Аморфен легирен дистрибутивен трансформатор во системата за снабдување со електрична енергија на МЕТРО

Во последните години, со брзото развојно темпо на урбанскиот транспорт со железница во Кина, електричната и светлинска нагузда на метро се зголемуваа брзо, а проблемот со потрошуването на електрична енергија поради губитоци во дистрибутивните трансформатори стана все поедноставен. Со позадина на државската промовираност за енергетска ефикасност и заштита на околината, аморфни легировани језуги кои користат аморфни легирани ленти со одлични магнетни особини како материјал за проводливост на магнетно поле, постигнуваа релативно ниски губитоци во празно и токови во празно, затоа станаа еден од правците на развој на енергетски ефикасни трансформатори. Со фокус на линијата 14 на Бејџинг метрото, оваа статија започнува со принципите, структурите и техничките карактеристики на сухи аморфни легирани језуги (далее само „аморфни сухи трансформатори“), кратко опишува ефектите од имплементацијата на местото, и предлажа соодветни препораки за долготрачна работа, со цел да обезбеди референци и искуства за избор и применување на дистрибутивни трансформатори во метро.
Структура и работен принцип на аморфните сухи трансформатори
Структура на аморфните сухи трансформатори
Аморфните легирани дистрибутивни трансформатори избираат аморфна легира со меки магнетни особини како материјал за језуг. Има висока интензитет на магнетна индукција, ултра-ниски губитоци, низок ток на возбудување, и низок коефициент на принуда, и е енергетски ефикасен и еколошки прифатлив трансформатор со добро стабилност. Аморфните сухи трансформатори комбинираат карактеристиките на епоксидно отлечените сухи трансформатори, како низок содржин на халиогени, противопожарна, мал производ на дим, и самогасечка особина, со предностите на ниските губитоци на аморфните легирани ленти, што им помага да подобро исполнат потребите на јавни околини како што е метро.

Аморфните легирани ленти се вид на тен (со дефинитивна дебелина околу 0.03 мм) и ломливи магнетни материјали. Затоа, е резонодено да се дизајнираат во структура на намотан језуг. Тренутно, структурите на епоксидно отлечените аморфни сухи трансформатори гледано општо се поделени на две категории, трите-фазни три-членска структура и трите-фазни пет-членска структура, како што е прикажано на Слика 1. Језугот на трите-фазни пет-членска структура се формира од комбинација на четири рамки, како што е прикажано на Слика 2a; језугот на трите-фазни три-членска структура се формира од комбинација на три рамки, како што е прикажано на Слика 2b. Бидејќи прекрсната површина на аморфните легирани трансформатори е правоаголна, високо- и низковолтните намотки обично се дизајнираат во правоаголна структура со закруглени рабови. Освен тоа, бидејќи магнетната индукција и факторот на слојување на аморфните легирани језуги се помали од силните језуги, волумот на аморфните легирани језуги е многу поголем од волумот на језуг од силна језуг со иста капацитет. Аморфните сухи трансформатори на една линија на метро користат дизајн на трите-фазни пет-членски језуг, што има предности како добар одвод на топлина, компактна целосна структура, и относително мал волум.

Работен принцип на аморфните сухи трансформатори

Кристалите на аморфната легира, силна језуг, се подобро магнетизираат и демагнетизираат поради нивната структура и карактеристики. Типичната аморфна легира содржи околу 80% желе, а другите главни состојки се материјали како силациум и бор. Множество тестови покажаа дека температурата на кристализација на аморфната легира е 550°C, а температурата на Кюри е околу 415°C. Овие температури можат да задоволат барањата за процесирање на аморфната легира, омекнување после формирање на језуг, нормална работна температура, и термална стабилна температура во кратки замикнувања, така што нема проблеми во примената на аморфните сухи трансформатори.

Како пример, трите-фазни, четири-рамки, пет-членски аморфни легирани дистрибутивни трансформатори, бидејќи секој намот е намотен на две рамки со независни магнетни кола, магнетниот поток на секоја рамка се состои од основен магнетен поток и неколку трети гармонични магнетни потоци. Односот на третата гармоника според основниот магнетен поток зависи од номиналната магнетна индукција. Меѓутоа, третите гармонични магнетни потоци во двата језуга на една намотка се обратни во фаза и еднакви по вредност. Значи, векторот на третата гармонична магнетна поток во секоја намотка е нула. Кога високоволтната намотка е поврзана во делта (D) конфигурација, постои пат за третата гармонична струја во намотката. Како резултат, обично нема трета гармонична компонента на вторичната страна на индуцираната напонска форма. Невзирајќи на тоа, губитокот во празно во секоја рамка е все јоще под влијание на третата гармонична струја во рамката. Двете странични рамки на оваа структура можат да пружат пат за нултата компонента или вишестепени гармонии во магнетните потоци.

Главни технички карактеристики на аморфните сухи трансформатори
Карактеристики на аморфните сухи трансформатори

Аморфните легирани ленти се екстремно чувствителни на притис. Еднаш повредени, не можат да се вратат. Затоа, во процесот на производство, следните две точки мора да се осигураат: Прво, језугот само носи својата тежина, а тежината на високо- и низковолтните намотки се поддржува од стилски компоненти како основа, горни и долни захлопачки делови. Второ, капацитетот за оддржување на кратки замикнувања се подобрува преку оптимизирана структура на дизајн.

Правоаголните намотки на аморфните сухи трансформатори не се равномерно подложени на притис како круглите намотки. Кога трансформаторот оддржува кратки замикнувања, насоката на длабоката оска е подлошка на деформација. Во практиката, високоволтните намотки се чврсто структурирани жици одлечените со епоксидна смола и фиксираат во слојот од смола. Динамички и термални пресметки и практични симулации покажаа дека високоволтните намотки можат да оддржуваат електродинамичкиот притис во време на кратки замикнувања.

Низковолтните намотки најчесто се намотени со медни фолии и имаат термално зачвршен епоксиден смолен крај, со мало помала чврстост. Те се подлошки на деформација во време на кратки замикнувања, што подложува аморфните легирани ленти на притис. Затоа, во процесот на дизајн, треба да се избегне голем однос меѓу длабоката и кратката оска на низковолтните намотки. Освен тоа, во процесот на собирање, мора да се постават поддршечки простори измеѓу језугот и низковолтните намотки за да се подобри капацитетот за оддржување на кратки замикнувања.

Шумот на трансформаторот веќе доаѓа од магнетострикции на језугот. Магнетострикцијата на аморфната легира е околу 10% поголема од силната језуг. Споредба на националните стандарди "JB/T 10088 - 2004 Ниво на звук за 6 kV - 500 kV електрични трансформатори" и "GB/T 22072 - 2008 Технички параметри и барања за сухи аморфни легирани језуги дистрибутивни трансформатори", може да се види дека барањата за шум на сухи аморфни легирани језуги дистрибутивни трансформатори во националните стандарди се истоветни со барањата за трансформатори со језуг од силна језуг.

Ова зголемува трудноста на производството на аморфни сухи трансформатори. Меѓутоа, преку рационален дизајн на структурата на аморфните сухи трансформатори, шумот все уште може да се контролира во рамките на националните стандарди. Интензитетот на магнетната индукција е важен фактор што влијае на шумот на аморфните сухи трансформатори.

За секој 0.05 T зголемување на интензитетот на магнетната индукција, шумот во празно се зголемува за околу 2 dB(A), а шумот на трансформаторот се зголемува за 5 dB(A)[1]. Затоа, интензитетот на магнетната индукција на аморфните сухи трансформатори треба да се одбере рационално за да се постигне намалување на шум. Под нормални услови, интензитетот на магнетната индукција под 1.25 T е доволен за аморфни сухи трансформатори.

Меѓутоа, со оглед на специјалната ситуација на високата густина на патници во метро, нивото на шум треба да се контролира и подолу, а интензитетот на магнетната индукција обично се одбира под 1.2 T. Освен тоа, шумот на аморфните сухи трансформатори треба да се подолго со оптимизација на структурата. На пример, прифатлив простор треба да се остави во рамката составена од језугот и захлопачките делови за да се избегне преувеќен притис на језугот и контрола на зголемувањето на вибрацијата на језугот. Материјали за апсорбиране на звук треба да се подложат меѓу језугот и рамката за ефективно намалување на шум.

Во време на превоз и инсталација, аморфните сухи трансформатори треба да се оперираат строго според оперативните стандарди и процедури за да се избегнат ситуации како притисок или удари на језугот.

Економска анализа на перформансите на аморфните сухи трансформатори

Аморфните сухи трансформатори имаат очигледни ефекти на енергетска ефикасност. Натаму се врши економска анализа на SCBH15-тип аморфни сухи трансформатори и SCB10-тип трансформатори со језуг од силна језуг со различни капацитети. Споредбата се прави во однос на вредноста на аморфните материјали и материјалите од силна језуг, годишни штети од електрична енергија, број на години за враќање на дополнителната цена, и штети, како што е прикажано во Табела 1.

Од Табела 1 може да се види дека аморфните сухи трансформатори имаат повеќе предности во енергетска ефикасност споредно со традиционалните трансформатори со језуг од силна језуг. Преобразувањето во оперативни трошоци е значајно. Најголемиот број на години за враќање на дополнителната цена е само 5 години, што покажува големи перспективи за применување.

Примена и ефект на аморфните сухи трансформатори во метро
Примена на аморфните сухи трансформатори во метро

Со детално објаснување на структурата и принципот на аморфните сухи трансформатори и економската анализа на перформансите, заедно со инженерската ситуација на линијата 14 на Бејџинг метрото, за планот за применување на аморфните сухи трансформатори, треба да се направи ключна истражување на технички аспекти како капацитет за оддржување на кратки замикнувања, контрола на шум, показатели на губитоци, и план за инсталација на аморфните сухи трансформатори, за да се искористат добри енергетски ефикасни перформанси на аморфните сухи трансформатори и подобрување на нивото на енергетска ефикасност на метро.

Ефект од имплементацијата на местото

Како пример, SCBH15-800/10/0.4 аморфен сух трансформатор кој е веќе поставен во функција на линијата 14 на метро, споредно со SCB10-800/10.0.4 сух трансформатор, ΔP0 = 1.05 kW; ΔPk = 0. Годишната намала на потрошуването на енергија за една единица може да се пресмета како:

ΔWk = 8 760×(1.05 + 0.62×0) = 9 198 kW·h

Со пресметка, може да се види дека ефектот на енергетска ефикасност на аморфните сухи трансформатори е релативно очигледен.

Соодветни препораки за долготрачна онлајн работа

За долготрачната работа на аморфните сухи трансформатори на линиите на метро, нивниот дизајн, производство, одржување и ремонтирање треба да се вршат внимателно според нивните уникални карактеристики. Авторот предлага следните препораки:

• Затоа што магнетната интензитет на аморфните легирани материјали е релативно ниска и нивната магнетострикција е релативно голема, во дизајнот на продуктот, номиналниот магнетен поток не треба да се постави премногу високо. Обично, е предпочитливо да се избере вредност под 1.2 T.

• На протек на дизајнот и производството, мора да се обрati внимание на капацитетот за оддржување на кратки замикнувања на аморфните сухи трансформатори. Овој капацитет треба да се подобри преку средства како рафиниране на процесот и оптимизација на структурата.

• Аморфните легири покажуваат екстремна осетливост на механички притис. Затоа, во структурниот дизајн, мора да се избегне традиционалниот дизајн кој користи језугот како главен носач на притис.

• За да се постигнат отлични карактеристики на ниски губитоци, аннеалирањето на аморфните легирани језуги е незаменим процес.

• Редовното одржување и поправка на аморфните сухи трансформатори се неопходни. Ова помага да се елиминираат потенцијални опасности и да се продолжи животот на трансформаторите.

Заклучок

Со позадина на државската активна промовираност за енергетска ефикасност и намалување на емисиите, сите индустрии прават напор да го намалат потрошуването на енергија. Како значајен потрошувач на електрична енергија во градски електрични мрежи, широката применување на аморфни сухи трансформатори во метро е во согласност со државните индустријски политики и има широка перспектива за применување.

Треба да се забележи дека цената на аморфните легирани дистрибутивни трансформатори е поголема од цената на традиционалните трансформатори со језуг од силна језуг, и нивната инсталација исто така има некои уникални карактеристики. Затоа, треба да се формулира рационален план за избор на трансформатори според комплексна анализа на регионални и линиски услови.

Бидејќи аморфните легирани дистрибутивни трансформатори бараат висок стандард на дизајн и производствени процеси, кога се избираат доставчици, е препорачливо да се изберат компании со успешни историји на применување и напредни технички способности.