Розуміння структури сердечника трансформатора

Від перетворення магнітної енергії в магнітному ланцюзі до передачі енергії в ланцюзі, від гарантії безпеки системи ізоляції до стабільної підтримки структурних компонентів, застосування кожного матеріалу та конструкція кожної конструкції виконують певні функції. Ця стаття систематично сортує основні матеріали та структурні характеристики основних корпусів трансформаторів, допомагаючи повністю зрозуміти це ключове енергетичне обладнання.

 

 

 

 

 

 

Вибір матеріалу для трансформаторів дотримується принципів «функціональної адаптації, пріоритету продуктивності та економічної раціональності». Матеріали для різних частин мають відповідати багато-вимогам, таким як магнітна проникність, електропровідність, міцність ізоляції та механічна міцність. Серед них основні матеріали можна розділити на чотири категорії: матеріали магнітних схем, матеріали схем, ізоляційні матеріали та конструкційні матеріали. Різні матеріали працюють разом, щоб забезпечити ефективну та стабільну роботу трансформаторів.

(I) Матеріали магнітних ланцюгів: носії сердечника для перетворення магнітної енергії

Магнітне коло є ключовим шляхом трансформаторів для реалізації електромагнітної індукції. Його основною функцією є спрямування та концентрація магнітного поля та зменшення втрат магнітної енергії. Тому матеріали магнітного кола повинні мати такі характеристики, як висока магнітна проникність, низькі втрати заліза та хороша магнітна стабільність. В даний час найбільш широко використовуваними матеріалами магнітних схем в трансформаторах є листи кремнієвої сталі та сердечники з аморфних сплавів.

Листи кремнієвої сталі, також відомі як листи електротехнічної сталі, є основними матеріалами для магнітних ланцюгів трансформаторів. Завдяки додаванню кремнію до чистого заліза питомий опір матеріалу значно покращується, втрати на вихрові струми зменшуються, а магнітна проникність значно підвищується, що забезпечує більш ефективну передачу енергії магнітного поля. Відповідно до процесу прокатки, кремнієві сталеві листи можна розділити на гаряче{2}}і холоднокатані-типи. Серед них листи холоднокатаної кремнієвої сталі мають кращі магнітні властивості завдяки більш впорядкованій орієнтації зерен і ширше використовуються в сучасних трансформаторах. Кремнієві сталеві листи зазвичай переробляють у тонкі листи (товщиною 0,35 мм або 0,5 мм) і покривають ізоляційним шаром на поверхні для подальшого зменшення втрат на міжшарові вихрові струми. Під час використання кілька аркушів складаються в один сердечник, утворюючи замкнутий магнітний ланцюг.

З точки зору характеристик сердечника існують очевидні відмінності між листами кремнієвої сталі та сердечниками з аморфного сплаву. Конкретне порівняння відображається в таких аспектах:

Вимір порівняння	Кремнієві сталеві листи	Сердечники з аморфного сплаву
Продуктивність втрати заліза	Відносно вищі, звичайні марки мають вищі втрати без{0}}навантаження	Надзвичайно низький, лише від 1/3 до 1/5 кремнієвої сталі, чудовий-ефект енергозбереження без-навантаження
Магнітна проникність	Високий, підходить для магнітних полів середньої та високої частоти	Вища при низькій частоті та слабких магнітних полях, швидша реакція магнітного поля
Обробка та механічні властивості	Хороша пластичність, легко різати, пробивати та укладати, адаптується до складних структур серцевини	Висока крихкість, легко руйнується під час обробки, вимагає спеціального обладнання для різання та процесів ламінування
Вартість і економія	Зріла технологія, достатня виробнича потужність, стабільна та відносно низька вартість	Складний процес підготовки, високі вимоги до обладнання, відносно висока вартість матеріалів
Сценарії застосування	Підходить для трансформаторів усіх рівнів потужності, особливо великих силових трансформаторів і сценаріїв, чутливих до вартості та складності обробки	Підходить для розподільних трансформаторів, нових енергопідтримуючих трансформаторів та інших галузей із суворими вимогами до енергоефективності

Сердечники з аморфного сплаву є новим типом матеріалу магнітних схем, розробленим в останні роки. Вони виготовлені за технологією швидкого затвердіння, а їх атомне розташування представляє невпорядковану аморфну ​​структуру. Ця характеристика є основною причиною того, що втрати заліза в них набагато нижчі, ніж у силіконових сталевих листів. На додаток до надзвичайно низьких втрат заліза, сердечники з аморфного сплаву також мають такі переваги, як висока магнітна проникність і хороша стійкість до корозії, що робить їх придатними для сценаріїв живлення з надзвичайно високими вимогами до енергоефективності. Однак матеріали з аморфних сплавів також мають такі проблеми, як висока крихкість, висока складність обробки та відносно висока вартість, що обмежує їх-велике застосування в деяких галузях. З удосконаленням технології обробки здатність до формування сердечників з аморфного сплаву поступово покращилася, і частка їх застосування в області розподільних трансформаторів постійно розширюється.

 

(II) Матеріали схеми: ефективні провідники для передачі енергії

 

Схема є каналом для трансформаторів для реалізації вхідної потужності, перетворення та виведення. Його основною вимогою є низький опір і висока провідність, щоб зменшити втрати потужності під час передачі. Основними матеріалами провідників для ланцюгів трансформаторів є мідь і алюміній. Кожен із двох матеріалів має свої переваги та недоліки, і розумний вибір слід робити відповідно до таких факторів, як рівень потужності, сценарій застосування та бюджет трансформатора.

Мідні провідники широко використовуються в трансформаторних ланцюгах завдяки своїй відмінній електропровідності (поступається лише сріблу, з провідністю 58×10⁶ См/м при 20 градусах), хорошій механічній міцності та стійкості до корозії. Мідь має низький питомий опір. За однакового струмового навантаження мідні провідники мають менші втрати та менше виділення тепла, що може ефективно підвищити ефективність роботи та надійність трансформаторів. У той же час мідь має хорошу пластичність і легко переробляється в дроти і обмотки різної специфікації, адаптуючись до конструкції трансформаторів з різною конструкцією. З точки зору порівняння характеристик, мідь перевершує алюміній з точки зору ефективності провідності, механічної стабільності та стійкості до старіння, але дефіцит ресурсів міді призводить до її високої ціни, що значно збільшить вартість виробництва обладнання у великих трансформаторах або сценаріях, чутливих до вартості.

Алюмінієві провідники мають основну перевагу — низьку вартість і велику кількість ресурсів. Їх ціна становить лише близько 1/3 ціни міді, що може значно знизити вартість виробництва трансформаторів. Це також є важливою причиною їх застосування в галузі трансформаторів середньої та низької напруги. Хоча провідність алюмінію нижча, ніж міді (з провідністю приблизно 37×10⁶ См/м при 20 градусах, лише приблизно 64% ​​від провідності міді), недолік провідності можна компенсувати збільшенням площі поперечного-перерізу провідника (зазвичай у 1,6 рази більше, ніж у мідних провідників), що відповідає вимогам трансформаторів до передачі ланцюга. Однак алюмінієві провідники мають явні недоліки: низька механічна міцність, міцність на розрив лише вдвічі менша від мідних; поверхня схильна до окислення з утворенням високо{12}}опірної оксидної плівки, що впливає на стабільність провідності; при з’єднанні з іншими металами, такими як мідь, може виникнути електрохімічна корозія, що призводить до поганого контакту. Тому під час обробки та монтажу необхідно застосувати спеціальні процеси, наприклад використовувати мідні-алюмінієві перехідні з’єднання та виконати анти{15}}корозійну обробку з’єднувальних частин. Останніми роками з розвитком технології матеріалів із алюмінієвих сплавів високо{17}}провідники з алюмінієвих сплавів, виготовлені шляхом додавання магнію, кремнію та інших елементів до алюмінію, значно покращили свою механічну міцність і стійкість до корозії, до певної міри подолавши дефекти чистих алюмінієвих провідників, і діапазон їх застосування поступово розширюється.

Детальне порівняння характеристик мідних та алюмінієвих провідників наведено в наступній таблиці:

Індикатор ефективності	Мідні провідники	Алюмінієві провідники
Електропровідність (20 градусів)	Високий (58×10⁶ См/м), IACS 100%	Помірний (37×10⁶ См/м), IACS ~64%
Питомий опір (20 градусів)	Низький (1,68×10⁻⁸ Ом·м)	Вищий (2,82×10⁻⁸ Ом·м)
Механічна міцність	Висока міцність на розрив, хороша стійкість до втоми	Низький, легко деформується при навантаженні
Стійкість до корозії	Добре, не легко окислюється	Погана поверхнева оксидна плівка впливає на продуктивність
Обробка та встановлення	Хороша пластичність, легко обробляється і з'єднується	Вимагає спеціальних процесів (наприклад, перехідних швів)
Вартість	Високі, дефіцитні ресурси	Низькі, рясні ресурси
Сценарії застосування	Високо{0}}потужні трансформатори, високі-вимоги до ефективності	Трансформатори середньої та низької напруги,-проекти з чутливою вартістю

 

(III) Ізоляційні матеріали: основні перешкоди для безпечної роботи

Під час роботи трансформаторів існує велика різниця потенціалів між ланцюгом і магнітним ланцюгом, а також між ланцюгом і елементами конструкції. Функція ізоляційних матеріалів полягає в тому, щоб ізолювати ці різниці потенціалів, запобігати таким несправностям, як витік і коротке замикання, а також забезпечувати безпечну та стабільну роботу обладнання. Ізоляційні матеріали повинні мати відмінні ізоляційні характеристики, стійкість до високих температур, стійкість до старіння та механічну міцність. Відповідно до частин застосування та функцій їх можна розділити на три категорії: тверді ізоляційні матеріали, рідкі ізоляційні матеріали та газоізоляційні матеріали.

Тверді ізоляційні матеріалиє основою системи ізоляції трансформатора, яка характеризується стабільною формою та тривалими -ізоляційними характеристиками. В основному вони включають ізоляційний папір, ізоляційний картон, ізоляційний лак, епоксидну склотканину, прокладки, кутові кільця тощо. Ізоляційний папір та ізоляційний картон є основними твердими ізоляційними матеріалами, які можна розділити на рослинні волокна (такі як деревна маса) і синтетичні волокна (такі як арамідні волокна) відповідно до сировини. Ізоляційний папір з рослинного волокна має низьку вартість і хороші показники поглинання олії та може утворювати синергетичну ізоляційну систему з ізоляційною олією. Його часто використовують для міжвиткової та між-шарової ізоляції обмоток та ізоляції між сердечниками та обмотками; ізоляційний папір із синтетичного волокна (наприклад, папір Nomex) має такі переваги, як стійкість до високих температур (довго-робоча температура до 180 градусів), стійкість до старіння та високу механічну міцність і підходить для ключових ізоляційних частин сухих-типових трансформаторів або масляних-занурених трансформаторів у високо-температурному середовищі. Ізоляційний лак поділяється на ізоляційний лак-на масляній основі та ізоляційний лак на основі смоли. Лак на масляній-основі має низьку вартість, але низьку термостійкість і здебільшого використовується для невеликих і-низьковольтних трансформаторів; смоляний лак (наприклад, лак на основі епоксидної смоли, поліуретановий лак) має вищу термостійкість і міцність ізоляції. Просочуючи обмотки, він може заповнювати щілини в обмотках і обертати дроти, утворюючи безперервний ізоляційний шар, який не тільки покращує характеристики ізоляції, але й підвищує цілісність обмоток і запобігає вібрації та зношенню. Епоксидна склотканина виготовлена ​​зі склотканини, просоченої епоксидною смолою та гарячого-відпресованого, яка має високу міцність, стійкість до високих температур і чудові ізоляційні властивості. Він часто використовується для виготовлення структурних ізоляційних компонентів, таких як опори, перегородки та клемні блоки трансформаторів; Проставки та кутові кільця в основному виготовляються з картону або епоксидних матеріалів, які використовуються для внутрішньої підтримки обмоток та ізоляції кінців обмоток відповідно, забезпечуючи стабільну структуру обмоток та достатню ізоляційну відстань.

Рідкі ізоляційні матеріали, також відомий як ізоляційне масло, в основному використовується в масляних-трансформаторах і виконує три основні функції: ізоляція, охолодження та гасіння дуги. Вони можуть ефективно підвищити потужність і термін служби трансформаторів. Ізоляційні масла, які зазвичай використовуються, в основному поділяються на три категорії: мінеральні ізоляційні масла, синтетичні ізоляційні масла та рослинні ізоляційні масла. Мінеральна ізоляційна олія очищається з нафти та має такі переваги, як відмінні ізоляційні характеристики (напруга пробою до 40 кВ або більше), висока ефективність розсіювання тепла, хороша текучість і низька вартість. Він сумісний із твердими ізоляційними матеріалами та може повністю просочувати ізоляційний папір, утворюючи композитну ізоляційну систему. Наразі це найпоширеніший рідкий ізоляційний матеріал у масляних-трансформаторах у всьому світі. Синтетичне ізоляційне масло — це ізоляційне масло, отримане методами хімічного синтезу, наприклад поліальфаолефінове та силіконове масло. Його найбільшою особливістю є висока температура спалаху (зазвичай понад 300 градусів), сильна стійкість до старіння та хороша текучість-при низьких температурах. Його широко використовують у сценаріях із високими вимогами протипожежного захисту (наприклад, у висотних-будинках, підземних підстанціях), але його висока вартість обмежує його широкомасштабну-популяризацію. Рослинна ізоляційна олія - ​​це екологічно чиста ізоляційна олія, очищена з рослинних олій, таких як соєва олія та ріпакова олія. Він має такі переваги, як хороша біорозкладаність, висока температура спалаху та поновлювані ресурси, що відповідає тенденції розвитку зеленого захисту навколишнього середовища. Однак його стійкість до старіння та текучість при низьких{18}}температурах ще потребують покращення, і наразі він переважно-застосовується в невеликому обладнанні, такому як розподільні трансформатори.

Газоізоляційні матеріалимають характеристики малого впливу навколишнього середовища, рівномірного розсіювання тепла та відсутності ризику витоку. Вони в основному використовуються для допоміжної ізоляції трансформаторів із газовою{1}}ізоляцією (GIT) і сухих-трансформаторів. Зазвичай використовувані гази включають гексафторид сірки (SF₆), азот (N₂) і сухе повітря. Гексафторид сірки є одним із газоізоляційних матеріалів із найкращими ізоляційними характеристиками на даний момент. Його напруженість поля розпаду більш ніж у три рази перевищує напруженість повітря, і він має відмінні-ефективність гасіння дуги, стабільні хімічні властивості та непростий у старінні. Тому він широко використовується в трансформаторах із елегазовою-ізоляцією та розподільних пристроях-з елегазовою ізоляцією. Однак гексафторид сірки є сильним парниковим газом з надзвичайно високим потенціалом глобального потепління (GWP) і тривалим часом утримання в атмосфері. Зважаючи на дедалі суворіші правила захисту навколишнього середовища, його застосування підлягає дедалі більшим обмеженням. Зараз для зменшення викидів в основному використовується технологія переробки. Азот, як інертний газ, має такі переваги, як широке джерело, низька вартість, захист навколишнього середовища та відсутність забруднення. Хоча його ізоляційні властивості нижчі, ніж у гексафториду сірки, він може задовольнити вимоги до ізоляції трансформаторів за рахунок підвищення тиску газу (зазвичай 0,3-0,5 МПа). Його часто використовують для заповненого азотом-захисту сухих-типу трансформаторів і альтернативного газу для-елегазових трансформаторів. Сухе повітря є осушеним повітрям із ізоляційними властивостями, подібними до азоту, і нижчою ціною. Він в основному використовується для ізоляції та охолодження невеликих сухих трансформаторів, але на його ізоляційні характеристики сильно впливає вологість, тому вміст води необхідно суворо контролювати.

Порівняння основних характеристик різних ізоляційних матеріалів наведено в наступній таблиці:

Тип ізоляції	Специфічні матеріали	Ключові характеристики	Сценарії застосування
Тверда ізоляція	Ізоляційний папір (рослинне/синтетичне волокно), ізоляційний лак, епоксидна склотканина	Стабільна форма, довговічна-ізоляція, різні рівні термостійкості	Ізоляція обмоток, конструктивна ізоляція деталей
Рідка ізоляція	Мінеральна ізоляційна олія, синтетична ізоляційна олія, рослинна ізоляційна олія	Ізоляція + охолодження + гасіння дуги, хороша текучість	Масляні-трансформатори,-обладнання високої потужності
Газова ізоляція	Гексафторид сірки (SF₆), азот (N₂), сухе повітря	Відсутність ризику витоку, рівномірне розсіювання тепла	Трансформатори з газовою-ізоляцією, сухі-трансформатори

 

(IV) Конструкційні матеріали та аксесуари: важливі гарантії підтримки та захисту

Конструкційні матеріали та аксесуари є важливими компонентами трансформаторів, які забезпечують механічну підтримку, структурне посилення, контроль продуктивності та захист безпеки. Їх конструкція і вибір матеріалів безпосередньо впливають на механічну стійкість, експлуатаційну надійність і термін служби трансформаторів.

Конструкційні матеріали в основному виконують функції опори трансформатора, магнітного ланцюга та зміцнення ланцюга, а також інкапсуляції ізоляційної рідини. Компоненти сердечника включають затискачі, масляні баки, радіатори, масляні консерватори тощо. Затискачі зазвичай виготовляються зі сталі та використовуються для фіксації сердечника та обмоток, забезпечуючи стабільність магнітного кола та структури схеми та запобігаючи вібрації та зміщенню трансформатора через електромагнітну силу під час роботи; масляний бак є основним компонентом інкапсуляції масляних-трансформаторів, зварених сталевими пластинами, які використовуються для розміщення ізоляційної олії та основної конструкції трансформатора, і водночас відіграють роль герметизації, запобігання корозії та механічного захисту; радіатори поділяються на різні типи, такі як ребристі та трубчасті типи, які передають тепло, що виділяється трансформатором під час роботи, повітрю шляхом збільшення площі розсіювання тепла для досягнення охолодження обладнання; масляний консерватор під’єднаний до верхньої частини масляного бака, який використовується для компенсації розширення об’єму ізоляційної олії через зміни температури, і в той же час зменшує площу контакту між ізоляційною олією та повітрям, щоб затримати старіння олії.

Аксесуари для трансформаторів відрізняються залежно від типу трансформатора (сухого-типу чи масляного-занурення) і в основному виконують функції контролю та захисту. Основні аксесуари сухих трансформаторів-типу включають регулятори температури, вентилятори, вимірювальні трансформатори тощо: контролер температури використовується для моніторингу температури обмоток і сердечників у режимі реального часу та видачі сигналу тривоги, коли температура перевищує порогове значення; вентилятор пов'язаний з терморегулятором і автоматично запускається при підвищенні температури для посилення ефекту розсіювання тепла; приладовий трансформатор використовується для вимірювання напруги та струму трансформатора та забезпечення підтримки даних для вимірювання та захисту енергосистеми. Окрім регулятора температури, аксесуари масляних-трансформаторів також включають газові реле, запобіжні клапани, перемикачі відводів тощо: газове реле є основним компонентом захисту масляних-трансформаторів. Коли всередині трансформатора виникає збій у виробленні газу або швидкість потоку ізоляційного масла є ненормальною, він своєчасно видає сигнал тривоги або відключає джерело живлення; клапан скидання тиску використовується для автоматичного скидання тиску, коли тиск в масляному баку підвищується до певного значення через несправність, щоб запобігти розриву масляного бака; перемикач РПН використовується для регулювання кількості витків обмотки трансформатора для здійснення регулювання вихідної напруги для адаптації до коливань напруги електромережі.

 

 

Основна структура трансформатора — це органічне поєднання різних матеріалів, що утворює синергетичну систему, яка об’єднує «магнітне коло - коло - ізоляцію - структуру». Сердечник, як сердечник магнітопроводу, закріплюється на масляному баку (масляний-трансформатор) або кронштейні (сухий-трансформатор) за допомогою затискачів. Обмотки намотуються на стовпи сердечника, утворюючи блок електромагнітної індукції сердечника; для ізоляції між обмотками і сердечником, а також між обмотками і обмотками використовуються тверді ізоляційні матеріали. У масляних-трансформаторах ізоляційне масло заповнює проміжки між різними компонентами для досягнення ізоляції та охолодження одночасно; структурні компоненти, такі як масляні резервуари та затискачі, забезпечують механічну підтримку основних компонентів, а аксесуари в реальному-часі відстежують стан роботи обладнання та запускають захисний механізм у разі несправностей.

Така структурна конструкція не тільки забезпечує ефективну реалізацію електромагнітної індукції, але й гарантує безпеку експлуатації завдяки системі ізоляції та захисних аксесуарів. У той же час, завдяки підтримці конструкційних матеріалів і ролі тепловідвідних компонентів, термін служби обладнання продовжується. У різних сценаріях застосування структура трансформатора буде скоригована цілеспрямовано. Наприклад, у сухих-трансформаторах відсутні масляний бак та ізоляційне масло, використовується повітряне охолодження та тверда ізоляція, і вони підходять для внутрішніх приміщень будівель з високими вимогами протипожежного захисту; Масляні-трансформатори з чудовою ефективністю розсіювання тепла підходять для-великомасштабних сценаріїв передачі електроенергії поза приміщеннями.

 

 

 

 

 

Вибір матеріалу та конструктивний дизайн основного корпусу трансформатора є основою для реалізації його основних функцій. Висока магнітна проникність матеріалів магнітного кола, низький опір матеріалів схеми, міцна ізоляція ізоляційних матеріалів, а також допоміжні та захисні ролі конструкційних матеріалів і аксесуарів створюють ефективне, безпечне та надійне обладнання для перетворення електроенергії. З безперервним удосконаленням вимог енергетичних систем до енергоефективності та надійності трансформаторні матеріали також розвиваються в більш-напрямку енергозбереження та довговічності. Наприклад, поступово популяризується застосування сердечників з аморфних сплавів і нових композитних ізоляційних матеріалів. Структурний дизайн стає все більш розумним. Завдяки інтеграції технології датчиків і технології Інтернету речей реалізується точний моніторинг, інтелектуальна робота та підтримка робочого стану трансформатора. Глибоке-розуміння матеріалів і структури основного корпусу трансформатора має важливе керівне значення для проектування, виробництва, експлуатації та обслуговування, а також модернізації обладнання, а також забезпечує надійну гарантію для забезпечення стабільної роботи енергосистеми.

Англійську версію статті я доповнив трьома порівняльними таблицями. Вам потрібно налаштувати формат (наприклад, шрифт, інтервал між абзацами), щоб він більше відповідав специфікаціям документа Word, чи змінити вміст певної частини? Я також можу допомогти вам експортувати вміст як відформатовану чернетку документа Word для безпосереднього використання.