"Energieconverters" in elektriciteitsnetsystemen en technologische evolutie

In moderne energiesystemen is er een soort apparatuur die onmisbaar is, zoals een 'energieknooppunt': het verbindt de energieopwekkingskant en de stroomconsumptiekant, en door nauwkeurige elektromagnetische inductie realiseert het de conversie van spanningsniveaus, waardoor het stroomverlies wordt verminderd tijdens transmissie over lange afstanden, terwijl wordt voldaan aan de uiteenlopende stroombehoeften van de industriële productie en het leven van bewoners. Dit type apparatuur wordt een stroomtransformator genoemd. Van de step-up transformatoren in grote elektriciteitscentrales, tot de distributietransformatoren in stedelijke onderstations, en vervolgens tot de speciale transformatoren in fabriekswerkplaatsen, het doorloopt de hele keten van energietransmissie en -distributie en is de kernuitrusting die de sociale energievoorziening ondersteunt.

I. Kernprincipe van stroomtransformatoren: de ‘energiemagie’ van elektromagnetische inductie

De werkende basis vanstroomtransformatorenis ontstaan ​​uit de wet van elektromagnetische inductie, ontdekt door Faraday in de 19e eeuw. De kernlogica kan worden samengevat als een energieconversieproces van "elektriciteitsopwekkend magnetisme en magnetisme dat elektriciteit opwekt": wanneer de primaire wikkeling (ingangseinde) van de transformator is aangesloten op een wisselstroomvoeding, zal de stroom een ​​magnetisch wisselveld genereren in de ijzeren kern. Wanneer dit magnetische veld door de secundaire wikkeling (uitgangsterminal) gaat, zal een overeenkomstige elektromotorische kracht worden geïnduceerd aan de secundaire zijde, en uiteindelijk zal een wisselstroom worden afgegeven die evenredig is aan de spanning aan de primaire zijde.

In dit proces ligt de sleutel tot spanningsconversie in de windingsverhouding van de primaire en secundaire wikkelingen. Volgens het principe van elektromagnetische inductie is de verhouding van de primaire spanning (U₁) tot de secundaire spanning (U₂) gelijk aan de verhouding van het aantal windingen aan de primaire zijde (N₁) tot het aantal windingen aan de secundaire zijde (N₂), dat wil zeggen U₁/U₂ = N₁/N₂. De uitgangsspanning van een elektriciteitscentrale bedraagt ​​bijvoorbeeld doorgaans 10 tot 25 kV. Om stroomtransmissie over lange afstanden te bereiken (het verminderen van lijnverliezen vereist een verhoging van de spanning), zal een step-up transformator de spanning verhogen tot 110 kV, 220 kV of zelfs 1000 kV via een "secundaire wikkeling met meerdere windingen". Wanneer elektriciteit naar de stad of naar de gebruikerszijde wordt getransporteerd, verlaagt de distributietransformator de hoogspanning tot 10 kV (voor industrieel gebruik) of 220 V/380 V (voor residentieel en commercieel gebruik) via de "minder windingen secundaire wikkeling", waarmee de spanningsafstemming van "stroomopwekking - transmissie - distributie" wordt voltooid.

Het is vermeldenswaard dat in een ideale toestand het ingangsvermogen en het uitgangsvermogen van een transformator gelijk zijn (waarbij kernverliezen en weerstandsverliezen door de wikkeling worden genegeerd), dus de spanning en stroom hebben een omgekeerd evenredige relatie - wanneer de spanning wordt verhoogd, neemt de stroom af (waardoor het warmteverlies van de lijn wordt verminderd), en wanneer de spanning wordt verlaagd, neemt de stroom toe (voldoen aan de huidige vraag van eindapparatuur). Deze eigenschap is precies de sleutel tot een efficiënte krachtoverbrenging.

II. Kernstructuur: het synergetische effect van de vier hoofdcomponenten

De prestaties van een vermogenstransformator zijn afhankelijk van het ontwerp- en productieniveau van de vier kerncomponenten, die gezamenlijk de efficiëntie, stabiliteit en levensduur van de apparatuur bepalen.

1. Kern: de "paddrager" van het magnetische veld

De kern is de kern van het magnetische circuit van de transformator. Zijn functie is om het magnetische wisselveld op een geconcentreerde manier te geleiden en de lekkage van het magnetische veld (dat wil zeggen "magnetisch verlies") te verminderen. Om het wervelstroomverlies dat door de kern in een wisselend magnetisch veld wordt gegenereerd (het warmteverlies veroorzaakt door de circulatie van stroom binnen de kern) te verminderen, worden moderne transformatorkernen doorgaans gemaakt door het lamineren van staalplaten met een hoog siliciumgehalte - de dikte van de siliciumstaalplaten is slechts 0,3-0,5 mm, en hun oppervlakken zijn bedekt met isolerende coatings, die het stroompad van wervelstromen effectief kunnen blokkeren. Het structurele ontwerp van de kern (zoals de lamineermethode en het verbindingsproces) heeft rechtstreeks invloed op de omvang van het magnetische verlies. Momenteel zijn de gangbare technologieën voor "stapsgewijze verbinding" of "inclined jointing" erin geslaagd het kernverlies op een extreem laag niveau te houden.

2. Wikkeling: de "kernspoel" voor de omzetting van elektrische energie

De wikkeling (algemeen bekend als "spoel") is het circuitgedeelte van een transformator, dat is verdeeld in de primaire wikkeling (verbonden met de voeding) en de secundaire wikkeling (verbonden met de belasting). Het wordt meestal gewikkeld met koper- of aluminiumdraden (koperdraden hebben een betere elektrische geleidbaarheid en lagere verliezen, en worden vaak gebruikt in transformatoren met hoge capaciteit). Het wikkelproces van de wikkelingen moet de plaatsingsdichtheid van de draden, de isolatiedikte en de warmteafvoerkanalen strikt controleren. Het isolatiepapier of de isolatievernis die rond de buitenste laag van de draden is gewikkeld, moet de doorslagtest onder hoge spanning kunnen doorstaan ​​(meestal is de isolatieklasse vereist om klasse A, klasse B of klasse H te bereiken, wat overeenkomt met verschillende hogere temperatuurweerstandslimieten). Ondertussen moet de structuur van de wikkeling oliekanalen of luchtkanalen reserveren om ervoor te zorgen dat de tijdens bedrijf gegenereerde warmte tijdig kan worden afgevoerd.

3. Brandstoftank en koelsysteem: de "warmtedissipatiegarantie" van de apparatuur

Wanneer een transformator in bedrijf is, zullen de kern en de wikkelingen verliezen genereren en deze omzetten in warmte. Als de temperatuur te hoog is, zal dit de veroudering van de isolatie versnellen en zelfs defecten veroorzaken. Daarom zijn de olietank en het koelsysteem de sleutel tot het garanderen van de veiligheid van de apparatuur: de binnenkant van de olietank is gevuld met transformatorolie (die zowel isolatie- als warmteafvoerfuncties heeft) en de warmte wordt overgedragen naar de tankwand via de natuurlijke convectie of geforceerde circulatie van de olie. De buitenkant van de brandstoftank is meestal uitgerust met koellichamen (of warmteafvoerbuizen), die het contactoppervlak met de lucht vergroten en de warmteafvoer versnellen. Voor transformatoren met een grote capaciteit (zoals die boven 50MVA) zijn ook koelsystemen met geforceerde oliecirculatie (OFAF) of gerichte koelsystemen met geforceerde oliecirculatie (ODAF) uitgerust. Door het gecoördineerde effect van de oliepomp en de ventilator wordt de efficiëntie van de warmteafvoer verder verbeterd.

4. Isolatie- en beschermingsvoorzieningen: de "veiligheidsbarrière" van de apparatuur

Naast de isolatie tussen de windingen van de wikkelingen, is detransformatormoet ook worden uitgerust met meerdere isolatie- en beschermingscomponenten:

Isolatiebus: Deze wordt gebruikt om de afvoerdraden van de wikkeling vanuit de binnenkant van de olietank te leiden en moet bestand zijn tegen hoge spanning en atmosferische omstandigheden. Het is meestal gemaakt van porselein of composiet isolatiemateriaal (zoals epoxyhars).

Overdrukventiel: Wanneer er door een storing (zoals kortsluiting) een grote hoeveelheid gas in de brandstoftank ontstaat en de druk sterk stijgt, gaat de klep automatisch open om de druk te ontlasten en te voorkomen dat de brandstoftank explodeert.

Gasrelais: Geïnstalleerd op de pijpleiding tussen de olietank en de olieopslagkast, zal het een alarmsignaal activeren of direct de stroomtoevoer onderbreken wanneer er een kleine fout (waardoor een kleine hoeveelheid gas wordt gegenereerd) of een ernstige fout (impact van de oliestroom) optreedt in de transformator om te voorkomen dat de fout zich uitbreidt.

Thermometer: bewaakt de olietemperatuur in de brandstoftank in realtime. Wanneer de temperatuur de ingestelde drempel overschrijdt, geeft het een alarm af om ervoor te zorgen dat de apparatuur niet beschadigd raakt door oververhitting.

III. Typen en toepassingen: "Energieaanpassingsoplossingen" afgestemd op verschillende scenario's

Afhankelijk van de verschillen in spanningsniveau, capaciteit, koelmethode of toepassing, kunnen vermogenstransformatoren in verschillende typen worden ingedeeld om zich aan te passen aan de verschillende schakels van het energiesysteem.

Per spanningsniveau: dekt de hele keten van "stroomopwekking - transmissie - distributie"

Step-uptransformator: Deze bevindt zich in een elektriciteitscentrale en verhoogt de lage spanning (10-25 kV) van de generator naar hoge spanning (110 kV-1000 kV) voor stroomtransmissie over lange afstanden, met een typische capaciteit van 100-1000 MVA.

Step-down transformatoren: Ze worden geclassificeerd in "main grid step-down" (zoals 220 kV tot 110 kV) en "distributienetwerk step-down" (zoals 110 kV tot 10 kV, 10 kV tot 0,4 kV). De eerste wordt gebruikt voor de stroomvoorziening in regionale elektriciteitsnetten, terwijl de laatste rechtstreeks industriële gebruikers of woonwijken bedient.

Ultrahoge spanningstransformatoren: Met spanningsniveaus van 750 kV en hoger (zoals 1000 kV ultrahoge spanningstransformatoren in China) vormen ze kernapparatuur in transmissieprojecten met ultrahoge spanning (zoals "West-naar-East Power Transmission"), en moeten ze extreem hoge spanningen en stromen kunnen weerstaan, met extreem moeilijke productieprocessen.

2. Ingedeeld naar koelmethode: aangepast aan verschillende capaciteits- en omgevingseisen

In olie ondergedompelde transformator: Door gebruik te maken van transformatorolie als koelmedium heeft het een volwassen structuur en relatief lage kosten, en is het geschikt voor buitenstations of scenario's met grote capaciteit (goed voor meer dan 80% van de totale markt).

Droge transformatoren: ze gebruiken lucht of stikstof als koelmedium, hebben een hoge isolatiewaarde (meestal H-klasse) en goede brandwerendheid. Ze zijn geschikt voor hoge gebouwen, metro's, ziekenhuizen en andere plaatsen met hoge brandveiligheidseisen, en hun capaciteit ligt meestal onder de 20MVA.

3. Geclassificeerd op basis van gebruik: Voldoe aan gespecialiseerde elektriciteitsbehoeften

Distributietransformator: Het meest voorkomende type, gebruikt om de hoogspanning van 10 kV te reduceren tot een laagspanning van 0,4 kV, en voorziet woongebouwen, winkels, enz. van stroom, met een capaciteit die meestal varieert van 50 tot 1600 kVA.

Gelijkrichtertransformator: gebruikt in industriële gelijkrichterapparatuur (zoals elektrolytisch aluminium, galvaniseren), zet wisselstroom om in gelijkstroom en moet zich aanpassen aan de harmonische impact van niet-lineaire belastingen.

Transformator voor elektrische ovens: Deze is speciaal ontworpen voor industriële elektrische ovens (zoals vlamboogovens en inductieovens), geeft een lage spanning en een hoge stroom af en moet een sterke overbelastingscapaciteit hebben.

Autotransformator: De primaire en secundaire wikkelingen delen een deel van de spoel, dat klein van formaat is en weinig verlies heeft. Het wordt vaak gebruikt voor spanningsregeling in hoogspanningstransmissiesystemen (zoals verbindingstransformatoren in 500 kV-systemen).

Iv. Bediening en onderhoud en technologische trends: van "stabiele werking" tot "intelligente upgrade"

Het ontwerpleven vanstroomtransformatorenbedraagt ​​gewoonlijk 20 tot 30 jaar, maar hun werkelijke levensduur is afhankelijk van het niveau van gebruik en onderhoud. De kern van het dagelijks onderhoud ligt in het “voorkomen van storingen”, waarbij vooral wordt gedacht aan:

Controle van de oliekwaliteit: Test regelmatig het diëlektrische verlies, de doorslagspanning en het vochtgehalte van transformatorolie om verslechtering van de oliekwaliteit en achteruitgang van de isolatieprestaties te voorkomen.

Isolatietesten: Door middel van isolatieweerstandstests, diëlektrische verliestests, enz. wordt de isolatieconditie tussen de wikkelingen en de kern geëvalueerd.

Temperatuurbewaking: realtime volgen van de olietemperatuur en wikkelingstemperatuur om overbelasting te voorkomen;

Conditiegebaseerd onderhoud: Door middel van online monitoringtechnologieën (zoals online monitoring van opgeloste gassen in olie en online monitoring van gedeeltelijke lozingen) kan de status van apparatuur in realtime worden begrepen, waardoor het traditionele ‘reguliere onderhoud’ wordt vervangen en de uitvaltijd wordt verminderd.

Met de grootschalige netaansluiting van nieuwe energiebronnen (windenergie, fotovoltaïsche energie) en de aanleg van slimme netwerken evolueert de technologie voor energietransformatoren in drie belangrijke richtingen:

Hoog rendement en energiebesparing: door het gebruik van hoogmagnetische inductie-siliciumstaalplaten en geleiders met laag verlies en het optimaliseren van de kernstructuur worden het nullastverlies en het belastingsverlies verder verminderd, waardoor wordt voldaan aan de energie-efficiëntie-eisen onder de "dual carbon" -doelstellingen (de nieuwe nationale norm van China GB 20052-2022 heeft bijvoorbeeld hogere eisen gesteld aan de energie-efficiëntieklassen van transformatoren).

Intelligente upgrade: Door sensoren, iot-modules en edge computing-mogelijkheden te integreren, is real-time perceptie van de status van de apparatuur, vroegtijdige waarschuwing bij fouten en bediening op afstand mogelijk. Het voorspelt bijvoorbeeld de trend van isolatieveroudering via AI-algoritmen en plant onderhoud vooraf.

Aanpassen aan nieuwe energie: Ontwikkel, als reactie op de volatiliteit en de wisselvalligheid van de opwekking van nieuwe energie, "nieuwe energiespecifieke transformatoren" met een breed spanningsregelbereik en een sterke harmonische weerstand. Onderzoek tegelijkertijd het modulaire ontwerp om te voldoen aan de flexibele toegangsvereisten van gedistribueerde fotovoltaïsche energiecentrales en energieopslagcentrales.