Aplikacija transformatora sa amorfim legiranim jezgrom u sistem snabdevanja strujom METRO

U poslednjih nekoliko godina, uz brz napredak u razmjerama gradskog željezničkog prometa u Kini, električna i svjetlosna opterećenja podzemnih željeznica su se brzo povećavala, a problem potrošnje električne energije zbog samopotpresa distribucijskih transformatora postao je sve očitiji. U kontekstu državnog propisa za štednju energije i zaštitu okruženja, amorfni legirani jezgra transformatora, koji koriste amorfne legirane trake sa odličnom magnetno-epitetskom vodljivošću kao magnetnu vodljivu materiju, postigli su relativno niske prazne gubitke i prazne struje, stoga su postali jedan od smjerova razvoja energetski učinkovitih transformatora. Na pozadini linije 14 bejingskog metra, ovaj rad počinje principima, strukturama i tehničkim karakteristikama suhih amorfnih legiranih jezgra distribucijskih transformatora (u daljem tekstu "suhi amorfni transformatori"), kratko opisuje efekte na mjestu i daje odgovarajuće predloge za dugoročnu operaciju, s ciljem da pruži referencu i iskustva za izbor i primjenu distribucijskih transformatora u podzemnim željeznicama.
Struktura i princip rada suhih amornih transformatora
Struktura suhih amornih transformatora
Amorfni legirani distribucijski transformatori biraju amorfni legirani materijal sa mekim magnetnim svojstvima kao materijal za jezgro. On ima visoku nasycenost magnetske indukcije, ultra-niske gubitke, nisku pobudnu struju i nizku koercitivnu silu, te je to energospremnog i ekološki prihvatljivog transformatora sa dobro stabilnosti. Suhi amorfni transformatori kombiniraju karakteristike suhih epoksidnih litih transformatora, poput niske halogen sadržane, otpornosti na vatru, male generacije dima i samogasivosti, sa prednostima niskih gubitaka amorfne legirane trake, omogućavajući im bolje zadovoljavanje potreba javnih okruženja, poput podzemnih željeznica.

Amorfne legirane trake su vrsta tankog (debljine oko 0,03 mm) i lomljivog magnetno-epitetskog materijala. Stoga je razumno dizajnirati ih u strukturu savijenog jezgra. Trenutno, strukture suhih epoksidnih amorfne suhe transformatora uglavnom padaju u dvije kategorije, to jest, trofazna tro-limbska struktura i trofazna pet-limbska struktura, kako je prikazano na slici 1. Jezgro trofazne pet-limbske strukture formira se kombinovanjem četiri okvira, kako je prikazano na slici 2a; jezgro trofazne tro-limbske strukture formira se kombinovanjem tri okvira, kako je prikazano na slici 2b. Budući da je presek jezgra amorfne legirane transformatora pravougaon, visokonaponski i niskonaponski zavojnici obično su dizajnirani u pravougaonu strukturu sa zaobljenim uglovima. Takođe, budući da je magnetska gustoća fluksa i faktor laminiranja amorfne legirane jezgre niži od onih silikatnih plitkih listova, zapremina amorfne legirane jezgre je znatno veća od one iste kapaciteta silikatne plitke jezgre. Suhi amorfni transformatori na određenoj liniji podzemne željeznice koriste trofazni pet-limbski dizajn jezgra, koji ima prednosti dobre disipacije toplote, kompaktna ukupna struktura i relativno manja zapremina.

Princip rada suhih amorfni transformatora

Kristali materijala za jezgro amorfne legure, silicija, su više podsticajni za magnetizaciju i demagnetizaciju zbog svoje strukture i osobina. Tipična amorfna legura sadrži približno 80% željeza, a ostale glavne komponente su materijali poput silicija i borana. Veliki broj testova pokazao je da je temperatura kristalizacije amorfne legure 550°C, a Curie temperatura je približno 415°C. Ove temperature mogu zadovoljiti zahtjeve za obradu amorfne legure, otopinu nakon formiranja jezgra, normalnu radnu temperaturu i termo-stabilnu temperaturu tokom kratkospojnice, tako da nema problema u primjeni suhih amorfni transformatora.

Na primjer, trofazni, četvorokokardni, pet-limbski amorfni legirani distribucijski transformator, budući da je svaki zavojnički sloj usavršen na dva okvira s nezavisnim magnetskim putanjama, magnetski fluks svakog okvira sastoji se od osnovne valne magnetske fluks i nekih trećih harmoničnih magnetskih fluksa. Odnos trećih harmonika i osnovne valne zavisi od nominale magnetske gustoće fluksa. Međutim, treće harmonične magnetske fluks u dva okvira jezgra jednog zavoja su suprotni fazom i jednaki po vrednosti. Stoga, vektor trećeg harmoničnog magnetskog fluksa u svakom zavojniku je nula. Kada je visokonaponski zavojnik spojen u delta (D) konfiguraciju, postoji put za treći harmonični strujni tok u zavojniku. Rezultat je da u indukovanoj sekundarnoj strujnoj valnoj formi obično nema treće harmonične strujne komponente. Ipak, prazni gubitci u svakom okviru još uvek su uticani trećim harmoničnim strujnim tokom unutar tog okvira. Dva bočna jareva ove strukture mogu pružiti put za nultu sekvenca ili više redne harmonike u magnetskom fluksu.

Glavne tehničke karakteristike suhih amorfni transformatora
Karakteristike suhih amorfni transformatora

Amorfne legirane trake su izuzetno osetljive na pritisak. Jednom oštećene, ne mogu se vratiti. Stoga, tijekom proizvodnje, moraju biti obezbeđena ta dva tačka: Prvo, jezgro nosi samo sopstvenu težinu, a težina visokonaponskih i niskonaponskih zavojnika podržana je od strane čeličnih strukturalnih komponenti, poput baze, gornjih i donjih zategivača. Drugo, otpornost na kratkospojnici se unapređuje kroz optimiziranu strukturnu dizajn.

Pravougaoni zavojnici suhih amorfni transformatora nisu ravnomjerno opterećeni kao kružni zavojnici. Kada transformator prenosi kratkosponu struju, smer duže ose je podložniji deformaciji. U stvarnoj proizvodnji, visokonaponski zavojnici su čvrste strukture žica litane epoksidnom smolom i fiksirane u smolnom sloju. Dinamički i toplinski stabilni izračuni i praktični simulacije dokazali su da visokonaponski zavojnici mogu prenijeti elektrodinamičku snagu tokom kratkosponice.

Niskonaponski zavojnici su uglavnom namotani bakrenim folijama i imaju toplo odgorene epoksidne smole, sa malo nižom čvrstoćom. Podložni su deformaciji tokom kratkosponice, što stavlja amorfne legirane trake pod pritisak. Stoga, tijekom dizajnerskog procesa, treba se izbegnuti veliki odnos između duže i kraće ose niskonaponskih zavojnika. Takođe, tijekom montažnog procesa, moraju se postaviti podržavajući prostori između jezgra i niskonaponskih zavojnika kako bi se jačala otpornost na kratkosponice.

Bučnost transformatora uglavnom dolazi od magnetostricije jezgra. Magnetostricija amorfne legure je približno 10% veća od one silikatnih plitkih listova. Upoređivanjem nacionalnih standarda "JB/T 10088 - 2004 Razine buke za 6 kV - 500 kV električne transformatore" i "GB/T 22072 - 2008 Tehnički parametri i zahtjevi za suhe amorfne legirane jezgra distribucijskih transformatora", može se vidjeti da su zahtjevi za buku suhih amorfne legirane jezgra distribucijskih transformatora u nacionalnim standardima isti kao i za silikatne plitke jezgra distribucijskih transformatora.

To povećava težinu proizvodnje suhih amorfni transformatora. Međutim, kroz racionalan dizajn strukture suhih amorfni transformatora, buka se može kontrolirati unutar nacionalnog standarda. Gustoća magnetskog fluksa je važan faktor koji utiče na buku suhih amorfni transformatora.

Za svako 0,05 T povećanje gustoće magnetskog fluksa, prazna buka se povećava približno 2 dB(A), a buka transformatora se povećava 5 dB(A)[1]. Stoga, gustoća magnetskog fluksa suhih amorfni transformatora treba biti racionalno izabrana kako bi se smanjila buka. U normalnim uslovima, gustoća magnetskog fluksa manja od 1,25 T je dovoljna za suhe amorfni transformatora.

Međutim, uzimajući u obzir specifičnu situaciju visoke gustine putnika u podzemnim željeznicama, nivo buke treba biti još niži, a gustoća magnetskog fluksa se obično bira da bude manja od 1,2 T. Takođe, buka suhih amorfni transformatora treba biti smanjena optimizacijom strukture. Na primjer, treba ostaviti odgovarajući prostor u okviru sastavljenom od jezgra i zategivača kako bi se izbegao preveliki pritisak na jezgro i kontrolirano povećanje vibracija jezgra. Između jezgra i okvira treba ubaciti materijal za apsorpciju zvuka kako bi se efektivno smanjila buka.

Tijekom transporta i instalacije, suhi amorfni transformatori treba strogo raditi u skladu sa operativnim standardima i procedurama kako bi se izbegli slučajevi da jezgro bude pod pritiskom ili udarom.

Ekonomska analiza suhih amorfni transformatora

Suhi amorfni transformatori imaju očigledne učinke u štednji energije. U nastavku se provodi ekonomska analiza SCBH15-tipa suhih amorfni transformatora i SCB10-tipa silikatnih plitkih distribucijskih transformatora sa različitim kapacitetima. Usporedba se vrši u pogledu vrijednosti amorfne materije i materije silikatnih plitki, godišnjih ušteda na strujnim troškovima, broja godina potrebnih za povrat dodatnih troškova i ušteda, kako je prikazano u tabeli 1.

Može se vidjeti iz tabele 1 da su suhi amorfni transformatori imaju veće prednosti u pogledu štednje energije u usporedbi sa tradicionalnim silikatnim plitkim transformatorima. Pretvoreno u operativne troškove, to je vrlo značajno. Maksimalan broj godina potrebnih za povrat dodatnih troškova je samo 5 godina, što pokazuje veliku perspektivu primjene.

Primjena i učinci suhih amorfni transformatora u podzemnim željeznicama
Primjena suhih amorfni transformatora u podzemnim željeznicama

Kroz elaboraciju strukture i principa suhih amorfni transformatora i ekonomske performanse, zajedno s inženjerskom situacijom linije 14 bejingskog metra, za shemu primjene suhih amorfni transformatora, ključno istraživanje treba biti usmjeren na tehničke aspekte poput otpornosti na kratkosponice, kontrole buke, indeksa gubitaka i sheme instalacije suhih amorfni transformatora, kako bi se iskoristile dobre učinkovitosti u štednji energije suhih amorfni transformatora i poboljšala učinkovitost u štednji energije u podzemnim željeznicama.

Efekti na mjestu implementacije

Na primjer, SCBH15-800/10/0,4 suhi amorfni transformator koji je već uveden u upotrebu na liniji 14 podzemne željeznice, usporedo s SCB10-800/10,0,4 suhim transformatorom, ΔP0 = 1,05 kW; ΔPk = 0. Godišnja redukcija potrošnje energije jedne jedinice može se izračunati na sljedeći način:

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

Izračunom se može vidjeti da je učinak štednje energije suhih amorfni transformatora relativno očigledan.

Relevantne predloge za dugoročnu online operaciju

Za dugoročnu operaciju suhih amorfni transformatora na linijama podzemnih željeznica, njihov dizajn, proizvodnja, održavanje i revizija trebaju biti pažljivo izvršeni u skladu s njihovim posebnim karakteristikama. Autor daje sljedeće predloge:

• S obzirom da je magnetska nasycenost materijala amorfne legure relativno niska i njihova magnetostricija relativno velika, tijekom dizajna proizvoda, nominale magnetske gustoće fluksa ne bi trebalo postaviti previše visoko. Obično, preferentno je izabrati vrijednost ispod 1,2 T.

• Tokom cijelog procesa dizajna i proizvodnje, treba posvetiti odgovarajuću pažnju otpornosti na kratkosponice suhih amorfni transformatora. Ova sposobnost treba biti jačana kroz sredstva poput sofisticiranja procesa i optimizacije strukture.

• Amorfne legure pokazuju ekstremnu osetljivost na mehanički pritisak. Stoga, u strukturnom dizajnu, treba izbjegavati tradicionalni pristup dizajna koji koristi jezgro kao glavnu nosilnu komponentu.

• Da bi se postigli odlični niski gubitci, otopina amorfne legirane jezgre je neophodan proces.

• Redovito održavanje i popravak suhih amorfni transformatora su neophodni. To pomaže u eliminaciji potencijalnih sigurnosnih rizika i produženju vremena trajanja transformatora.

Zaključak

U kontekstu državnog intenzivnog promicanja štednje energije i smanjenja emisija, sve industrije nude trud za smanjenje potrošnje energije. Kao značajan potrošač struje unutar gradske mreže, široko korištenje suhih amorfni transformatora u podzemnim željeznicama u skladu je sa nacionalnim industrijskim politikama i ima šire perspektive primjene.

Treba napomenuti da je cena amorfne legirane distribucijskih transformatora veća od one tradicionalnih silikatnih plitkih transformatora, a njihova instalacija takođe ima određene specifične karakteristike. Stoga, racionalna shema izbora transformatora treba biti formulirana na osnovu kompleksne analize regionalnih i linijskih uslova.

S obzirom da amorfne legirane distribucijski transformatori zahtijevaju visok standard dizajna i proizvodnog procesa, kod izbora dobavljača, preporučljivo je odabrati poduzeća koja imaju dobar rekord uspešnih primjena i posjeduju napredne tehničke sposobnosti.