Ứng dụng biến áp phân phối hợp kim vô định hình trong hệ thống cung cấp điện METRO

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của quy mô giao thông đường sắt đô thị ở Trung Quốc, tải điện và chiếu sáng của tàu điện ngầm đã tăng nhanh, và vấn đề về năng lượng tiêu thụ do tổn thất tự thân của máy biến áp phân phối ngày càng trở nên nổi bật. Trên bối cảnh quốc gia cổ vũ tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, máy biến áp lõi hợp kim vô định hình, sử dụng dải hợp kim vô định hình có tính dẫn từ tốt làm vật liệu dẫn từ, đã đạt được tổn thất không tải và dòng không tải tương đối thấp, do đó đã trở thành một trong những hướng phát triển của máy biến áp tiết kiệm năng lượng. Dựa trên nền tảng tuyến 14 của Tàu điện ngầm Bắc Kinh, bài viết này bắt đầu từ nguyên lý, cấu trúc và đặc điểm kỹ thuật của máy biến áp phân phối khô lõi hợp kim vô định hình (sau đây gọi tắt là "máy biến áp khô vô định hình"), mô tả ngắn gọn hiệu quả thực hiện tại hiện trường, và đưa ra các đề xuất liên quan cho vận hành lâu dài, nhằm cung cấp tham khảo và kinh nghiệm cho việc lựa chọn và ứng dụng máy biến áp phân phối trong tàu điện ngầm.
Cấu trúc và Nguyên lý Hoạt động của Máy biến áp Khô Vô Định Hình
Cấu trúc của Máy biến áp Khô Vô Định Hình
Máy biến áp phân phối hợp kim vô định hình chọn hợp kim vô định hình có tính mềm từ làm vật liệu lõi. Nó có độ cảm ứng từ bão hòa cao, tổn thất cực thấp, dòng kích thích thấp, và độ từ hóa thấp, và là máy biến áp tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường có độ ổn định tốt. Máy biến áp khô vô định hình kết hợp các đặc điểm của máy biến áp khô đúc epoxy, như hàm lượng halogen thấp, khả năng chống cháy, sinh khói ít, và tự tắt, với ưu điểm tổn thất thấp của dải hợp kim vô định hình, giúp chúng đáp ứng tốt hơn nhu cầu của các môi trường công cộng như tàu điện ngầm.

Dải hợp kim vô định hình là một loại vật liệu dẫn từ mỏng (với độ dày khoảng 0.03 mm) và giòn. Do đó, thiết kế chúng thành cấu trúc cuộn lõi là hợp lý. Hiện nay, cấu trúc của máy biến áp khô vô định hình đúc epoxy chủ yếu chia thành hai loại, tức là cấu trúc ba pha ba cột và cấu trúc ba pha năm cột, như được thể hiện trong Hình 1. Lõi của cấu trúc ba pha năm cột được tạo thành bằng cách kết hợp bốn khung, như được thể hiện trong Hình 2a; lõi của cấu trúc ba pha ba cột được tạo thành bằng cách kết hợp ba khung, như được thể hiện trong Hình 2b. Vì mặt cắt ngang của lõi máy biến áp hợp kim vô định hình là hình chữ nhật, cuộn dây cao và thấp áp thường được thiết kế thành cấu trúc hình chữ nhật với góc bo tròn. Ngoài ra, vì mật độ từ thông và hệ số chồng lớp của lõi hợp kim vô định hình thấp hơn so với thép silic, thể tích của lõi hợp kim vô định hình lớn hơn nhiều so với lõi thép silic có cùng công suất. Máy biến áp khô vô định hình trên một tuyến tàu điện ngầm cụ thể sử dụng thiết kế lõi ba pha năm cột, có ưu điểm là tản nhiệt tốt, cấu trúc tổng thể chặt chẽ, và thể tích tương đối nhỏ.

Nguyên lý Hoạt động của Máy biến áp Khô Vô Định Hình

Tinh thể của vật liệu lõi hợp kim vô định hình, thép silic, do cấu trúc và đặc điểm của chúng, thuận lợi hơn cho quá trình từ hóa và phi từ hóa. Hợp kim vô định hình điển hình chứa khoảng 80% sắt, với các thành phần chính khác là các chất như silic và boron. Nhiều thử nghiệm đã cho thấy nhiệt độ tinh thể hóa của hợp kim vô định hình là 550°C, và nhiệt độ Curie là khoảng 415°C. Những nhiệt độ này có thể đáp ứng yêu cầu xử lý hợp kim vô định hình, làm mềm sau khi tạo lõi, nhiệt độ hoạt động bình thường, và nhiệt độ ổn định trong quá trình ngắn mạch, do đó không có vấn đề gì trong ứng dụng của máy biến áp khô vô định hình.

Lấy ví dụ về máy biến áp phân phối hợp kim vô định hình ba pha, bốn khung, năm cột, vì mỗi cuộn dây được đặt trên hai khung có mạch từ độc lập, từ thông của mỗi khung bao gồm từ thông sóng cơ bản và một số từ thông sóng thứ ba. Tỷ lệ giữa sóng thứ ba và sóng cơ bản phụ thuộc vào mật độ từ thông định mức. Tuy nhiên, từ thông sóng thứ ba trong hai khung lõi của một cuộn dây ngược pha và bằng giá trị. Do đó, vectơ từ thông sóng thứ ba trong mỗi cuộn dây là không. Khi cuộn dây cao áp được kết nối theo cấu hình tam giác (D), có đường đi cho dòng điện sóng thứ ba trong cuộn dây. Kết quả là, thường không có thành phần điện áp sóng thứ ba trong dạng sóng điện áp cảm ứng phía thứ cấp. Tuy nhiên, tổn thất không tải trong mỗi khung vẫn bị ảnh hưởng bởi dòng điện sóng thứ ba bên trong khung đó. Hai cánh yoke của cấu trúc này có thể cung cấp đường đi cho thành phần thứ tự không hoặc sóng hài bậc cao trong từ thông.

Đặc điểm Kỹ thuật Chính của Máy biến áp Khô Vô Định Hình
Đặc điểm của Máy biến áp Khô Vô Định Hình

Dải hợp kim vô định hình rất nhạy cảm với áp lực. Một khi bị hỏng, chúng không thể phục hồi. Do đó, trong quá trình sản xuất, phải đảm bảo hai điểm sau: Thứ nhất, lõi chỉ chịu trọng lượng của chính nó, và trọng lượng của cuộn dây cao và thấp áp được hỗ trợ bởi các bộ phận kết cấu thép như đế, các miếng kẹp trên và dưới. Thứ hai, khả năng chịu đựng ngắn mạch được cải thiện thông qua cấu trúc thiết kế tối ưu.

Cuộn dây hình chữ nhật của máy biến áp khô vô định hình không chịu lực đồng đều như cuộn dây hình tròn. Khi máy biến áp chịu dòng điện ngắn mạch, hướng trục dài dễ bị biến dạng hơn. Trong sản xuất thực tế, cuộn dây cao áp được cấu tạo bằng dây cứng đúc với nhựa epoxy và cố định trong lớp nhựa. Các tính toán ổn định động và nhiệt, cũng như mô phỏng thực tế, đã chứng minh rằng cuộn dây cao áp có thể chịu được lực điện động trong quá trình ngắn mạch.

Cuộn dây thấp áp chủ yếu được quấn bằng dải đồng và có cấu trúc niêm phong cuối bằng nhựa epoxy đóng rắn, với độ cứng thấp hơn một chút. Chúng dễ bị biến dạng trong quá trình ngắn mạch, gây áp lực lên dải hợp kim vô định hình. Do đó, trong quá trình thiết kế, nên tránh tỷ lệ giữa trục dài và trục ngắn của cuộn dây thấp áp quá lớn. Ngoài ra, trong quá trình lắp ráp, phải đặt các thanh đỡ giữa lõi và cuộn dây thấp áp để tăng cường khả năng chịu đựng ngắn mạch.

Tiếng ồn của máy biến áp chủ yếu đến từ hiện tượng co giãn từ của lõi. Co giãn từ của hợp kim vô định hình cao hơn khoảng 10% so với thép silic. Bằng cách so sánh các tiêu chuẩn quốc gia "JB/T 10088 - 2004 Độ ồn cho Máy biến áp Năng lượng 6 kV - 500 kV" và "GB/T 22072 - 2008 Tham số Kỹ thuật và Yêu cầu cho Máy biến áp Phân phối Khô Lõi Hợp kim Vô Định Hình", có thể thấy yêu cầu về tiếng ồn cho máy biến áp phân phối khô lõi hợp kim vô định hình trong các tiêu chuẩn quốc gia là giống như máy biến áp lõi thép silic.

Điều này làm tăng khó khăn trong việc sản xuất máy biến áp khô vô định hình. Tuy nhiên, thông qua thiết kế hợp lý cấu trúc của máy biến áp khô vô định hình, tiếng ồn vẫn có thể được kiểm soát trong phạm vi tiêu chuẩn quốc gia. Mật độ từ thông là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tiếng ồn của máy biến áp khô vô định hình.

Mỗi khi mật độ từ thông tăng 0.05 T, tiếng ồn không tải tăng khoảng 2 dB(A), và tiếng ồn máy biến áp tăng 5 dB(A)[1]. Do đó, mật độ từ thông của máy biến áp khô vô định hình nên được chọn hợp lý để giảm tiếng ồn. Thông thường, mật độ từ thông dưới 1.25 T là đủ cho máy biến áp khô vô định hình.

Tuy nhiên, xét đến tình huống đặc biệt của mật độ lưu lượng hành khách cao trong tàu điện ngầm, mức độ tiếng ồn nên được kiểm soát thấp hơn, và mật độ từ thông thường được chọn dưới 1.2 T. Ngoài ra, tiếng ồn của máy biến áp khô vô định hình cần được kiềm chế bằng cách tối ưu hóa cấu trúc. Ví dụ, nên để lại không gian phù hợp trong khung tạo thành bởi lõi và các miếng kẹp để tránh áp lực quá mức lên lõi và kiểm soát sự tăng rung lõi. Nên đặt vật liệu hấp thụ âm giữa lõi và khung để giảm tiếng ồn hiệu quả.

Trong quá trình vận chuyển và lắp đặt, máy biến áp khô vô định hình phải được vận hành nghiêm ngặt theo các quy định và quy trình vận hành để tránh tình trạng lõi bị chịu lực hoặc va đập.

Phân tích Hiệu suất Kinh tế của Máy biến áp Khô Vô Định Hình

Máy biến áp khô vô định hình có hiệu quả tiết kiệm năng lượng rõ rệt. Dưới đây là phân tích kinh tế của máy biến áp khô vô định hình loại SCBH15 và máy biến áp phân phối lõi thép silic loại SCB10 với các công suất khác nhau. So sánh được thực hiện theo giá trị của vật liệu vô định hình và thép silic, chi phí tiết kiệm điện hàng năm, số năm để thu hồi chi phí bổ sung, và tiết kiệm chi phí, như được thể hiện trong Bảng 1.

Có thể thấy từ Bảng 1, máy biến áp khô vô định hình có nhiều ưu điểm hơn so với máy biến áp lõi thép silic truyền thống về tiết kiệm năng lượng. Chuyển đổi sang chi phí vận hành, điều này khá đáng kể. Số năm tối đa để thu hồi chi phí bổ sung chỉ là 5 năm, cho thấy triển vọng ứng dụng lớn.

Ứng dụng và Hiệu quả của Máy biến áp Khô Vô Định Hình trong Tàu Điện Ngầm
Ứng dụng của Máy biến áp Khô Vô Định Hình trong Tàu Điện Ngầm

Qua trình bày về cấu trúc và nguyên lý của máy biến áp khô vô định hình và phân tích hiệu suất kinh tế, kết hợp với tình hình kỹ thuật của tuyến 14 Tàu điện ngầm Bắc Kinh, cho phương án ứng dụng máy biến áp khô vô định hình, cần nghiên cứu kỹ các khía cạnh kỹ thuật như khả năng chịu đựng ngắn mạch, kiểm soát tiếng ồn, chỉ số tổn thất, và phương án lắp đặt của máy biến áp khô vô định hình, để phát huy hiệu quả tiết kiệm năng lượng tốt của máy biến áp khô vô định hình và nâng cao mức độ tiết kiệm năng lượng của tàu điện ngầm.

Hiệu quả Thực hiện Tại Hiện Trường

Lấy ví dụ về máy biến áp khô vô định hình SCBH15-800/10/0.4 đã được đưa vào vận hành trên tuyến 14 tàu điện ngầm, so sánh với máy biến áp khô SCB10-800/10.0.4, ΔP0 = 1.05 kW; ΔPk = 0. Giảm lượng tiêu thụ điện hàng năm của một đơn vị có thể tính như sau:

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

Qua tính toán, có thể thấy hiệu quả tiết kiệm năng lượng của máy biến áp khô vô định hình là tương đối rõ ràng.

Đề xuất Liên quan cho Vận hành Dài hạn Trực tuyến

Đối với việc vận hành dài hạn của máy biến áp khô vô định hình trên các tuyến tàu điện ngầm, thiết kế, sản xuất, bảo dưỡng, và đại tu của chúng phải được thực hiện cẩn thận theo các đặc điểm riêng biệt của chúng. Tác giả đưa ra các đề xuất sau:

• Do mật độ từ bão hòa của vật liệu hợp kim vô định hình tương đối thấp và độ co giãn từ tương đối lớn, trong quá trình thiết kế sản phẩm, mật độ từ thông định mức không nên được đặt quá cao. Nói chung, nên chọn giá trị dưới 1.2 T.

• Trong suốt quá trình thiết kế và sản xuất, phải chú ý đến khả năng chịu đựng ngắn mạch của máy biến áp khô vô định hình. Khả năng này nên được tăng cường thông qua các phương pháp như tinh chỉnh quy trình và tối ưu hóa cấu trúc.

• Hợp kim vô định hình có độ nhạy cực kỳ cao với ứng suất cơ học. Do đó, trong thiết kế cấu trúc, cần tránh cách tiếp cận thiết kế truyền thống sử dụng lõi làm thành phần chịu lực chính.

• Để đạt được đặc tính tổn thất thấp tuyệt vời, làm mềm lõi hợp kim vô định hình là một quá trình không thể thiếu.

• Bảo dưỡng và sửa chữa định kỳ máy biến áp khô vô định hình là cần thiết. Điều này giúp loại bỏ các nguy cơ an toàn tiềm ẩn và kéo dài tuổi thọ của máy biến áp.

Kết luận

Trên bối cảnh quốc gia đang thúc đẩy mạnh mẽ tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, tất cả các ngành công nghiệp đang nỗ lực cắt giảm tiêu thụ năng lượng. Là một người tiêu thụ điện quan trọng trong lưới điện đô thị, việc áp dụng rộng rãi máy biến áp khô vô định hình trong tàu điện ngầm phù hợp với chính sách công nghiệp quốc gia và có triển vọng ứng dụng rộng lớn.

Cần lưu ý rằng chi phí của máy biến áp phân phối hợp kim vô định hình cao hơn so với máy biến áp lõi thép silic truyền thống, và việc lắp đặt cũng có một số đặc điểm riêng. Do đó, nên xây dựng một phương án lựa chọn máy biến áp hợp lý dựa trên phân tích toàn diện về điều kiện khu vực và tuyến cụ thể.

Vì máy biến áp phân phối hợp kim vô định hình đòi hỏi tiêu chuẩn cao về quy trình thiết kế và sản xuất, khi chọn nhà cung cấp, nên chọn các doanh nghiệp có thành công trong việc ứng dụng và sở hữu công nghệ tiên tiến.