Aplicación do transformador de distribución de aleación amorfa no sistema de abastecemento eléctrico METRO

Nos últimos anos, co rápido desenvolvemento da escala do tránsito urbano ferroviario en China, a carga de enerxía eléctrica e iluminación dos metros aumentou rapidamente, e o problema do consumo de enerxía eléctrica debido ás perdas propias dos transformadores de distribución tornouse cada vez máis destacado. No contexto da promoción do país para a conservación de enerxía e a protección do medio ambiente, os transformadores de núcleo de aleación amorfa, que utilizan tiras de aleación amorfa con excelente conductividade magnética como material conductor magnético, lograron baixas perdas en vacío e correntes en vacío relativamente bajas, polo que se converteron nunha das direccións de desenvolvemento dos transformadores de aforro de enerxía. Tomando como fondo a liña 14 do Metro de Pequín, este artigo parte dos principios, estruturas e características técnicas dos transformadores de distribución de núcleo de aleación amorfa tipo seco (en adiante, "transformadores de tipo seco amorfo"), describe brevemente os efectos da implementación no terreo e propón suxestións relevantes para a operación a longo prazo, con o obxectivo de proporcionar referencias e experiencias para a selección e aplicación de transformadores de distribución nos metros.
Estrutura e Principio de Funcionamento dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo
Estrutura dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo
Os transformadores de distribución de aleación amorfa seleccionan unha aleación amorfa con propiedades magnéticas moles como material de núcleo. Tén unha alta intensidade de indución magnética de saturación, perdas ultra-baixas, corrente de excitación baixa e coercitividade baixa, e é un transformador de aforro de enerxía e respetuoso co medio ambiente con boa estabilidade. Os transformadores de tipo seco amorfo combinan as características dos transformadores de tipo seco impregnados de epoxi, como baixo contido de halóxenos, retardancia de chama, baixa xeración de fumo e propiedades de autoextinción, coas vantaxes de baixas perdas das tiras de aleación amorfa, permitindo-lles mellor satisfacer as necesidades de entornos públicos como os metros.

As tiras de aleación amorfa son un tipo de material conductor magnético fino (con un espesor de aproximadamente 0,03 mm) e frágil. Polo tanto, é razonable deseñalas nunha estrutura de núcleo enroscado. Actualmente, as estruturas dos transformadores de tipo seco amorfo impregnados de epoxi dividíronse principalmente en dúas categorías, nomeadamente, a estrutura de tres fases e tres patas e a estrutura de tres fases e cinco patas, como se mostra na Figura 1. O núcleo da estrutura de tres fases e cinco patas está formado pola combinación de catro marcos, como se mostra na Figura 2a; o núcleo da estrutura de tres fases e tres patas está formado pola combinación de tres marcos, como se mostra na Figura 2b. Dado que a sección transversal do núcleo dos transformadores de aleación amorfa é rectangular, as bobinas de alta e baixa tensión xeralmente están deseñadas cunha estrutura rectangular con cantos redondeados. Ademais, xa que a densidade de fluxo magnético e o factor de laminación do núcleo de aleación amorfa son menores que os das lámimas de silicio, o volume do núcleo de aleación amorfa é moito maior que o dun núcleo de lámima de silicio da mesma capacidade. Os transformadores de tipo seco amorfo en certa liña de metro adoptan un deseño de núcleo de tres fases e cinco patas, que ten as vantaxes de boa dissipación de calor, estrutura compacta global e volume relativamente pequeno.

Principio de Funcionamento dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo

Os cristais do material de núcleo de aleación amorfa, o silicio, son máis propicios para a magnetización e desmagnetización debido á súa estrutura e características. Unha aleación amorfa típica contén aproximadamente 80% de ferro, con outros componentes principais sendo materiais como o silicio e o boro. Un gran número de probas demostrou que a temperatura de cristalización da aleación amorfa é de 550°C, e a temperatura de Curie é de aproximadamente 415°C. Estas temperaturas poden cumprir os requisitos para o procesamento da aleación amorfa, a recocida após a conformación do núcleo, a temperatura de funcionamento normal e a temperatura termoestable durante os cortocircuitos, polo que non hai problemas na aplicación dos transformadores de tipo seco amorfo.

Tomando como exemplo un transformador de distribución de aleación amorfa de tres fases, catro marcos e cinco patas, xa que cada bobina está montada en dous marcos con circuitos magnéticos independentes, o fluxo magnético de cada marco consiste en fluxo magnético fundamental e algunhas harmónicas de terceira orde. A relación entre a harmónica de terceira orde e o fluxo magnético fundamental depende da densidade de fluxo magnético nominal. No entanto, os fluxos magnéticos de terceira orde nos dous marcos de núcleo dunha bobina están en fase oposta e iguais en valor. Polo tanto, o vector de fluxo magnético de terceira orde en cada bobina é cero. Cando a bobina de alta tensión está conectada en configuración delta (D), hai un camiño para a corrente de terceira orde na bobina. Como resultado, xeralmente non hai un compoñente de voltaxe de terceira orde no formato de onda do voltaxe secundario inducido. No entanto, a perda en vacío en cada marco aínda está afectada pola corrente de terceira orde dentro desa pata. As dúas yugadas laterais desta estrutura poden proporcionar un camiño para o compoñente de secuencia cero ou harmónicas de orde superior no fluxo magnético.

Características Técnicas Principais dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo
Características dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo

As tiras de aleación amorfa son extremadamente sensibles á presión. Unha vez danadas, non poden ser restauradas. Polo tanto, durante o proceso de fabricación, deben asegurarse os seguintes dous puntos: Primeiro, o núcleo só soporta o seu propio peso, e o peso das bobinas de alta e baixa tensión está soportado por compoñentes de estructura de acero como a base, as pezas de aperturas superior e inferior. Segundo, a capacidade de resistencia ao cortocircuito mellora a través dunha estrutura de deseño optimizada.

As bobinas de estrutura rectangular dos transformadores de tipo seco amorfo non están tan uniformemente tensionadas como as bobinas circulares. Cando o transformador soporta a corrente de cortocircuito, a dirección do eixo longo é máis propensa á deformación. Na produción real, as bobinas de alta tensión están formadas por arames de estrutura ríxida impregnados con resina epoxi e fixados na capa de resina. Os cálculos de estabilidade dinámica e térmica e as simulacións prácticas probaron que as bobinas de alta tensión poden soportar a forza electrodinámica durante os cortocircuitos.

As bobinas de baixa tensión están principalmente enroscadas con láminas de cobre e teñen unha estrutura de sellado final de resina epoxi curada térmicamente, con rigidez levemente menor. Son propensas á deformación durante os cortocircuitos, sometendo as tiras de aleación amorfa a estrés. Polo tanto, durante o proceso de deseño, debe evitarse unha grande relación entre o eixo longo e o eixo curto das bobinas de baixa tensión. Ademais, durante o proceso de montaxe, deben colocarse espaciadores de apoio entre o núcleo e as bobinas de baixa tensión para mellorar a capacidade de resistencia ao cortocircuito.

O ruído dun transformador provén principalmente da magnetoestrictión do núcleo. A magnetoestrictión da aleación amorfa é aproximadamente un 10% maior que a das lámimas de silicio. Ao comparar as normas nacionais "JB/T 10088 - 2004 Niveis de Son da Potencia de Transformadores de 6 kV - 500 kV" e "GB/T 22072 - 2008 Parámetros Técnicos e Requisitos para Transformadores de Distribución de Núcleo de Aleación Amorfa Tipo Seco", pode verse que os requisitos de ruído para os transformadores de distribución de núcleo de aleación amorfa tipo seco nas normas nacionais son os mesmos que os dos transformadores de distribución de núcleo de lámima de silicio.

Isto aumenta a dificultade na fabricación dos transformadores de tipo seco amorfo. No entanto, a través dun deseño racional da estrutura dos transformadores de tipo seco amorfo, o ruído aínda pode ser controlado dentro do rango das normas nacionais. A densidade de fluxo magnético é un factor importante que afecta ao ruído dos transformadores de tipo seco amorfo.

Por cada incremento de 0,05 T na densidade de fluxo magnético, o ruído en vacío aumenta aproximadamente 2 dB(A), e o ruído do transformador aumenta 5 dB(A)[1]. Polo tanto, a densidade de fluxo magnético dos transformadores de tipo seco amorfo debe ser seleccionada de maneira racional para lograr a redución de ruído. En circunstancias normais, unha densidade de fluxo magnético inferior a 1,25 T é suficiente para os transformadores de tipo seco amorfo.

No entanto, tendo en conta a situación especial de alta densidade de pasaxeiros nos metros, o nivel de ruído debe ser controlado incluso máis baixo, e a densidade de fluxo magnético xeralmente debe ser seleccionada inferior a 1,2 T. Ademais, o ruído dos transformadores de tipo seco amorfo necesita ser suprimido mediante a optimización da estrutura. Por exemplo, debe deixarse un espazo adecuado no marco composto polo núcleo e as pezas de aperturas para evitar un estrés excesivo no núcleo e controlar o aumento da vibración do núcleo. Tamén deben ser colocados materiais absorventes de son entre o núcleo e o marco para reducir eficazmente o ruído.

Durante o transporte e a instalación, os transformadores de tipo seco amorfo deben ser manexados estritamente de acordo coas especificacións e procedementos de operación para evitar situaciones como o núcleo sometido a estrés ou golpes.

Análise de Rendemento Económico dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo

Os transformadores de tipo seco amorfo teñen efectos evidentes de aforro de enerxía. O seguinte realiza unha análise económica dos transformadores de tipo seco amorfo SCBH15 e os transformadores de distribución de lámimas de silicio SCB10 con diferentes capacidades. A comparación realiza-se en termos do valor dos materiais amorfos e das lámimas de silicio, o aforro anual no custo da electricidade, o número de anos para recuperar o custo adicional e o aforro de custos, como se mostra na Táboa 1.

Pode verse na Táboa 1 que os transformadores de tipo seco amorfo teñen máis vantaxes en termos de aforro de enerxía en comparación cos transformadores de lámimas de silicio tradicionais. Traducido en termos de custos de operación, é bastante notable. O número máximo de anos para recuperar o custo adicional é só 5 anos, mostrando grandes perspectivas de aplicación.

Aplicación e Efecto dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo nos Metros
Aplicación dos Transformadores de Tipo Seco Amorfo nos Metros

A través da elaboración da estrutura e principio dos transformadores de tipo seco amorfo e a análise de rendemento económico, combinado coa situación de enxeñaría da Liña 14 do Metro de Pequín, para o esquema de aplicación dos transformadores de tipo seco amorfo, debe realizar un estudo clave sobre aspectos técnicos como a capacidade de resistencia ao cortocircuito, o control de ruído, o índice de perdas e o esquema de instalación dos transformadores de tipo seco amorfo, para dar pleno xogo ao bom rendemento de aforro de enerxía dos transformadores de tipo seco amorfo e mellorar o nivel de aforro de enerxía dos metros.

Efecto da Implementación no Terreo

Tomando como exemplo o transformador de tipo seco amorfo SCBH15-800/10/0.4 que xa está en funcionamento na Liña 14 do metro, en comparación co transformador de tipo seco SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. A redución anual no consumo de enerxía dunha unidade pode calcularse como segue:

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

A través do cálculo, pode verse que o efecto de aforro de enerxía dos transformadores de tipo seco amorfo é relativamente evidente.

Suxestións Relevantes para a Operación a Largo Prazo en Línea

Para a operación a longo prazo dos transformadores de tipo seco amorfo nas liñas de metro, o seu deseño, fabricación, manutención e revisión deben realizarse meticulosamente de acordo coas súas características únicas. O autor presenta as seguintes suxestións:

• Dado que a densidade de saturación magnética dos materiais de aleación amorfa é relativamente baixa e a súa magnetoestrictión é relativamente grande, durante o deseño do produto, non se debe establecer unha densidade de fluxo magnético nominal demasiado alta. Xeralmente, é preferible seleccionar un valor inferior a 1,2 T.

• Ao longo dos procesos de deseño e fabricación, debe prestar atención á capacidade de resistencia ao cortocircuito dos transformadores de tipo seco amorfo. Esta capacidade debe ser mellorada a través de medios como o refinamento do proceso e a optimización da estrutura.

• As aleacións amorfas mostran unha sensibilidade extrema ao estrés mecánico. Polo tanto, no deseño estrutural, é necesario evitar o enfoque de deseño tradicional que usa o núcleo como o principal componente de soporte de carga.

• Para lograr excelentes características de baixas perdas, a recocida do núcleo de aleación amorfa é un proceso indispensable.

• A manutención e reparación regulares dos transformadores de tipo seco amorfo son esenciais. Isto axuda a eliminar potenciais perigos de seguridade e prolongar a vida útil dos transformadores.

Conclusión

No contexto da promoción vigorosa do país para a conservación de enerxía e a redución de emisións, todas as industrias están facendo esforzos considerables para reducir o consumo de enerxía. Como un consumidor significativo de enerxía dentro das redes eléctricas urbanas, a adopción xeralizada de transformadores de tipo seco amorfo nos metros está en liña coas políticas industriais nacionais e ten amplias perspectivas de aplicación.

Debe notarse que o custo dos transformadores de distribución de aleación amorfa é maior que o dos transformadores de lámimas de silicio tradicionais, e a súa instalación tamén ten certas características únicas. Polo tanto, debe formulase un esquema racional de selección de transformadores baseado nunha análise comprehensiva das condicións regionais e específicas da liña.

Dado que os transformadores de distribución de aleación amorfa requiren un alto estándar de procesos de deseño e fabricación, ao escoller fornecedores, é aconsellable optar por empresas que teñan un historial de aplicacións exitosas e posúan capacidades técnicas avanzadas.