Application du transformateur de distribution en alliage amorphe dans le système d'alimentation électrique du METRO
Ces dernières années, avec le développement rapide de l'échelle du transport urbain ferroviaire en Chine, la charge électrique et d'éclairage des métros a augmenté rapidement, et le problème de l'énergie consommée par les pertes propres des transformateurs de distribution est devenu de plus en plus préoccupant. Dans le contexte de l'encouragement national à l'économie d'énergie et à la protection de l'environnement, les transformateurs à noyau en alliage amorphe, qui utilisent des bandes d'alliage amorphe à haute conductivité magnétique comme matériau conducteur magnétique, ont atteint des pertes à vide et des courants à vide relativement faibles, et sont donc devenus l'une des directions de développement des transformateurs économiseurs d'énergie. En prenant pour cadre la ligne 14 du métro de Pékin, cet article commence par les principes, structures et caractéristiques techniques des transformateurs de distribution à noyau en alliage amorphe de type sec (ci-après appelés "transformateurs de type sec amorphe"), décrit brièvement les effets de mise en œuvre sur site, et propose des suggestions pertinentes pour l'exploitation à long terme, dans le but de fournir des références et des expériences pour le choix et l'application des transformateurs de distribution dans les métros.
Structure et principe de fonctionnement des transformateurs de type sec amorphe
Structure des transformateurs de type sec amorphe
Les transformateurs de distribution en alliage amorphe sélectionnent un alliage amorphe aux propriétés magnétiques douces comme matériau de noyau. Il présente une forte induction magnétique de saturation, des pertes ultra-faibles, un courant d'excitation faible et une coercivité faible, et est un transformateur économique et écologique offrant une bonne stabilité. Les transformateurs de type sec amorphe combinent les caractéristiques des transformateurs de type sec moulés en époxy, tels que le faible contenu en halogène, la résistance au feu, la faible génération de fumées et les propriétés d'autodestruction, avec les avantages de faibles pertes des bandes d'alliage amorphe, leur permettant de mieux répondre aux besoins des environnements publics tels que les métros.
Les bandes d'alliage amorphe sont un matériau conducteur magnétique mince (d'une épaisseur d'environ 0,03 mm) et fragile. Il est donc raisonnable de les concevoir sous forme d'une structure de noyau enroulé. Actuellement, les structures des transformateurs de type sec amorphe moulés en époxy se divisent principalement en deux catégories, à savoir la structure triphasée à trois jambages et la structure triphasée à cinq jambages, comme illustré à la figure 1. Le noyau de la structure triphasée à cinq jambages est formé par la combinaison de quatre cadres, comme illustré à la figure 2a ; le noyau de la structure triphasée à trois jambages est formé par la combinaison de trois cadres, comme illustré à la figure 2b. Comme la section transversale du noyau des transformateurs en alliage amorphe est rectangulaire, les bobines haute et basse tension sont généralement conçues sous forme d'une structure rectangulaire avec des coins arrondis. De plus, en raison de la densité de flux magnétique et du facteur de stratification du noyau en alliage amorphe inférieurs à ceux des tôles de silicium, le volume du noyau en alliage amorphe est beaucoup plus grand que celui d'un noyau de même capacité en tôle de silicium. Les transformateurs de type sec amorphe sur une certaine ligne de métro adoptent une conception de noyau triphasée à cinq jambages, qui offre les avantages d'une bonne dissipation de la chaleur, d'une structure globale compacte et d'un volume relativement petit.
Principe de fonctionnement des transformateurs de type sec amorphe
La structure et les caractéristiques des cristaux du matériau de noyau en alliage amorphe, du silicium, sont plus favorables à la magnétisation et à la démagnétisation. Un alliage amorphe typique contient environ 80 % de fer, avec d'autres composants principaux tels que le silicium et le bore. De nombreux tests ont montré que la température de cristallisation de l'alliage amorphe est de 550°C, et la température de Curie est d'environ 415°C. Ces températures peuvent répondre aux exigences de traitement de l'alliage amorphe, de recuit après la formation du noyau, de la température de fonctionnement normale et de la température thermiquement stable pendant les courts-circuits, il n'y a donc pas de problèmes dans l'application des transformateurs de type sec amorphe.
En prenant un exemple de transformateur de distribution en alliage amorphe triphasé, à quatre cadres et cinq jambages, puisque chaque enroulement est placé sur deux cadres avec des circuits magnétiques indépendants, le flux magnétique de chaque cadre est composé de flux magnétique fondamental et de certains flux harmoniques de troisième ordre. Le rapport entre le troisième harmonique et le fondamental dépend de la densité de flux magnétique nominale. Cependant, les flux magnétiques de troisième ordre dans les deux cadres d'un enroulement sont en phase opposée et de valeur égale. Par conséquent, le vecteur de flux magnétique de troisième ordre dans chaque enroulement est nul. Lorsque la bobine haute tension est connectée en triangle (D), il y a un chemin pour le courant de troisième ordre dans la bobine. Ainsi, il n'y a généralement pas de composante de tension de troisième ordre dans la forme d'onde de la tension secondaire induite. Néanmoins, la perte à vide dans chaque cadre est toujours affectée par le courant de troisième ordre dans ce cadre. Les deux longerons latéraux de cette structure peuvent fournir un chemin pour la composante de séquence zéro ou les harmoniques d'ordre supérieur dans le flux magnétique.
Caractéristiques techniques principales des transformateurs de type sec amorphe
Caractéristiques des transformateurs de type sec amorphe
Les bandes d'alliage amorphe sont extrêmement sensibles à la pression. Une fois endommagées, elles ne peuvent pas être restaurées. Par conséquent, lors du processus de fabrication, les deux points suivants doivent être assurés : premièrement, le noyau ne supporte que son propre poids, et le poids des bobines haute et basse tension est soutenu par des composants en acier tels que la base, les pièces de serrage supérieures et inférieures. Deuxièmement, la capacité de résistance aux courts-circuits est améliorée par une structure de conception optimisée.
Les enroulements de structure rectangulaire des transformateurs de type sec amorphe ne subissent pas une contrainte uniforme comme les enroulements circulaires. Lorsque le transformateur subit un courant de court-circuit, la direction de l'axe long est plus susceptible de se déformer. En production réelle, les enroulements haute tension sont des fils de structure rigide coulés avec de la résine époxy et fixés dans la couche de résine. Des calculs de stabilité dynamique et thermique ainsi que des simulations pratiques ont prouvé que les bobines haute tension peuvent résister à la force électrodynamique lors des courts-circuits.
Les enroulements basse tension sont principalement enroulés avec des feuilles de cuivre et ont une structure de scellement terminal en résine époxy durcie thermiquement, avec une rigidité légèrement inférieure. Ils sont susceptibles de se déformer lors des courts-circuits, soumettant les bandes d'alliage amorphe à une contrainte. Par conséquent, lors du processus de conception, un grand rapport entre les axes long et court des enroulements basse tension doit être évité. De plus, lors du processus d'assemblage, des entretoises de soutien doivent être placées entre le noyau et les bobines basse tension pour renforcer la capacité de résistance aux courts-circuits.
Le bruit d'un transformateur provient principalement de la magnétostriction du noyau. La magnétostriction de l'alliage amorphe est d'environ 10 % supérieure à celle des tôles de silicium. En comparant les normes nationales "JB/T 10088 - 2004 Niveaux sonores pour les transformateurs de puissance de 6 kV à 500 kV" et "GB/T 22072 - 2008 Paramètres techniques et exigences pour les transformateurs de distribution de type sec à noyau en alliage amorphe", on peut constater que les exigences de bruit pour les transformateurs de distribution de type sec à noyau en alliage amorphe dans les normes nationales sont les mêmes que celles pour les transformateurs de distribution à noyau en tôle de silicium.
Cela augmente la difficulté de fabrication des transformateurs de type sec amorphe. Cependant, grâce à une conception rationnelle de la structure des transformateurs de type sec amorphe, le bruit peut encore être contrôlé dans la plage des normes nationales. La densité de flux magnétique est un facteur important affectant le bruit des transformateurs de type sec amorphe.
Pour chaque augmentation de 0,05 T de la densité de flux magnétique, le bruit à vide augmente d'environ 2 dB(A), et le bruit du transformateur augmente de 5 dB(A)[1]. Par conséquent, la densité de flux magnétique des transformateurs de type sec amorphe doit être choisie de manière raisonnable pour réduire le bruit. Dans des circonstances normales, une densité de flux magnétique inférieure à 1,25 T est suffisante pour les transformateurs de type sec amorphe.
Cependant, compte tenu de la situation particulière de la forte densité de passagers dans les métros, le niveau de bruit doit être contrôlé encore plus bas, et la densité de flux magnétique est généralement choisie inférieure à 1,2 T. De plus, le bruit des transformateurs de type sec amorphe doit être atténué en optimisant la structure. Par exemple, un espace approprié doit être laissé dans le cadre composé du noyau et des pièces de serrage pour éviter une contrainte excessive sur le noyau et contrôler l'augmentation de la vibration du noyau. Des matériaux absorbants doivent également être placés entre le noyau et le cadre pour réduire efficacement le bruit.
Lors du transport et de l'installation, les transformateurs de type sec amorphe doivent être opérés strictement conformément aux spécifications et procédures d'exploitation pour éviter des situations telles que le noyau étant soumis à une contrainte ou frappé.
Analyse des performances économiques des transformateurs de type sec amorphe
Les transformateurs de type sec amorphe présentent des effets d'économie d'énergie évidents. L'analyse économique suivante concerne les transformateurs de type sec amorphe SCBH15 et les transformateurs de distribution en tôle de silicium SCB10 de différentes capacités. La comparaison porte sur la valeur des matériaux amorphes et des tôles de silicium, les économies annuelles de coûts d'électricité, le nombre d'années pour récupérer le coût supplémentaire, et les économies de coûts, comme indiqué dans le tableau 1.
Il ressort du tableau 1 que les transformateurs de type sec amorphe présentent plus d'avantages en termes d'économie d'énergie par rapport aux transformateurs traditionnels en tôle de silicium. Traduit en termes de coûts d'exploitation, c'est assez remarquable. Le nombre maximal d'années pour récupérer le coût supplémentaire n'est que de 5 ans, montrant de grandes perspectives d'application.
Application et effet des transformateurs de type sec amorphe dans les métros
Application des transformateurs de type sec amorphe dans les métros
Grâce à l'élaboration de la structure et du principe des transformateurs de type sec amorphe et à l'analyse des performances économiques, combinée à la situation de l'ingénierie de la ligne 14 du métro de Pékin, pour le schéma d'application des transformateurs de type sec amorphe, des recherches clés doivent être menées sur des aspects techniques tels que la capacité de résistance aux courts-circuits, le contrôle du bruit, les indicateurs de pertes et le schéma d'installation des transformateurs de type sec amorphe, afin de tirer pleinement parti des bonnes performances d'économie d'énergie des transformateurs de type sec amorphe et d'améliorer le niveau d'économie d'énergie des métros.
Effet de mise en œuvre sur site
En prenant comme exemple le transformateur de type sec amorphe SCBH15-800/10/0,4 qui a été mis en service sur la ligne 14 du métro, comparé au transformateur de type sec SCB10-800/10,0,4, ΔP0 = 1,05 kW ; ΔPk = 0. La réduction annuelle de la consommation d'énergie d'une unité peut être calculée comme suit :
ΔWk = 8 760×(1,05 + 0,62×0) = 9 198 kW·h
Par le calcul, on peut voir que l'effet d'économie d'énergie des transformateurs de type sec amorphe est relativement évident.
Suggestions pertinentes pour l'exploitation à long terme en ligne
Pour l'exploitation à long terme des transformateurs de type sec amorphe sur les lignes de métro, leur conception, production, maintenance et révision doivent être soigneusement réalisées en tenant compte de leurs caractéristiques uniques. L'auteur propose les suggestions suivantes :
Étant donné que la densité de saturation magnétique des matériaux en alliage amorphe est relativement faible et que leur magnétostriction est relativement importante, lors de la conception du produit, la densité de flux magnétique nominale ne doit pas être définie trop élevée. Généralement, il est préférable de choisir une valeur inférieure à 1,2 T.
Tout au long des processus de conception et de production, une attention particulière doit être accordée à la capacité de résistance aux courts-circuits des transformateurs de type sec amorphe. Cette capacité doit être renforcée par des moyens tels que l'affinement des processus et l'optimisation de la structure.
Les alliages amorphes présentent une sensibilité extrême aux contraintes mécaniques. Par conséquent, dans la conception structurale, il faut éviter l'approche de conception traditionnelle qui utilise le noyau comme composant principal de charge.
Pour atteindre d'excellentes caractéristiques de faibles pertes, le recuit du noyau en alliage amorphe est un processus indispensable.
Une maintenance et une réparation régulières des transformateurs de type sec amorphe sont essentielles. Cela aide à éliminer les risques potentiels de sécurité et à prolonger la durée de vie des transformateurs.
Conclusion
Dans le contexte de la promotion vigoureuse de l'économie d'énergie et de la réduction des émissions par le pays, tous les secteurs s'efforcent de réduire la consommation d'énergie. En tant que consommateur important d'électricité au sein des réseaux électriques urbains, l'adoption généralisée des transformateurs de type sec amorphe dans les métros est conforme aux politiques industrielles nationales et présente de larges perspectives d'application.
Il convient de noter que le coût des transformateurs de distribution en alliage amorphe est supérieur à celui des transformateurs traditionnels en tôle de silicium, et leur installation présente également certaines particularités. Par conséquent, un schéma de sélection de transformateurs rationnel doit être élaboré sur la base d'une analyse complète des conditions régionales et spécifiques de la ligne.
Comme les transformateurs de distribution en alliage amorphe nécessitent un haut standard de processus de conception et de production, il est conseillé, lors du choix des fournisseurs, d'opter pour des entreprises ayant un historique de réussite dans les applications et possédant des capacités techniques avancées.
