Penggunaan transformator distribusi paduan amorf dalam sistem pasokan listrik METRO

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan cepat skala transit rel perkotaan di China, beban listrik dan penerangan pada kereta bawah tanah telah meningkat pesat, dan masalah energi listrik yang dikonsumsi oleh kerugian sendiri transformator distribusi menjadi semakin menonjol. Dalam latar belakang negara mendorong penghematan energi dan perlindungan lingkungan, transformator inti paduan amorf yang menggunakan strip paduan amorf dengan konduktivitas magnetik yang baik sebagai bahan konduktor magnet telah mencapai kerugian beban kosong dan arus beban kosong yang relatif rendah, sehingga menjadi salah satu arah pengembangan transformator hemat energi. Mengambil Lintasan 14 dari Kereta Bawah Tanah Beijing sebagai latar belakang, makalah ini dimulai dengan prinsip, struktur, dan karakteristik teknis transformator distribusi inti paduan amorf tipe kering (selanjutnya disebut "transformator tipe kering amorf"), menjelaskan singkat efek implementasi di lapangan, dan mengajukan saran relevan untuk operasi jangka panjang, bertujuan untuk memberikan referensi dan pengalaman dalam pemilihan dan aplikasi transformator distribusi di kereta bawah tanah.
Struktur dan Prinsip Kerja Transformator Tipe Kering Amorf
Struktur Transformator Tipe Kering Amorf
Transformator distribusi inti paduan amorf memilih paduan amorf dengan sifat magnet lunak sebagai bahan inti. Ini memiliki intensitas induksi magnetik saturasi tinggi, kerugian ultra-rendah, arus pengeksitasi rendah, dan koersivitas rendah, dan merupakan transformator hemat energi dan ramah lingkungan dengan stabilitas yang baik. Transformator tipe kering amorf menggabungkan karakteristik transformator tipe kering dengan epoxy-cast, seperti kandungan halogen rendah, tahan api, produksi asap rendah, dan sifat padam sendiri, dengan keuntungan kerugian rendah dari strip paduan amorf, memungkinkannya lebih baik memenuhi kebutuhan lingkungan publik seperti kereta bawah tanah.

Strip paduan amorf adalah jenis bahan konduktor magnet yang tipis (dengan ketebalan sekitar 0,03 mm) dan rapuh. Oleh karena itu, perancangan mereka menjadi struktur inti melingkar adalah wajar. Saat ini, struktur transformator tipe kering amorf dengan epoxy-cast terbagi menjadi dua kategori utama, yaitu struktur tiga fase tiga tungkai dan struktur tiga fase lima tungkai, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Inti struktur tiga fase lima tungkai dibentuk dengan menggabungkan empat rangka, seperti ditunjukkan pada Gambar 2 a; inti struktur tiga fase tiga tungkai dibentuk dengan menggabungkan tiga rangka, seperti ditunjukkan pada Gambar 2 b. Karena penampang inti transformator paduan amorf berbentuk persegi panjang, gulungan tegangan tinggi dan rendah biasanya dirancang menjadi struktur persegi panjang dengan sudut bulat. Selain itu, karena densitas fluks magnetik dan faktor laminasi inti paduan amorf lebih rendah daripada lembaran baja silikon, volume inti paduan amorf jauh lebih besar daripada inti lembaran baja silikon dengan kapasitas yang sama.Transformator tipe kering amorf pada jalur kereta bawah tanah tertentu mengadopsi desain inti tiga fase lima tungkai, yang memiliki keunggulan pendinginan yang baik, struktur keseluruhan yang padat, dan volume yang relatif kecil.

Prinsip Kerja Transformator Tipe Kering Amorf

Kristal bahan inti paduan amorf, baja silikon, lebih mendukung magnetisasi dan demagnetisasi karena struktur dan karakteristiknya. Paduan amorf tipikal mengandung sekitar 80% besi, dengan komponen utama lainnya adalah bahan seperti silikon dan boron. Sejumlah besar uji coba telah menunjukkan bahwa suhu kristalisasi paduan amorf adalah 550°C, dan suhu Curie sekitar 415°C. Suhu-suhu ini dapat memenuhi persyaratan untuk proses paduan amorf, annealing setelah pembentukan inti, suhu operasi normal, dan suhu stabil termal selama short-circuit, sehingga tidak ada masalah dalam aplikasi transformator tipe kering amorf.

Mengambil contoh transformator distribusi inti paduan amorf tiga fase, empat rangka, lima tungkai, karena setiap gulungan dipasangkan pada dua rangka dengan sirkuit magnetik independen, fluks magnet setiap rangka terdiri dari fluks magnetik gelombang dasar dan beberapa fluks magnetik harmonisa ketiga. Rasio harmonisa ketiga terhadap gelombang dasar tergantung pada densitas fluks magnetik nominal. Namun, fluks magnetik harmonisa ketiga dalam dua rangka inti satu gulungan berlawanan fase dan sama nilai. Oleh karena itu, vektor fluks magnetik harmonisa ketiga di setiap gulungan adalah nol. Ketika gulungan tegangan tinggi dihubungkan dalam konfigurasi delta (D), ada jalur untuk arus harmonisa ketiga di dalam gulungan. Akibatnya, umumnya tidak ada komponen tegangan harmonisa ketiga dalam bentuk gelombang tegangan sekunder yang terinduksi. Meskipun demikian, kerugian beban kosong di setiap rangka masih dipengaruhi oleh arus harmonisa ketiga di dalam rangka tersebut. Dua sisi yoke dari struktur ini dapat menyediakan jalur untuk komponen urutan nol atau harmonisa orde tinggi dalam fluks magnetik.

Karakteristik Teknis Utama Transformator Tipe Kering Amorf
Karakteristik Transformator Tipe Kering Amorf

Strip paduan amorf sangat sensitif terhadap tekanan. Setelah rusak, tidak dapat diperbaiki. Oleh karena itu, selama proses manufaktur, dua poin berikut harus dijamin: Pertama, inti hanya menanggung beratnya sendiri, dan berat gulungan tegangan tinggi dan rendah didukung oleh komponen struktur baja seperti dasar, bagian penjepit atas dan bawah. Kedua, kemampuan tahan short-circuit ditingkatkan melalui struktur desain yang dioptimalkan.

Gulungan berstruktur persegi panjang dari transformator tipe kering amorf tidak ditekan secara merata seperti gulungan bundar. Ketika transformator menahan arus short-circuit, arah sumbu panjang lebih rentan terhadap deformasi. Dalam produksi nyata, gulungan tegangan tinggi adalah kawat struktur kaku dicetak dengan resin epoxy dan diperbaiki di lapisan resin. Perhitungan dinamis dan stabilitas termal serta simulasi praktis telah membuktikan bahwa gulungan tegangan tinggi dapat menahan gaya elektrodinamis selama short-circuit.

Gulungan tegangan rendah sebagian besar dililit dengan foil tembaga dan memiliki struktur penyegelan ujung dengan resin epoxy yang keras, dengan kekakuan sedikit lebih rendah. Mereka rentan terhadap deformasi selama short-circuit, menyebabkan strip paduan amorf mengalami tekanan. Oleh karena itu, selama proses desain, rasio antara sumbu panjang dan pendek gulungan gulungan tegangan rendah harus dihindari. Selain itu, selama proses perakitan, spasi penyangga harus ditempatkan antara inti dan gulungan tegangan rendah untuk meningkatkan kemampuan tahan short-circuit.

Suara transformator sebagian besar berasal dari magnetostricti inti. Magnetostricti paduan amorf sekitar 10% lebih tinggi daripada lembaran baja silikon. Dengan membandingkan standar nasional "JB/T 10088 - 2004 Tingkat Suara untuk Transformator Daya 6 kV - 500 kV" dan "GB/T 22072 - 2008 Parameter Teknis dan Persyaratan untuk Transformator Distribusi Inti Paduan Amorf Tipe Kering", dapat dilihat bahwa persyaratan suara untuk transformator distribusi inti paduan amorf tipe kering dalam standar nasional sama dengan transformator distribusi inti lembaran baja silikon.

Ini meningkatkan kesulitan dalam manufaktur transformator tipe kering amorf. Namun, melalui desain struktur yang rasional dari transformator tipe kering amorf, suara masih dapat dikendalikan dalam batas standar nasional. Densitas fluks magnetik adalah faktor penting yang mempengaruhi suara transformator tipe kering amorf.

Untuk setiap kenaikan 0,05 T dalam densitas fluks magnetik, suara beban kosong meningkat sekitar 2 dB(A), dan suara transformator meningkat 5 dB(A)[1]. Oleh karena itu, densitas fluks magnetik dari transformator tipe kering amorf harus dipilih dengan tepat untuk mencapai pengurangan suara. Dalam keadaan normal, densitas fluks magnetik kurang dari 1,25 T cukup untuk transformator tipe kering amorf.

Namun, mempertimbangkan situasi khusus dengan kepadatan penumpang yang tinggi di kereta bawah tanah, tingkat suara harus dikontrol bahkan lebih rendah, dan densitas fluks magnetik biasanya dipilih kurang dari 1,2 T. Selain itu, suara transformator tipe kering amorf perlu ditekan dengan mengoptimalkan struktur. Misalnya, ruang yang sesuai harus dibiarkan dalam rangka yang terdiri dari inti dan bagian penjepit untuk menghindari stres berlebih pada inti dan mengontrol peningkatan getaran inti. Bahan penyerap suara juga harus dipasang antara inti dan rangka untuk mengurangi suara secara efektif.

Selama transportasi dan instalasi, transformator tipe kering amorf harus dioperasikan secara ketat sesuai dengan spesifikasi dan prosedur operasi untuk menghindari situasi seperti inti yang mengalami tekanan atau terbentur.

Analisis Kinerja Ekonomi Transformator Tipe Kering Amorf

Transformator tipe kering amorf memiliki efek penghematan energi yang jelas. Berikut ini dilakukan analisis ekonomi transformator tipe kering amorf SCBH15 dan transformator distribusi lembaran baja silikon SCB10 dengan kapasitas yang berbeda. Perbandingan dilakukan dalam hal nilai bahan paduan amorf dan lembaran baja silikon, penghematan biaya listrik tahunan, jumlah tahun untuk memulihkan biaya tambahan, dan penghematan biaya, seperti ditunjukkan pada Tabel 1.

Dapat dilihat dari Tabel 1 bahwa transformator tipe kering amorf memiliki keunggulan lebih dalam penghematan energi dibandingkan dengan transformator lembaran baja silikon tradisional. Diterjemahkan ke dalam biaya operasional, ini sangat signifikan. Jumlah tahun maksimum untuk memulihkan biaya tambahan hanyalah 5 tahun, menunjukkan prospek aplikasi yang besar.

Aplikasi dan Efek Transformator Tipe Kering Amorf di Kereta Bawah Tanah
Aplikasi Transformator Tipe Kering Amorf di Kereta Bawah Tanah

Melalui elaborasi struktur dan prinsip transformator tipe kering amorf dan analisis kinerja ekonomi, dikombinasikan dengan situasi teknik Lintasan 14 Kereta Bawah Tanah Beijing, untuk skema aplikasi transformator tipe kering amorf, penelitian kunci harus dilakukan pada aspek teknis seperti kemampuan tahan short-circuit, kontrol suara, indeks kerugian, dan skema instalasi transformator tipe kering amorf, agar dapat memanfaatkan kinerja penghematan energi yang baik dari transformator tipe kering amorf dan meningkatkan tingkat penghematan energi di kereta bawah tanah.

Efek Implementasi di Lapangan

Mengambil contoh transformator tipe kering amorf SCBH15-800/10/0,4 yang telah beroperasi di Lintasan 14 kereta bawah tanah, dibandingkan dengan transformator tipe kering SCB10-800/10,0,4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Pengurangan konsumsi daya tahunan satu unit dapat dihitung sebagai berikut:

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

Dari perhitungan, dapat dilihat bahwa efek penghematan energi dari transformator tipe kering amorf cukup jelas.

Saran Relevan untuk Operasi Jangka Panjang Online

Untuk operasi jangka panjang transformator tipe kering amorf di lintasan kereta bawah tanah, perancangan, produksi, pemeliharaan, dan perbaikan harus dilakukan dengan teliti sesuai dengan karakteristik uniknya. Penulis mengajukan saran berikut:

• Mengingat densitas magnetik saturasi bahan paduan amorf relatif rendah dan magnetostrictinya relatif besar, selama perancangan produk, densitas fluks magnetik nominal tidak boleh ditetapkan terlalu tinggi. Secara umum, lebih baik memilih nilai di bawah 1,2 T.

• Selama proses perancangan dan produksi, perhatian harus diberikan pada kemampuan tahan short-circuit transformator tipe kering amorf. Kemampuan ini harus ditingkatkan melalui cara seperti pemrosesan yang lebih halus dan optimasi struktur.

• Paduan amorf menunjukkan sensitivitas ekstrem terhadap stres mekanis. Oleh karena itu, dalam perancangan struktur, pendekatan desain tradisional yang menggunakan inti sebagai komponen beban utama harus dihindari.

• Untuk mencapai karakteristik kerugian rendah yang luar biasa, annealing inti paduan amorf adalah proses yang tidak terpisahkan.

• Pemeliharaan dan perbaikan rutin transformator tipe kering amorf sangat penting. Hal ini membantu menghilangkan potensi bahaya keamanan dan memperpanjang umur layanan transformator.

Kesimpulan

Dalam latar belakang negara yang gencar mempromosikan penghematan energi dan pengurangan emisi, semua sektor industri berusaha keras untuk mengurangi konsumsi energi. Sebagai konsumen listrik yang signifikan dalam jaringan listrik perkotaan, adopsi luas transformator tipe kering amorf di kereta bawah tanah sesuai dengan kebijakan industri nasional dan memiliki prospek aplikasi yang luas.

Perlu dicatat bahwa biaya transformator distribusi paduan amorf lebih tinggi daripada transformator lembaran baja silikon tradisional, dan instalasinya juga memiliki fitur unik tertentu. Oleh karena itu, skema pemilihan transformator yang rasional harus dibuat berdasarkan analisis komprehensif kondisi regional dan spesifik lintasan.

Karena transformator distribusi paduan amorf menuntut standar perancangan dan proses produksi yang tinggi, ketika memilih pemasok, disarankan untuk memilih perusahaan yang memiliki rekam jejak aplikasi yang sukses dan memiliki kemampuan teknis maju.