Amorfs alaşım dağıtım transformatörünün METRO güç sağlayici sistemindeki uygulaması

Son yıllarda, Çin'deki kentsel raylı ulaşım ölçeğinin hızlı gelişmesiyle birlikte, metro sistemlerinin güç ve aydınlatma yükü hızla artmış ve dağıtım transformatörlerinin kendine kaynaklı elektrik enerjisi tüketimi sorunu giderek daha belirgin hale gelmiştir. Ülkenin enerji tasarrufu ve çevre koruması çağrısına karşı, amorf alaşım şeritleri ile donatılmış, iyi manyetik iletim özelliğine sahip amorf alaşım çekirdeği transformatörleri, nispeten düşük boş yük kayıpları ve boş yük akımları elde edilmiş ve bu da enerji tasarrufu transformatörlerinin geliştirilme yönlerinden biri haline gelmiştir. Beijing Metro'nun 14. Hattı arka plan alınarak, bu makale kurutulmuş tip amorf alaşım çekirdeği dağıtım transformatörlerinin (bu noktadan itibaren "amorf kurutulmuş tipte transformatörler" olarak adlandırılacak) prensiplerinden, yapılarından ve teknik özelliklerinden başlayarak, uygulama alanlarındaki etkilerini kısa olarak açıklamış ve uzun vadeli işletim için ilgili öneriler ortaya koymuş, böylece metro sistemlerinde dağıtım transformatörlerinin seçimi ve uygulaması için referans ve deneyim sağlamayı amaçlamıştır.
Amorf Kurutulmuş Tip Transformatörlerin Yapısı ve Çalışma Prensibi
Amorf Kurutulmuş Tip Transformatörlerin Yapısı
Amorf alaşım dağıtım transformatörleri, yumuşak manyetik özelliklere sahip olan amorf alaşımı çekirdek malzemesi olarak seçer. Yüksek doygun manyetik indüksiyon yoğunluğu, aşırı düşük kayıplar, düşük uyarıcı akım ve düşük zorlama değerine sahiptir ve iyi kararlılık gösteren, enerji tasarrufu ve çevre dostu bir transformatördür. Amorf kurutulmuş tipte transformatörler, epoxy-döküm kurutulmuş tipte transformatörlerin düşük halojen içeriği, yangın direnci, az duman üretimi ve kendi kendine söndürme özellikleri gibi özelliklerini, amorf alaşım şeritlerinin düşük kayıp avantajlarıyla birleştirerek, metro gibi kamu ortamlarında daha iyi ihtiyaçları karşılamasını sağlar.

Amorf alaşım şeritleri, ince (yaklaşık 0,03 mm kalınlığında) ve çürüklü manyetik iletim malzemeleridir. Bu nedenle, onları sarılı çekirdek yapısına tasarlamak makuldir. Şu anda, epoxy-döküm amorf kurutulmuş tipte transformatörlerin yapıları genellikle üç faz üç kol yapısı ve üç faz beş kol yapısı olmak üzere iki kategoriye ayrılır, Şekil 1'de gösterildiği gibidir. Beş kol yapısının çekirdeği, Şekil 2 a'da gösterildiği gibi dört çerçeve birleştirilerek oluşturulur; üç kol yapısının çekirdeği, Şekil 2 b'de gösterildiği gibi üç çerçeve birleştirilerek oluşturulur. Amorf alaşım transformatörlerin çekirdeğinin kesiti dikdörtgen olduğu için, yüksek ve düşük gerilim bobinleri genellikle yuvarlak köşeli bir dikdörtgen yapıya tasarlanır. Ayrıca, amorf alaşım çekirdeğinin manyetik akı yoğunluğu ve laminasyon faktörü silikon demir plakalarından daha düşük olduğundan, aynı kapasitede bir silikon demir plaka çekirdeğine kıyasla amorf alaşım çekirdeğinin hacmi çok daha büyüktür. Belirli bir metro hattındaki amorf kurutulmuş tipte transformatörler, iyi soğutma, kompakt genel yapı ve nispeten küçük hacim avantajlarına sahip olan üç faz beş kol çekirdek tasarımını benimsemiştir.

Amorf Kurutulmuş Tip Transformatörlerin Çalışma Prensibi

Amorf alaşım çekirdek malzemesi olan silikon demirin kristalleri, yapı ve özelliklerinden dolayı manyetize ve demanyetize olmaya daha elverişlidir. Tipik bir amorf alaşım, yaklaşık %80 demir içerir, diğer ana bileşenleri ise silikon ve bor gibi maddelerdir. Birçok test, amorf alaşımın kristalleşme sıcaklığının 550°C olduğunu ve Curie sıcaklığının yaklaşık 415°C olduğunu göstermiştir. Bu sıcaklıklar, amorf alaşımın işleme, çekirdek şekillendirme sonrası paslanmazlaştırma, normal işletme sıcaklığı ve kısa devre sırasında termal istikrar sıcaklığı gereksinimlerini karşılamakta yeterlidir, bu nedenle amorf kurutulmuş tipte transformatörlerin uygulamasında herhangi bir sorun yoktur.

Dört çerçeve, beş kol amorf alaşım dağıtım transformatörünün bir örneğini ele alalım, her sargı iki bağımsız manyetik devreye sahip çerçevelere monte edildiği için, her çerçevenin manyetik akışı temel dalga manyetik akışı ve bazı üçüncü harmonik manyetik akıştan oluşur. Üçüncü harmonik ile temel dalga arasındaki oran nominal manyetik akı yoğunluğuna bağlıdır. Ancak, bir sargının iki çerçevesindeki üçüncü harmonik manyetik akışlar fazda ters yönde ve değerce eşittir. Bu nedenle, her sargıda üçüncü harmonik manyetik akış vektörü sıfırdır. Yüksek gerilim bobini delta (D) konfigürasyonunda bağlandığında, bobin içinde üçüncü harmonik akım için bir yol vardır. Sonuç olarak, induksiyon edilen ikincil gerilim dalga formunda genellikle üçüncü harmonik gerilim bileşeni bulunmaz. Buna rağmen, her çerçevenin boş yük kaybı o çerçevenin içindeki üçüncü harmonik akımlar tarafından etkilenebilir. Bu yapıda, iki yan pervane, manyetik akıştaki sıfır-sekans bileşeni veya daha yüksek harmonikler için bir yol sağlayabilir.

Amorf Kurutulmuş Tip Transformatörlerin Ana Teknik Özellikleri
Amorf Kurutulmuş Tip Transformatörlerin Özellikleri

Amorf alaşım şeritleri, basınca son derece hassastır. Hasar gördükten sonra, onlar tekrar tamir edilemez. Bu nedenle, üretim sürecinde aşağıdaki iki noktanın sağlanması gerekir: İlk olarak, çekirdek sadece kendi ağırlığını taşır ve yüksek ve düşük gerilim bobinlerinin ağırlığı, taban, üst ve alt sıkıştırma parçaları gibi çelik yapı parçaları tarafından desteklenmelidir. İkinci olarak, optimize edilmiş tasarım yapısı yoluyla kısa devre dayanıklılığı artırılır.

Amorf kurutulmuş tipte transformatörlerin dikdörtgen yapıdaki sargıları, dairesel sargılara göre düzgün bir şekilde gerilmez. Transformatör kısa devre akımına maruz kaldığında, uzun eksen yönünde daha kolay deformasyona uğrar. Gerçek üretimde, yüksek gerilim bobinleri, epoxy reçine ile dökülmüş ve reçine tabakasında sabitlenmiş rijit yapılı tel kullanılarak üretilir. Dinamik ve termal istikrar hesaplamaları ve pratik simülasyonlar, yüksek gerilim bobinlerinin kısa devreler sırasında elektriksel kuvveti dayanabileceğini kanıtlamıştır.

Düşük gerilim bobinleri çoğunlukla bakır folyolar ile sarılır ve termal硬化后的环氧树脂端封结构，刚性略低。在短路时容易变形，从而对非晶合金带材施加应力。因此，在设计过程中应避免低压线圈绕组的长轴与短轴之比过大。此外，在装配过程中，必须在铁芯和低压线圈之间放置支撑垫片以增强短路耐受能力。

变压器的噪声主要来自铁芯的磁致伸缩。非晶合金的磁致伸缩大约比硅钢片高10%。通过对比国家标准“JB/T 10088-2004 6 kV-500 kV电力变压器声级”和“GB/T 22072-2008 干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求”，可以看出干式非晶合金铁心配电变压器的噪声要求与硅钢片铁心配电变压器相同。

这增加了干式非晶合金变压器制造的难度。然而，通过合理设计干式非晶合金变压器的结构，噪声仍然可以控制在国家标准范围内。磁通密度是非晶合金干式变压器噪声的重要影响因素。

每增加0.05 T的磁通密度，空载噪声约增加2 dB(A)，变压器噪声增加5 dB(A)[1]。因此，非晶合金干式变压器的磁通密度应合理选择以实现降噪。通常情况下，非晶合金干式变压器的磁通密度小于1.25 T就足够了。

但是考虑到地铁中高客流量密度的特殊情况，噪声水平应控制得更低，一般选择磁通密度小于1.2 T。此外，还需要通过优化结构来抑制非晶合金干式变压器的噪声。例如，在由铁芯和夹件组成的框架中留出适当的空间，以避免铁芯受到过大的应力并控制铁芯振动的增加。还应在铁芯和框架之间填充吸音材料，以有效降低噪声。

在运输和安装过程中，非晶合金干式变压器应严格按照操作规范和程序进行操作，以避免铁芯受力或碰撞的情况。

非晶合金干式变压器的经济性能分析

非晶合金干式变压器具有明显的节能效果。以下对SCBH15型非晶合金干式变压器和不同容量的SCB10型硅钢片配电变压器进行经济分析。比较内容包括非晶材料和硅钢片材料的价值、年电费节省、回收额外成本的年数以及节省的成本，如表1所示。

从表1可以看出，非晶合金干式变压器在节能方面比传统硅钢片变压器更具优势。转化为运行成本，这是相当显著的。回收额外成本的最大年限仅为5年，显示出巨大的应用前景。

非晶合金干式变压器在地铁中的应用及效果
非晶合金干式变压器在地铁中的应用

通过对非晶合金干式变压器的结构和原理的阐述以及经济性能分析，并结合北京地铁14号线的工程情况，对于非晶合金干式变压器的应用方案，应对非晶合金干式变压器的短路耐受能力、噪声控制、损耗指标和安装方案等关键技术进行重点研究，以充分发挥非晶合金干式变压器的良好节能性能，提高地铁的节能水平。

现场实施效果

以已在地铁14号线投入运行的SCBH15-800/10/0.4非晶合金干式变压器为例，与SCB10-800/10.0.4干式变压器相比，ΔP0 = 1.05 kW；ΔPk = 0。单台年节电量计算如下：

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

通过计算可以看出，非晶合金干式变压器的节能效果较为明显。

长期在线运行的相关建议

对于地铁线路中非晶合金干式变压器的长期运行，其设计、生产、维护和大修应根据其独特特性精心进行。作者提出以下建议：

• 鉴于非晶合金材料的磁饱和密度相对较低且磁致伸缩较大，在产品设计时不应将额定磁通密度设置得过高。一般来说，最好选择低于1.2 T的值。

• 在整个设计和生产过程中，必须充分注意非晶合金干式变压器的短路耐受能力。应通过工艺细化和结构优化等手段增强这一能力。

• 非晶合金对机械应力非常敏感。因此，在结构设计中，应避免使用传统的以铁芯为主要承重部件的设计方法。

• 为了实现优良的低损耗特性，非晶合金铁芯的退火是必不可少的工艺。

• 非晶合金干式变压器的定期维护和修理是必要的。这有助于消除潜在的安全隐患并延长变压器的使用寿命。

结论

国家大力推动节能减排的背景下，各行各业都在努力降低能耗。作为城市电网中的重要电力消费者，地铁广泛采用非晶合金干式变压器符合国家产业政策，具有广阔的应用前景。

需要注意的是，非晶合金配电变压器的成本高于传统的硅钢片变压器，其安装也有一定的特殊性。因此，应根据区域和线路的具体情况进行综合分析，制定合理的变压器选型方案。

由于非晶合金配电变压器对设计和生产工艺要求较高，在选择供应商时，建议选择具有成功应用经验和先进技术水平的企业。

Yüksek manyetik akı yoğunluğunun düşük olması ve amorf alaşımın magnetostriktif özelliği nedeniyle, ürün tasarımında nominal manyetik akı yoğunluğu çok yüksek ayarlanmamalıdır. Genel olarak, 1.2 T'nin altında bir değer seçilmesi tercih edilir.

Tasarım ve üretim süreçleri boyunca, amorf kurutulmuş tipte transformatörlerin kısa devre dayanıklılığına dikkat edilmelidir. Bu yetenek, işlem detaylandırması ve yapısal optimizasyon gibi yöntemlerle artırılmalıdır.

Amorf alaşımlar mekanik streslere son derece duyarlıdır. Bu nedenle, yapı tasarımında, çekirdeği ana yük taşıyan bileşen olarak kullanan geleneksel tasarım yaklaşımından kaçınılmalıdır.

İyi düşük kayıp karakteristiğini elde etmek için, amorf alaşım çekirdeğinin paslanmazlaştırılması atlanamaz bir süreçtir.

Amorf kurutulmuş tipte transformatörlerin düzenli bakım ve onarımı önemlidir. Bu, potansiyel güvenlik tehlikelerini ortadan kaldırır ve transformatörlerin hizmet ömrünü uzatır.

Sonuç

Ülkenin enerji tasarrufu ve emisyon azaltmayı büyük çaba gösterdiği bağlamda, tüm sektörler enerji tüketimini azaltmak için çaba göstermektedir. Şehir içi elektrik ağlarında önemli bir elektrik tüketicisi olan metro sistemlerinde, amorf kurutulmuş tipte transformatörlerin yaygın kullanımı, ulusal endüstri politikalarına uygun olup, geniş uygulama potansiyeline sahiptir.

Not edilmesi gereken, amorf alaşım dağıtım transformatörlerinin maliyetinin geleneksel silikon demir plaka transformatörlerinden daha yüksek olması ve kurulumunun belirli özgün özelliklere sahip olmasıdır. Bu nedenle, bölgesel ve hat spesifik koşulların kapsamlı analizi temelinde, makul bir transformatör seçimi şeması oluşturulmalıdır.

Amorf alaşım dağıtım transformatörlerinin yüksek standartlı tasarım ve üretim süreçleri gerektirdiği düşünüldüğünde, tedarikçileri seçerken, başarılı uygulamaları ve gelişmiş teknik yeteneklere sahip şirketler tercih edilmelidir.