Applicazione del trasformatore di distribuzione in lega amorfica nel sistema di alimentazione elettrica METRO

Negli ultimi anni, con lo sviluppo rapido della scala del trasporto urbano ferroviario in Cina, il carico elettrico e di illuminazione delle metropolitane è aumentato rapidamente, e il problema dell'energia elettrica consumata dalle perdite autoindotte dei trasformatori di distribuzione è diventato sempre più evidente. Sotto l'impulso del paese per la promozione dell'energia e dell'ambiente, i trasformatori a nucleo di lega amorfizzata, che utilizzano strisce di lega amorfizzata con eccellenti proprietà magnetiche come materiale conduttore magnetico, hanno raggiunto perdite a vuoto e correnti a vuoto relativamente basse, diventando così una delle direzioni di sviluppo per i trasformatori risparmiatori di energia. Prendendo come sfondo la Linea 14 della Metropolitana di Pechino, questo articolo inizia con i principi, le strutture e le caratteristiche tecniche dei trasformatori di distribuzione a secco a nucleo di lega amorfizzata (da ora in poi definiti "trasformatori a secco amorfizzati"), descrive brevemente gli effetti dell'applicazione sul campo e propone suggerimenti rilevanti per l'operazione a lungo termine, con l'obiettivo di fornire riferimenti ed esperienze per la selezione e l'applicazione di trasformatori di distribuzione nelle metropolitane.
Struttura e principio di funzionamento dei trasformatori a secco amorfizzati
Struttura dei trasformatori a secco amorfizzati
I trasformatori di distribuzione a lega amorfizzata scelgono una lega amorfizzata con proprietà magnetiche morbide come materiale del nucleo. Ha un'alta intensità magnetica di saturazione, perdite ultra-basse, corrente d'eccitazione bassa e coercività bassa, ed è un trasformatore risparmiatore di energia e rispettoso dell'ambiente con buona stabilità. I trasformatori a secco amorfizzati combinano le caratteristiche dei trasformatori a secco in resina epoxidica, come contenuto di halogeni basso, resistenza al fuoco, produzione di fumo ridotta e proprietà autospengenti, con i vantaggi a bassa perdita delle strisce di lega amorfizzata, permettendo loro di soddisfare meglio le esigenze degli ambienti pubblici come le metropolitane.

Le strisce di lega amorfizzata sono un tipo di materiale conduttore magnetico sottile (con uno spessore di circa 0,03 mm) e fragile. Pertanto, è ragionevole progettarle in una struttura a nucleo avvolto. Attualmente, le strutture dei trasformatori a secco amorfizzati in resina epoxidica si dividono principalmente in due categorie, ovvero la struttura a tre fasi e tre bracci e la struttura a tre fasi e cinque bracci, come mostrato nella Figura 1. Il nucleo della struttura a tre fasi e cinque bracci è formato dalla combinazione di quattro telai, come mostrato nella Figura 2 a; il nucleo della struttura a tre fasi e tre bracci è formato dalla combinazione di tre telai, come mostrato nella Figura 2 b. Poiché la sezione trasversale del nucleo dei trasformatori a lega amorfizzata è rettangolare, le bobine ad alta e bassa tensione sono generalmente progettate in una struttura rettangolare con angoli arrotondati. Inoltre, poiché la densità di flusso magnetico e il fattore di laminazione del nucleo a lega amorfizzata sono inferiori a quelli delle lamierie di silicio, il volume del nucleo a lega amorfizzata è molto maggiore di quello di un nucleo di lamiera di silicio della stessa capacità. I trasformatori a secco amorfizzati su una certa linea della metropolitana adottano un design a nucleo a tre fasi e cinque bracci, che ha i vantaggi di una buona dissipazione del calore, una struttura compatta e un volume relativamente piccolo.

Principio di funzionamento dei trasformatori a secco amorfizzati

I cristalli del materiale del nucleo a lega amorfizzata, il silicio, sono più favorevoli alla magnetizzazione e demagnetizzazione a causa della loro struttura e caratteristiche. Una tipica lega amorfizzata contiene circa l'80% di ferro, con altri componenti principali come silicio e boro. Numerosi test hanno dimostrato che la temperatura di cristallizzazione della lega amorfizzata è di 550°C, e la temperatura di Curie è di circa 415°C. Queste temperature possono soddisfare i requisiti per la lavorazione della lega amorfizzata, la riscaldatura dopo la formazione del nucleo, la temperatura di funzionamento normale e la temperatura termicamente stabile durante i cortocircuiti, quindi non ci sono problemi nell'applicazione dei trasformatori a secco amorfizzati.

Prendendo come esempio un trasformatore di distribuzione a lega amorfizzata trifase, a quattro telai e cinque bracci, poiché ogni avvolgimento è posizionato su due telai con circuiti magnetici indipendenti, il flusso magnetico di ogni telaio è costituito da flusso magnetico fondamentale e da alcuni flussi magnetici armonici di terza. Il rapporto tra l'armonico di terza e il fondamentale dipende dalla densità di flusso magnetico nominale. Tuttavia, i flussi magnetici armonici di terza nei due telai di un avvolgimento sono in fase opposta e uguali in valore. Pertanto, il vettore del flusso magnetico armonico di terza in ogni avvolgimento è zero. Quando la bobina ad alta tensione è collegata in configurazione delta (D), c'è un percorso per la corrente armonica di terza nella bobina. Di conseguenza, solitamente non c'è un componente di tensione armonica di terza nella forma d'onda della tensione indotta secondaria. Tuttavia, la perdita a vuoto in ogni telaio è ancora influenzata dalla corrente armonica di terza all'interno di quel telaio. I due tiranti laterali di questa struttura possono fornire un percorso per il componente a sequenza zero o armoniche superiori nel flusso magnetico.

Caratteristiche tecniche principali dei trasformatori a secco amorfizzati
Caratteristiche dei trasformatori a secco amorfizzati

Le strisce di lega amorfizzata sono estremamente sensibili alla pressione. Una volta danneggiate, non possono essere ripristinate. Pertanto, durante il processo di fabbricazione, devono essere garantiti i seguenti due punti: primo, il nucleo sopporta solo il proprio peso, e il peso delle bobine ad alta e bassa tensione è supportato da componenti strutturali in acciaio come la base, i pezzi di fissaggio superiore e inferiore. Secondo, la capacità di resistere ai cortocircuiti viene migliorata attraverso una struttura di progettazione ottimizzata.

Le bobine a struttura rettangolare dei trasformatori a secco amorfizzati non sono soggette a stress uniformi come le bobine circolari. Quando il trasformatore subisce una corrente di cortocircuito, la direzione dell'asse lungo è più soggetta a deformazioni. Nella produzione reale, le bobine ad alta tensione sono fili a struttura rigida moulati con resina epoxidica e fissati nello strato di resina. Calcoli di stabilità dinamica e termica e simulazioni pratiche hanno dimostrato che le bobine ad alta tensione possono resistere alla forza elettrodinamica durante i cortocircuiti.

Le bobine a bassa tensione sono in gran parte avvolte con nastri di rame e hanno una struttura di sigillatura a resina epoxidica termicamente curata, con rigidità leggermente inferiore. Sono soggetti a deformazioni durante i cortocircuiti, sottoponendo le strisce di lega amorfizzata a stress. Pertanto, durante il processo di progettazione, deve essere evitato un rapporto troppo grande tra l'asse lungo e l'asse corto delle bobine a bassa tensione. Inoltre, durante il processo di assemblaggio, devono essere posizionati separatori di supporto tra il nucleo e le bobine a bassa tensione per migliorare la capacità di resistere ai cortocircuiti.

Il rumore di un trasformatore proviene principalmente dalla magnetostrizione del nucleo. La magnetostrizione della lega amorfizzata è approssimativamente il 10% superiore a quella delle lamierie di silicio. Confrontando le norme nazionali "JB/T 10088 - 2004 Livelli sonori per trasformatori di potenza da 6 kV a 500 kV" e "GB/T 22072 - 2008 Parametri tecnici e requisiti per i trasformatori di distribuzione a secco a nucleo di lega amorfizzata", si può vedere che i requisiti di rumore per i trasformatori di distribuzione a secco a nucleo di lega amorfizzata nelle norme nazionali sono gli stessi di quelli per i trasformatori a nucleo di lamiera di silicio.

Questo aumenta la difficoltà di fabbricazione dei trasformatori a secco amorfizzati. Tuttavia, attraverso un progetto strutturale razionale dei trasformatori a secco amorfizzati, il rumore può essere comunque controllato entro i limiti delle norme nazionali. La densità di flusso magnetico è un fattore importante che influenza il rumore dei trasformatori a secco amorfizzati.

Per ogni aumento di 0,05 T nella densità di flusso magnetico, il rumore a vuoto aumenta di circa 2 dB(A) e il rumore del trasformatore aumenta di 5 dB(A)[1]. Pertanto, la densità di flusso magnetico dei trasformatori a secco amorfizzati dovrebbe essere scelta in modo ragionevole per ottenere una riduzione del rumore. In circostanze normali, una densità di flusso magnetico inferiore a 1,25 T è sufficiente per i trasformatori a secco amorfizzati.

Tuttavia, considerando la situazione speciale di alta densità di passeggeri nelle metropolitane, il livello di rumore dovrebbe essere controllato ulteriormente, e la densità di flusso magnetico è generalmente scelta inferiore a 1,2 T. Inoltre, il rumore dei trasformatori a secco amorfizzati deve essere attenuato attraverso l'ottimizzazione della struttura. Ad esempio, dovrebbe essere lasciato uno spazio adeguato nel telaio composto dal nucleo e dai pezzi di fissaggio per evitare stress eccessivi sul nucleo e controllare l'aumento della vibrazione del nucleo. Dovrebbero anche essere posizionati materiali assorbenti tra il nucleo e il telaio per ridurre efficacemente il rumore.

Durante il trasporto e l'installazione, i trasformatori a secco amorfizzati devono essere maneggiati rigorosamente secondo le specifiche e le procedure operative per evitare situazioni in cui il nucleo sia sottoposto a stress o colpi.

Analisi delle prestazioni economiche dei trasformatori a secco amorfizzati

I trasformatori a secco amorfizzati hanno effetti di risparmio energetico evidenti. Si procede qui con un'analisi economica dei trasformatori a secco amorfizzati di tipo SCBH15 e dei trasformatori di distribuzione a lamiera di silicio di tipo SCB10 con diverse capacità. Il confronto viene fatto in termini di valore dei materiali amorfizzati e delle lamierie di silicio, risparmio annuale sui costi dell'energia elettrica, numero di anni per recuperare il costo aggiuntivo e risparmio sui costi, come mostrato nella Tabella 1.

Si può vedere dalla Tabella 1 che i trasformatori a secco amorfizzati hanno maggiori vantaggi in termini di risparmio energetico rispetto ai tradizionali trasformatori a lamiera di silicio. Tradotto in termini di costi operativi, è notevole. Il massimo numero di anni per recuperare il costo aggiuntivo è solo di 5 anni, mostrando grandi prospettive di applicazione.

Applicazione ed effetto dei trasformatori a secco amorfizzati nelle metropolitane
Applicazione dei trasformatori a secco amorfizzati nelle metropolitane

Attraverso l'elaborazione della struttura e del principio dei trasformatori a secco amorfizzati e l'analisi delle prestazioni economiche, unitamente alla situazione ingegneristica della Linea 14 della Metropolitana di Pechino, per lo schema di applicazione dei trasformatori a secco amorfizzati, dovrebbe essere condotta una ricerca chiave su aspetti tecnici come la capacità di resistere ai cortocircuiti, il controllo del rumore, l'indice di perdita e lo schema di installazione dei trasformatori a secco amorfizzati, al fine di sfruttare al meglio le buone prestazioni di risparmio energetico dei trasformatori a secco amorfizzati e migliorare il livello di risparmio energetico delle metropolitane.

Effetto dell'implementazione sul campo

Prendendo come esempio il trasformatore a secco amorfizzato SCBH15-800/10/0.4 che è stato messo in funzione sulla Linea 14 della metropolitana, in confronto al trasformatore a secco SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Il risparmio annuale di energia di una singola unità può essere calcolato come segue:

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

Tramite il calcolo, si può vedere che l'effetto di risparmio energetico dei trasformatori a secco amorfizzati è piuttosto evidente.

Suggerimenti rilevanti per l'operazione a lungo termine in linea

Per l'operazione a lungo termine dei trasformatori a secco amorfizzati sulle linee della metropolitana, il loro progetto, produzione, manutenzione e revisione devono essere eseguiti con cura in base alle loro caratteristiche uniche. L'autore presenta i seguenti suggerimenti:

• Poiché la densità di saturazione magnetica dei materiali a lega amorfizzata è relativamente bassa e la loro magnetostrizione è relativamente elevata, durante la progettazione del prodotto, la densità di flusso magnetico nominale non dovrebbe essere impostata troppo alta. In generale, è preferibile scegliere un valore inferiore a 1,2 T.

• Durante i processi di progettazione e produzione, deve essere data la giusta attenzione alla capacità di resistere ai cortocircuiti dei trasformatori a secco amorfizzati. Questa capacità dovrebbe essere migliorata attraverso mezzi come l'affinamento del processo e l'ottimizzazione strutturale.

• Le leghe amorfizzate presentano una sensibilità estrema allo stress meccanico. Pertanto, nel progetto strutturale, è necessario evitare l'approccio di progettazione tradizionale che utilizza il nucleo come componente principale di portata del carico.

• Per ottenere eccellenti caratteristiche a bassa perdita, la riscaldatura del nucleo a lega amorfizzata è un processo indispensabile.

• La manutenzione e la riparazione regolari dei trasformatori a secco amorfizzati sono essenziali. Questo aiuta a eliminare potenziali pericoli e a prolungare la vita utile dei trasformatori.

Conclusione

Nello scenario di un forte impulso nazionale per la promozione dell'energia e della riduzione delle emissioni, tutti i settori stanno facendo sforzi strenui per ridurre il consumo energetico. Come importante consumatore di elettricità nelle reti urbane, l'adozione diffusa di trasformatori a secco amorfizzati nelle metropolitane è in linea con le politiche industriali nazionali e presenta ampie prospettive di applicazione.

Va notato che il costo dei trasformatori di distribuzione a lega amorfizzata è superiore a quello dei tradizionali trasformatori a lamiera di silicio, e la loro installazione presenta anche alcune caratteristiche uniche. Pertanto, dovrebbe essere formulato uno schema di selezione dei trasformatori basato su un'analisi complessiva delle condizioni regionali e specifiche della linea.

Poiché i trasformatori di distribuzione a lega amorfizzata richiedono standard elevati di progettazione e processi di produzione, quando si sceglie un fornitore, è consigliabile optare per imprese che abbiano un tracciato di applicazioni di successo e possiedano capacità tecniche avanzate.