ELECTRIC, WITH AN EDGE
Este trabajo se enfoca en los requerimientos de uso único de los transformadores elevadores para grupos electrógenos de energía mareomotriz desde tres aspectos: variación de carga, armónicos e impacto ambiental, de acuerdo a lo cual se proponen los factores a considerar en la selección y diseño, específicamente la selección y Los requisitos de diseño se describen en detalle en términos de anticorrosión y protección, diseño del núcleo, voltaje armónico y capacidad.
El proceso de cálculo de verificación relevante de selección de capacidad se enumera con los datos de ingeniería reales, y se analiza con énfasis el impacto de la corriente armónica y el voltaje armónico en la fabricación y operación de transformadores elevadores y, finalmente, se proponen y promueven ideas de aplicación innovadoras. desde la perspectiva del ahorro energético y la reducción de carbono. Será una guía general y una referencia para la selección, el diseño y la fabricación de transformadores elevadores de energía mareomotriz.
Daelim es un fabricante especializado en transformadores ampliamente elogiado por su rápido desarrollo y entrega. Daelim garantiza la alta calidad de sus transformadores así como el tiempo de entrega. Los transformadores de Daelim han sido certificados a través de IEC, IEEE, ANSI, CSA, etc. y se utilizan ampliamente en América del Norte, América del Sur, Europa, Australia, etc.
La generación de energía con energía mareomotriz es una nueva tecnología que utiliza la subida y bajada del agua de mar para generar electricidad. Su principio de utilización es similar al de la generación de energía eólica, ambos son fluidos que fluyen a través del impulsor para generar una fuerza tangencial en la pala para hacer girar el impulsor y luego impulsar el generador para generar electricidad.
El voltaje de salida del generador de energía mareomotriz se transforma en un voltaje de CC estable mediante el rectificador PWM y luego se conecta a la red mediante el inversor PWM. El inversor del lado de la red se conecta directamente al transformador elevador y luego la energía se envía a la subestación a través de la línea de transmisión.
El transformador elevador juega un papel muy importante porque, por un lado, alimenta la energía invertida del inversor del lado de la red a la red y, por otro lado, puede usarse como fuente de energía para otros equipos auxiliares cuando la unidad no está generando energía. Para garantizar el funcionamiento continuo y estable del transformador elevador, su selección y diseño son cruciales.
Las mareas cambiantes significan que los generadores de energía mareomotriz funcionan bajo una carga en constante cambio y el transformador elevador está sujeto a múltiples ciclos alternos de frío y calor.
A diferencia de los transformadores elevadores de distribución convencionales que funcionan con una sola carga, el transformador elevador de energía de las mareas se puede cambiar de carga baja a carga alta varias veces al día a medida que cambia el caudal de agua de mar.
Este ciclo desencadena tensiones térmicas repetitivas en los devanados, el cuerpo y los miembros estructurales sujetos. Los ciclos de estrés térmico repetitivos hacen que el aire sea absorbido por el aceite caliente y luego liberado a medida que el aceite se enfría, formando pequeñas burbujas en el aceite que se transfieren a los miembros aislantes para formar descargas parciales o puntos calientes que pueden provocar la pérdida y el envejecimiento del aislamiento. produciendo pequeñas cantidades de hidrógeno gaseoso.
Los ciclos térmicos múltiples también pueden acelerar el envejecimiento provocado por los accesorios del grupo de conexión eléctrica interna y externa.
Por lo tanto, la rigidez dieléctrica, la resistividad volumétrica, la resistencia al calor, la compatibilidad con el aceite del transformador elevador y otros factores deben considerarse completamente en la selección y aplicación de los materiales de aislamiento del transformador elevador.
El generador de energía mareomotriz está conectado al lado de baja tensión del transformador elevador a través del convertidor, y después del inversor también contiene componentes de alta frecuencia (la frecuencia armónica generada por el inversor generalmente está en el rango de 1 kHz a 4 kHz), y el voltaje y la corriente de salida contienen componentes armónicos de diferentes frecuencias.
Si no se suprime, en primer lugar hará que la tasa de distorsión armónica total (THD) en el lado de la red del convertidor exceda el requisito de menos del 5 % según lo estipulado en GB/T25387.1-2010.
En segundo lugar, la presencia de corriente armónica provoca una caída de tensión armónica en la impedancia de la línea.
Para los transformadores elevadores, el efecto significativo es que el voltaje armónico aumentará la densidad de flujo del transformador elevador, la pérdida sin carga, la corriente sin carga, el ruido y el aumento de la temperatura central.
Nuevamente, la corriente armónica y el voltaje armónico aumentarán la pérdida de cobre, la pérdida de hierro y la pérdida de corriente de Foucault del transformador elevador, lo que hará que aumente la temperatura del transformador elevador, lo que afectará el rendimiento del aislamiento y hará que se reduzca el margen de capacidad.
Al mismo tiempo, la distribución desigual de las pérdidas por corrientes de Foucault puede provocar un sobrecalentamiento local en el devanado del transformador elevador, lo que afecta el rendimiento del aislamiento. Por lo tanto, el diseño del transformador elevador de energía de las mareas debe centrarse en el impacto de los armónicos.
El transformador elevador de energía mareomotriz está instalado en la plataforma marina y el entorno operativo es extremadamente duro. Debido a la niebla salina en el aire del mar, la humedad es muy grande, es fácil producir corrosión en las partes metálicas del transformador elevador, lo que afecta la apariencia y el funcionamiento seguro del transformador elevador. Por lo tanto, el proceso de diseño debe centrarse en la estructura y el proceso.
En vista de los requisitos únicos anteriores, el diseño del transformador elevador de energía de las mareas debe considerarse específicamente a partir de los siguientes aspectos.
Para los transformadores elevadores instalados en plataformas marinas, se recomienda que el tratamiento de la superficie cumpla con un mínimo de protección contra la corrosión C5-M (durabilidad media).
Para sustratos de acero al carbono, se utiliza como capa base una imprimación rica en zinc (epoxi o poliuretano, base de pintura alifática o aromática) con un espesor de película no inferior a 60 μm, y el mismo tipo de base de pintura con un espesor de película de se utiliza no menos de 200 μm para la capa posterior.
Para soportes galvanizados en caliente con una base epoxi o poliuretano, alifática o aromática para un espesor de película no inferior a 60 μm y una base tipo epoxi o poliuretano, alifática o aromática para el recubrimiento posterior, también con pintura acrílica para un espesor de película de no menos de 160 μm.
Para las piezas que no se rocían en la superficie, como válvulas, sujetadores, etc., el material debe cumplir con el mínimo de 316L.
Cabe señalar que para transformadores elevadores con radiadores de lámina corrugada para el enfriador, no se recomienda la pulverización de 320 μm.
Cuando el espesor del rociado es mayor, la adherencia es deficiente y la expansión del fuelle durante el funcionamiento del transformador de refuerzo puede hacer que se agriete el revestimiento del fuelle.
Por lo tanto, si se requieren mayores requisitos de durabilidad para llegar a C5-MH, se recomienda un tratamiento de galvanización en caliente antes de pintar.
El problema de la mala adherencia también existe cuando el enfriador es un disipador de calor tipo lámina. También se recomienda que el galvanizado en caliente sea seguido de pintura.
Si la carcasa de alto y bajo voltaje se expone directamente a la atmósfera, se pegarán cristales de niebla salina después de un largo período de funcionamiento. Por un lado, tales cristales pueden poner en peligro el aislamiento y la fuga; por otro lado, también dificultan el mantenimiento regular y dificultan su eliminación.
Por lo tanto, para proteger mejor la carcasa, se puede agregar un blindaje con un nivel de protección no inferior a IP56. El tamaño del blindaje debe garantizar que cumpla con los requisitos de disipación de calor y el radio de curvatura del cable, y también cumpla con el estándar anticorrosión C5-M. La unión de estanqueidad del cable a la pantalla está realizada con prensaestopas de latón niquelado de alto grado anticorrosión.
Para facilitar la operación y el mantenimiento, se instalan ventanas de inspección de plexiglás en el blindaje para observar el funcionamiento de los empalmes de los cables en el lado de alta y baja tensión del transformador elevador.
Además, el buje de alto voltaje puede estar hecho de un buje de una pieza completamente aislado, que está hecho de caucho importado de EPDM altamente aislado y producido por un proceso de inyección de compuestos multicapa de un equipo de inyección de caucho completamente automático, que presenta una instalación fácil, resistente al agua, blindaje y larga vida sin partes vivas expuestas.
Generalmente conectado a la junta en T americana, el punto de inducción en la carcasa se puede conectar directamente a tierra o conectar a una pantalla cargada que indica que la carcasa está cargada y es adecuada para aceite aislante o medio aislante SF6. Su protección, anticorrosión y garantizar la seguridad de los operadores, en comparación con la carcasa de porcelana tiene ventajas evidentes.
Para los transformadores elevadores de energía de las mareas, el diseño de la densidad de flujo del núcleo debe considerar: 1) el voltaje excede el +5% del voltaje de derivación correspondiente, es decir, puede continuar operando a capacidad nominal cuando se sobreexcita en un 5%; 2) la presencia de armónicos puede dar lugar a una distorsión de la tensión, el diseño debe aumentar la consideración del 5 % de la tensión armónica.
Dado que la salida del generador de energía mareomotriz tiene una periodicidad y una irregularidad típicas, la probabilidad de que la unidad genere a plena potencia es muy baja. Por lo tanto, es necesario considerar la influencia de la pérdida sin carga y la pérdida con carga del transformador elevador, seleccionar razonablemente la capacidad del transformador elevador y mejorar su eficiencia operativa y economía tanto como sea posible.
Tomando como ejemplo la curva de velocidad de un generador de energía mareomotriz de 1 500 kW para un día, la energía acumulada se genera cuatro veces al día, cada vez durante 3 horas a 5 horas, con un intervalo de 2 horas a 3 horas sin actividad. -Operación de carga.
Considerando el margen de seguridad de diseño, los grupos electrógenos se consideran a plena carga durante la fase de operación, y la corriente de salida es de 1 673,5 A con base en un factor de potencia de 0,8.
Seleccione la capacidad del transformador elevador de acuerdo con la misma capacidad instalada que el grupo electrógeno de la estación de energía mareomotriz, seleccione un transformador elevador sumergido en aceite de 600 kVA, calcule la carga admisible: U1/U2=10/0,69, sin carga pérdida P0 = 1,64 kW (NL), pérdida de carga Pk = 14,5 kW, frecuencia f = 50 Hz, aumento de la temperatura del aceite superior Δt1 = 60 K, aumento de la temperatura promedio del devanado Δt2 = 65 K, límite de aumento de la temperatura de la superficie del núcleo Δt3 = 80 K, resistencia del devanado de alta tensión por fase R=0,862 1 Ω, resistencia del devanado de baja tensión por fase r=0,001 063 3 Ω.
El valor medio de la raíz cuadrada de la corriente aumenta a 1.000 000 5 veces. En este punto, la pérdida por resistencia crece a 1.000 001 veces, la pérdida por corrientes de Foucault crece a 1.000 07 veces y la pérdida por dispersión crece a 1.000 005 veces. El contenido armónico es 0,10%.
Cada componente de pérdida se calcula de la siguiente manera:
(1) devanado de bajo voltaje
a. Cálculo de pérdidas bajo corriente de onda fundamental
Pérdida de resistencia PD=I2r=(1 600/1.732×0.69)2×0.001 063 3=1 905.9 W
Pérdida por corriente de Foucault ei=PD×kw %= PD×4%=76,2 W En la fórmula, kw es la pérdida por corriente de Foucault longitudinal del cable del devanado en el campo de fuga como porcentaje de la pérdida de CC del devanado.
Pérdida total P = 1905,9 W + 76,2 W = 1982,1 W
Aumento de temperatura del devanado de baja tensión Δt=22 K
Pérdida por disipación Si=rh2×h0.8=152.5 W En la fórmula, rh es la relación entre la amplitud de corriente armónica h-ésima y la amplitud de corriente fundamental; h es el número de armónicos actuales.
b. Cálculo de pérdidas bajo corriente de onda no sinusoidal
Pérdida de resistencia PD’=(1.000 000 5)2×PD=(1.000 000 5)2×1 905.9 W=1 905.902 W
Pérdida por corrientes de Foucault ei’=ei×1.000 07=76.205W
Pérdida total del devanado de baja tensión P total’=1 905,902 W+76,205W=1 982,11 W
Aumento de temperatura del devanado de baja tensión Δt’=Δt×(P total’/P total)0,5×1,6=22 K×(1 982,11/1 982,1)0,5×1,6=22,001 K Pérdida total de dispersión en funcionamiento Si’=152,5 W× 1.000 005=152.501W
(2) Devanado de alto voltaje
a. Cálculo de pérdidas bajo corriente fundamental
Pérdida de resistencia PD=I2R = (1 600/1.732×10)2×0.862 1=7,357 W
Pérdida por corriente de Foucault ei=PD×kw%= PD×12%=882,8 W En la fórmula, kw es la pérdida por corriente de Foucault longitudinal del cable del devanado en el campo de fuga como porcentaje de la pérdida de CC del devanado.
Pérdida total P total = 7357 W + 882,8 W = 8239,8 W
Aumento de temperatura del devanado de alta tensión ΔT=23 K
Pérdida espuria Si= rh2×h0.8=55.2 W En la fórmula, rh es la relación entre la amplitud de corriente armónica h-ésima y la amplitud de corriente fundamental; h es el número de armónicos actuales.
b. Cálculo de pérdidas bajo corriente de onda no sinusoidal
Pérdida de resistencia PD’= (1.000 000 5)2×PD = (1.000 000 5)2×7 357 W=7 357.01 W
Pérdida por corrientes de Foucault ei’=ei×1.000 07=882.8 W×1.000 07=882.9 W
Pérdida total del devanado de alta tensión P total’=7.357,01 W+882,9 W=8.239,91 W
Aumento de temperatura del devanado de alta tensión Δt’=Δt×(Total P’/Total P)0.5×1.6=23 K×(8 239.91/8 239.8)0.5×1.6=23.000 3 K
Pérdidas perdidas totales en funcionamiento Si’=55,2 W×1.000 005=55.200 3 W
Esto da como resultado un transformador elevador con una capacidad reducida de aproximadamente 0,005 ‰, que puede funcionar sin una capacidad reducida. El transformador elevador de 1 600 kVA seleccionado es adecuado para este entorno operativo y no causará sobrecalentamiento del devanado ni del aceite bajo la acción de corrientes armónicas.
El lado de bajo voltaje del transformador elevador de energía de las mareas está conectado a un convertidor, que emite una señal de voltaje no sinusoidal debido al circuito electrónico. Después de la descomposición de Fourier, contendrá ciertos componentes de armónicos más altos.
Si la densidad magnética de diseño es demasiado alta o el voltaje armónico es demasiado alto, los armónicos altos pueden provocar la saturación del flujo y hacer que el núcleo del transformador elevador se sobrecaliente y destruya el aislamiento.
Por lo tanto, al realizar el pedido o el diseño, el fabricante del convertidor debe proporcionar un informe sobre la tensión armónica, que se tiene en cuenta al diseñar el transformador elevador.
Cabe señalar que debido a que la densidad de flujo de un transformador elevador es la integral del voltaje a lo largo del tiempo, el componente de densidad de flujo de cada armónico varía inversamente con el número de armónicos.
Asumimos un contenido armónico de voltaje de salida del inversor, donde el fundamental es 100%, el 3er armónico 5% y el 5to armónico 7%, para simular las formas de onda de voltaje y flujo del transformador elevador.
Como puede verse en la Figura 2, la amplitud de la intensidad de inducción magnética se ha vuelto 1,031 veces mayor que la intensidad de inducción magnética a un voltaje sinusoidal, por lo que la intensidad de inducción magnética debe reducirse en el diseño.
Al mismo tiempo, la forma de onda de intensidad de inducción magnética con armónicos altos es más suave en comparación con la forma de onda de voltaje con armónicos altos, lo que indica que este efecto se suprime (dado que la densidad de flujo magnético es la integral del voltaje por tiempo).
Actualmente, el aceite mineral se usa más en transformadores elevadores sumergidos en aceite debido a su bajo costo de adquisición y buenas propiedades de disipación de calor. Sin embargo, el aceite aislante mineral es un recurso no renovable, que no puede cumplir con los requisitos de alto rendimiento contra incendios ni causar contaminación al medio ambiente.
En comparación con el aceite mineral tradicional, el aceite aislante vegetal es un tipo de medio aislante líquido renovable, ecológico y de alto punto de ignición, con un punto de ignición superior a 300 ℃ y una tasa de degradación natural de más del 90%.
Debido a que el aceite vegetal es un recurso renovable extraído de las semillas de las plantas, puede reducir efectivamente las emisiones de carbono en comparación con el aceite mineral. Además, el aceite aislante vegetal tiene buena resistencia a la humedad, propiedades dieléctricas e hidrofilia (capaz de absorber agua del material aislante sólido de los transformadores elevadores).
Por lo tanto, se puede preferir el uso de aceites vegetales en el diseño de transformadores elevadores de energía de las mareas para mejorar el respeto por el medio ambiente. Sin embargo, es necesario evaluar la diferencia en el costo del aceite vegetal en comparación con el aceite mineral.
El caucho de silicona es un material elástico que no se agrieta y es inherentemente incombustible. El uso de caucho de silicona de alta resistencia como el principal material de relleno y encapsulado para fabricar transformadores elevadores de tipo seco tiene las características de alta seguridad y confiabilidad, resistencia a la sobrecarga, anticontaminación y alta protección ambiental. El principio de diseño y el proceso son los siguientes.
1) El proceso de curado y fundición de caucho de silicona líquida de alto rendimiento se desarrolla para llenar y encapsular el devanado de alto voltaje multitorta para garantizar que no haya descargas parciales dentro del devanado de alto voltaje, y el devanado de alto voltaje es a prueba de polvo y humedad.
El interior del devanado de alto voltaje adopta un diseño compacto de devanado continuo multisegmento, y el voltaje entre tortas está estrictamente diseñado utilizando la ley de Paxing para cumplir de manera confiable con el principio de no descarga de aire, eliminando por completo el problema oculto de la descarga local dentro del cable. paquete.
El principio de aislamiento dinámico se aplica fuera del devanado de alto voltaje para formar una doble capa de material de aislamiento sólido + aislamiento combinado de aire; la estructura sin peine se utiliza para mejorar el rendimiento del impacto del rayo.
(2) el devanado de bajo voltaje está enrollado y curado con lámina de cobre y material de aislamiento preimpregnado de nivel H juntos, con una capa de aislamiento de envoltura exterior de alta resistencia, que puede soportar impactos de alta corriente durante un cortocircuito y evitar la intrusión de alto voltaje .
(3) La salida tipo carcasa anti-destello está fundida en una con el cuerpo.
4）El núcleo adopta una tira de acero al silicio orientado laminado en frío de alta calidad y baja pérdida, que se corta y apila automáticamente mediante equipos de alta precisión para garantizar que la pérdida sin carga y la corriente sin carga cumplan con los requisitos de diseño.
Combinado con los requisitos únicos del transformador elevador de energía de las mareas, el transformador elevador de caucho de silicona tiene los siguientes puntos satisfactorios.
(1) El sistema de aislamiento del transformador elevador de caucho de silicona está diseñado de acuerdo con la clase de resistencia al calor H (180 ℃), mientras que el material de aislamiento de caucho de silicona pertenece al material de aislamiento de clase C que soporta temperaturas de hasta 220 ℃, que puede cumplir la posible sobrecarga del transformador elevador durante la marea astronómica, al tiempo que ralentiza en gran medida el envejecimiento del sistema de aislamiento y prolonga la vida útil.
(2) el transformador elevador de energía de las mareas tiene un largo período sin carga, la tasa de carga promedio anual es básicamente del 35% o menos. Por lo tanto, minimizar las pérdidas sin carga es de gran importancia económica para reducir el costo de generación de energía.
El diseño del transformador elevador de caucho de silicona en el núcleo y la premisa de seguridad del aislamiento de la bobina utilizando una estructura de bobina tipo pastel puede reducir el volumen de la bobina, al tiempo que reduce el espaciado de la bobina trifásica para reducir la distancia entre centros del núcleo, debido a la existencia de la bobina tipo pastel La estructura y el uso de tecnología de aislamiento de alta resistencia y el proceso de unión hacen que toda la estructura de la bobina sea muy compacta y, por lo tanto, se reduce la altura total del núcleo, por lo que se acorta el circuito magnético.
El peso total del núcleo se vuelve más pequeño cuando se acorta el circuito magnético, y los parámetros que afectan la pérdida sin carga son el peso total del núcleo, la unidad de pérdida de hierro, el coeficiente de proceso, el coeficiente de laminación, etc. Por lo tanto, el acortamiento el circuito magnético puede reducir efectivamente la pérdida sin carga y lograr el efecto de ahorro de energía si otros parámetros permanecen sin cambios.
Por ejemplo, la pérdida sin carga del transformador de aceite de 1 600 kVA anterior es de 1 640 W y la pérdida con carga es de 14 500 W, mientras que la pérdida sin carga del transformador de refuerzo de caucho de silicona de la misma capacidad puede llegar a 1 415 W. ~ 1 665 W y la pérdida de carga puede llegar a 11 320 W, lo que tiene ventajas obvias de ahorro de energía.
(3) Se puede usar en ambientes con niebla salina, moho, humedad y calor y muchos otros climas de clima severo. Transformador elevador de tipo seco especialmente desarrollado para uso en exteriores en el mar, tres antitratamiento para las partes metálicas expuestas, como las partes sujetas y el núcleo del transformador elevador.
La estructura totalmente encapsulada y el sistema de aislamiento de clase H son adecuados para su uso en entornos marinos tan duros.
(4) los grupos electrógenos de energía de las mareas están ubicados en el mar, el tráfico tiene limitaciones, el mantenimiento o el mantenimiento necesitan invertir una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales, y la falla, debido al mayor tiempo de mantenimiento afectará la capacidad de generación de la unidad . El transformador de refuerzo de caucho de silicona no requiere mantenimiento durante todo el ciclo de vida de 30 años, siempre que se ponga en funcionamiento sin problemas, y no hay costos de mantenimiento posteriores.
5) Los transformadores elevadores de caucho de silicona serán más altos que los transformadores elevadores de tipo seco de epoxi comunes y el aceite tendrá un costo más alto, pero a largo plazo, no hay costos de operación y mantenimiento, y la tasa de reciclaje libre de contaminación puede alcanzar el 98% al final de la vida. En general, el costo no será más alto que el de otros transformadores elevadores, o incluso más bajo.
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