การใช้งานหม้อแปลงไฟฟ้ากระจายพลังงานอัลลอยด์ไม่มีรูปแบบในระบบจ่ายไฟ METRO

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของขนาดระบบรถไฟฟ้าเมืองในประเทศจีน ภาระงานด้านไฟฟ้าและแสงสว่างของรถไฟใต้ดินได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และปัญหาการใช้พลังงานไฟฟ้าจากการสูญเสียของตัวแปลงไฟฟ้าเองได้กลายเป็นประเด็นที่สำคัญมากขึ้น ในบริบทของการรณรงค์อนุรักษ์พลังงานและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมของประเทศ ตัวแปลงไฟฟ้าแบบเหล็กกล้าไร้โครงสร้าง ซึ่งใช้แถบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างที่มีความนำแม่เหล็กที่ดีเป็นวัสดุนำแม่เหล็ก ได้ทำให้มีการสูญเสียภายใต้โหลดว่างและกระแสโหลดว่างที่ต่ำลง ทำให้กลายเป็นหนึ่งในทางเลือกในการพัฒนาตัวแปลงไฟฟ้าประหยัดพลังงาน โดยใช้รถไฟใต้ดินสาย 14 ของกรุงปักกิ่งเป็นพื้นหลัง บทความนี้เริ่มต้นด้วยหลักการ โครงสร้าง และลักษณะทางเทคนิคของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งที่ใช้เหล็กกล้าไร้โครงสร้าง (ต่อไปนี้จะเรียกว่า "ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง") อธิบายผลจากการดำเนินงานในสถานที่อย่างย่อ และเสนอคำแนะนำเกี่ยวกับการดำเนินงานระยะยาว เพื่อให้เป็นแนวทางและประสบการณ์ในการเลือกและใช้ตัวแปลงไฟฟ้าในรถไฟใต้ดิน
โครงสร้างและหลักการทำงานของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง
โครงสร้างของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง
ตัวแปลงไฟฟ้าแบบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างเลือกใช้วัสดุนำแม่เหล็กที่มีสมบัติแม่เหล็กอ่อนเป็นวัสดุหลัก มันมีความเข้มสนามแม่เหล็กที่อิ่มตัวสูง การสูญเสียต่ำมาก กระแสกระตุ้นต่ำ และแรงบิดสัมประสิทธิ์ต่ำ เป็นตัวแปลงไฟฟ้าที่ประหยัดพลังงานและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมพร้อมความเสถียรที่ดี ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างรวมคุณสมบัติของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งที่หล่อจากเรซินอีพ็อกซี่ เช่น ปริมาณฮาโลเจนต่ำ ทนไฟ เกิดควันน้อย และสามารถดับตัวเอง พร้อมกับข้อได้เปรียบในการสูญเสียต่ำของแถบเหล็กกล้าไร้โครงสร้าง ทำให้สามารถตอบสนองความต้องการของสภาพแวดล้อมสาธารณะเช่นรถไฟใต้ดินได้ดีขึ้น

แถบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างเป็นวัสดุนำแม่เหล็กที่บาง (ความหนาประมาณ 0.03 มม.) และแตกหักได้ง่าย ดังนั้น การออกแบบให้มีโครงสร้างแกนหมุนจึงเหมาะสม ปัจจุบัน โครงสร้างของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างที่หล่อจากเรซินอีพ็อกซี่มีสองประเภท คือ โครงสร้างสามเฟสสามขาและโครงสร้างสามเฟสห้าขา ตามภาพที่ 1 แกนของโครงสร้างสามเฟสห้าขาประกอบด้วยกรอบสี่กรอบ ตามภาพที่ 2a; แกนของโครงสร้างสามเฟสสามขาประกอบด้วยกรอบสามกรอบ ตามภาพที่ 2b เนื่องจากส่วนตัดของแกนของตัวแปลงไฟฟ้าแบบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ดังนั้นวงจรแรงดันสูงและแรงดันต่ำโดยทั่วไปจะถูกออกแบบเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มุมโค้ง นอกจากนี้ เนื่องจากความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กและปัจจัยการซ้อนทับของแกนเหล็กกล้าไร้โครงสร้างต่ำกว่าวัสดุแผ่นเหล็กซิลิกอน ดังนั้นปริมาตรของแกนเหล็กกล้าไร้โครงสร้างจึงใหญ่กว่าแกนของแผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีกำลังเท่ากัน ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างบนรถไฟใต้ดินบางสายใช้การออกแบบแกนสามเฟสห้าขา ซึ่งมีข้อดีในการระบายความร้อนที่ดี โครงสร้างโดยรวมที่กะทัดรัด และมีปริมาตรที่ค่อนข้างน้อย

หลักการทำงานของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง

ผลึกของวัสดุแกนเหล็กกล้าไร้โครงสร้างซิลิกอนมีโครงสร้างและคุณสมบัติที่ช่วยให้การแม่เหล็กและถอดแม่เหล็กเป็นไปได้ง่ายขึ้น ส่วนใหญ่แล้วเหล็กกล้าไร้โครงสร้างมีธาตุเหล็กประมาณ 80% นอกเหนือจากนั้นยังมีธาตุหลักอื่น ๆ เช่น ซิลิกอนและโบรอน การทดสอบจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิการเกิดผลึกของเหล็กกล้าไร้โครงสร้างคือ 550°C และอุณหภูมิเคอรี่คือประมาณ 415°C อุณหภูมิเหล่านี้สามารถตอบสนองความต้องการในการผลิตเหล็กกล้าไร้โครงสร้าง การอบหลังจากสร้างแกน การทำงานปกติ และอุณหภูมิที่มั่นคงในกรณีที่เกิดภาวะสั้นวงจร ดังนั้นจึงไม่มีปัญหาในการใช้งานตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง

ใช้ตัวแปลงไฟฟ้าแบบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างสามเฟสสี่กรอบห้าขาเป็นตัวอย่าง เนื่องจากแต่ละวงจรถูกสวมใส่บนสองกรอบที่มีวงจรแม่เหล็กแยกกัน ฟลักซ์แม่เหล็กของแต่ละกรอบประกอบด้วยฟลักซ์คลื่นพื้นฐานและฟลักซ์คลื่นที่สามบางส่วน ความสัมพันธ์ระหว่างฟลักซ์คลื่นที่สามและคลื่นพื้นฐานขึ้นอยู่กับความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กที่กำหนด อย่างไรก็ตาม ฟลักซ์คลื่นที่สามในสองกรอบของวงจรเดียวกันมีเฟสตรงกันข้ามและมีค่าเท่ากัน ดังนั้นเวกเตอร์ฟลักซ์คลื่นที่สามในแต่ละวงจรจึงเป็นศูนย์ เมื่อวงจรแรงดันสูงเชื่อมต่อในรูปแบบดีลตา (D) จะมีทางผ่านสำหรับกระแสคลื่นที่สามในวงจร ดังนั้นโดยทั่วไปจะไม่มีส่วนประกอบของแรงดันคลื่นที่สามในคลื่นแรงดันที่เกิดขึ้นที่ด้านที่สอง อย่างไรก็ตาม การสูญเสียภายใต้โหลดว่างในแต่ละกรอบยังคงได้รับผลกระทบจากกระแสคลื่นที่สามภายในกรอบนั้น กรอบด้านข้างของโครงสร้างนี้สามารถให้ทางผ่านสำหรับส่วนประกอบลำดับศูนย์หรือฮาร์โมนิกที่สูงขึ้นในฟลักซ์แม่เหล็กได้

ลักษณะทางเทคนิคหลักของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง
ลักษณะของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง

แถบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างมีความไวต่อแรงกดสูงมาก หากเสียหายจะไม่สามารถฟื้นฟูได้ ดังนั้นในการผลิต ต้องมั่นใจว่าได้ปฏิบัติตามสองข้อต่อไปนี้: ประการแรก แกนควรรับน้ำหนักของตัวเองเท่านั้น และน้ำหนักของวงจรแรงดันสูงและต่ำควรได้รับการสนับสนุนโดยส่วนประกอบโครงสร้างเหล็ก เช่น ฐาน ชิ้นส่วนหนีบบนและล่าง ประการที่สอง ความสามารถในการทนทานต่อภาวะสั้นวงจรต้องได้รับการปรับปรุงผ่านการออกแบบโครงสร้างที่ได้รับการปรับปรุง

วงจรแรงดันสูงของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างมีโครงสร้างสี่เหลี่ยมผืนผ้า ซึ่งไม่ได้รับแรงกดที่สม่ำเสมอเหมือนวงจรกลม เมื่อตัวแปลงไฟฟ้าทนทานต่อกระแสสั้นวงจร ทิศทางของแกนยาวมีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนรูปมากขึ้น ในกระบวนการผลิตจริง วงจรแรงดันสูงถูกหล่อจากลวดที่มีโครงสร้างแข็งและถูกยึดไว้ในชั้นเรซิน การคำนวณความมั่นคงทางพลศาสตร์และความร้อนและการจำลองทางปฏิบัติได้พิสูจน์ว่าวงจรแรงดันสูงสามารถทนทานต่อแรงไฟฟ้าในภาวะสั้นวงจรได้

วงจรแรงดันต่ำส่วนใหญ่ถูกพันด้วยแผ่นทองแดงและมีโครงสร้างปลายปิดด้วยเรซินที่ถูกทำให้แข็งโดยความร้อน ซึ่งมีความแข็งแรงน้อยกว่าเล็กน้อย ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปได้ง่ายในภาวะสั้นวงจร ทำให้แถบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างได้รับแรงกด ดังนั้นในการออกแบบ ควรงดการใช้สัดส่วนระหว่างแกนยาวและแกนสั้นของวงจรแรงดันต่ำที่ใหญ่เกินไป นอกจากนี้ ในกระบวนการประกอบ ต้องวางสเปเซอร์รองระหว่างแกนและวงจรแรงดันต่ำเพื่อเพิ่มความสามารถในการทนทานต่อภาวะสั้นวงจร

เสียงรบกวนของตัวแปลงไฟฟ้าส่วนใหญ่มาจากแรงดันแม่เหล็กของแกน แรงดันแม่เหล็กของเหล็กกล้าไร้โครงสร้างสูงกว่าแผ่นเหล็กซิลิกอนประมาณ 10% ด้วยการเปรียบเทียบมาตรฐานชาติ "JB/T 10088 - 2004 ระดับเสียงสำหรับตัวแปลงไฟฟ้าแรงดัน 6 kV - 500 kV" และ "GB/T 22072 - 2008 พารามิเตอร์ทางเทคนิคและการกำหนดค่าสำหรับตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งที่ใช้แกนเหล็กกล้าไร้โครงสร้าง" สามารถเห็นได้ว่าความต้องการด้านเสียงรบกวนสำหรับตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งที่ใช้แกนเหล็กกล้าไร้โครงสร้างในมาตรฐานชาติเท่ากับตัวแปลงไฟฟ้าที่ใช้แกนแผ่นเหล็กซิลิกอน

สิ่งนี้เพิ่มความยากในการผลิตตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง อย่างไรก็ตาม ผ่านการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง เสียงรบกวนยังคงควบคุมได้ภายในขอบเขตของมาตรฐานชาติ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อเสียงรบกวนของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง

สำหรับทุกๆการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก 0.05 T ความรบกวนภายใต้โหลดว่างจะเพิ่มขึ้นประมาณ 2 dB(A) และเสียงรบกวนของตัวแปลงไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น 5 dB(A)[1] ดังนั้น ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างควรเลือกอย่างเหมาะสมเพื่อลดเสียงรบกวน ในสถานการณ์ปกติ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กน้อยกว่า 1.25 T นั้นเพียงพอสำหรับตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง

อย่างไรก็ตาม ด้วยสถานการณ์พิเศษของความหนาแน่นผู้โดยสารสูงในรถไฟใต้ดิน ระดับเสียงรบกวนควรควบคุมให้น้อยลง และความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กโดยทั่วไปควรเลือกให้น้อยกว่า 1.2 T นอกจากนี้ เสียงรบกวนของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างต้องได้รับการลดลงโดยการปรับปรุงโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น ควรมีพื้นที่ว่างอย่างเหมาะสมในกรอบที่ประกอบด้วยแกนและชิ้นส่วนหนีบเพื่อหลีกเลี่ยงแรงกดที่สูงเกินไปบนแกนและควบคุมการเพิ่มขึ้นของแรงสั่นสะเทือนของแกน วัสดุดูดซับเสียงควรวางระหว่างแกนและกรอบเพื่อลดเสียงรบกวนอย่างมีประสิทธิภาพ

ในการขนส่งและการติดตั้ง ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างควรดำเนินการอย่างเคร่งครัดตามข้อกำหนดและขั้นตอนการปฏิบัติเพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์ที่แกนถูกกดหรือกระทบ

การวิเคราะห์ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง

ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างมีผลประหยัดพลังงานที่ชัดเจน การวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจต่อไปนี้เปรียบเทียบตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง SCBH15 และตัวแปลงไฟฟ้าแบบแผ่นเหล็กซิลิกอน SCB10 ที่มีกำลังต่างกัน การเปรียบเทียบทำในด้านค่าของวัสดุเหล็กกล้าไร้โครงสร้างและวัสดุแผ่นเหล็กซิลิกอน การประหยัดค่าไฟฟ้าประจำปี จำนวนปีที่คืนทุนเพิ่มเติม และการประหยัดค่าใช้จ่าย ดังแสดงในตาราง 1

จากตาราง 1 สามารถเห็นได้ว่าตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างมีข้อได้เปรียบในการประหยัดพลังงานมากกว่าตัวแปลงไฟฟ้าแบบแผ่นเหล็กซิลิกอนแบบดั้งเดิม เมื่อแปลงเป็นต้นทุนการดำเนินงาน ผลประหยัดค่อนข้างน่าประทับใจ ระยะเวลาสูงสุดในการคืนทุนเพิ่มเติมคือเพียง 5 ปี แสดงให้เห็นถึงอนาคตที่สดใสในการนำไปใช้

การใช้งานและผลของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างในรถไฟใต้ดิน
การใช้งานตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างในรถไฟใต้ดิน

ผ่านการอธิบายโครงสร้างและหลักการทำงานของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ ร่วมกับสถานการณ์ทางวิศวกรรมของรถไฟใต้ดินสาย 14 ของกรุงปักกิ่ง สำหรับแผนการใช้งานตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง ควรทำการวิจัยเชิงลึกในด้านเทคนิค เช่น ความสามารถในการทนทานต่อภาวะสั้นวงจร การควบคุมเสียงรบกวน ดัชนีการสูญเสีย และแผนการติดตั้ง เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานที่ดีของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างและเพิ่มระดับการประหยัดพลังงานในรถไฟใต้ดิน

ผลจากการดำเนินงานในสถานที่

ใช้ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง SCBH15-800/10/0.4 ที่ได้รับการติดตั้งในรถไฟใต้ดินสาย 14 เป็นตัวอย่าง เมื่อเทียบกับตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้ง SCB10-800/10.0.4 ΔP0 = 1.05 kW; ΔPk = 0 การลดลงของพลังงานไฟฟ้าประจำปีของหน่วยเดียวสามารถคำนวณได้ดังนี้:

ΔWk = 8 760×(1.05 + 0.62×0) = 9 198 kW·h

จากการคำนวณ สามารถเห็นได้ว่าผลประหยัดพลังงานของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างค่อนข้างชัดเจน

คำแนะนำสำหรับการดำเนินงานออนไลน์ระยะยาว

สำหรับการดำเนินงานระยะยาวของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างบนรถไฟใต้ดิน การออกแบบ การผลิต การบำรุงรักษา และการซ่อมแซมควรดำเนินการอย่างละเอียดตามคุณสมบัติเฉพาะของตัวแปลงไฟฟ้า ผู้เขียนขอเสนอคำแนะนำดังนี้:

• เนื่องจากความหนาแน่นแม่เหล็กที่อิ่มตัวของวัสดุเหล็กกล้าไร้โครงสร้างค่อนข้างต่ำและแรงดันแม่เหล็กสูง ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กที่กำหนดไม่ควรตั้งค่าสูงเกินไป โดยทั่วไปควรเลือกค่าต่ำกว่า 1.2 T

• ตลอดกระบวนการออกแบบและผลิต ต้องให้ความสนใจกับความสามารถในการทนทานต่อภาวะสั้นวงจรของตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้าง ควรเพิ่มความสามารถนี้ผ่านวิธีการเช่น การปรับปรุงกระบวนการและการออกแบบโครงสร้าง

• เหล็กกล้าไร้โครงสร้างมีความไวต่อแรงกดสูงมาก ดังนั้นในการออกแบบโครงสร้าง ต้องหลีกเลี่ยงการใช้วิธีการแบบดั้งเดิมที่ใช้แกนเป็นส่วนรับน้ำหนักหลัก

• เพื่อให้ได้คุณสมบัติการสูญเสียต่ำที่ยอดเยี่ยม การอบแกนเหล็กกล้าไร้โครงสร้างเป็นกระบวนการที่ขาดไม่ได้

• การบำรุงรักษาและซ่อมแซมตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างอย่างสม่ำเสมอเป็นสิ่งจำเป็น ช่วยกำจัดอันตรายที่อาจเกิดขึ้นและยืดอายุการใช้งานของตัวแปลงไฟฟ้า

สรุป

ในบริบทของการส่งเสริมการประหยัดพลังงานและการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอย่างแข็งขันทั่วประเทศ ทุกภาคส่วนกำลังพยายามลดการใช้พลังงาน ในฐานะผู้ใช้ไฟฟ้ารายใหญ่ในระบบไฟฟ้าเมือง การใช้ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแห้งไร้โครงสร้างอย่างกว้างขวางในรถไฟใต้ดินสอดคล้องกับนโยบายอุตสาหกรรมของประเทศและมีอนาคตที่สดใสในการนำไปใช้

ควรทราบว่าต้นทุนของตัวแปลงไฟฟ้าแบบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างสูงกว่าตัวแปลงไฟฟ้าแบบแผ่นเหล็กซิลิกอนแบบดั้งเดิม และการติดตั้งยังมีคุณสมบัติเฉพาะบางอย่าง ดังนั้น ควรจัดทำแผนการเลือกตัวแปลงไฟฟ้าที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากเงื่อนไขทางภูมิศาสตร์และเส้นทางอย่างรอบคอบ

เนื่องจากตัวแปลงไฟฟ้าแบบเหล็กกล้าไร้โครงสร้างต้องการมาตรฐานการออกแบบและกระบวนการผลิตที่สูง เมื่อเลือกผู้ผลิต ควรเลือกบริษัทที่มีประวัติการใช้งานที่ประสบความสำเร็จและมีความสามารถทางเทคนิคที่ทันสมัย