Глобальные операторы распределения электроэнергии ускоряют модернизацию оборудования для создания высокоточных интеллектуальных сетей с низкими потерями, а магнитные материалы сердечника стали решающим фактором в оптимизации производительности трансформаторов тока среднего напряжения. В недавно завершенном проекте реконструкции городской электросети в Восточном Китае группы инженеров заменили сердечники из кремниевой стали на специальные сердечники из нанокристаллического железа для всех трансформаторов тока напряжением ниже 35 кВ, установленных в кольцевых сетях и компактных подстанциях, добившись значительного улучшения энергопотребления, точности измерений и долгосрочной эксплуатационной стабильности, установив воспроизводимый эталон для преобразования распределительных сетей среднего напряжения во всем мире.
Чтобы полностью понять ценность сердечника из нанокристаллического железа, необходимо разобраться в основных отраслевых знаниях в области проектирования трансформаторов тока среднего напряжения. Трансформатор тока выполняет две основные задачи в энергосистемах: точный учет электроэнергии и сбор сигналов тока в режиме реального времени для защиты реле от неисправностей. Внутренний магнитный сердечник определяет общую эффективность и точность оборудования. Традиционные ламинированные сердечники из кремнистой стали десятилетиями доминировали в распределительном оборудовании ниже 35 кВ, однако в современных условиях эксплуатации сетей они обнаруживают очевидные дефекты. Новые источники распределенной энергии, такие как фотоэлектрические панели на крышах и небольшие ветряные турбины, создают мощные гармонические токи в линиях среднего напряжения; частые колебания нагрузки также вынуждают трансформаторы тока работать при попеременных тяжелых и легких нагрузках. Материалы из кремниевой стали характеризуются высокими потерями в сердечнике на средней частоте, низкой начальной магнитной проницаемостью и серьезным риском магнитного насыщения, что легко приводит к ошибкам измерения, превышающим класс 0,5, чрезмерному повышению температуры внутри распределительных шкафов и задержке срабатывания защиты при коротких замыканиях, что серьезно ограничивает высокоэффективную работу всей распределительной сети.
Сердечник из нанокристаллического железа, изготовленный с помощью сверхбыстрой закалки и прецизионных процессов высокотемпературного отжига, образует сверхтонкую наноразмерную кристаллическую структуру зерен внутри лент из сплавов на основе железа, создавая комплексное преимущество в производительности по сравнению с кремнистой сталью и пермаллоем. Его ультратонкая ленточная структура толщиной 25 мкм значительно снижает потери на вихревые токи; относительная проницаемость достигает от 120 000 до 150 000, что сводит к минимуму потребляемую мощность возбуждения и обеспечивает высокоэффективное преобразование магнитной энергии в магнитной цепи трансформатора тока. Между тем, магнитная индукция насыщения 1,25 Тл позволяет разработчикам уменьшить объем сердечника почти на 30% без ущерба для мощности магнитного потока, решая проблему ограничения пространства компактных распределительных устройств напряжением ниже 35 кВ. Материал сохраняет стабильные магнитомягкие характеристики в широком диапазоне температур от -55 ℃ до 130 ℃, избегая снижения производительности, вызванного длительным накоплением тепла в шкафу, что является заметным преимуществом для подстанций наружного коробчатого типа и плотно расположенных городских распределительных помещений.
Проект модернизации городской подстанции Восточного Китая включает 28 комплектов компактных распределительных шкафов напряжением от 10 до 35 кВ, обслуживающих жилые поселки, коммерческие комплексы и распределенные фотоэлектрические станции с общей мощностью электропитания 180 МВА. Перед реконструкцией группа по эксплуатации и техническому обслуживанию сообщала о частых аномальных отклонениях показаний во время пиков выработки фотоэлектрической энергии, а температура поверхности трансформатора тока со стальным кремниевым сердечником часто превышала 85 ℃ при полной нагрузке. Команда инженеров использовала нанокристаллический железный сердечник с тороидальной намоткой, адаптированный для трансформаторов тока среднего напряжения, а также процесс вакуумной герметизации эпоксидной смолой для усиления изоляции и антивибрационных характеристик. После 6 месяцев непрерывного отслеживания данных о работе на месте удалось добиться революционной оптимизации нескольких ключевых показателей. Потери холостого хода каждого трансформатора тока ниже 35 кВ снизились на 68%, что напрямую снизило потребление вспомогательной энергии распределительной подстанцией и повысило общий показатель высокой эффективности источника питания. Точность измерения оставалась стабильной на уровне класса 0,2S даже при 20% гармонических искажениях, что устраняло исторические споры по учету электроэнергии, вызванные неточными сигналами выборки. Максимальная рабочая температура блоков ТТ снизилась до 62 ℃, что значительно продлило срок службы изоляционных материалов вторичной обмотки и сократило ежегодные затраты на техническое обслуживание и замену компонентов на 42%.
Производители оборудования, участвующие в проекте, заявили, что барьером для продвижения сердечника из нанокристаллического железа в трансформаторах тока напряжением ниже 35 кВ является индивидуальная согласованность обработки и возможности массовой поставки. Благодаря развитию отечественных производственных линий интеллектуальной ленточной намотки и автоматической термообработки, стандартизированные нанокристаллические сердечники, соответствующие всем основным спецификациям трансформаторов тока ниже 35 кВ, обеспечили стабильные поставки в больших объемах, а совокупная стоимость жизненного цикла ниже, чем у сердечников из пермаллоя, что представляет собой выдающуюся экономическую выгоду для крупномасштабных проектов по обновлению сетей.
Отраслевые аналитики отмечают, что по мере того, как страны развертывают планы энергосистем с нейтральной углеродной нейтральностью, распределительные сети среднего напряжения ниже 35 кВ ознаменуют новую волну строительства и реконструкции. Высокоэффективные материалы магнитного сердечника с низкими потерями, представленные сердечником из нанокристаллического железа, постепенно заменят традиционную кремниевую сталь в качестве стандартной конфигурации трансформатора тока нового поколения. Практический пример этой городской подстанции полностью подтверждает, что модернизация магнитных материалов сердечника является малозатратным и высокорентабельным техническим путем повышения надежности и уровня энергосбережения оборудования распределения электроэнергии среднего напряжения, предоставляя четкую техническую информацию для операторов электросетей, интеграторов распределительных устройств и поставщиков магнитных материалов во всем мире.
