Крупномасштабная интеграция возобновляемых источников энергии создает беспрецедентно суровые условия эксплуатации для оборудования измерения мощности среднего напряжения, что подталкивает энергетическую отрасль к модернизации основных компонентов трансформаторов тока. В прошлом квартале был завершен проект централизованной фотоэлектрической коллекторной станции мощностью 200 МВт на северо-западе Китая, где все трансформаторы тока для измерения и защиты ниже 35 кВ используют индивидуальные решения с сердечником из нанокристаллического железа. Данные предпусковых испытаний в течение года подтверждают, что этот магнитный материал может эффективно противостоять гармоническим помехам, подавлять нагрев сердечника и поддерживать сверхточную выборку тока при переменной фотоэлектрической мощности, становясь основой материала сердечника для реализации высокоэффективного стабильного подключения к сети новых энергетических электростанций.
Чтобы прояснить техническую логику выбора материалов для этого проекта, отрасли сначала необходимо прояснить дифференцированные условия эксплуатации трансформатора тока на новых станциях сбора энергии по сравнению с традиционными городскими распределительными сетями. Фотоэлектрические инверторы генерируют богатые высокочастотные гармонические компоненты во время преобразования энергии; Изменения солнечного излучения в течение дня вызывают резкие колебания первичного тока трансформатора тока ниже 35 кВ, от легкой нагрузки на рассвете до полной нагрузки в полдень, а во время переключения облачного покрова возникают частые скачки переходного тока. Традиционный трансформатор тока с кремниевым стальным сердечником испытывает сильное ослабление магнитной проницаемости под действием гармонической суперпозиции, что приводит к искажению вторичных выходных сигналов. Искаженные данные выборки не только приведут к неточным измерениям выработки электроэнергии, но и введут в заблуждение подключенные к сети защитные устройства, которые вызовут ложное срабатывание, что приведет к потерям выработки электроэнергии и снижению общей высокой эффективности фотоэлектрической станции. Для крупных новых энергетических проектов такие скрытые риски оборудования принесут миллионы юаней экономических потерь на протяжении всего эксплуатационного цикла, что подчеркивает острую потребность в модернизированных материалах магнитных сердечников.
Сердечник из нанокристаллического железа устраняет множество проблем нового трансформатора тока среднего напряжения благодаря присущим ему свойствам магнитомягкого материала. В отличие от прерывистой структуры ламинирования листов кремнистой стали, встроенная тороидальная структура намотки нанокристаллической ленты устраняет магнитные воздушные зазоры внутри сердечника, сводя к минимуму утечку магнитного поля и улучшая точность передачи сигнала трансформатора тока. Его сверхнизкая коэрцитивная сила снижает потери на гистерезис при переменном переменном токе, а сверхтонкая лента с высоким удельным сопротивлением ограничивает потери на вихревые токи, вызванные гармониками высокого порядка. По сравнению с сердечниками из кремниевой стали той же спецификации сердечник из нанокристаллического железа снижает общие потери в сердечнике более чем на 65% при гармонической суперпозиции 5 кГц, существенно контролируя повышение внутренней температуры трансформаторного тока в распределительных шкафах на 35 кВ. Кроме того, материал обладает превосходной способностью противостоять смещению постоянного тока; Когда неисправности, связанные с фотоэлектрической сетью, создают остаточные компоненты постоянного тока в линиях, они не вступают в мгновенное магнитное насыщение, гарантируя, что трансформатор тока может непрерывно передавать эффективные сигналы тока повреждения для принятия решения о действиях релейной защиты, что значительно повышает запас безопасности работы новой электростанции, подключенной к сети.
Фотоэлектрическая коллекторная станция Northwest мощностью 200 МВт включает в себя 12 комплектов повышающих коробчатых трансформаторов на 35 кВ и поддерживающие распределительные шкафы кольцевой сети среднего напряжения, при этом каждый блок оснащен трансформатором тока измерительного класса и класса защиты, охватывающим полный диапазон токов от 50 А до 2000 А. Группа инженеров-разработчиков сотрудничала с производителями магнитных материалов для оптимизации внутреннего и внешнего диаметра и натяжения намотки сердечника из нанокристаллического железа в соответствии с пространством установки каждого трансформатора тока напряжением ниже 35 кВ, а также внедрила технологию точного отжига с защитой от азота, чтобы сбалансировать проницаемость и потери. Перед формальным подключением к сети в рамках проекта были проведены симуляционные испытания непрерывного цикла в условиях смоделированных колебаний фотоэлектрической мощности в течение всего дня и гармонических рабочих условий. Результаты испытаний показывают, что трансформатор тока с нанокристаллическим железным сердечником поддерживает фазовую погрешность в течение 10 минут, а общую погрешность составляет менее 0,15% при общем коэффициенте гармонических искажений 30%, что значительно превышает стандарт точности 0,5S, требуемый новыми спецификациями подключения к энергосистеме. Напротив, при использовании ТТ с сердечником из кремниевой стали в параллельных группах сравнения совокупные погрешности подскочили до более чем 0,8% при одинаковых гармонических нагрузках, что не соответствовало стандартам доступа к измерениям.
После официального подключения к сети данные эксплуатации на месте еще раз подтвердили долгосрочные преимущества высокой эффективности сердечника из нанокристаллического железа. Среднесуточное отклонение измерения выработки электроэнергии на всей станции снизилось на 73% по сравнению с аналогичными проектами с использованием традиционных трансформаторов тока, что устраняет ежегодные потери доходов от измерений, вызванные искажением сигнала. Средняя рабочая температура всех трансформаторов тока ниже 35 кВ стабилизируется ниже 60 ℃, что снижает скорость старения эпоксидной изоляции и вторичных медных обмоток. По оценкам отдела эксплуатации проекта, срок службы нанокристаллического ядра КТ может быть увеличен с 10 до 15 лет, а частота регулярных проверок измерения инфракрасной температуры сократится вдвое, что значительно снизит затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание станции, а также затраты на замену запасных частей.
Инженеры по исследованиям и разработкам магнитных материалов объяснили, что популяризация нанокристаллического железного сердечника в новых трансформаторах тока мощностью ниже 35 кВ также выигрывает от постоянной оптимизации затрат на технологические процессы в последние годы. Автоматизированная резка ленты, намотка с ЧПУ и производственные линии непрерывного отжига значительно увеличили выход готового сердечника, сократив разрыв в стоимости единицы продукции между сердечниками из нанокристаллической и кремниевой стали. Для новых инвесторов в энергетику небольшое увеличение первоначальных затрат на закупку оборудования может быть полностью оплачено в течение двух лет за счет повышения точности измерения выработки электроэнергии и снижения затрат на техническое обслуживание.
Инсайдеры отрасли прогнозируют, что количество установленных трансформаторов тока напряжением ниже 35 кВ для фотоэлектрических, ветровых электростанций и станций хранения энергии будет поддерживать двузначный годовой рост в течение следующих пяти лет. Нанокристаллический железный сердечник, представляющий собой высокоэффективный материал магнитного сердечника с низкими потерями, адаптированный для новых энергетических электронных сред, станет основным решением для согласования трансформаторов среднего напряжения в проектах возобновляемой энергетики, помогая глобальным энергосистемам реализовать более высокую эффективность преобразования энергии и более надежную интеграцию в новые энергосистемы.
