Was ist ein Verteilungstransformator aus amorpher Legierung?

Einfach ausgedrückt ist ein Verteilungstransformator aus amorpher Legierung ein Verteilungstransformator, dessen Kernmaterial eine „amorphe Legierung“ anstelle herkömmlicher Siliziumstahlbleche verwendet. Es hat nur ein Kernziel: die Verlustleistung des Transformators selbst deutlich zu reduzieren.

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I. Verstehen Sie zunächst, warum Transformatoren Verluste haben

Die Funktion des Verteiltransformators besteht darin, 10-kV-Hochspannungsstrom in 220-Volt-Niederspannungsstrom für den privaten Gebrauch umzuwandeln. Dieser Prozess selbst verursacht Energieverluste, die hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt werden:

• Kupferverlust: Der Verlust, der durch Erwärmung entsteht, wenn Strom durch die Spule fließt, bezogen auf die Lastgröße
• Eisenverlust (Leerlaufverlust): Solange der Transformator eingeschaltet ist, wird der Eisenkern wiederholt magnetisiert und entmagnetisiert, was dabei Energie verbraucht. Der Eisenverlust ist 24 Stunden am Tag ununterbrochen

Herkömmliche Transformatoren verwenden SiliziumstahlblecheEisenkern, der bei der Magnetisierung einen großen Widerstand überwinden muss, daher ist der Eisenverlust hoch. Die Entwicklung amorpher Legierungsmaterialien soll dieses Problem lösen.

II. Was für ein Material ist eine amorphe Legierung?

Eine amorphe Legierung ist ein Metallmaterial, in dem die Atome in einem ungeordneten Zustand angeordnet sind.

Die Atome gewöhnlicher Metalle (z. B. Siliziumstahl) sind regelmäßig angeordnet, wie ordentlich gestapelte Ziegelsteine. Dies wird als „kristallin“ bezeichnet. Bei der Herstellung amorpher Legierungen erstarrt das geschmolzene Metall schnell mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 1 Million Grad Celsius pro Sekunde. Die Atome werden „eingefroren“, bevor sie in der richtigen Reihenfolge angeordnet werden können, und bilden eine ungeordnete Struktur, ähnlich wie Glas.

Die Eigenschaften dieser ungeordneten Struktur sind: Die Magnetisierung ist äußerst einfach und der Hystereseverlust ist äußerst gering.

III. Hauptvorteile: Hervorragende Energieeinsparung und Umweltschutzvorteile

Der Hauptgrund, warum Verteilungstransformatoren aus amorphen Legierungen große Aufmerksamkeit erregt haben, liegt in ihrer bahnbrechenden Energiesparleistung. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumstahltransformatoren spiegeln sich seine Vorteile hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider:

1. Extrem geringer Leerlaufverlust: Aufgrund der extrem hohen Magnetisierungs- und Entmagnetisierungseffizienz amorpher Legierungsmaterialien wird der Eisenverlust (d. h. der Leerlaufverlust) im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumstahltransformatoren deutlich um 70 bis 80 % reduziert, und auch der Leerlaufstrom wird um etwa 85 % reduziert. Das bedeutet, dass der Transformator, wenn er unter Spannung steht, aber nicht belastet ist, sehr wenig Eigenleistung verbraucht.

2. Erhebliche Vorteile für die Umwelt: Die Reduzierung der Verluste führt direkt zu einer Reduzierung des Stromerzeugungsbedarfs und der Treibhausgasemissionen. Schätzungen zufolge können bei einem vollständigen Einsatz von Transformatoren aus amorphen Legierungen in den Verteilungsnetzen großer Entwicklungsländer wie China und Indien jedes Jahr 25 bis 30 Terawattstunden (TWh) Strom eingespart und die Kohlendioxidemissionen um 20 bis 30 Millionen Tonnen reduziert werden.

3. Hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit: Transformatoren aus amorphen Legierungen verfügen in der Regel über vollständig abgedichtete Strukturen und gewellte Öltankkonstruktionen, die nicht nur wartungsfrei sind, sondern auch eine hervorragende Kurzschlussfestigkeit aufweisen. Sein Isoliermaterial weist eine gute Hitzebeständigkeit und einen geringen Betriebstemperaturanstieg auf, wodurch die Alterung der Isolierung wirksam verzögert wird. Die Lebensdauer kann in der Regel mehr als 20 Jahre betragen. Darüber hinaus sind Trockentransformatoren aus amorpher Legierung nicht brennbar, explosionsgeschützt, erzeugen keine giftigen Gase und sind äußerst sicher.

IV. Strukturelle Eigenschaften und Herstellungsprozess

Um die Leistung amorpher Legierungsmaterialien voll zur Geltung zu bringen, weisen Transformatoren aus amorphen Legierungen auch ihre eigenen einzigartigen Merkmale in Design und Herstellung auf:

Spezielle Eisenkernstruktur: Das amorphe Legierungsband ist extrem dünn (Dicke beträgt nur etwa 0,03 mm) und weist eine hohe Härte auf, wodurch es wie Siliziumstahlbleche schwer zu schneiden ist. Daher besteht sein Kern normalerweise aus vier separaten Kernrahmen, die nebeneinander angeordnet sind, um ein dreiphasiges Fünf-Säulen-Layout zu bilden, und verwendet einen Walzprozess, um Scherschäden an den magnetischen Eigenschaften des Materials zu reduzieren.

Spannungsempfindlichkeit und Glühbehandlung: Amorphe Legierungen reagieren sehr empfindlich auf mechanische Belastungen und Spannungen führen zu einem starken Anstieg der Verluste. Daher muss der Eisenkern als Haupttragteil in der Strukturkonstruktion vermieden werden, und der Eisenkern muss nach dem Walzen einem strengen Glühen unterzogen werden, um innere Spannungen zu beseitigen und seine verlustarmen Eigenschaften wiederherzustellen.

Wicklung mit rechteckigem Querschnitt: Um der Form des Kernrahmens zu entsprechen, nehmen die Wicklungen normalerweise eine zweischichtige oder mehrschichtige rechteckige Schichtstruktur mit rechteckigem Querschnitt an, wodurch das Gesamtdesign kompakter wird.

V. Wie funktioniert es?

Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei allen Transformatoren: elektromagnetische Induktion. Die Hochspannungsspule und die Niederspannungsspule sind auf den gleichen Eisenkern gewickelt und die Spannungsumwandlung erfolgt durch ein magnetisches Wechselfeld.

Der einzige Unterschied besteht im Kernmaterial. Der amorphe Eisenlegierungskern besteht aus Schichten extrem dünner (ca. 0,025–0,03 mm dicker) amorpher Streifen. Diese Streifen sind normalerweise etwa 170 mm breit und haben die Form eines flachen Rings.

Da der Magnetisierungswiderstand äußerst gering ist, verbraucht der Eisenkern selbst auch bei längerem Leerlauf nur sehr wenig elektrische Energie.

VI. Wo wird es hauptsächlich verwendet?

Überall dort, wo eine 24-Stunden-Stromversorgung erforderlich ist und die Lastrate nicht hoch oder instabil ist, sind Transformatoren aus amorpher Legierung sehr gut geeignet:

• Städtisches und ländliches Verteilungsnetz: In ländlichen Gebieten gibt es kleine Stromlasten und lange Leerlaufzeiten, und der Energiespareffekt ist am offensichtlichsten.
• Wohngebiet: Während der nächtlichen Zeit mit geringem Stromverbrauch befindet sich der Transformator längere Zeit im Schwachlastzustand
• Rechenzentren und Kommunikationsbasisstationen: Sie sind das ganze Jahr über in Betrieb und reagieren sehr empfindlich auf die Stromkosten
• Neue Energieanlagen: Die Erzeugungszeiten von Photovoltaik- und Windkraftanlagen sind diskontinuierlich und Transformatoren sind oft nur gering belastet.
• U-Bahnen, Flughäfen, Krankenhäuser: benötigen eine kontinuierliche Stromversorgung und haben strenge Anforderungen an den Energieverbrauch.

VII. Zusammenfassung

Verteilungstransformatoren aus amorpher Legierung sind energiesparende Verteilungsgeräte, die ein spezielles Metallmaterial verwenden, das sich leichter magnetisieren lässt als der Kern, sodass der Transformator im Standby-Modus weniger Strom „stehlen“ kann. Die anfänglichen Anschaffungskosten sind höher, aber da es jeden Tag Strom spart, kann es sich in ein paar Jahren amortisieren, und es wird mehr als zehn Jahre lang einen Nettogewinn erwirtschaften.