Застосування трансформаторів розподілу з аморфним сплавом у системі електропостачання METRO

Останнім часом, з швидким розвитком масштабів міської транспортної інфраструктури в Китаї, електроенергетичне та освітлювальне навантаження метро значно збільшилося, а проблема витрат електроенергії через власні втрати розподільчих трансформаторів стала все більш актуальною. На фоні державного заклику до енергоефективності та захисту навколишнього середовища, аморфні сплави, які використовуються як магнітні матеріали завдяки своїй відмінній магнітній провідності, забезпечують відносно низькі втрати при нульовому навантаженні та нульовий струм, що робить їх одним з напрямків розвитку енергоефективних трансформаторів. На основі вивчення лінії 14 пекінського метро, ця стаття починається з принципів, конструкцій та технічних характеристик сухих трансформаторів з аморфним сердечником (далі - "аморфні сухі трансформатори"), коротко описує ефекти впровадження на місці та висуває відповідні пропозиції для довгострокової експлуатації, маючи мету надати посилання та досвід для вибору та застосування розподільчих трансформаторів у метро.
Конструкція та принцип роботи аморфних сухих трансформаторів
Конструкція аморфних сухих трансформаторів
Розподільні трансформатори з аморфним сплавом використовують аморфний сплав з м'якими магнітними властивостями як матеріал для сердечника. Він має високу насиченість магнітної індукції, надзвичайно низькі втрати, низький струм запалювання та низьку коефіцієнт коерцитивности, є енергоефективним та екологічно чистим трансформатором з відмінною стабільністю. Аморфні сухі трансформатори поєднують характеристики епоксидних засмолосених сухих трансформаторів, таких як низька вміст галогенів, вогнестійкість, низьке випромінювання диму та самозатухнення, з перевагами низьких втрат аморфних сплавів, що дозволяє їм краще задовольняти потреби громадських середовищ, таких як метро.

Аморфні сплави - це вид тонкого (з товщиною близько 0,03 мм) та хрупкого магнітного матеріалу. Тому логічно проектувати його у вигляді намотаного сердечника. На даний момент конструкції епоксидних засмолосених аморфних сухих трансформаторів в основному поділяються на дві категорії: трифазну трилапкову конструкцію та трифазну п'ятилапкову конструкцію, як показано на рисунку 1. Сердечник трифазної п'ятилапкової конструкції утворюється за допомогою об'єднання чотирьох рам, як показано на рисунку 2a; сердечник трифазної трилапкової конструкції утворюється за допомогою об'єднання трьох рам, як показано на рисунку 2b. Оскільки переріз сердечника аморфного сплаву трансформатора прямокутний, високовольтні та низьковольтні обмотки зазвичай проектуються у прямокутній формі з закругленими кутами. Також, оскільки густина магнітного потоку та фактор ламінації аморфного сплаву нижчі, ніж у сталевих листів, об'єм аморфного сплаву значно більший, ніж у сталевого сердечника такої ж потужності. Аморфні сухі трансформатори на одній з ліній метро використовують трифазну п'ятилапкову конструкцію сердечника, яка має переваги добреї теплообміну, компактної загальної конструкції та відносно невеликого об'єму.

Принцип роботи аморфних сухих трансформаторів

Кристали аморфного сплаву, як матеріалу сердечника, стали, більш сприятливі для намагнічування та демагнетизації через свою структуру та властивості. Типовий аморфний сплав містить близько 80% заліза, з іншими основними компонентами, такими як кремній та бор. Багато тестів показали, що температура кристалізації аморфного сплаву становить 550°C, а температура Кюрі - близько 415°C. Ці температури можуть задовольнити вимоги до обробки аморфного сплаву, відпалу після формування сердечника, нормальної робочої температури та термічної стабільності під час коротких замикань, тому немає проблем з застосуванням аморфних сухих трансформаторів.

Наприклад, трифазний, чотирьохрамний, п'ятилапковий розподільний трансформатор з аморфним сплавом, оскільки кожна обмотка намотана на дві рами з незалежними магнітними контурами, магнітний потік кожної рами складається з фундаментального хвильового магнітного потоку та деякого третього гармонічного магнітного потоку. Співвідношення третьої гармоніки до фундаментальної хвилі залежить від номінальної густини магнітного потоку. Однак, третьохармонічні магнітні потоки в двох рамах одного обмотування протилежні за фазою та рівні за величиною. Тому, вектор третьої гармоніки магнітного потоку в кожному обмотуванні дорівнює нулю. Коли високовольтна обмотка підключена в трикутну (D) конфігурацію, у обмотці є шлях для третьої гармоніки струму. В результаті, зазвичай, в індукованому вторинному напрузі не має третьої гармоніки. Проте, втрати при нульовому навантаженні в кожній рамі все ще впливають на третю гармоніку струму в рамках. Дві бокові рами цієї конструкції можуть забезпечити шлях для нуль-послідовних компонентів або вищих гармонік магнітного потоку.

Основні технічні характеристики аморфних сухих трансформаторів
Характеристики аморфних сухих трансформаторів

Аморфні сплави надзвичайно чутливі до тиску. Якщо вони пошкоджені, вони не можуть бути відновлені. Тому під час виробництва слід забезпечити наступні два пункти: по-перше, сердечник повинен носити лише власну вагу, а вага високовольтних та низьковольтних обмоток підтримується стальними конструктивними елементами, такими як основа, верхні та нижні зажимні деталі. По-друге, витривалість на коротке замикання покращується через оптимізовану конструктивну структуру.

Прямокутні обмотки аморфних сухих трансформаторів не так рівномірно нагружуються, як круглі обмотки. Коли трансформатор витримує короткозамкнений струм, напрямок довгої осі більш схильний до деформації. У реальному виробництві високовольтні обмотки виготовляються з жорстких провідників, залитих епоксидною смолою, та фіксуються в шарі смоли. Розрахунки динамічної та термічної стабільності та практичні симуляції довели, що високовольтні обмотки можуть витримати електродинамічну силу під час короткого замикання.

Низковольтні витків переважно намотані медними фольгами і мають термічно застиглу епоксидну смолу на кінцях, що надає трохи меншу жорсткість. Вони піддаються деформації при коротких замиканнях, що створює напруження для аморфних сплавних стрічок. Тому під час процесу проектування слід уникати великої пропорції між довгою та короткою осями низковольтних витків. Крім того, під час процесу зборки між сердечником та низковольтними витками повинні бути розміщені підтримуючі проставки, щоб підвищити стійкість до коротких замикань.

Шум трансформатора переважно походить від магнетострикції сердечника. Магнетострикція аморфного сплаву приблизно на 10% вища, ніж у сталевих пластин. Порівнюючи національні стандарти "JB/T 10088 - 2004 Рівень шуму для силових трансформаторів 6 кВ - 500 кВ" та "GB/T 22072 - 2008 Технічні параметри та вимоги до сухих трансформаторів з аморфним сердечником", можна побачити, що вимоги до шуму для сухих трансформаторів з аморфним сердечником в національних стандартах такі самі, як і для трансформаторів з сердечником з сталевих пластин.

Це збільшує складність виготовлення сухих трансформаторів з аморфним сердечником. Однак, через раціональне проектування конструкції сухих трансформаторів з аморфним сердечником, шум все ще можна контролювати в рамках національних стандартів. Густина магнітного потоку є важливим фактором, що впливає на шум сухих трансформаторів з аморфним сердечником.

З кожним зростанням густини магнітного потоку на 0,05 Т, безнавантажений шум збільшується приблизно на 2 дБ(А), а шум трансформатора збільшується на 5 дБ(А)[1]. Тому густина магнітного потоку сухих трансформаторів з аморфним сердечником повинна бути раціонально обрана для зниження шуму. Зазвичай, для сухих трансформаторів з аморфним сердечником достатньо густини магнітного потоку менше 1,25 Т.

Однак, враховуючи особливі умови високої щільності пасажиропотоку в метро, рівень шуму повинен бути контролюється ще нижче, і густина магнітного потоку зазвичай обирається меншою за 1,2 Т. Крім того, шум сухих трансформаторів з аморфним сердечником треба приглушати за допомогою оптимізації конструкції. Наприклад, між рамою, складеною з сердечника та стискальних деталей, повинен бути залишений певний простір, щоб уникнути надмірного напруження сердечника та контролювати збільшення вібрації сердечника. Також між сердечником та рамою повинні бути розміщені звукопоглинаючі матеріали, щоб ефективно знизити шум.

Під час транспортування та встановлення сухих трансформаторів з аморфним сердечником повинні дотримуватися вказівок та процедур, щоб уникнути ситуацій, коли сердечник буде піддаватися напруженню або ударах.

Економічний аналіз сухих трансформаторів з аморфним сердечником

Сухі трансформатори з аморфним сердечником мають очевидні енергоефективні ефекти. Нижче проводиться економічний аналіз сухих трансформаторів типу SCBH15 з аморфним сердечником та сухих трансформаторів типу SCB10 з сталевими пластинами різної потужності. Порівняння проводиться з точки зору цінності аморфних матеріалів та сталевих пластин, економії на електроенергії щорічно, кількості років для повернення додаткових витрат та економії, як показано в таблиці 1.

З таблиці 1 видно, що сухі трансформатори з аморфним сердечником мають більші переваги в енергозбереженні порівняно з традиційними трансформаторами з сталевими пластинами. Переведення цього в операційні витрати є значним. Максимальна кількість років для повернення додаткових витрат становить лише 5 років, що демонструє великі перспективи застосування.

Застосування та ефективність сухих трансформаторів з аморфним сердечником в метрополітені
Застосування сухих трансформаторів з аморфним сердечником в метрополітені

Через розкриття структури та принципу роботи сухих трансформаторів з аморфним сердечником та економічного аналізу, в поєднанні з інженерною ситуацією лінії 14 пекінського метрополітену, для програми застосування сухих трансформаторів з аморфним сердечником, ключові дослідження повинні проводитися з технічних аспектів, таких як стійкість до коротких замикань, контроль шуму, показники втрат та програма встановлення сухих трансформаторів з аморфним сердечником, щоб максимально використовувати добре енергозберігаючі характеристики сухих трансформаторів з аморфним сердечником та підвищувати рівень енергозбереження в метрополітені.

Ефект реалізації на місці

На прикладі сухого трансформатора типу SCBH15-800/10/0.4, який був введений в експлуатацію на лінії 14 метрополітену, порівняно з сухим трансформатором типу SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1.05 кВт; ΔPk = 0. Річне зниження споживання електроенергії одним пристроєм можна розрахувати наступним чином:

ΔWk = 8 760×(1.05 + 0.62×0) = 9 198 кВт·год

За результатами розрахунків видно, що енергозберігаючий ефект сухих трансформаторів з аморфним сердечником є досить очевидним.

Релевантні рекомендації для тривалої онлайн-експлуатації

Для тривалої експлуатації сухих трансформаторів з аморфним сердечником на лініях метрополітену, їх проектування, виробництво, обслуговування та капітальний ремонт повинні проводитися з великою увагою з урахуванням їх унікальних характеристик. Автор висловлює наступні пропозиції:

• Враховуючи, що магнітна насиченість аморфних сплавних матеріалів є відносно низькою, а їх магнетострикція є відносно великою, під час проектування продукту не слід встановлювати занадто високу номінальну густину магнітного потоку. Зазвичай, бажано вибирати значення нижче 1,2 Т.

• Протягом всього процесу проектування та виробництва, слід приділити надлежачу увагу стійкості до коротких замикань сухих трансформаторів з аморфним сердечником. Ця стійкість повинна бути підвищена за допомогою методів, таких як вдосконалення технологій та оптимізація конструкції.

• Аморфні сплави виявляють надзвичайну чутливість до механічних напружень. Тому при конструктивному проектуванні необхідно уникати традиційного підходу, який використовує сердечник як основний навантажений компонент.

• Для досягнення відмінних характеристик з низькими втратами, термічна обробка аморфного сплаву сердечника є невід'ємним процесом.

• Регулярне технічне обслуговування та ремонт аморфних сухих трансформаторів є важливим. Це допомагає усунути потенційні аварійні ситуації та продовжити термін служби трансформаторів.

Висновок

На фоні активного пропагування енергоефективності та зменшення викидів, всі галузі роблять значні зусилля для скорочення енергоспоживання. Як важливий споживач електроенергії в міських електромережах, широке використання аморфних сухих трансформаторів в метро відповідає національній промисловій політиці та має широкі перспективи застосування.

Слід звернути увагу, що вартість аморфних сплавових розподільчих трансформаторів вища, ніж традиційних трансформаторів з силіконової сталі, і їх встановлення також має певні особливості. Тому раціональна схема вибору трансформаторів повинна формулюватися на основі комплексного аналізу регіональних та лінійних умов.

Оскільки аморфні сплавові розподільчі трансформатори потребують високого стандарту проектування та виробництва, при виборі постачальників краще вибирати підприємства, які мають успішний досвід застосування та володіють передовими технологічними можливостями.