Aplikacija amorfne legure distribucijskog transformatora u sustavu snabdijevanja strujom METRO

U posljednjih godina, uz brzo razvojnu skalu gradskog željezničkog prometa u Kini, električna i svjetlosna opterećenja podzemnih željeznica drastično su porasla, te je problem potrošnje električne energije na samopotprijezi distribucijskih transformatora postao sve očitiji. U kontekstu državnog zastupanja zaštite energetskih resursa i okoliša, amorfne legure, koje koriste trake s odličnom magnetno vodljivošću kao materijal za prenos magnetske energije, ostvarile su relativno niske praznobrzi gubitke i praznobrzi strujni tokovi, stoga su postale jedan od smjerova razvoja učinkovitih transformatora. Na pozadini linije 14 Bečkog metra, ovaj rad počinje s principima, strukturama i tehničkim karakteristikama suhih distribucijskih transformatora s amorfnoj jezgrom (u daljnjem tekstu "suhi amorfni transformatori"), kratak opis efekata implementacije na terenu te daje odgovarajuće predloge za dugoročnu operaciju, s ciljem pružanja referenci i iskustava za odabir i primjenu distribucijskih transformatora u podzemnim željeznicama.
Struktura i radni princip suhih amornih transformatora
Struktura suhih amornih transformatora
Distribucijski transformatori s amornom legurom biraju amornu leguru s mekom magnetskom vodljivošću kao materijal za jezgru. Oni imaju visoku magnetsku indukciju nasycenja, ultra-niske gubitke, niski pobudni tok i nisku koercitivnu silu, te su to učinkoviti i ekološki prihvatljivi transformatori s dobrim stabilnosti. Suhi amorni transformatori kombiniraju karakteristike suhovrsanih transformatora epoksidnim uljevima, poput niske halogenske sadržaji, vatrogasnost, niska dimotvorenja i samogasne svojstva, s prednostima niskih gubitaka amornih traka, omogućavajući im da bolje zadovoljavaju potrebe javnih okruženja poput podzemnih željeznica.

Amorne trake su vrsta tanke (debljine oko 0,03 mm) i lomljive magnetske vodljive materijale. Stoga je razumno dizajnirati ih u obliku savijene jezgre. Trenutno, strukture suhovrsanih amornih transformatora uglavnom se dijele u dvije kategorije, to jest, trofazna trostruka struktura i trofazna petostruka struktura, kako je prikazano na slici 1. Jezgra trofazne petostruke strukture formira se kombiniranjem četiri okvira, kako je prikazano na slici 2a; jezgra trofazne trostruke strukture formira se kombiniranjem tri okvira, kako je prikazano na slici 2b. Budući da je presjek jezgre amornih transformatora pravokutan, visoko- i niskonaponske bobine obično su dizajnirane u pravokutnoj strukturi sa zaobljenim kutovima. Također, budući da je gustoća magnetskog toka i faktor slojeva amorne jezgre manji od onih kod silikatne čelike, volumen amorne jezgre je znatno veći od volumena jezgre od silikatne čelike iste kapacitete. Suhi amorni transformatori na određenoj liniji podzemne željeznice koriste trofazni petostruki dizajn jezgre, koji ima prednosti dobre disipacije topline, kompaktna ukupna struktura i relativno mali volumen.

Radni princip suhih amornih transformatora

Kristali materijala amorne jezgre, silikatne čelike, zbog svoje strukture i osobina, su povoljniji za magnetizaciju i demagnetizaciju. Tipična amorna legura sadrži približno 80% željeza, s drugim glavnim sastojcima poput kiselika i borana. Veliki broj testova pokazao je da je temperatura kristalizacije amorne legure 550°C, a Curieeva temperatura oko 415°C. Ove temperature mogu zadovoljiti zahtjeve za obradu amorne legure, opeklu nakon formiranja jezgre, normalnu radnu temperaturu i termičku stabilnu temperaturu tijekom kratkog spoja, tako da nema problema u primjeni suhovrsanih amornih transformatora.

Na primjeru trofaznog, četveroframnog, petočlanog distribucijskog transformatora s amornom legurom, budući da je svaki zavoj postavljen na dva okvira s nezavisnim magnetskim putovima, magnetski tok svakog okvira sastoji se od osnovnog valnog magnetskog toka i nekoliko trećeg harmonijskog magnetskog toka. Omjer trećeg harmonijskog i osnovnog valnog zavisi o nominalnoj gustoći magnetskog toka. Međutim, treći harmonijski magnetski tokovi u dva okvira jezgre jednog zavoja su suprotne faze i jednake vrijednosti. Stoga, vektor trećeg harmonijskog magnetskog toka u svakom zavojniku je nula. Kada je visokonaponski zavoj povezan u delta (D) konfiguraciju, postoji put za treći harmonijski strujni tok u zavojniku. Rezultirajući, općenito nema treće harmonijske naponske komponente u induciranoj sekundarnoj strujnoj valnoj formi. Ipak, praznobrzi gubitci u svakom okviru još uvijek su utjeceni trećim harmonijskim strujnim tokom unutar tog okvira. Dva bočna ramena ove strukture mogu pružiti put nultom rednom komponenti ili višim harmonijskim magnetskim tokovima.

Glavne tehničke karakteristike suhih amornih transformatora
Karakteristike suhih amornih transformatora

Amorne trake su iznimno osjetljive na pritisak. Jednom oštećene, ne mogu se vratiti. Stoga, tijekom proizvodnje, mora se osigurati sljedeće dvije točke: Prvo, jezgra nosi samo sopstvenu težinu, a težina visoko- i niskonaponskih zavojnika podržana je od strukturnih elemenata poput baze, gornjih i donjih pričvršćujućih dijelova. Drugo, otpornost na kratki spoj se poboljšava kroz optimizirani dizajn strukture.

Pravokutne strukture zavojnika suhih amornih transformatora nisu jednako ravnomjerno opterećene kao kružne zavojnici. Kada transformator izdržava strujni tok kratkog spoja, duža osna smjer je skloniji deformaciji. U stvarnoj proizvodnji, visokonaponski zavojnici su tvrdi strukturni žici lisane epoksidnim smolom i fiksirani u sloju smole. Dinamički i toplinski stabilni računi i praktični simulacije dokazali su da visokonaponski zavojnici mogu izdržati elektrodinamičku snagu tijekom kratkog spoja.

Niskonaponski zavojnici su uglavnom otvoreni bakarnim folijama i imaju toplo zaključanu epoksidno-resinu strukturu na krajevima, s malo nižom čvrstoćom. Skloni su deformaciji tijekom kratkog spoja, što izlaganje amornih traka na pritisak. Stoga, tijekom dizajn procesa, treba se izbjegavati veliki omjer između duže i kraće osi niskonaponskih zavojnika. Također, tijekom montažnog procesa, moraju se postaviti podržavajući razmaci između jezgre i niskonaponskih zavojnika kako bi se poboljšala otpornost na kratki spoj.

Bukinja transformatora uglavnom dolazi od magnetostrukcije jezgre. Magnetostrukcija amorne legure je približno 10% veća od one silikatne čelike. Upoređivanjem nacionalnih standarda "JB/T 10088 - 2004 Razine buke za 6 kV - 500 kV distribucijskih transformatora" i "GB/T 22072 - 2008 Tehnički parametri i zahtjevi za suhe distribucijske transformatore s amornom jezgrom", može se vidjeti da su zahtjevi za buku suhih distribucijskih transformatora s amornom jezgrom u nacionalnim standardima isti kao i za transformatore s jezgrom od silikatne čelike.

To povećava težinu proizvodnje suhih amornih transformatora. Međutim, kroz racionalni dizajn strukture suhih amornih transformatora, buka se može kontrolirati unutar nacionalnog standarda. Gustoća magnetskog toka je važan faktor koji utječe na buku suhih amornih transformatora.

Za svako 0,05 T povećanje gustoće magnetskog toka, praznobrzina buka se povećava približno 2 dB(A), a buka transformatora se povećava 5 dB(A)[1]. Stoga, gustoća magnetskog toka suhih amornih transformatora treba biti racionalno odabrana kako bi se postiglo smanjenje buke. Pod normalnim uvjetima, gustoća magnetskog toka manja od 1,25 T je dovoljna za suhe amorne transformatore.

Međutim, uzimajući u obzir posebnu situaciju visoke gustoće putnika u podzemnim željeznicama, razine buke treba kontrolirati još niže, a gustoća magnetskog toka obično se odabire manja od 1,2 T. Također, buka suhih amornih transformatora treba biti smanjena optimizacijom strukture. Na primjer, treba ostaviti odgovarajući prostor u okviru sastavljenom od jezgre i pričvršćujućih dijelova kako bi se izbjegao preveliki pritisak na jezgru i kontrolirano povećanje vibracija jezgre. Između jezgre i okvira trebaju biti postavljeni materijali za apsorbiranje zvuka kako bi se učinkovito smanjila buka.

Tijekom transporta i instalacije, suhi amorni transformatori trebaju strogo raditi prema uputama i procedurama kako bi se izbjegla situacija kao što su pritisak ili udaranje na jezgru.

Ekonomska analiza suhih amornih transformatora

Suhi amorni transformatori imaju očite učinke uštede energije. U nastavku se provodi ekonomski analiza SCBH15 tipa suhih amornih transformatora i SCB10 tipa distribucijskih transformatora s različitim kapacitetima. Usporedba se odnosi na vrijednost amornih materijala i materijala silikatne čelike, godišnje uštede na troškovima električne energije, broj godina potrebnih za vraćanje dodatnih troškova i uštede, kako je prikazano u tablici 1.

Iz tablice 1 može se vidjeti da suhi amorni transformatori imaju više prednosti u pogledu uštede energije u usporedbi s tradicionalnim distribucijskim transformatorima s jezgrom od silikatne čelike. Prevedeno u operativne troškove, to je izuzetno značajno. Maksimalan broj godina potrebnih za vraćanje dodatnih troškova iznosi samo 5 godina, što pokazuje veliku perspektivu primjene.

Primjena i učinci suhih amornih transformatora u podzemnim željeznicama
Primjena suhih amornih transformatora u podzemnim željeznicama

Kroz elaboraciju strukture i principa suhih amornih transformatora i ekonomskih performansi, zajedno s inženjerskom situacijom linije 14 Bečkog metra, za shemu primjene suhih amornih transformatora, ključno istraživanje treba provesti na tehničkim aspektima poput otpornosti na kratki spoj, kontrole buke, indeksa gubitaka i sheme instalacije suhih amornih transformatora, kako bi se u potpunosti iskoristili dobri učinci uštede energije suhih amornih transformatora i poboljšala razine uštede energije u podzemnim željeznicama.

Efekt na mjestu

Na primjeru SCBH15 - 800/10/0.4 suhovrsanog amornog transformatora koji je već u upotrebi na liniji 14 podzemne željeznice, usporedovali smo ga s SCB10 - 800/10.0.4 suhovrsanim transformatorom, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Godišnja smanjena potrošnja energije jednog uređaja može se izračunati na sljedeći način:

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

Putem izračuna može se vidjeti da je učinak uštede energije suhih amornih transformatora relativno očitan.

Relevantni predlozi za dugoročnu online operaciju

Za dugoročnu operaciju suhih amornih transformatora na linijama podzemnih željeznica, njihov dizajn, proizvodnja, održavanje i revizija trebaju biti pažljivo provedeni prema njihovim jedinstvenim karakteristikama. Autor predlaže sljedeće:

• S obzirom da je magnetska gustoća nasycenja amornih legura relativno niska i njihova magnetostrukcija relativno velika, tijekom dizajna proizvoda, nominalna gustoća magnetskog toka ne bi trebala biti postavljena previsoko. Općenito, preferentno je odabrati vrijednost ispod 1,2 T.

• Tijekom cijelog procesa dizajna i proizvodnje, potrebno je posvetiti pozornost otpornosti na kratki spoj suhih amornih transformatora. Ovu sposobnost treba poboljšati putem sredstava poput sofisticiranja procesa i optimizacije strukture.

• Amorne legure pokazuju izvanrednu osjetljivost na mehanički pritisak. Stoga, u strukturnom dizajnu, potrebno je izbjegavati tradicionalni pristup dizajna gdje se jezgra koristi kao glavni element za noseći opterećenje.

• Da bi se postigli odlični niski gubitci, opeklinska obrada amorne jezgre je neizbiveni proces.

• Redovito održavanje i popravak suhih amornih transformatora su nužni. To pomaže u eliminaciji potencijalnih sigurnosnih rizika i produženju vremena trajanja transformatora.

Zaključak

U kontekstu državnog natjecateljskog promicanja zaštite energije i smanjenja emisija, sve industrije nude velike napore za smanjenje potrošnje energije. Kao značajan potrošač električne energije unutar gradske mreže, široko korištenje suhih amornih transformatora u podzemnim željeznicama u skladu je s nacionalnim industrijskim politikama i ima široke perspektive primjene.

Treba napomenuti da su troškovi distribucijskih transformatora s amornom legurom veći od onih tradicionalnih transformatora s jezgrom od silikatne čelike, a njihova instalacija također ima određene specifične značajke. Stoga, racionalnu shemu odabira transformatora treba formulirati temeljem kompleksne analize regionalnih i specifičnih uvjeta linije.

Pošto distribucijski transformatori s amornom legurom zahtijevaju visok standard dizajna i procesa proizvodnje, kod odabira dobavljača preporučljivo je odabrati poduzeća s dosadašnjim uspješnim primjenama i naprednim tehničkim sposobnostima.