Toepassing van amorphous alloy distributietransformator in METRO-stroomvoorzieningssysteem

In de afgelopen jaren is, met de snelle groei van de schaal van het stedelijke spoorvervoer in China, de elektriciteits- en verlichtingsbelasting van metro's snel toegenomen. Het probleem van elektrische energie die wordt verbruikt door de eigen verliezen van distributietransformatoren is steeds prominenter geworden. Tegen de achtergrond van de landelijke bevordering van energiebesparing en milieubescherming hebben amorf allielegeringenkerntransformatoren, die gebruik maken van amorf allielegeringenstrips met uitstekende magnetische geleidbaarheid als magnetisch geleidend materiaal, relatief lage leegloopverliezen en -stromen bereikt, waardoor ze een van de ontwikkelingsrichtingen van energiebesparende transformatoren zijn geworden. Met als achtergrond Lijn 14 van de Peking Metro start dit artikel met de principes, structuren en technische kenmerken van droogtype amorf allielegeringenkern-distributietransformatoren (hierna "amorfe droogtypetransformatoren" genoemd), geeft een korte beschrijving van de effecten ter plaatse en stelt relevante suggesties voor langdurige bedrijfsvoering, met als doel referenties en ervaringen te bieden voor de selectie en toepassing van distributietransformatoren in metro's.
Structuur en werkingprincipe van amorfe droogtypetransformatoren
Structuur van amorfe droogtypetransformatoren
Amorf allielegeringendistributietransformatoren kiezen een amorf allielegering met zachte magnetische eigenschappen als kernmateriaal. Ze hebben een hoge verzadigde magnetische inductie-intensiteit, ultra-lage verliezen, lage opwekkingsstroom en lage coërcitieve kracht, en zijn een energiebesparende en milieuvriendelijke transformator met goede stabiliteit. Amorfe droogtypetransformatoren combineren de kenmerken van epoxy-gietdroogtypetransformatoren zoals lage halogeeninhoud, vlamvertragend, weinig rookontwikkeling en zelfblus-eigenschappen, met de laag-verliesvoordelen van amorf allielegeringenstrips, waardoor ze beter aan de behoeften van openbare omgevingen zoals metro's kunnen voldoen.

Amorf allielegeringenstrips zijn dunne (ongeveer 0,03 mm dik) en broze magnetisch geleidende materialen. Daarom is het redelijk om ze te ontwerpen in een gewonden kernstructuur. Momenteel vallen de structuren van epoxy-giet amorfe droogtypetransformatoren voornamelijk in twee categorieën, namelijk de driefase drielimstructuur en de driefase vijflimstructuur, zoals getoond in Figuur 1. De kern van de driefase vijflimstructuur wordt gevormd door vier frames te combineren, zoals getoond in Figuur 2a; de kern van de driefase drielimstructuur wordt gevormd door drie frames te combineren, zoals getoond in Figuur 2b. Aangezien de doorsnede van de kern van amorf allielegeringstransformatoren rechthoekig is, worden de hoog- en laagspanningsspoelen meestal ontworpen in een rechthoekige structuur met afgeronde hoeken. Omdat de magnetische fluxdichtheid en laminatiefactor van de amorf allielegeringkern lager zijn dan die van siliciumstaalplaten, is het volume van de amorf allielegeringkern veel groter dan dat van een siliciumstaalplatenkern met dezelfde capaciteit. De amorfe droogtypetransformatoren op een bepaalde metrolijn gebruiken een driefase vijflimkernontwerp, wat de voordelen heeft van goede warmteafgifte, een compacte gehele structuur en een relatief klein volume.

Werkingprincipe van amorfe droogtypetransformatoren

De kristallen van het amorf allielegeringkernmateriaal, siliciumstaal, zijn meer bevorderlijk voor magnetisatie en demagnetisatie vanwege hun structuur en eigenschappen. Een typische amorf allielegering bevat ongeveer 80% ijzer, met andere belangrijke componenten zoals silicium en boor. Een groot aantal tests heeft aangetoond dat de kristallisatietemperatuur van de amorf allielegering 550°C is, en de Curie-temperatuur ongeveer 415°C. Deze temperaturen voldoen aan de eisen voor de verwerking van de amorf allielegering, de annealing na het vormen van de kern, de normale werkingstemperatuur en de thermisch-stabiele temperatuur tijdens kortsluitingen, zodat er geen problemen zijn bij de toepassing van amorfe droogtypetransformatoren.

Met een driefase, vierframes, vijflim amorf allielegeringendistributietransformator als voorbeeld, omdat elke winding om twee frames met onafhankelijke magnetische circuits wordt gesleept, bestaat de magnetische flux van elk frame uit grondbare magnetische flux en enkele derde-harmonische magnetische flux. Het verhouding van de derde harmonische tot de grondbare hangt af van de nominale magnetische fluxdichtheid. Echter, de derde-harmonische magnetische fluxen in de twee kernframes van één winding zijn tegenfase en gelijk in waarde. Dus de derde-harmonische magnetische fluxvector in elke winding is nul. Wanneer de hoogspanningsspoel in een delta (D) configuratie is verbonden, is er een pad voor de derde-harmonische stroom in de spoel. Daardoor is er over het algemeen geen derde-harmonische spanningcomponent in de geïnduceerde secundaire zijde spanningssinusgolf. Niettemin wordt het leegloopverlies in elk frame nog steeds beïnvloed door de derde-harmonische stroom binnen dat frame. De twee zijde yokes van deze structuur kunnen een pad bieden voor de nulsequentiecomponent of hogere harmonische in de magnetische flux.

Belangrijkste technische kenmerken van amorfe droogtypetransformatoren
Kenmerken van amorfe droogtypetransformatoren

Amorf allielegeringenstrips zijn uiterst gevoelig voor druk. Zodra ze beschadigd zijn, kunnen ze niet hersteld worden. Daarom moeten tijdens het productieproces de volgende twee punten worden gegarandeerd: ten eerste, draagt de kern alleen zijn eigen gewicht, en wordt het gewicht van de hoog- en laagspanningsspoelen ondersteund door staalconstructieonderdelen zoals de basis, boven- en onderklemstukken. Ten tweede, wordt de kortsluitbestendigheid verbeterd door een geoptimaliseerde ontwerpstructuur.

De rechthoekige windings van amorfe droogtypetransformatoren zijn niet even uniform belast als cirkelvormige windings. Wanneer de transformator een kortsluitstroom weerstaat, is de lange-as richting gevoeliger voor vervorming. In de praktijk worden de hoogspanningswindings gemaakt van stijve gestructureerde draden gegoten met epoxyhars en vastgezet in de harslaag. Dynamische en thermische stabiliteitsberekeningen en praktische simulaties hebben bewezen dat de hoogspanningsspoelen de elektrodynamische kracht tijdens kortsluitingen kunnen weerstaan.

De laagspanningswindings bestaan meestal uit koperfolie en hebben een thermisch geoxideerde epoxyhars eindafsluitstructuur, met iets minder stijfheid. Ze zijn gevoeliger voor vervorming tijdens kortsluitingen, waardoor de amorf allielegeringenstrips onder spanning komen te staan. Daarom moet tijdens het ontwerpproces een grote verhouding tussen de lange en korte as van de laagspanningscoilwindings worden vermeden. Bovendien moeten tijdens het montageproces ondersteunende spacers worden geplaatst tussen de kern en de laagspanningscoils om de kortsluitbestendigheid te versterken.

Het lawaai van een transformator komt voornamelijk van de magnetostrictie van de kern. De magnetostrictie van amorf allielegering is ongeveer 10% hoger dan die van siliciumstaalplaten. Door de nationale normen "JB/T 10088-2004 Geluidsniveaus voor 6 kV-500 kV krachttransformatoren" en "GB/T 22072-2008 Technische parameters en vereisten voor droogtype amorf allielegeringkern-distributietransformatoren" te vergelijken, kan men zien dat de geluidseisen voor droogtype amorf allielegeringkern-distributietransformatoren in de nationale normen hetzelfde zijn als die voor siliciumstaalplatenkern-distributietransformatoren.

Dit verhoogt de moeilijkheid van het fabriceren van amorfe droogtypetransformatoren. Echter, door een rationeel ontwerp van de structuur van amorfe droogtypetransformatoren, kan het lawaai nog steeds binnen de grenzen van de nationale normen worden gehouden. De magnetische fluxdichtheid is een belangrijke factor die de geluidsproductie van amorfe droogtypetransformatoren beïnvloedt.

Voor elke 0,05 T toename in magnetische fluxdichtheid neemt het leeglooplawaai toe met ongeveer 2 dB(A), en het transformatorlawaai neemt toe met 5 dB(A)[1]. Daarom moet de magnetische fluxdichtheid van amorfe droogtypetransformatoren zorgvuldig worden gekozen om geluiddemping te bereiken. Onder normale omstandigheden is een magnetische fluxdichtheid van minder dan 1,25 T voldoende voor amorfe droogtypetransformatoren.

Echter, met inachtneming van de speciale situatie van hoge passagiersdichtheid in metro's, moet het geluidsniveau nog lager worden gecontroleerd, en de magnetische fluxdichtheid wordt meestal gekozen onder 1,2 T. Bovendien moet het lawaai van amorfe droogtypetransformatoren worden onderdrukt door de structuur te optimaliseren. Bijvoorbeeld, er moet voldoende ruimte worden gelaten in het frame dat bestaat uit de kern en klemstukken om overmatige spanning op de kern te vermijden en de toename van de kerntrillingen te controleren. Geluidsdempende materialen moeten ook tussen de kern en het frame worden gelegd om het lawaai effectief te verminderen.

Tijdens transport en installatie moeten amorfe droogtypetransformatoren strikt volgens de operatievoorschriften en -procedures worden behandeld om situaties zoals spanning op de kern of kloppen te voorkomen.

Economische prestatieanalyse van amorfe droogtypetransformatoren

Amorfe droogtypetransformatoren hebben duidelijke energiebesparingsvoordelen. De volgende economische analyse wordt uitgevoerd voor SCBH15-type amorfe droogtypetransformatoren en SCB10-type siliciumstaalplaten-distributietransformatoren met verschillende capaciteiten. De vergelijking wordt gemaakt op basis van de waarde van amorfe materialen en siliciumstaalplatenmaterialen, jaarlijkse elektriciteitskostbesparingen, het aantal jaren om de extra kosten terug te winnen en kostenbesparingen, zoals weergegeven in Tabel 1.

Uit Tabel 1 blijkt dat amorfe droogtypetransformatoren meer voordelen hebben op het gebied van energiebesparing vergeleken met traditionele siliciumstaalplaten-transformatoren. Vertaald naar exploitatiekosten is dit vrij opmerkelijk. Het maximale aantal jaren om de extra kosten terug te winnen is slechts 5 jaar, wat grote toepassingsperspectieven laat zien.

Toepassing en effect van amorfe droogtypetransformatoren in metro's
Toepassing van amorfe droogtypetransformatoren in metro's

Door de uitleg van de structuur en het principe van amorfe droogtypetransformatoren en de economische prestatieanalyse, gecombineerd met de ingenieurssituatie van Lijn 14 van de Peking Metro, moet voor het toepassingsplan van amorfe droogtypetransformatoren, nadruk worden gelegd op technische aspecten zoals de kortsluitbestendigheid, geluidregeling, verliesindex en installatieplan van amorfe droogtypetransformatoren, om de goede energiebesparende prestaties van amorfe droogtypetransformatoren optimaal te benutten en het energiebesparingsniveau van metro's te verhogen.

Ter plaatse implementatie-effect

Met de SCBH15-800/10/0,4 amorfe droogtypetransformator die in bedrijf is gesteld op Lijn 14 van de metro als voorbeeld, vergeleken met de SCB10-800/10,0,4 droogtypetransformator, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. De jaarlijkse verminderde energieverbruik van één eenheid kan als volgt worden berekend:

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

Door de berekening kan men zien dat het energiebesparende effect van amorfe droogtypetransformatoren vrij duidelijk is.

Relevante suggesties voor langdurige online bedrijfsvoering

Voor de langdurige bedrijfsvoering van amorfe droogtypetransformatoren op metrolijnen, moeten hun ontwerp, productie, onderhoud en revisie zorgvuldig worden uitgevoerd volgens hun unieke kenmerken. De auteur stelt de volgende suggesties voor:

• Gezien de relatief lage magnetische verzadigingsdichtheid van amorf allielegeringmaterialen en hun relatief hoge magnetostrictie, mag de nominale magnetische fluxdichtheid tijdens het productieontwerp niet te hoog worden ingesteld. Over het algemeen is het raadzaam een waarde onder 1,2 T te kiezen.

• Tijdens de hele ontwerp- en productieprocessen moet aandacht worden besteed aan de kortsluitbestendigheid van amorfe droogtypetransformatoren. Deze capaciteit moet worden versterkt door middel van fijnere processen en structuur optimalisatie.

• Amorf allielegeringen tonen extreme gevoeligheid voor mechanische spanning. Daarom moet in het structuurontwerp de traditionele ontwerpaanpak worden vermeden waarbij de kern als het hoofddragende onderdeel wordt gebruikt.

• Om uitstekende laag-verlieskenmerken te bereiken, is de annealing van de amorf allielegeringkern een onmisbaar proces.

• Regelmatig onderhoud en reparatie van amorfe droogtypetransformatoren zijn essentieel. Dit helpt potentiële veiligheidsrisico's te elimineren en de levensduur van de transformatoren te verlengen.

Conclusie

Tegen de achtergrond van de landelijke bevordering van energiebesparing en emissiereductie, maken alle sectoren enorme inspanningen om energieverbruik te verminderen. Als belangrijke elektriciteitsverbruiker binnen stedelijke elektriciteitsnetwerken, is de wijdverspreide toepassing van amorfe droogtypetransformatoren in metro's in overeenstemming met nationale industriebeleid en biedt brede toepassingsperspectieven.

Het moet worden opgemerkt dat de kosten van amorf allielegeringendistributietransformatoren hoger zijn dan die van traditionele siliciumstaalplaten-transformatoren, en hun installatie heeft ook bepaalde unieke kenmerken. Daarom moet, op basis van een grondige analyse van regionale en lijnspecifieke omstandigheden, een rationeel transformatorselectieschema worden opgesteld.

Aangezien amorf allielegeringendistributietransformatoren hoge standaarden van ontwerp- en productieprocessen eisen, is het raadzaam bij de keuze van leveranciers bedrijven te kiezen die een bewezen track record van succesvolle toepassingen hebben en over geavanceerde technische mogelijkheden beschikken.