Технические науки/ 5. Энергетика.
Исаков О.О.
Северо-Казахстанский государственный университет им. М.
Козыбаева, Казахстан
Перспективы применения трансформаторов
с аморфным сердечником в современных электроэнергетических системах
Аморфный
сплав - это определенный вид
прецизионного сплава. Его отличительной характеристикой от сплавов кристаллической структуры,
является целый комплекс физических и
химических свойств. Одним из основных отличий аморфного сплава от электротехнической стали - отсутствие периодичности в расположении
атомов. А так же эти сплавы отличаются от кристаллических сплавов большей
устойчивостью к коррозии, они прочнее в несколько раз и обладают лучшей
электромагнитной характеристикой.
Путем
химического подбора и метода охлаждения, которое проводится со скоростью,
превышающую скорость кристаллизации (на диск, который вращается с большой скоростью, выливается
готовый расплав), достигается аморфное состояние металла. Как только расплав попадает
на вращающийся диск, он резко охлаждается (скорость охлаждения составляет
приблизительно 106К/ с), он имеет схожесть с аморфной структурой стекла и
принимает форму ленты толщиной 15÷60 мкм. Из получившейся ленты идет
изготовление магнитопроводов, путем набора в стержни,
навивания в кольцевые сердечники или производства U образных сердечников. Благодаря современной технологии стало
возможно получение сердечников различных диаметров, начиная от нескольких
миллиметров и заканчивая полуметровым диаметром. Путем термомагнитной обработки
происходит придание специальных свойств
сплавам (можно получить петлю гистерезиса определенной формы):
структура становится частично
кристаллизованной, аморфной или получается нанокристаллической.
Наибольшую
магнитную проницаемость и наименьшую коэрцитивную силу полоса с нанокристаллической структурой получает благодаря
расположению кристаллитов диаметром от 10 до 20 нм по всей магнитопроводной
ленте сердечника. Из-за относительно высокого удельного сопротивления (от 110 мкОм/см. до 120 мкОм/см.), и незначительной толщины ленты, появилась
возможность добиться наименьшей коэрцитивной силы и наибольшей магнитной
проницаемости.
Рисунок
1. Магнитопровод аморфного трансформатора а также
структура аморфного сплава
В магнитопроводах из феррита, пермаллоя и электротехнической
стали, значительно, большие удельные
магнитные потери, что не скажешь про свойства магнитопроводов
изготовленных из нанокристаллических
и аморфных сплавов. У этих сердечников
относительно высокая начальная и максимальная проницаемость и такая же
высокая индукция насыщения при работе на высоких частотах. За счет своих
физических свойств магнитопроводы, изготовленные из
аморфных сплавов, широко применяются в энергетике, а именно при конструировании
и изготовлении силовых трансформаторов. В магнитопроводах
обычно применяют сложенную впятеро ленту из аморфного сплава (железо - 78%, бор
13% и кремний 9%).
Аморфная
сталь наряду с низкими потерями холостого хода, малыми потерями на
перемагничивание имеет и другие свойства, отличающие ее от электротехнической
стали. Аморфные сплавы — очень хрупкий материал, как стекло. Сердечник из
аморфной стали не допускает чрезмерной весовой нагрузки. Поэтому магнитопровод крепится к обмоткам, расположенным на несущей
базе, что требует дополнительных мероприятий по увеличению жесткости
конструкции. Стоит также отметить, что аморфная сталь имеет более низкую
рабочую индукцию, что приводит к более массивной активной части самого
трансформатора. Из-за низкой механической прочности аморфной стали к
конструкции сердечника и условиям его производства предъявляются особые
требования. В традиционных трансформаторах сердечник из электротехнической
стали является несущей конструкцией, поддерживающей всю активную часть.
Аморфный сердечник не допускает действия чрезмерной весовой нагрузки. Он
крепится к обмоткам, расположенным на несущей базе, и требует дополнительных
мероприятий по увеличению жесткости конструкции.
Также следует
отметить, что использование силовых трансформаторов с аморфным магнитопроводом, значительно снижает вред, наносимый
окружающей среде. Использование одного аморфного трансформатора вместо
какого-либо другого типа, позволяет предотвратить выброс углекислого газа,
которое может быть переработано 500-ми кедровыми деревьями за год. Высокий
уровень сохранения энергии способствует снижению выделения CO2.
Функция
трансформатора – повышать напряжение на
электростанции и понижать у потребителя для безопасного использования.
Трансформатор работает 24 часа в сутки, семь дней в неделю и на протяжении
этого времени происходят постоянные потери электроэнергии, проходящей через
него, которые составляют от 2-х до 4-х процентов. Такие потери делятся на две
различные категории: нагрузочные потери, вызванные нагрузками на трансформатор,
во время конвертации электричества и потери холостого хода (ток холостого
хода), вызванные присутствием незначительных нагрузок. Трансформаторы с
аморфными магнитопроводами снижают потери холостого
хода, благодаря использованию аморфных сплавов
в сердечнике.
Нагрузочные
потери в зависимости от увеличения нагрузок вариативны, в то время как потери
холостого хода имеют постоянную величину.
Например, когда фабрика работает в производственном режиме, нагрузочные
потери зависят от вариативных нагрузок, в то время, как потери холостого хода
постоянны, независимо от нагрузок. Ключ к решению проблемы потери энергии
- снижение потерь холостого хода.
Таблица
1. Потери холостого хода трансформаторов с различными сердечниками при разных
мощностях
Как видно из
таблицы, использование в магнитопроводах аморфных
материалов, вместо традиционной трансформаторной стали позволяет сократить
потери холостого хода в 4-5 раз. И, хотя, такие трансформаторы имеют большую
стоимость, за счет своей экономичности, в долгосрочной перспективе оказываются
более выгодным вложением.
Рисунок
2. Трансформатор с сердечником из аморфных сплавов китайского производства
Оценивая
экономическую целесообразность применения инновационных энергосберегающих
трансформаторов, следует учесть, что в энергосистемах 25-30% технических потерь
приходится именно на распределительные трансформаторы. При этом постоянную долю
потерь в самом трансформаторе составляют потери холостого хода. Таким образом,
аморфные трансформаторы дают возможность сберечь значительную долю
электроэнергии, расходующейся вхолостую в прямом смысле этого слова. Опыт
эксплуатации аморфных трансформаторов за рубежом показал, что увеличение
стоимости силовых трансформаторов на 30-35% окупается в течение 3-5 лет в
зависимости от региональных тарифов на электроэнергию.
Литература:
1.
Лизунов
С.Д., Лоханин А.К. «Силовые трансформаторы.
Справочная книга». М.:Энергоиздат, 2004. - 616 с.
2.
Хек
К. «Магнитные материалы и их техническое применение». Пер. с нем. Под. ред.
Л.Ш. Казарновского. М., "Энергия", 1973.
304 с. с ил.
3.
http://forca.ru/stati/podstancii/amorfnye-splavy-i-ekonomiya.html