Aplicação de transformador de distribuição de liga amorfá no sistema de fornecimento de energia METRO

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da escala do trânsito ferroviário urbano na China, a carga de energia e iluminação dos metrôs aumentou rapidamente, e o problema do consumo de energia pelos auto-perdas dos transformadores de distribuição tornou-se cada vez mais proeminente. Diante do cenário da promoção nacional de conservação de energia e proteção ambiental, os transformadores de núcleo de liga amorfos, que utilizam tiras de liga amorfa com excelente condutividade magnética como material magnético, alcançaram perdas em vazio e correntes em vazio relativamente baixas, tornando-se uma das direções de desenvolvimento dos transformadores econômicos. Tomando a Linha 14 do Metrô de Pequim como referência, este artigo inicia com os princípios, estruturas e características técnicas dos transformadores de distribuição de núcleo de liga amorfa seco (a seguir, denominados "transformadores secos de liga amorfa"), descreve brevemente os efeitos da implementação no local e apresenta sugestões relevantes para a operação a longo prazo, visando fornecer referências e experiências para a seleção e aplicação de transformadores de distribuição nos metrôs.
Estrutura e Princípio de Funcionamento dos Transformadores Secos de Liga Amorfa
Estrutura dos Transformadores Secos de Liga Amorfa
Os transformadores de distribuição de liga amorfa selecionam uma liga amorfa com propriedades magnéticas moles como material do núcleo. Possuem alta intensidade de indução magnética de saturação, perdas ultra-baixas, corrente de excitação baixa e coercividade baixa, sendo um transformador econômico e ecológico com boa estabilidade. Os transformadores secos de liga amorfa combinam as características dos transformadores secos de resina epóxi, como baixo teor de halogênios, resistência ao fogo, baixa geração de fumaça e propriedades de auto-extinção, com as vantagens de baixa perda das tiras de liga amorfa, permitindo-lhes atender melhor às necessidades de ambientes públicos como os metrôs.

As tiras de liga amorfa são um tipo de material condutor magnético fino (com espessura de cerca de 0,03 mm) e frágil. Portanto, é razoável projetá-las em uma estrutura de núcleo enrolado. Atualmente, as estruturas dos transformadores secos de liga amorfa de resina epóxi podem ser divididas principalmente em duas categorias, a saber, a estrutura de três fases e três membros e a estrutura de três fases e cinco membros, conforme mostrado na Figura 1. O núcleo da estrutura de três fases e cinco membros é formado pela combinação de quatro quadros, conforme mostrado na Figura 2a; o núcleo da estrutura de três fases e três membros é formado pela combinação de três quadros, conforme mostrado na Figura 2b. Como a seção transversal do núcleo dos transformadores de liga amorfa é retangular, as bobinas de alta e baixa tensão geralmente são projetadas em uma estrutura retangular com cantos arredondados. Além disso, devido à densidade de fluxo magnético e ao fator de laminação do núcleo de liga amorfa serem menores do que os de chapas de silício, o volume do núcleo de liga amorfa é muito maior do que o de um núcleo de chapa de silício de mesma capacidade. Os transformadores secos de liga amorfa em uma certa linha de metrô adotam um design de núcleo de três fases e cinco membros, que tem as vantagens de boa dissipação de calor, estrutura compacta e volume relativamente pequeno.

Princípio de Funcionamento dos Transformadores Secos de Liga Amorfa

Os cristais do material do núcleo de liga amorfa, o silício, são mais propícios à magnetização e desmagnetização devido à sua estrutura e características. Uma liga amorfa típica contém aproximadamente 80% de ferro, com outros componentes principais sendo materiais como silício e boro. Um grande número de testes demonstrou que a temperatura de cristalização da liga amorfa é de 550°C, e a temperatura de Curie é de cerca de 415°C. Essas temperaturas podem atender aos requisitos para o processamento da liga amorfa, a revenção após a formação do núcleo, a temperatura de operação normal e a temperatura térmica estável durante curtos-circuitos, portanto, não há problemas na aplicação dos transformadores secos de liga amorfa.

Tomando como exemplo um transformador de distribuição de liga amorfa de três fases, quatro quadros e cinco membros, uma vez que cada enrolamento é montado em dois quadros com circuitos magnéticos independentes, o fluxo magnético de cada quadro consiste em fluxo magnético de onda fundamental e alguns fluxos magnéticos harmônicos de terceira ordem. A relação entre o harmônico de terceira ordem e a onda fundamental depende da densidade de fluxo magnético nominal. No entanto, os fluxos magnéticos harmônicos de terceira ordem nos dois quadros de um enrolamento estão em fase oposta e têm valores iguais. Portanto, o vetor de fluxo magnético harmônico de terceira ordem em cada enrolamento é zero. Quando a bobina de alta tensão é conectada em configuração delta (D), existe um caminho para a corrente harmônica de terceira ordem na bobina. Como resultado, geralmente não há componente de tensão harmônica de terceira ordem na forma de onda da tensão induzida no lado secundário. No entanto, a perda em vazio em cada quadro ainda é afetada pela corrente harmônica de terceira ordem dentro desse quadro. As duas yokes laterais dessa estrutura podem fornecer um caminho para o componente de sequência zero ou harmônicos de ordem superior no fluxo magnético.

Principais Características Técnicas dos Transformadores Secos de Liga Amorfa
Características dos Transformadores Secos de Liga Amorfa

As tiras de liga amorfa são extremamente sensíveis à pressão. Uma vez danificadas, não podem ser restauradas. Portanto, durante o processo de fabricação, devem ser garantidos os seguintes dois pontos: primeiro, o núcleo deve suportar apenas seu próprio peso, e o peso das bobinas de alta e baixa tensão deve ser suportado por componentes estruturais de aço, como a base, peças de fixação superior e inferior. Segundo, a capacidade de resistência a curto-circuito é melhorada através de uma estrutura de design otimizada.

As bobinas de estrutura retangular dos transformadores secos de liga amorfa não são tão uniformemente tensionadas quanto as bobinas circulares. Quando o transformador suporta corrente de curto-circuito, a direção do eixo longo é mais propensa à deformação. Na produção real, as bobinas de alta tensão são fios de estrutura rígida moldados com resina epóxi e fixados na camada de resina. Cálculos de estabilidade dinâmica e térmica, bem como simulações práticas, provaram que as bobinas de alta tensão podem suportar a força eletrodinâmica durante curtos-circuitos.

As bobinas de baixa tensão são geralmente enroladas com folhas de cobre e possuem uma estrutura de vedação final de resina epóxi termocurada, com rigidez ligeiramente menor. Estão propensas à deformação durante curtos-circuitos, submetendo as tiras de liga amorfa a tensões. Portanto, durante o processo de design, deve-se evitar uma grande proporção entre os eixos longo e curto das bobinas de baixa tensão. Além disso, durante o processo de montagem, devem ser colocados espaçadores de apoio entre o núcleo e as bobinas de baixa tensão para melhorar a capacidade de resistência a curto-circuito.

O ruído de um transformador provém principalmente da magnetoestrutura do núcleo. A magnetoestrutura da liga amorfa é aproximadamente 10% maior do que a das chapas de silício. Comparando os padrões nacionais "JB/T 10088-2004 Níveis de Ruído para Transformadores de Energia de 6 kV a 500 kV" e "GB/T 22072-2008 Parâmetros Técnicos e Requisitos para Transformadores de Distribuição de Núcleo de Liga Amorfa Seco", pode-se ver que os requisitos de ruído para transformadores de distribuição de núcleo de liga amorfa seco nos padrões nacionais são os mesmos que para transformadores de núcleo de chapa de silício.

Isso aumenta a dificuldade de fabricação dos transformadores secos de liga amorfa. No entanto, através do design racional da estrutura dos transformadores secos de liga amorfa, o ruído ainda pode ser controlado dentro do intervalo do padrão nacional. A densidade de fluxo magnético é um fator importante que afeta o ruído dos transformadores secos de liga amorfa.

Para cada aumento de 0,05 T na densidade de fluxo magnético, o ruído em vazio aumenta aproximadamente 2 dB(A), e o ruído do transformador aumenta 5 dB(A)[1]. Portanto, a densidade de fluxo magnético dos transformadores secos de liga amorfa deve ser selecionada de forma apropriada para reduzir o ruído. Em circunstâncias normais, uma densidade de fluxo magnético inferior a 1,25 T é suficiente para os transformadores secos de liga amorfa.

No entanto, considerando a situação especial de alta densidade de passageiros nos metrôs, o nível de ruído deve ser controlado ainda mais, e a densidade de fluxo magnético geralmente é selecionada para ser inferior a 1,2 T. Além disso, o ruído dos transformadores secos de liga amorfa precisa ser suprimido através da otimização da estrutura. Por exemplo, deve-se deixar espaço adequado no quadro composto pelo núcleo e peças de fixação para evitar tensões excessivas no núcleo e controlar o aumento da vibração do núcleo. Também deve-se acolchoar materiais absorventes de som entre o núcleo e o quadro para reduzir efetivamente o ruído.

Durante o transporte e instalação, os transformadores secos de liga amorfa devem ser operados estritamente de acordo com as especificações e procedimentos de operação para evitar situações como o núcleo estar sob tensão ou ser batido.

Análise de Desempenho Econômico dos Transformadores Secos de Liga Amorfa

Os transformadores secos de liga amorfa têm efeitos econômicos óbvios. A seguir, realiza-se uma análise econômica dos transformadores secos de liga amorfa do tipo SCBH15 e dos transformadores de distribuição de chapa de silício do tipo SCB10 com diferentes capacidades. A comparação é feita em termos do valor dos materiais de liga amorfa e de chapa de silício, economia anual de custos de eletricidade, número de anos para recuperar o custo adicional e economia de custos, conforme mostrado na Tabela 1.

Pode-se ver da Tabela 1 que os transformadores secos de liga amorfa têm mais vantagens em termos de economia de energia em comparação com os transformadores tradicionais de chapa de silício. Convertidos em custos de operação, isso é bastante notável. O número máximo de anos para recuperar o custo adicional é de apenas 5 anos, mostrando grandes perspectivas de aplicação.

Aplicação e Efeito dos Transformadores Secos de Liga Amorfa nos Metrôs
Aplicação dos Transformadores Secos de Liga Amorfa nos Metrôs

Através da elaboração da estrutura e princípio dos transformadores secos de liga amorfa e da análise de desempenho econômico, combinada com a situação de engenharia da Linha 14 do Metrô de Pequim, para o esquema de aplicação dos transformadores secos de liga amorfa, pesquisas-chave devem ser realizadas em aspectos técnicos, como a capacidade de resistência a curto-circuito, controle de ruído, índice de perdas e esquema de instalação dos transformadores secos de liga amorfa, a fim de aproveitar plenamente o bom desempenho econômico dos transformadores secos de liga amorfa e melhorar o nível de economia de energia nos metrôs.

Efeito da Implementação no Local

Tomando como exemplo o transformador seco de liga amorfa SCBH15-800/10/0,4 que já está em operação na Linha 14 do metrô, comparado com o transformador seco SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. A redução anual de consumo de energia de uma unidade pode ser calculada da seguinte forma:

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

Através do cálculo, pode-se ver que o efeito de economia de energia dos transformadores secos de liga amorfa é relativamente evidente.

Sugestões Relevantes para a Operação a Longo Prazo Online

Para a operação a longo prazo dos transformadores secos de liga amorfa nas linhas de metrô, seu design, produção, manutenção e revisão devem ser cuidadosamente realizados de acordo com suas características únicas. O autor apresenta as seguintes sugestões:

• Considerando que a densidade de saturação magnética dos materiais de liga amorfa é relativamente baixa e sua magnetoestrutura é relativamente grande, durante o projeto do produto, a densidade de fluxo magnético nominal não deve ser definida muito alta. Geralmente, é preferível selecionar um valor abaixo de 1,2 T.

• Ao longo dos processos de design e produção, deve-se prestar atenção adequada à capacidade de resistência a curto-circuito dos transformadores secos de liga amorfa. Esta capacidade deve ser reforçada por meio de refinamentos de processo e otimização estrutural.

• As ligas amorfas exibem extrema sensibilidade ao estresse mecânico. Portanto, no design estrutural, é necessário evitar a abordagem de design tradicional que usa o núcleo como componente principal de carga.

• Para alcançar excelentes características de baixa perda, a revenção do núcleo de liga amorfa é um processo indispensável.

• A manutenção e reparo regulares dos transformadores secos de liga amorfa são essenciais. Isso ajuda a eliminar potenciais riscos de segurança e prolongar a vida útil dos transformadores.

Conclusão

Diante do cenário da forte promoção nacional de economia de energia e redução de emissões, todos os setores estão fazendo esforços intensivos para reduzir o consumo de energia. Como um consumidor significativo de eletricidade nas redes urbanas, a adoção generalizada de transformadores secos de liga amorfa nos metrôs está em consonância com as políticas industriais nacionais e possui amplas perspectivas de aplicação.

Deve-se notar que o custo dos transformadores de distribuição de liga amorfa é maior do que o dos transformadores tradicionais de chapa de silício, e sua instalação também tem certas características únicas. Portanto, deve-se formular um esquema racional de seleção de transformadores com base em uma análise abrangente das condições regionais e específicas da linha.

Como os transformadores de distribuição de liga amorfa exigem um alto padrão de processos de design e produção, ao escolher fornecedores, é aconselhável optar por empresas que tenham um histórico de aplicações bem-sucedidas e possuam capacidades técnicas avançadas.