„Енергетски конвертори“ во електроенергетските мрежи и технолошката еволуција

Во современите електроенергетски системи, постои еден вид опрема што е незаменлива како „енергетски центар“ - ги поврзува крајот на производството на енергија и крајот на потрошувачката на енергија и преку прецизна електромагнетна индукција, ја реализира конверзијата на напонските нивоа, обезбедувајќи намалување на загубата на енергија при пренос на долги растојанија, а истовремено задоволувајќи ги различните барања за енергија на индустриското производство и животот на жителите. Овој тип на опрема се нарекува енергетски трансформатор. Од трансформаторите во поголемите централи, до дистрибутивните трансформатори во урбаните трафостаници, а потоа и до наменските трансформатори во фабричките работилници, тој поминува низ целиот синџир на пренос и дистрибуција на електрична енергија и е основната опрема што го поддржува социјалното снабдување со енергија.

I. Основен принцип на енергетските трансформатори: „Енергетската магија“ на електромагнетната индукција

Работната основа наенергетски трансформаторипотекнува од законот за електромагнетна индукција откриен од Фарадеј во 19 век. Логиката на јадрото може да се сумира како процес на конверзија на енергија на „магнетизам што генерира електрична енергија и магнетизам што генерира електрична енергија“ : кога примарното намотување (влезен крај) на трансформаторот е поврзано со напојување со наизменична струја, струјата ќе генерира наизменично магнетно поле во железното јадро. Кога ова магнетно поле ќе помине низ секундарното намотување (излезен терминал), на секундарната страна ќе се индуцира соодветна електромоторна сила и на крајот ќе излезе наизменична струја пропорционална на напонот на примарната страна.

Во овој процес, клучот за конверзија на напонот лежи во односот на вртењата на примарните и секундарните намотки. Според принципот на електромагнетна индукција, односот на примарниот напон (U1) до секундарниот напон (U2) е еднаков на односот на бројот на вртења на примарната страна (N1) до бројот на вртењата на секундарната страна (N2), односно U1/U1/N. На пример, излезниот напон на електраната е типично од 10 до 25 kV. За да се постигне пренос на електрична енергија на долги растојанија (намалувањето на загубите во линијата бара зголемување на напонот), трансформаторот за зголемување ќе го зголеми напонот до 110 kV, 220 kV, па дури и 1000 kV преку „секундарно намотување со повеќе вртења“. Кога електричната енергија се пренесува до градот или до крајот на корисникот, дистрибутивниот трансформатор го намалува високиот напон на 10kV (за индустриска употреба) или 220V/380V (за станбена и комерцијална употреба) преку „помалку вртења секундарно намотување“, завршувајќи го усогласувањето на напонот на „генерирање енергија - пренос - дистрибуција“.

Вреди да се напомене дека во идеална состојба, влезната и излезната моќност на трансформаторот се еднакви (игнорирање на загубите во јадрото и загубите на отпорот на намотување), така што напонот и струјата имаат обратна пропорционална врска - кога напонот се зголемува, струјата се намалува (намалување на загубата на топлина на линијата), а кога напонот се намалува, струјата на терминалот ја зголемува побарувачката на струјата. Токму оваа карактеристика е клучот за ефикасен пренос на енергија.

II. Основна структура: Синергистичкиот ефект на четирите главни компоненти

Работата на енергетскиот трансформатор зависи од дизајнот и нивото на производство на неговите четири основни компоненти, кои заеднички ја одредуваат ефикасноста, стабилноста и работниот век на опремата.

1. Јадро: „Носител на патеката“ на магнетното поле

Јадрото е јадрото на магнетното коло на трансформаторот. Неговата функција е да го води наизменичното магнетно поле да помине низ концентриран начин и да го намали истекувањето на магнетното поле (т.е. „магнетна загуба“). За да се намали загубата на виртуелната струја што ја генерира јадрото во наизменичното магнетно поле (загубата на топлина предизвикана од циркулацијата на струјата во јадрото), модерните трансформаторски јадра обично се прават со ламинирање на лимови од челик со висок силикон - дебелината на лимовите од силициум челик е само 0,3-0,5 мм, а нивните површини се обложени со изолациони патишта кои течат ефективно. Структурниот дизајн на јадрото (како што е методот на ламинација и процесот на спојување) директно влијае на големината на магнетната загуба. Во моментов, главните технологии за „степено спојување“ или „наклонето спојување“ успеаја да ја одржат загубата на јадрото на исклучително ниско ниво.

2. Намотување: „Јадро намотка“ за конверзија на електрична енергија

Намотката (попозната како „серпентина“) е коло дел од трансформаторот, кој е поделен на примарна намотка (поврзана со напојувањето) и секундарна намотка (поврзана со товарот). Обично се намотува со бакарни или алуминиумски жици (бакарните жици имаат подобра електрична спроводливост и помали загуби и често се користат во трансформатори со голем капацитет). Процесот на намотување на намотките мора строго да ја контролира густината на распоредот на жиците, дебелината на изолацијата и каналите за дисипација на топлина. Изолационата хартија или изолациониот лак обвиткан околу надворешниот слој на жиците треба да го издржи тестот за распаѓање под висок напон (обично се бара оценката на изолацијата да достигне класа А, класа Б или класа H, што одговара на различни горни граници на отпорност на температурата). Во меѓувреме, структурата на ликвидацијата треба да резервира канали за масло или воздушни канали за да се осигури дека топлината што се создава за време на работата може да се троши навремено.

3. Резервоар за гориво и систем за ладење: „Гаранција за дисипација на топлина“ на опремата

Кога трансформаторот е во функција, јадрото и намотките ќе генерираат загуби и ќе ги претворат во топлина. Ако температурата е превисока, тоа ќе го забрза стареењето на изолацијата, па дури и ќе предизвика дефекти. Затоа, резервоарот за масло и системот за ладење се клучот за обезбедување на безбедноста на опремата: внатрешноста на резервоарот за масло е исполнета со трансформаторско масло (кое има и изолација и функции за дисипација на топлина), а топлината се пренесува на ѕидот на резервоарот преку природната конвекција или присилната циркулација на маслото. Надворешноста на резервоарот за гориво обично е опремена со ладилници (или цевки за дисипација на топлина), кои ја зголемуваат површината за контакт со воздухот и го забрзуваат дисипацијата на топлина. За трансформаторите со голем капацитет (како оние над 50 MVA), се опремени и системи за ладење со принудна циркулација на масло (OFAF) или системи за ладење насочено со принудна циркулација на масло (ODAF). Преку координираниот ефект на пумпата за масло и вентилаторот, ефикасноста на дисипација на топлина дополнително се зголемува.

4. Уреди за изолација и заштита: „Безбедносната бариера“ на опремата

Покрај меѓусвртната изолација на намотките, натрансформатористо така треба да биде опремен со повеќе компоненти за изолација и заштита:

Изолациона черупка: Се користи за извлекување на жиците на намотката од внатрешноста на резервоарот за масло и треба да издржи висок напон и атмосферски услови. Обично е направен од порцелан или композитни изолациски материјали (како што е епоксидна смола).

Вентил за ослободување на притисокот: кога се произведува голема количина гас во резервоарот за гориво поради дефект (како што е краток спој) и притисокот нагло се зголемува, вентилот автоматски ќе се отвори за да се намали притисокот и да се спречи експлозијата на резервоарот за гориво.

Реле за гас: Инсталиран на цевководот помеѓу резервоарот за масло и кабинетот за складирање масло, ќе активира сигнал за тревога или директно ќе го прекине напојувањето кога ќе се појави помал дефект (генерирање мала количина гас) или сериозен дефект (влијание на протокот на масло) во трансформаторот за да се спречи ширењето на дефектот.

Термометар: Ја следи температурата на маслото во резервоарот за гориво во реално време. Кога температурата го надминува зададениот праг, тој издава аларм за да се осигура дека опремата нема да се оштети поради прегревање.

III. Видови и апликации: „Решенија за приспособување на енергијата“ прилагодени на различни сценарија

Според разликите во нивото на напонот, капацитетот, начинот на ладење или примената, енергетските трансформатори може да се класифицираат во различни типови за да се прилагодат на различните врски на електроенергетскиот систем.

По напонско ниво: Покривање на целиот синџир на „генерирање на енергија - пренос - дистрибуција“

Степен трансформатор: Сместен во електрана, го зголемува излезот на низок напон (10-25 kV) од генераторот до висок напон (110 kV-1000 kV) за пренос на енергија на долги растојанија, со типичен капацитет од 100-1000 MVA.

Трансформатори на спуштање: тие се класифицирани во „спуштање на главната мрежа“ (како што се 220 kV до 110 kV) и „спуштање на дистрибутивната мрежа“ (како што се 110 kV до 10 kV, 10 kV до 0,4 kV). Првиот се користи за напојување во регионалните електроенергетски мрежи, додека вториот директно им служи на индустриските корисници или станбените области.

Трансформатори со ултра висок напон: со напонски нивоа од 750 kV и погоре (како што се трансформаторите со ултра висок напон од 1000 kV во Кина), тие се основна опрема во проектите за пренос на ултра висок напон (како што е „Пренос на електрична енергија од Запад кон Исток“) и треба да издржат екстремно тешки процеси и струи со екстремно високи волти.

2. Класифициран по метод на ладење: Прилагоден на различни капацитети и барања за животната средина

Трансформатор потопен во масло: Користејќи трансформаторско масло како медиум за ладење, има зрела структура и релативно ниска цена, и е погоден за надворешни трафостаници или сценарија со голем капацитет (сочинуваат повеќе од 80% од вкупниот пазар).

Трансформатори од сув тип: Тие користат воздух или азот како медиум за ладење, имаат висока оценка за изолација (обично H-класа) и добра отпорност на пожар. Тие се погодни за високи згради, метро, ​​болници и други места со високи барања за безбедност од пожари, а нивниот капацитет е претежно под 20 MVA.

3. Класифицирано по употреба: Задоволувајте специјализирани потреби за електрична енергија

Дистрибутивен трансформатор: Најчестиот тип, кој се користи за намалување на висок напон од 10 kV на 0,4 kV низок напон, за снабдување на станбени згради, продавници итн., со капацитет главно од 50 до 1600 kVA.

Исправувачки трансформатор: Се користи во индустриска исправувачка опрема (како што е електролитски алуминиум, галванизација), тој ја претвора наизменичната струја во еднонасочна струја и треба да се прилагоди на хармониското влијание на нелинеарните оптоварувања.

Трансформатор на електрична печка: Специфично дизајниран за индустриски електрични печки (како што се електрични лачни печки и индукциски печки), тој испушта низок напон и висока струја и треба да има силен капацитет за преоптоварување.

Автотрансформатор: Примарните и секундарните намотки делат дел од серпентина, која е мала по големина и мала загуба. Често се користи за регулација на напонот во високонапонските преносни системи (како што се трансформаторите за врзување во системи од 500 kV).

Ив. Работење и одржување и технолошки трендови: од „стабилна работа“ до „интелигентна надградба“

Дизајнерскиот век наенергетски трансформаториобично е од 20 до 30 години, но нивниот вистински работен век зависи од нивото на работа и одржување. Сржта на секојдневното одржување лежи во „спречувањето на дефекти“, главно вклучувајќи:

Следење на квалитетот на маслото: Редовно тестирајте ја загубата на диелектрикот, дефектниот напон и содржината на влага во маслото од трансформаторот за да спречите влошување на квалитетот на маслото и намалување на перформансите на изолацијата.

Тестирање на изолацијата: Преку тестови за отпор на изолација, тестови за загуба на диелектрик итн., се проценува состојбата на изолација помеѓу намотките и јадрото.

Следење на температурата: Следење во реално време на температурата на маслото и температурата на намотување за да се спречи работењето со преоптоварување;

Одржување засновано на услови: со помош на технологии за онлајн следење (како што е онлајн мониторинг на растворените гасови во нафта и онлајн следење на делумното празнење), статусот на опремата може да се сфати во реално време, заменувајќи го традиционалното „редовно одржување“ и намалувајќи го времето на застој.

Со големото мрежно поврзување на нови извори на енергија (енергија од ветер, фотоволтаична енергија) и изградбата на паметни мрежи, технологијата на енергетски трансформатори се развива во три главни правци:

Висока ефикасност и заштеда на енергија: Со усвојување на лимови од силициум челик со висока магнетна индукција, проводници со ниска загуба и оптимизирање на структурата на јадрото, загубата без оптоварување и загубата на оптоварување дополнително се намалуваат, исполнувајќи ги барањата за енергетска ефикасност според целите на „двојниот јаглерод“ (на пример, новиот национален стандард на Кина GB 2002, има повисоко ниво на енергетски барања за трансформатори).

Интелигентна надградба: Интегрирајќи сензори, iot модули и способности за пресметување на работ, овозможува перцепција во реално време на статусот на опремата, рано предупредување за дефекти и далечински управувач. На пример, го предвидува трендот на стареење на изолацијата преку алгоритми за вештачка интелигенција и однапред планира одржување.

Прилагодете се на новата енергија: Како одговор на нестабилноста и интермитенцијата на новото производство на енергија, развијте „нови енергетски специфични трансформатори“ со широк опсег на регулација на напонот и силен хармоничен отпор. Во исто време, истражете го модуларниот дизајн за да ги задоволите барањата за флексибилен пристап на дистрибуираните фотоволтаични и електрани за складирање енергија.