Kompletna analiza charakterystyki i zastosowań transformatorów suchych

Jako niezbędny kluczowy komponent nowoczesnych systemów energetycznych, transformatory suche szybko zastępują tradycyjne transformatory olejowe na całym świecie dzięki unikalnej konstrukcji bezolejowej i doskonałym parametrom bezpieczeństwa.

Podstawowe koncepcje i zasady działania transformatorów suchych

Transformatory suche to transformatory energetyczne, które nie wykorzystują ciekłego medium izolacyjnego (takiego jak olej transformatorowy). Zamiast tego ich uzwojenia i rdzeń są albo bezpośrednio wystawione na działanie powietrza, albo zamknięte w stałym materiale izolacyjnym. W porównaniu do tradycyjnych transformatorów olejowych, transformatory suche wykorzystują stałe materiały izolacyjne (takie jak żywica epoksydowa i włókno szklane) do uzyskania izolacji elektrycznej między uzwojeniami, całkowicie eliminując ryzyko wycieku oleju i pożaru. Są one szczególnie odpowiednie do zastosowań wymagających wysokiego bezpieczeństwa i ochrony środowiska. W oparciu o metodę izolacji, transformatory suche dzielą się głównie na dwie kategorie: impregnowane (VPI) i odlewane (CRT). Pierwszy z nich wykorzystuje proces próżniowo-ciśnieniowej impregnacji do nasycania uzwojeń lakierem izolacyjnym, podczas gdy drugi wykorzystuje próżniowo odlewaną żywicę epoksydową do utworzenia stałej warstwy ochronnej izolacyjnej.

Pod względem zasady działania, transformatory suche nadal przestrzegają podstawowej zasady fizycznej indukcji elektromagnetycznej. Kiedy prąd przemienny przepływa przez uzwojenie pierwotne, generuje zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu, który z kolei indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniu wtórnym, osiągając konwersję napięcia. Jednak transformatory suche wdrażają tę podstawową zasadę poprzez unikalną konstrukcję strukturalną i dobór materiałów w celu optymalizacji wydajności. Na przykład, nowo opracowana opatentowana technologia transformatorów suchych TBEA wykorzystuje trzy równoległe nogi rdzenia z osiami prostopadłymi do powierzchni dolnej. Skutecznie optymalizuje to rozkład pola magnetycznego i zmniejsza straty prądów wirowych i prądów wirowych. Ta innowacyjna struktura rdzenia, w połączeniu z niskonapięciowymi uzwojeniami i specjalnie nawiniętą folią (z kątem nawijania kontrolowanym między 175° a 185°), znacznie poprawia efektywność energetyczną transformatora.

Transformatory suche mają szeroki zakres mocy znamionowych, od kilkudziesięciu kVA do dziesiątek tysięcy kVA, przy czym transformatory suche 1000 kVA są produktem dominującym na rynku. Transformatory te zazwyczaj wykorzystują laminowane blachy ze stali krzemowej o wysokiej przenikalności magnetycznej do rdzenia. Uzwojenia są odlewane próżniowo, a wydajne odprowadzanie ciepła uzyskuje się za pomocą naturalnych lub wymuszonych systemów chłodzenia powietrzem. Pod względem poziomu napięcia, transformatory suche rozwinęły się od tradycyjnych 10kV i 35kV do dzisiejszych 66kV, a nawet wyższych.

Nazwy transformatorów suchych generalnie odzwierciedlają ich cechy techniczne. W serii "SCB", "S" oznacza trójfazowy, "C" - odlewany, a "B" - uzwojenia foliowe. Kolejna liczba reprezentuje poziom wydajności; na przykład "SCB18" wskazuje na efektywność energetyczną zgodną ze standardem Typu 18. Wraz z postępem technologicznym, ocena efektywności energetycznej transformatorów suchych stale się poprawia. Zastosowanie nowych materiałów, takich jak stopy amorficzne, zmniejszyło straty jałowe i obciążeniowe o około 15%-20% w porównaniu do tradycyjnych transformatorów olejowych. Te postępy technologiczne sprawiły, że transformatory suche stają się coraz bardziej krytyczne w modernizacji systemów energetycznych i rozwoju energii odnawialnej.

Struktura rdzenia i innowacje materiałowe w transformatorach suchych

Konstrukcja strukturalna transformatorów suchych bezpośrednio determinuje ich wydajność i żywotność. Nowoczesne transformatory suche osiągają bezpieczną, wydajną i niezawodną pracę dzięki zaawansowanej konfiguracji komponentów i innowacyjnemu zastosowaniu materiałów. Typowy transformator suchy składa się z czterech podstawowych komponentów: rdzenia, uzwojeń, systemu izolacji i systemu chłodzenia. Każdy komponent jest starannie zaprojektowany i zoptymalizowany, aby spełnić wymagania różnych scenariuszy zastosowań.

Struktura rdzenia żelaznego stanowi podstawę obwodu magnetycznego transformatora suchego. Zazwyczaj jest on zbudowany przez laminowanie blach ze stali krzemowej walcowanej na zimno o wysokiej przenikalności magnetycznej. Grubość i proces laminowania blach ze stali krzemowej bezpośrednio wpływają na straty jałowe transformatora. Najnowsza opatentowana technologia TBEA demonstruje innowacyjne podejście do konstrukcji rdzenia żelaznego: struktura z trzema równoległymi nogami rdzenia, z osiami prostopadłymi do podstawy, skutecznie optymalizuje rozkład pola magnetycznego i zmniejsza straty energii. Jeszcze bardziej zaawansowane są rdzenie żelazne wykonane ze stopów amorficznych, które mogą zmniejszyć straty jałowe o ponad 30% w porównaniu do tradycyjnych blach ze stali krzemowej, co czyni je szczególnie odpowiednimi do zastosowań z dużymi wahaniami obciążenia. Chociaż kosztowne, stopy amorficzne oferują znaczne korzyści w zakresie oszczędności energii w całym cyklu życia i stają się standardową cechą wysokiej klasy transformatorów suchych.

System uzwojeń, jako element obwodu transformatora suchego, ma bezpośredni wpływ na straty obciążeniowe i odporność na zwarcia. Nowoczesne uzwojenia transformatorów suchych są głównie miedziane i aluminiowe. Miedź oferuje doskonałą przewodność, ale wyższy koszt, podczas gdy aluminium oferuje bardziej konkurencyjną cenę. W opatentowanej konstrukcji TBEA każda noga rdzenia jest wyposażona w niskonapięciowe uzwojenie, które jest owinięte w wiele warstw folii wokół zewnętrznego obwodu nogi rdzenia. Ta struktura nie tylko poprawia wydajność, ale także zmniejsza straty energii spowodowane prądami wirowymi. Izolacja uzwojeń jest odlewana lub impregnowana żywicą epoksydową, tworząc mocną warstwę ochronną izolacyjną, która może wytrzymać wysokie przepięcia i skutecznie odprowadzać ciepło.

System izolacji jest kluczową cechą, która odróżnia transformatory suche od transformatorów olejowych i jest kluczowym czynnikiem ich bezpieczeństwa. Nowoczesne transformatory suche wykorzystują głównie metody izolacji z odlewaniem żywicy epoksydowej lub próżniowo-ciśnieniową impregnacją (VPI). Odlewanie żywicy epoksydowej całkowicie uszczelnia uzwojenia w materiale izolacyjnym, zapewniając doskonałą odporność na wilgoć i kurz. Na przykład Shunte Electric wykorzystuje tę technologię, aby utrzymać hałas transformatora w centrach danych poniżej 50 decybeli. Z drugiej strony technologia VPI wykorzystuje wielokrotne impregnacje próżniowo-ciśnieniowe do głębokiego nasycania uzwojeń lakierem izolacyjnym, tworząc jednolitą warstwę izolacyjną. Najnowsze transformatory suche Jingquanhua charakteryzują się zoptymalizowaną konstrukcją systemu izolacji, zapewniając bezpieczniejsze i bardziej niezawodne rozwiązanie zasilania dla centrów danych.

System chłodzenia ma decydujący wpływ na obciążalność i żywotność transformatorów suchych. Ponieważ nie ma oleju jako medium chłodzącego, transformatory suche polegają głównie na konwekcji powietrza w celu rozpraszania ciepła. Typowe metody chłodzenia obejmują naturalne chłodzenie powietrzem (AN) i wymuszone chłodzenie powietrzem (AF). Transformatory suche o dużej pojemności są zwykle projektowane w trybie hybrydowym AN/AF, który chłodzi naturalnie przy normalnym obciążeniu i uruchamia wentylatory do wymuszonego chłodzenia w przypadku przeciążenia. Optymalizując konstrukcję kanału powietrznego i obszar rozpraszania ciepła, transformatory suche 1000kVA mogą utrzymać wzrost temperatury w rozsądnym zakresie nawet przy dużym obciążeniu. Transformatory suche 66kV firmy Envision Energy dla morskich turbin wiatrowych przyjmują ultrakompaktową konstrukcję, osiągając wydajne rozpraszanie ciepła w ograniczonej przestrzeni, spełniając wymagania eksploatacyjne w trudnych warunkach morskich.