Penggunaan transformator distribusi aloi amorf dalam sistem bekalan kuasa METRO

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan pesat skala transportasi rel bandar di China, beban daya dan penerangan metro telah meningkat dengan cepat, dan masalah penggunaan tenaga listrik yang disebabkan oleh kerugian sendiri transformator distribusi menjadi semakin menonjol. Dalam konteks negara yang menggalakkan penghematan energi dan perlindungan alam, transformator inti paduan amorfus, yang menggunakan strip paduan amorfus dengan konduktivitas magnetik yang baik sebagai bahan konduksi magnet, telah mencapai kerugian tanpa beban dan arus tanpa beban yang relatif rendah, dan karenanya menjadi salah satu arah pengembangan transformator hemat energi. Dengan latar belakang Jalur 14 Metro Beijing, makalah ini memulai dengan prinsip, struktur, dan karakteristik teknis transformator distribusi inti paduan amorfus tipe kering (selanjutnya disebut "transformator tipe kering amorfus"), menjelaskan singkat efek implementasi lapangan, dan mengajukan saran-saran relevan untuk operasi jangka panjang, bertujuan untuk memberikan referensi dan pengalaman dalam pemilihan dan aplikasi transformator distribusi di metro.
Struktur dan Prinsip Kerja Transformator Tipe Kering Amorfus
Struktur Transformator Tipe Kering Amorfus
Transformator distribusi paduan amorfus memilih paduan amorfus dengan sifat magnet lunak sebagai bahan inti. Ini memiliki intensitas induksi magnetik saturasi tinggi, kerugian ultra-rendah, arus mendorong rendah, dan koersivitas rendah, dan merupakan transformator hemat energi dan ramah lingkungan dengan stabilitas yang baik. Transformator tipe kering amorfus menggabungkan karakteristik transformator tipe kering epoxy-cast, seperti kandungan halogen rendah, tahan api, produksi asap rendah, dan sifat self-extinguishing, dengan keuntungan kerugian rendah dari strip paduan amorfus, sehingga dapat lebih baik memenuhi kebutuhan lingkungan publik seperti metro.

Strip paduan amorfus adalah jenis bahan konduksi magnet yang tipis (dengan ketebalan sekitar 0.03 mm) dan rapuh. Oleh karena itu, desain mereka menjadi struktur inti melingkar adalah wajar. Saat ini, struktur transformator tipe kering amorfus epoxy-cast terbagi menjadi dua kategori, yaitu struktur tiga fase tiga lengan dan struktur tiga fase lima lengan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Inti struktur tiga fase lima lengan dibentuk dengan menggabungkan empat rangka, seperti ditunjukkan pada Gambar 2a; inti struktur tiga fase tiga lengan dibentuk dengan menggabungkan tiga rangka, seperti ditunjukkan pada Gambar 2b. Karena penampang inti transformator paduan amorfus berbentuk persegi panjang, kumparan tegangan tinggi dan rendah biasanya didesain menjadi struktur persegi panjang dengan sudut bulat. Juga, karena densitas fluks magnetik dan faktor laminasi inti paduan amorfus lebih rendah daripada lembaran baja silikon, volume inti paduan amorfus jauh lebih besar daripada inti lembaran baja silikon dengan kapasitas yang sama. Transformator tipe kering amorfus pada jalur metro tertentu mengadopsi desain inti tiga fase lima lengan, yang memiliki keuntungan pendinginan yang baik, struktur keseluruhan yang padat, dan volume yang relatif kecil.

Prinsip Kerja Transformator Tipe Kering Amorfus

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

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

Karakteristik Teknis Utama Transformator Tipe Kering Amorfus
Karakteristik Transformator Tipe Kering Amorfus

Strip paduan amorfus sangat sensitif terhadap tekanan. Setelah rusak, mereka tidak dapat dipulihkan. Oleh karena itu, selama proses manufaktur, dua poin berikut harus dijamin: Pertama, inti hanya menanggung beratnya sendiri, dan berat kumparan tegangan tinggi dan rendah didukung oleh komponen struktur baja seperti dasar, bagian clamping atas dan bawah. Kedua, kemampuan tahan gangguan pendek ditingkatkan melalui struktur desain yang dioptimalkan.

Kumparan berstruktur persegi panjang dari transformator tipe kering amorfus tidak menerima tekanan seragam seperti kumparan bulat. Ketika transformator menahan arus gangguan pendek, arah sumbu panjang lebih rentan terhadap deformasi. Dalam produksi nyata, kumparan tegangan tinggi adalah kawat struktur kaku yang dicetak dengan resin epoxy dan diperbaiki dalam lapisan resin. Perhitungan stabilitas dinamis dan termal serta simulasi praktis telah membuktikan bahwa kumparan tegangan tinggi dapat menahan gaya elektrodinamis selama gangguan pendek.

Kumparan tegangan rendah sebagian besar digulung dengan foil tembaga dan memiliki struktur end-sealing resin epoxy yang telah dikeraskan, dengan kekakuan sedikit lebih rendah. Mereka rentan terhadap deformasi selama gangguan pendek, yang menimbulkan tekanan pada strip paduan amorfus. Oleh karena itu, selama proses desain, rasio antara sumbu panjang dan pendek kumparan kumparan tegangan rendah harus dihindari. Selain itu, selama proses perakitan, spasi dukungan harus ditempatkan antara inti dan kumparan tegangan rendah untuk meningkatkan kemampuan tahan gangguan pendek.

Suara transformator terutama berasal dari magnetostriction inti. Magnetostriction paduan amorfus 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 Amorfus Tipe Kering", dapat dilihat bahwa persyaratan suara untuk transformator distribusi inti paduan amorfus tipe kering dalam standar nasional sama dengan transformator distribusi inti lembaran baja silikon.

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

Untuk setiap kenaikan 0.05 T dalam densitas fluks magnetik, suara tanpa beban meningkat sekitar 2 dB(A), dan suara transformator meningkat 5 dB(A)[1]. Oleh karena itu, densitas fluks magnetik transformator tipe kering amorfus harus dipilih secara wajar untuk mencapai pengurangan suara. Dalam keadaan normal, densitas fluks magnetik kurang dari 1.25 T cukup untuk transformator tipe kering amorfus.

Namun, mengingat situasi khusus kepadatan penumpang yang tinggi di metro, tingkat suara harus dikontrol bahkan lebih rendah, dan densitas fluks magnetik biasanya dipilih kurang dari 1.2 T. Selain itu, suara transformator tipe kering amorfus perlu ditekan dengan mengoptimalkan struktur. Misalnya, ruang yang tepat harus dibiarkan dalam rangka yang terdiri dari inti dan bagian clamping untuk menghindari stres berlebihan pada inti dan mengendalikan peningkatan getaran inti. Bahan penyerap suara juga harus diletakkan antara inti dan rangka untuk secara efektif mengurangi suara.

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

Analisis Kinerja Ekonomi Transformator Tipe Kering Amorfus

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

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

Aplikasi dan Efek Transformator Tipe Kering Amorfus di Metro
Aplikasi Transformator Tipe Kering Amorfus di Metro

Melalui elaborasi struktur dan prinsip transformator tipe kering amorfus dan analisis kinerja ekonomi, dikombinasikan dengan situasi teknik Jalur 14 Metro Beijing, untuk skema aplikasi transformator tipe kering amorfus, penelitian kunci harus dilakukan pada aspek teknis seperti kemampuan tahan gangguan pendek, kontrol suara, indeks kerugian, dan skema instalasi transformator tipe kering amorfus, agar dapat memanfaatkan kinerja hemat energi yang baik dari transformator tipe kering amorfus dan meningkatkan tingkat penghematan energi di metro.

Efek Implementasi Lapangan

Mengambil contoh transformator tipe kering amorfus SCBH15-800/10/0.4 yang telah beroperasi di Jalur 14 metro, 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

Melalui perhitungan, dapat dilihat bahwa efek penghematan energi transformator tipe kering amorfus relatif jelas.

Saran Relevan untuk Operasi Online Jangka Panjang

Untuk operasi jangka panjang transformator tipe kering amorfus di jalur metro, desain, produksi, pemeliharaan, dan perbaikan harus dilakukan dengan teliti sesuai dengan karakteristik unik mereka. Penulis mengajukan saran-saran berikut:

• Mengingat densitas magnetisasi saturasi bahan paduan amorfus relatif rendah dan magnetostriction-nya relatif besar, dalam desain produk, densitas fluks magnetik nominal tidak boleh ditetapkan terlalu tinggi. Secara umum, lebih baik memilih nilai di bawah 1.2 T.

• Sepanjang proses desain dan produksi, perhatian yang cukup harus diberikan pada kemampuan tahan gangguan pendek transformator tipe kering amorfus. Kemampuan ini harus ditingkatkan melalui cara seperti penyempurnaan proses dan optimasi struktur.

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

• Untuk mencapai karakteristik kerugian rendah yang baik, annealing inti paduan amorfus adalah proses yang tidak terpisahkan.

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

Kesimpulan

Dalam konteks negara yang gencar mendorong penghematan energi dan reduksi emisi, semua sektor industri berusaha keras untuk mengurangi konsumsi energi. Sebagai konsumen listrik yang signifikan dalam jaringan listrik bandar, adopsi luas transformator tipe kering amorfus di metro sesuai dengan kebijakan industri nasional dan memiliki prospek aplikasi yang luas.

Perlu dicatat bahwa biaya transformator distribusi paduan amorfus 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 jalur.

Sejak transformator distribusi paduan amorfus menuntut standar desain dan proses produksi yang tinggi, ketika memilih pemasok, disarankan untuk memilih perusahaan yang memiliki rekam jejak aplikasi yang berhasil dan memiliki kemampuan teknis canggih.