Применение трансформаторов распределения из аморфного сплава в системе электроснабжения МЕТРО

В последние годы, с быстрым развитием масштабов городского рельсового транспорта в Китае, нагрузка на электроэнергию и освещение в метрополитене быстро увеличивалась, а проблема потребления электроэнергии из-за собственных потерь распределительных трансформаторов становится все более актуальной. На фоне государственного призыва к энергосбережению и охране окружающей среды, аморфные сплавы, используемые в качестве магнитного материала, благодаря своим превосходным магнитным свойствам, достигли относительно низких потерь холостого хода и токов холостого хода, став одним из направлений развития энергосберегающих трансформаторов. На примере линии 14 Пекинского метрополитена, данная статья начинается с принципов, конструкций и технических характеристик сухих трансформаторов с аморфными сердечниками (далее — «аморфные сухие трансформаторы»), кратко описывает результаты внедрения на месте, а также предлагает соответствующие рекомендации для долгосрочной эксплуатации, с целью предоставления опыта и рекомендаций по выбору и применению распределительных трансформаторов в метрополитене.
Конструкция и принцип работы аморфных сухих трансформаторов
Конструкция аморфных сухих трансформаторов
Распределительные трансформаторы с аморфными сплавами выбирают аморфный сплав с мягкими магнитными свойствами в качестве материала сердечника. Он обладает высокой насыщающей магнитной индукцией, сверхнизкими потерями, низким возбуждающим током и низкой коэрцитивной силой, являясь энергосберегающим и экологически чистым трансформатором с хорошей стабильностью. Аморфные сухие трансформаторы сочетают характеристики эпоксидно-заливных сухих трансформаторов, такие как низкое содержание галогенов, пожаробезопасность, малое выделение дыма и самозатухание, с преимуществами низких потерь аморфных сплавов, что позволяет им лучше удовлетворять требованиям общественных мест, таких как метрополитен.

Аморфные сплавы представляют собой тонкий (толщиной около 0,03 мм) и хрупкий магнитный материал. Поэтому их разумно проектировать в виде намотанного сердечника. В настоящее время конструкции эпоксидно-заливных аморфных сухих трансформаторов в основном делятся на две категории: трехфазную трехстержневую и трехфазную пятистержневую, как показано на рисунке 1. Сердечник трехфазной пятистержневой конструкции состоит из четырех рам, как показано на рисунке 2a; сердечник трехфазной трехстержневой конструкции состоит из трех рам, как показано на рисунке 2b. Поскольку сечение сердечника трансформатора с аморфным сплавом прямоугольное, высоковольтные и низковольтные обмотки обычно проектируются в прямоугольной форме с закругленными углами. Кроме того, поскольку плотность магнитного потока и фактор заполнения аморфного сплава ниже, чем у электротехнической стали, объем аморфного сердечника значительно больше, чем у сердечника из электротехнической стали той же мощности. Аморфные сухие трансформаторы на одной из линий метро используют трехфазную пятистержневую конструкцию сердечника, которая имеет преимущества в виде хорошего теплоотвода, компактной общей конструкции и относительно небольшого объема.

Принцип работы аморфных сухих трансформаторов

Кристаллы материала сердечника аморфного сплава, такого как электротехническая сталь, более способствуют намагничиванию и размагничиванию благодаря своей структуре и свойствам. Типичный аморфный сплав содержит примерно 80% железа, а другие основные компоненты — это материалы, такие как кремний и бор. Множество тестов показали, что температура кристаллизации аморфного сплава составляет 550°C, а температура Кюри — около 415°C. Эти температуры соответствуют требованиям для обработки аморфного сплава, отжига после формирования сердечника, нормальной рабочей температуры и теплостойкости при коротком замыкании, поэтому в применении аморфных сухих трансформаторов нет проблем.

На примере трехфазного, четырехрамного, пятистержневого распределительного трансформатора с аморфным сплавом, так как каждая обмотка надета на две рамы с независимыми магнитными цепями, магнитный поток каждой рамы состоит из фундаментального магнитного потока и некоторого третьего гармонического магнитного потока. Отношение третьей гармоники к фундаментальному волне зависит от номинальной плотности магнитного потока. Однако третьи гармонические магнитные потоки в двух рамах одной обмотки противофазны и равны по значению. Следовательно, вектор третьей гармонической магнитной составляющей в каждой обмотке равен нулю. Когда высоковольтная обмотка подключена в треугольнике (D), существует путь для третьей гармонической составляющей тока в обмотке. В результате, как правило, в индуцированном вторичном напряжении нет третьей гармонической составляющей. Тем не менее, потери холостого хода в каждой раме все еще зависят от третьей гармонической составляющей тока в этой раме. Две боковые щеки этой конструкции могут обеспечить путь для нулевой последовательности или высших гармоник магнитного потока.

Основные технические характеристики аморфных сухих трансформаторов
Характеристики аморфных сухих трансформаторов

Аморфные сплавы крайне чувствительны к давлению. Если они повреждены, восстановить их невозможно. Поэтому в процессе производства необходимо обеспечить следующие два пункта: во-первых, сердечник должен нести только свой собственный вес, а вес высоковольтных и низковольтных обмоток должен поддерживаться стальными конструктивными элементами, такими как основание, верхние и нижние зажимные детали. Во-вторых, сопротивление короткому замыканию должно быть улучшено за счет оптимизации конструкции.

Прямоугольные обмотки аморфных сухих трансформаторов не испытывают равномерного напряжения, как круговые обмотки. При воздействии короткого замыкания направление длинной оси более склонно к деформации. В реальном производстве высоковольтные обмотки изготавливаются из жестких проводников, залитых эпоксидной смолой и закрепленных в слое смолы. Динамические и тепловые расчеты, а также практические моделирования показали, что высоковольтные обмотки могут выдерживать электродинамическую силу при коротком замыкании.

Низковольтные обмотки, как правило, наматываются медными лентами и имеют термически отвержденную эпоксидную смолу на концах, с несколько меньшей жесткостью. Они склонны к деформации при коротком замыкании, что создает напряжение на аморфные сплавы. Поэтому при проектировании следует избегать большого отношения между длинной и короткой осью низковольтных обмоток. Кроме того, при сборке между сердечником и низковольтными обмотками должны быть установлены поддерживающие проставки, чтобы улучшить сопротивление короткому замыканию.

Шум трансформатора в основном исходит от магнитострикции сердечника. Магнитострикция аморфного сплава примерно на 10% выше, чем у электротехнической стали. Сравнивая национальные стандарты "JB/T 10088 - 2004 Уровни шума для трансформаторов мощностью от 6 кВ до 500 кВ" и "GB/T 22072 - 2008 Технические параметры и требования для сухих трансформаторов с аморфными сердечниками", можно увидеть, что требования к шуму для сухих трансформаторов с аморфными сердечниками в национальных стандартах такие же, как и для трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали.

Это увеличивает сложность производства аморфных сухих трансформаторов. Однако, благодаря рациональному проектированию конструкции аморфных сухих трансформаторов, уровень шума все еще можно контролировать в пределах национальных стандартов. Плотность магнитного потока является важным фактором, влияющим на уровень шума аморфных сухих трансформаторов.

При каждом увеличении плотности магнитного потока на 0,05 Т, уровень шума холостого хода увеличивается примерно на 2 дБ(А), а уровень шума трансформатора увеличивается на 5 дБ(А)[1]. Поэтому плотность магнитного потока аморфных сухих трансформаторов должна выбираться рационально, чтобы достичь снижения уровня шума. В обычных условиях плотности магнитного потока менее 1,25 Т достаточно для аморфных сухих трансформаторов.

Однако, учитывая специфику высокой плотности пассажиров в метрополитене, уровень шума следует контролировать еще ниже, и плотность магнитного потока обычно выбирается менее 1,2 Т. Кроме того, уровень шума аморфных сухих трансформаторов необходимо подавлять путем оптимизации конструкции. Например, между рамами, состоящими из сердечника и зажимных деталей, следует оставлять достаточное пространство, чтобы избежать чрезмерного напряжения на сердечник и контролировать увеличение его вибрации. Между сердечником и рамой также следует устанавливать звукопоглощающие материалы, чтобы эффективно снизить уровень шума.

При транспортировке и установке аморфных сухих трансформаторов следует строго соблюдать правила и процедуры эксплуатации, чтобы избежать ситуаций, когда сердечник подвергается напряжению или удару.

Экономический анализ аморфных сухих трансформаторов

Аморфные сухие трансформаторы имеют явные энергосберегающие эффекты. Ниже приведен экономический анализ аморфных сухих трансформаторов типа SCBH15 и трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали типа SCB10 различных мощностей. Сравнение проводится по стоимости материалов, годовой экономии электроэнергии, сроку окупаемости дополнительных затрат и экономии, как показано в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, аморфные сухие трансформаторы имеют больше преимуществ в энергосбережении по сравнению с традиционными трансформаторами с сердечниками из электротехнической стали. Переводя это в операционные расходы, результаты весьма значительны. Максимальный срок окупаемости дополнительных затрат составляет всего 5 лет, что демонстрирует большие перспективы применения.

Применение и эффект аморфных сухих трансформаторов в метрополитене
Применение аморфных сухих трансформаторов в метрополитене

Через подробное описание конструкции и принципа работы аморфных сухих трансформаторов и экономического анализа, в сочетании с инженерной ситуацией на линии 14 Пекинского метрополитена, для схемы применения аморфных сухих трансформаторов, ключевые исследования следует провести в области технических аспектов, таких как сопротивление короткому замыканию, контроль шума, показатели потерь и схема установки аморфных сухих трансформаторов, чтобы полностью использовать их хорошие энергосберегающие характеристики и повысить уровень энергосбережения в метрополитене.

Эффект внедрения на месте

На примере аморфного сухого трансформатора SCBH15-800/10/0.4, который уже введен в эксплуатацию на линии 14 метрополитена, по сравнению с сухим трансформатором SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1,05 кВт; ΔPk = 0. Годовое снижение потребления электроэнергии одной единицы можно рассчитать следующим образом:

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

Из расчетов видно, что энергосберегающий эффект аморфных сухих трансформаторов довольно очевиден.

Соответствующие рекомендации для длительной эксплуатации

Для длительной эксплуатации аморфных сухих трансформаторов на линиях метрополитена, их проектирование, производство, обслуживание и ремонт должны тщательно выполняться с учетом их уникальных характеристик. Автор предлагает следующие рекомендации:

• Учитывая, что магнитная насыщенность аморфных сплавов относительно низкая, а магнитострикция относительно высокая, при проектировании продукции номинальная плотность магнитного потока не должна устанавливаться слишком высокой. Обычно предпочтительно выбирать значение ниже 1,2 Т.

• На всех этапах проектирования и производства необходимо уделять должное внимание сопротивлению короткому замыканию аморфных сухих трансформаторов. Это сопротивление должно быть усилено за счет улучшения технологии и оптимизации конструкции.

• Аморфные сплавы крайне чувствительны к механическому напряжению. Поэтому в конструктивном проектировании следует избегать традиционного подхода, при котором сердечник используется как основной несущий элемент.

• Для достижения отличных характеристик низких потерь отжиг аморфного сердечника является необходимым процессом.

• Регулярное обслуживание и ремонт аморфных сухих трансформаторов являются обязательными. Это помогает устранить потенциальные проблемы безопасности и продлить срок службы трансформаторов.

Заключение

На фоне активного продвижения страны в области энергосбережения и сокращения выбросов, все отрасли прилагают усилия для снижения энергопотребления. Как значительный потребитель электроэнергии в городских сетях, широкое применение аморфных сухих трансформаторов в метрополитене соответствует национальной промышленной политике и имеет широкие перспективы применения.

Следует отметить, что стоимость распределительных трансформаторов с аморфными сплавами выше, чем у традиционных трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали, и их установка также имеет некоторые особенности. Поэтому рациональную схему выбора трансформаторов следует разрабатывать на основе комплексного анализа региональных и линейных условий.

Поскольку распределительные трансформаторы с аморфными сплавами требуют высокого уровня проектирования и технологических процессов, при выборе поставщиков рекомендуется обращаться к предприятиям, имеющим успешный опыт применения и обладающим передовыми техническими возможностями.