Трансформаторы с аморфным сплавом, разработанные в 1970-х годах, представляют собой новый тип силовых трансформаторов, в которых вместо листов электротехнической стали в качестве материала магнитопровода используется аморфный сплав. По сравнению с трансформаторами на сердечниках из кремнистой стали они снижают потери холостого хода примерно на 70–80 % и ток холостого хода — примерно на 85 %. В настоящее время это одни из самых энергоэффективных распределительных трансформаторов, идеально подходящих для районов с низкой загрузкой распределительных сетей и повышенными требованиями пожарной безопасности: сельские энергосистемы, высотные здания, торговые центры, метрополитен, аэропорты, вокзалы, промышленные и горнодобывающие предприятия, электростанции.
Ленты из аморфного сплава
Ленты из аморфного сплава изготавливаются путём смешивания элементов (железо, кобальт, углерод, кремний, бор) в определённых пропорциях. Смесь расплавляют при высокой температуре и затем сверхбыстро охлаждают на высокоскоростном вращающемся колесе со скоростью охлаждения \(10^{6}\) °C/с. Такое мгновенное охлаждение предотвращает образование упорядоченной кристаллической решётки, в результате чего формируется хаотическая аморфная структура.
Образование аморфных сплавов
При обычном затвердевании металлов или сплавов из жидкого состояния атомы переходят из хаотического расположения в жидкой фазе к упорядоченному расположению в твёрдой фазе, образуя кристаллическую структуру.
Однако при крайне высокой скорости охлаждения атомы не успевают выстроиться в упорядоченную решётку и «замораживаются» в беспорядочном состоянии, аналогичном жидкости — это и есть аморфный сплав.
Для чистых металлов образование аморфной структуры требует чрезвычайно высокой скорости охлаждения. Ввиду технологических ограничений в промышленном производстве такие скорости практически недостижимы, поэтому аморфные структуры из чистых металлов получить крайне сложно.
Для получения аморфных металлов обычно используют сплавы. При сочетании материалов с разными размерами атомов и свойствами температура плавления значительно снижается, что повышает вероятность формирования аморфной структуры при охлаждении.
В трансформаторных магнитопроводах применяется железоосновный аморфный сплав, затвердевающий в ленты при скорости охлаждения один миллион градусов в секунду; толщина ленты составляет всего 0,03 мм.
Преимущества трансформаторов с аморфным сплавом
Энергоэффективность
Благодаря магнитопроводам из аморфного сплава и инновационной технологии изготовления трёхфазных трёхстержневых сердечников потери в сердечнике существенно снижены: потери холостого хода составляют примерно 25 % от потерь обычных сухих трансформаторов.
Хотя первоначальные затраты на сердечник из аморфного сплава выше, исключительно высокая эффективность позволяет окупить дополнительные инвестиции за 3–5 лет при средней нагрузке 60 %. За 30-летний срок службы трансформатора достигается значительная экономия на стоимости электроэнергии.
Надёжность
- Изоляция класса H (рабочая температура 180 °C) — высокая термостойкость;
- Долговечность — выдерживает жёсткие условия хранения и транспортировки;
- Устойчивость к эксплуатационным условиям — нормальная работа в неблагоприятных климатических и географических условиях; способен длительно работать при нагрузке 120 %;
- Стойкость к коротким замыканиям — отличная электродинамическая стойкость;
- Без обслуживания — практически не требует технического обслуживания в нормальных условиях эксплуатации.
Безопасность
- Негорючесть — не воспламеняется, устойчив к огню, не взрывается и не выделяет вредных газов;
- Нечувствительность к температуре, пыли и загрязнениям — слабо подвержен влиянию окружающей среды;
- Отсутствие трещин — не растрескивается со временем;
- Экологическая и гигиеническая безопасность — безопасен для окружающей среды и здоровья человека, не оказывает вредного воздействия на другое оборудование.
Экологические преимущества
- Экологичность — продукт не загрязняет окружающую среду на всех этапах (производство, транспортировка, хранение, эксплуатация);
- Возможность переработки — обмотки подлежат вторичной переработке по окончании срока службы без вреда для природы;
- Низкий уровень шума — инновационная конструкция сердечника и передовые технологии обеспечивают уровень шума на 4–5 дБ ниже действующего национального стандарта.
Пример экономии
Сухой аморфный трансформатор SCRBH15-2000 мощностью 2000 кВА при нагрузке 60 % экономит около 24 000 кВт·ч электроэнергии в год. При тарифе 1 юань/кВт·ч это составляет ежегодную экономию 24 000 юаней. Рыночная цена обычного трансформатора SCB10-2000 — около 450 000 юаней, аморфного сухого трансформатора — около 550 000 юаней (примерно на 20 % дороже). Однако снижение эксплуатационных затрат за пять лет полностью окупает разницу в первоначальной стоимости.