非晶合金配電変圧器のメトロ電力供給システムへの応用
近年、中国における都市鉄道交通の規模が急速に拡大する中、地下鉄の電力・照明負荷が急増し、配電変圧器自体の損失による電力消費問題がますます顕著になっています。国家がエネルギー節約と環境保護を推進する背景のもと、優れた磁気伝導性を持つ非晶質合金ストリップを使用した非晶質合金コア変圧器は、比較的低い空載損失と空載電流を達成しており、節電型変圧器の一つの発展方向となっています。本論文では、北京地下鉄14号線を背景に、非晶質合金コア乾式配電変圧器（以下、「非晶質乾式変圧器」という）の原理、構造、技術的特徴から始め、現場での実施効果について簡潔に述べ、長期運転に関する関連提案を行います。これにより、地下鉄における配電変圧器の選択と応用に対する参考と経験を提供することを目指しています。
非晶質乾式変圧器の構造と動作原理
非晶質乾式変圧器の構造
非晶質合金配電変圧器は、軟磁性を持つ非晶質合金を選択してコア材料としています。これは高い飽和磁束密度、超低損失、低励磁電流、低コエルシビリティを持ち、安定性が良い節電型および環境に優しい変圧器です。非晶質乾式変圧器は、エポキシ樹脂成型乾式変圧器の低ハロゲン含有量、難燃性、低煙生成、自己消火性などの特性と、非晶質合金ストリップの低損失の利点を組み合わせることで、地下鉄のような公共環境における需要をよりよく満たすことができます。
非晶質合金ストリップは、薄さ（約0.03mm）と脆さを持つ磁気伝導材料です。そのため、巻きコア構造に設計することが合理的です。現在、エポキシ樹脂成型非晶質乾式変圧器の構造は主に3相3脚構造と3相5脚構造の2種類があります（図1参照）。3相5脚構造のコアは4つのフレームを組み合わせて形成され、図2aに示されています。3相3脚構造のコアは3つのフレームを組み合わせて形成され、図2bに示されています。非晶質合金変圧器のコア断面は長方形であるため、高・低圧コイルは一般に丸角の長方形構造に設計されます。また、非晶質合金コアの磁束密度と積層係数はシリコン鋼板よりも低いため、非晶質合金コアの体積は同じ容量のシリコン鋼板コアよりも大きくなります。ある地下鉄線路の非晶質乾式変圧器は3相5脚コア設計を採用しており、良好な放熱性、コンパクトな全体構造、比較的小さな体積という利点があります。
非晶質乾式変圧器の動作原理
非晶質合金コア材料の結晶、シリコン鋼は、その構造と特性により、磁化と脱磁化が容易です。典型的な非晶質合金は約80%の鉄を含み、他の主要成分はシリコンやボロンなどの材料です。多くの試験結果によると、非晶質合金の結晶化温度は550℃、キュリー温度は約415℃です。これらの温度は、非晶質合金の加工、コア形成後の焼鈍、通常の動作温度、ショートサーキット時の熱安定温度の要件を満たしており、非晶質乾式変圧器の応用において問題はありません。
3相、4フレーム、5脚の非晶質合金配電変圧器を例にとると、各巻線は独立した磁気回路を持つ2つのフレームに被せられていますので、各フレームの磁束は基本波磁束と一部の3次高調波磁束で構成されます。3次高調波と基本波の比率は定格磁束密度によって決まりますが、同一巻線の2つのコアフレーム内の3次高調波磁束は位相が逆で値が等しいため、各巻線の3次高調波磁束ベクトルはゼロになります。高圧コイルがデルタ接続（D）されている場合、コイル内には3次高調波電流のパスがあります。そのため、誘導された二次側電圧波形には一般的に3次高調波電圧成分はありません。しかし、各フレームの空載損失はまだそのフレーム内の3次高調波電流によって影響を受けます。この構造の両端のヨークは、磁束の零相成分または高次高調波のパスを提供します。
非晶質乾式変圧器の主な技術的特性
非晶質乾式変圧器の特性
非晶質合金ストリップは非常に圧力に対して敏感であり、一度損傷すると修復不能です。そのため、製造過程では以下の2点を確保する必要があります：第一に、コアは自身の重量のみを支え、高・低圧コイルの重量はベース、上下のクランプ部品などの鋼構造部品によって支えられる。第二に、最適化された設計構造を通じて短絡耐力が向上される。
非晶質乾式変圧器の長方形構造の巻線は円形巻線ほど均一にストレスがかかりません。変圧器が短絡電流に耐えるとき、長軸方向が変形しやすくなります。実際の生産では、高圧巻線はエポキシ樹脂でキャストされた硬質ワイヤーで、樹脂層に固定されています。動的および熱的安定性計算と実際のシミュレーションにより、高圧コイルは短絡時の電動力に耐えることが証明されています。
低圧巻線は主に銅箔で巻かれ、熱硬化エポキシ樹脂の端密封構造を持ち、若干の剛性が低いです。短絡時に変形しやすく、非晶質合金ストリップにストレスがかかります。そのため、設計過程では低圧コイル巻線の長軸と短軸の比が大きくなることを避けるべきです。また、組立過程ではコアと低圧コイルの間に支持スペーサーを設置して、短絡耐力を強化する必要があります。
変圧器のノイズは主にコアの磁伸縮から来ています。非晶質合金の磁伸縮はシリコン鋼板よりも約10%高いです。「JB/T 10088-2004 6kV-500kV電力変圧器の音響レベル」および「GB/T 22072-2008 非晶質合金コア乾式配電変圧器の技術パラメータと要求事項」の国標準を比較すると、非晶質合金コア乾式配電変圧器の国標準におけるノイズ要件はシリコン鋼板コア配電変圧器と同じであることがわかります。
これは非晶質乾式変圧器の製造を難しくしていますが、非晶質乾式変圧器の構造を合理的に設計することで、ノイズは国標準範囲内に制御できます。磁束密度は非晶質乾式変圧器のノイズに重要な影響を与える因子です。
磁束密度が0.05T増加するごとに、空載ノイズは約2dB(A)上昇し、変圧器ノイズは5dB(A)上昇します[1]。したがって、非晶質乾式変圧器の磁束密度はノイズ低減のために合理的に選択する必要があります。通常の場合、非晶質乾式変圧器の磁束密度は1.25T未満で十分です。
ただし、地下鉄の乗客密度が高い特殊な状況を考慮すると、ノイズレベルはさらに低く制御する必要があり、磁束密度は一般的に1.2T未満に選択されます。また、非晶質乾式変圧器のノイズは構造の最適化によって抑制する必要があります。例えば、コアとクランプ部品で構成されたフレームには適切なスペースを設けて、コアに過度のストレスがかからないようにし、コア振動の増加を制御する必要があります。また、コアとフレームの間に吸音材を詰めて、ノイズを効果的に低減する必要があります。
輸送および設置時には、非晶質乾式変圧器は操作規格と手順に厳密に従って操作する必要があります。コアがストレスを受けることや衝撃を受けることを避けるために。
非晶質乾式変圧器の経済性能分析
非晶質乾式変圧器は明らかな節電効果があります。以下では、SCBH15型非晶質乾式変圧器とSCB10型シリコン鋼板配電変圧器の異なる容量について、非晶質材料とシリコン鋼板材料の価値、年間電力コスト削減額、追加コストの回収期間、コスト削減額を比較します（表1参照）。
表1から、非晶質乾式変圧器は従来のシリコン鋼板変圧器と比較して節電面でより優れていることがわかります。これを運用コストに換算すると非常に顕著です。追加コストの最大回収期間はわずか5年で、大きな応用可能性が示されています。
非晶質乾式変圧器の地下鉄への応用と効果
非晶質乾式変圧器の地下鉄への応用
非晶質乾式変圧器の構造と原理の詳細説明と経済性能分析を踏まえ、北京地下鉄14号線の工事情報を組み合わせて、非晶質乾式変圧器の応用計画については、短絡耐力、ノイズ制御、損失指標、設置計画などの技術的な側面を中心に研究を行うべきです。これにより、非晶質乾式変圧器の優れた節電性能を最大限に活用し、地下鉄の節電レベルを向上させることができます。
現場での実施効果
地下鉄14号線で稼働しているSCBH15-800/10/0.4非晶質乾式変圧器を例にとると、SCB10-800/10.0.4乾式変圧器と比較して、ΔP0 = 1.05 kW； ΔPk = 0。1台あたりの年間電力消費量の削減は以下の通り計算されます：
ΔWk = 8 760×(1.05 + 0.62×0) = 9 198 kW·h
計算から、非晶質乾式変圧器の節電効果は比較的明らかです。
長期オンライン運転に関する関連提案
地下鉄線路上での非晶質乾式変圧器の長期運転については、その固有の特性に基づいて設計、生産、メンテナンス、オーバーホールを細心の注意を払って行う必要があります。著者は以下の提案を行います：
非晶質合金材料の磁気飽和密度が比較的低く、磁伸縮が比較的大きいことを考慮し、製品設計において定格磁束密度を過度に高く設定すべきではありません。一般的には1.2 T以下の値を選択することが望ましいです。
設計および生産プロセスを通じて、非晶質乾式変圧器の短絡耐力を十分に考慮する必要があります。工程の精緻化や構造の最適化などを通じてこの能力を強化すべきです。
非晶質合金は機械的ストレスに対して極めて敏感です。そのため、構造設計において、コアを主な荷重部品とする従来の設計アプローチを避ける必要があります。
優れた低損失特性を達成するためには、非晶質合金コアの焼鈍処理は不可欠な工程です。
非晶質乾式変圧器の定期的なメンテナンスと修理は必須です。これにより潜在的な安全上の危険を排除し、変圧器の寿命を延ばすことができます。
結論
国のエネルギー節約と排出削減の推進の背景のもと、すべての産業がエネルギー消費を削減するために努力しています。都市電力網における重要な電力消費者である地下鉄において、非晶質乾式変圧器の広範な採用は国の産業政策に合致し、幅広い応用の見込みがあります。
ただし、非晶質合金配電変圧器のコストは従来のシリコン鋼板変圧器よりも高く、設置にも特定の独自の特徴があります。したがって、地域や線路の具体的な条件を総合的に分析した上で、合理的な変圧器選択計画を策定する必要があります。
非晶質合金配電変圧器は設計と生産プロセスに高い標準を要求するため、供給元を選ぶ際には、成功した応用実績があり、先進的な技術能力を持つ企業を選択することが望ましいです。
