Zastosowanie transformatora dystrybucyjnego z amorficznym stopem w systemie zasilania METRO

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem skali miejskiego transportu kolejowego w Chinach, obciążenie elektryczne i oświetleniowe metra wzrosło znacznie, a problem zużycia energii elektrycznej przez własne straty transformatorów dystrybucyjnych stał się coraz bardziej wyraźny. W kontekście krajowego nawoływania do oszczędzania energii i ochrony środowiska, transformatory z rdzeniem z amorficznej stali, które używają taśmy z amorficznej stali o doskonałych właściwościach magnetycznych jako materiał magnetyczny, osiągnęły stosunkowo niskie straty bezobciążeniowe i prądy bezobciążeniowe, stając się jednym z kierunków rozwoju oszczędzających energię transformatorów. Na tle linii 14 pekińskiego metra, ten artykuł rozpoczyna od zasad, struktur i charakterystyk technologicznych suchych transformatorów dystrybucyjnych z rdzeniem z amorficznej stali (dalej zwanych "suchymi transformatorami z amorficznym rdzeniem"), krótko opisuje efekty wdrożenia na miejscu oraz przedstawia odpowiednie sugestie dotyczące długoterminowej eksploatacji, mając na celu dostarczenie referencyjnego doświadczenia dla wyboru i zastosowania transformatorów dystrybucyjnych w metrze.
Struktura i zasada działania suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem
Struktura suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem
Transformatory dystrybucyjne z amorficzną stalią wybierają amorficzną stal o miękkich właściwościach magnetycznych jako materiał rdzenia. Posiada ona wysoką nasycalność magnetyczną, nadzwyczaj niskie straty, niski prąd pobudzający i niską koercyjność, co czyni ją oszczędzającym energię i przyjaznym środowisku transformatorem o dobrym stabilności. Suchy transformator z amorficznym rdzeniem łączy cechy suchych transformatorów z epoksydową matrycą, takie jak niskie zawartości halogenów, odporność na pożary, niskie emisje dymu i własności samozgaszające, z przewagą małych strat amorficznej stali, umożliwiając im lepsze spełnianie potrzeb publicznych środowisk, takich jak metro.

Taśmy z amorficznej stali to cienkie (o grubości około 0,03 mm) i kruche materiały magnetyczne. Dlatego jest uzasadnione zaprojektowanie ich w formie zwiniętego rdzenia. Obecnie struktury suchych transformatorów z epoksydową matrycą z amorficzną stalią dzielą się głównie na dwie kategorie, czyli trójfazową strukturę trójramienną i trójfazową strukturę pięcioramienno-ramienną, jak pokazano na rysunku 1. Rdzeń struktury trójfazowej pięcioramiennej powstaje poprzez połączenie czterech ram, jak pokazano na rysunku 2a; rdzeń struktury trójfazowej trójramiennej powstaje poprzez połączenie trzech ram, jak pokazano na rysunku 2b. Ponieważ przekrój poprzeczny rdzenia transformatora z amorficzną stalią jest prostokątny, cewki wysokiego i niskiego napięcia są ogólnie zaprojektowane w formie prostokątnej struktury z zaokrąglonymi rogami. Ponadto, ponieważ gęstość natężenia magnetycznego i współczynnik laminacji rdzenia z amorficzną stalią są niższe niż u blach silikatowych, objętość rdzenia z amorficzną stalią jest znacznie większa niż u rdzenia z blachą silikatową o tej samej mocy. Suche transformatory z amorficznym rdzeniem na pewnej linii metra wykorzystują projekt rdzenia trójfazowego pięcioramienne, który ma przewagi takie jak dobra dyspersja ciepła, kompaktowa całościowa struktura i stosunkowo mała objętość.

Zasada działania suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem

Kryształy materiału rdzenia z amorficznej stali, silikatu żelaza, są bardziej sprzyjające namagnesowaniu i demagnesowaniu ze względu na swoją strukturę i właściwości. Typowy stop amorficzny zawiera około 80% żelaza, a inne główne składniki to materiały takie jak krzem i bor. Duża liczba testów wykazała, że temperatura krystalizacji stopu amorficznego wynosi 550°C, a temperatura Curie około 415°C. Te temperatury mogą spełniać wymagania dotyczące obróbki stopu amorficznego, wytopu po formowaniu rdzenia, normalnej temperatury pracy i temperatury termicznej stabilności podczas przeprzewodów, dlatego nie ma problemów w zastosowaniu suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem.

Na przykład trójfazowego, cztero-ramowego, pięcioramienno-ramiennego transformatora dystrybucyjnego z amorficzną stalią, ponieważ każda cewka jest zakładana na dwóch ramach z niezależnymi obwodami magnetycznymi, strumień magnetyczny każdej ramy składa się z podstawowego strumienia magnetycznego i pewnej trzeciej harmonicznej strumienia magnetycznego. Stosunek trzeciej harmonicznej do podstawowej zależy od nominalnej gęstości strumienia magnetycznego. Jednak trzecie harmoniczne strumienie magnetyczne w dwóch ramach rdzenia jednej cewki są przeciwne fazowo i równe wartości. Dlatego wektor trzeciej harmonicznej strumienia magnetycznego w każdej cewce wynosi zero. Gdy cewka wysokiego napięcia jest połączona w konfiguracji delta (D), istnieje ścieżka dla trzeciej harmonicznej prądu w cewce. W rezultacie, ogólnie nie ma składowej trzeciej harmonicznej napięcia w indukowanym napięciu drugiej strony. Mimo to, straty bezobciążeniowe w każdej ramie są nadal wpływane przez trzecią harmoniczną prądu w tej ramie. Dwie boczne belki tej struktury mogą dostarczyć ścieżkę dla składowej zerowej lub wyższych harmonicznych w strumieniu magnetycznym.

Główne charakterystyki techniczne suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem
Charakterystyki suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem

Taśmy z amorficznej stali są ekstremalnie wrażliwe na ciśnienie. Po uszkodzeniu nie można ich przywrócić. Dlatego podczas procesu produkcji należy zapewnić następujące dwa punkty: Po pierwsze, rdzeń powinien tylko dźwigać własną wagę, a waga cewek wysokiego i niskiego napięcia powinna być wspierana przez elementy konstrukcyjne ze stali, takie jak podstawa, górne i dolne klamry. Po drugie, zdolność do wytrzymywania przeprzewodów powinna być poprawiona poprzez zoptymalizowaną strukturę projektową.

Prostokątne cewki suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem nie są tak równomiernie obciążone jak okrągłe cewki. Kiedy transformator wytrzymuje prąd przeprzewodu, kierunek dłuższej osi jest bardziej podatny na deformację. W rzeczywistej produkcji, cewki wysokiego napięcia są twarde, wykonane z drutu zamocowanego w warstwie żywicy epoksydowej. Obliczenia dynamicznej i termicznej stabilności oraz symulacje praktyczne udowodniły, że cewki wysokiego napięcia mogą wytrzymać siłę elektrodynamiki podczas przeprzewodów.

Cewki niskiego napięcia są zazwyczaj owijane folią miedzianą i mają strukturę końcówki z utwardzoną żywicą epoksydową, z nieco niższą sztywnością. Są one podatne na deformację podczas przeprzewodów, narażając taśmy z amorficznej stali na naprężenia. Dlatego podczas procesu projektowania należy unikać dużego stosunku między dłuższą a krótszą osią cewek niskiego napięcia. Ponadto, podczas montażu, pomiędzy rdzeniem a cewkami niskiego napięcia muszą być umieszczone podpórki, aby wzmocnić zdolność do wytrzymywania przeprzewodów.

Hałas transformatora pochodzi głównie z magnetostriccji rdzenia. Magnetostriccja amorficznej stali jest około 10% wyższa niż u blach silikatowych. Porównując narodowe standardy "JB/T 10088 - 2004 Poziomy hałasu dla transformatorów energetycznych 6 kV - 500 kV" i "GB/T 22072 - 2008 Parametry techniczne i wymagania dla suchych transformatorów dystrybucyjnych z rdzeniem z amorficznej stali", można zauważyć, że wymagania dotyczące hałasu dla suchych transformatorów dystrybucyjnych z rdzeniem z amorficznej stali w narodowych standardach są takie same jak dla transformatorów z rdzeniem z blach silikatowych.

To zwiększa trudność produkcji suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem. Jednak poprzez racjonalne zaprojektowanie struktury suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem, hałas nadal może być kontrolowany w granicach narodowych standardów. Gęstość strumienia magnetycznego jest ważnym czynnikiem wpływającym na hałas suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem.

Dla każdego 0,05 T wzrostu gęstości strumienia magnetycznego, hałas bezobciążeniowy zwiększa się o około 2 dB(A), a hałas transformatora zwiększa się o 5 dB(A)[1]. Dlatego gęstość strumienia magnetycznego suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem powinna być racjonalnie wybrana, aby osiągnąć redukcję hałasu. W normalnych warunkach, gęstość strumienia magnetycznego poniżej 1,25 T jest wystarczająca dla suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem.

Jednak, biorąc pod uwagę specjalną sytuację wysokiej gęstości pasażerów w metrze, poziom hałasu powinien być jeszcze bardziej kontrolowany, a gęstość strumienia magnetycznego jest zwykle wybierana poniżej 1,2 T. Dodatkowo, hałas suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem powinien być tłumiony poprzez optymalizację struktury. Na przykład, powinna być pozostawiona odpowiednia przestrzeń w ramie złożonej z rdzenia i klamer, aby uniknąć nadmiernego obciążenia rdzenia i kontrolować wzrost drgań rdzenia. Materiały absorbujące powinny również być wkładane między rdzeń a ramę, aby skutecznie zmniejszyć hałas.

Podczas transportu i montażu, suchym transformatorom z amorficznym rdzeniem należy dokładnie przestrzegać instrukcji i procedur obsługi, aby uniknąć sytuacji, takich jak obciążenie lub uderzenie rdzenia.

Analiza ekonomicznej wydajności suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem

Suche transformatory z amorficznym rdzeniem mają oczywiste efekty oszczędzania energii. Poniżej przeprowadzono analizę ekonomiczną transformatorów suchych typu SCBH15 z amorficznym rdzeniem i transformatorów dystrybucyjnych typu SCB10 z blach silikatowych o różnych mocach. Porównanie obejmuje wartość materiałów amorficznych i blach silikatowych, roczne oszczędności kosztów energii, liczbę lat potrzebnych do odzyskania dodatkowych kosztów i oszczędności, jak pokazano w tabeli 1.

Można zauważyć z tabeli 1, że suche transformatory z amorficznym rdzeniem mają więcej przewag w oszczędzaniu energii w porównaniu do tradycyjnych transformatorów z blach silikatowych. Przeliczone na koszty operacyjne, są one bardzo znaczące. Maksymalna liczba lat potrzebnych do odzyskania dodatkowych kosztów wynosi tylko 5 lat, co pokazuje duże perspektywy zastosowania.

Zastosowanie i efekt suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem w metrze
Zastosowanie suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem w metrze

Poprzez wyjaśnienie struktury i zasady działania suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem oraz analizę wydajności ekonomicznej, w połączeniu z sytuacją inżynieryjną linii 14 pekińskiego metra, dla schematu zastosowania suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem, należy przeprowadzić kluczowe badania nad aspektami technicznymi takimi jak zdolność do wytrzymywania przeprzewodów, kontrola hałasu, wskaźniki strat i schemat montażu suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem, aby maksymalnie wykorzystać dobrą wydajność oszczędzania energii suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem i zwiększyć poziom oszczędzania energii w metrze.

Efekt wdrożenia na miejscu

Na przykład, suchy transformator z amorficznym rdzeniem typu SCBH15-800/10/0.4, który został wprowadzony do użytku na linii 14 metra, w porównaniu z suchym transformatorem typu SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Roczne obniżenie zużycia energii jednostkowego transformatora można obliczyć następująco:

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

Przez obliczenia można zobaczyć, że efekt oszczędzania energii suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem jest stosunkowo wyraźny.

Sugestie dotyczące długoterminowej eksploatacji online

Dla długoterminowej eksploatacji suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem na liniach metra, ich projektowanie, produkcja, konserwacja i remont powinny być starannie przeprowadzane zgodnie z ich unikalnymi cechami. Autor przedstawia następujące sugestie:

• Biorąc pod uwagę, że gęstość nasycenia magnetycznego materiałów amorficznych jest stosunkowo niska, a magnetostriccja jest stosunkowo duża, podczas projektowania produktu, nominalna gęstość strumienia magnetycznego nie powinna być ustawiana zbyt wysoko. Ogólnie rzecz biorąc, najlepiej wybrać wartość poniżej 1,2 T.

• Przez cały proces projektowania i produkcji należy zwracać uwagę na zdolność do wytrzymywania przeprzewodów suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem. Ta zdolność powinna być wzmocniona poprzez środki takie jak dopracowanie procesów i optymalizacja struktury.

• Amorficzne stopy są ekstremalnie wrażliwe na naprężenia mechaniczne. Dlatego w projekcie strukturalnym należy unikać tradycyjnego podejścia, w którym rdzeń służy jako główny element nośny.

• Aby osiągnąć doskonałe właściwości małych strat, wytop rdzenia z amorficznej stali jest niezbędny proces.

• Regularna konserwacja i naprawa suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem są niezbędne. Pomaga to wyeliminować potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa i przedłużyć czas użytkowania transformatorów.

Wniosek

W kontekście krajowego zdecydowanego promowania oszczędzania energii i redukcji emisji, wszystkie branże podejmują ogromne wysiłki, aby obniżyć zużycie energii. Jako istotny konsumencki sektor w miejskich sieciach energetycznych, szerokie zastosowanie suchych transformatorów z amorficznym rdzeniem w metrze jest zgodne z krajowymi politykami przemysłowymi i ma szerokie perspektywy zastosowania.

Warto zauważyć, że koszt transformatorów dystrybucyjnych z amorficzną stalią jest wyższy niż tradycyjnych transformatorów z blach silikatowych, a ich montaż ma pewne unikalne cechy. Dlatego powinien być opracowany racjonalny schemat wyboru transformatorów na podstawie kompleksowej analizy lokalnych i liniowych warunków.

Ponieważ transformatory dystrybucyjne z amorficzną stalią wymagają wysokiego standardu procesów projektowych i produkcyjnych, wybierając dostawców, warto skupić się na przedsiębiorstwach, które mają udokumentowane doświadczenie w zastosowaniach i posiadają zaawansowane możliwości techniczne.