در مترو با سیاست‌های صنعتی ملی همخوانی دارد و پیش‌بینی‌های کاربردی گسترده‌ای دارد.

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

از آنجا که ترانسفورماتورهای توزیع آلیاژی آمورف نیاز به استانداردهای بالای طراحی و فرآیندهای تولید دارند، در انتخاب تامین‌کنندگان، بهتر است از شرکت‌هایی که سابقه موفقیت‌های کاربردی دارند و قابلیت‌های فنی پیشرفته را دارا هستند، انتخاب شود.