Uvod
V sodobnih elektroenergetskih sistemih transformatorji delujejo kot regulatorji električnega sveta, ki podpirajo stabilno delovanje električnega omrežja. Ne glede na to, ali gre za običajne tipe ob cesti ali velikanske enote v transformatorskih postajah, imajo njihove osnovne strukture skupno logiko, ki temelji na znanosti o materialih. Danes bomo govorili o tistih bistvenih materialih v transformatorjih.
Jedro
Najbolj kritična komponenta transformatorja-jedro-skoraj izključno uporablja silicijeve jeklene pločevine. Ta material je daleč od navadnega jekla. Osnova je standardno jeklo z dodatkom 2-5% silicija in je podvrženo posebnim postopkom valjanja in žarjenja.
Zakaj Silicon Steel?
-Dodatek silicija znatno zmanjša izgube železa (histerezo in izgube zaradi vrtinčnih tokov).
-Zrnato-silicijevo jeklo ponuja vrhunsko magnetno prepustnost v smeri valjanja.
-Prevleka za površinsko izolacijo preprečuje kratke stike med plastmi, hkrati pa vzdrži visoke temperature žarjenja.
Zanimivo je, da metoda laminiranja jedra odraža tudi raven strokovnega znanja pri izdelavi. Zdaj-uobičajena tehnika-stopenjskega zlaganja v krog omogoča bolj zvezno magnetno pot, kar zmanjša-izgube brez obremenitve za 10-15 % v primerjavi s tradicionalnimi metodami vlečnega kroga.
Navijanje
Izbira materiala za navijanje je v bistvu tekmovanje med bakrom in aluminijem, pri čemer ima vsak material svoja področja uporabe.
Bakrena navitja ostajajo prednostna izbira za-visoko zmogljive transformatorje:
-Prevodnost je približno 58 MS/m, kar ima za posledico manjši volumen navitja za enako zmogljivost.
-Visoka mehanska trdnost mu omogoča, da prenese večje-elektromagnetne sile kratkega stika.
-Zrela tehnologija obdelave sklepov zagotavlja zanesljivost delovanja, potrjeno v stoletju uporabe.
Aluminijasta navitja imajo prednosti pri-cenovno občutljivih aplikacijah:
-Cena je običajno le ena-tretjina do ena{2}}polovica cene bakra.
-Manjša gostota zmanjša celotno težo transformatorja za 20-30 %.
-Nedavni napredek v tehnologiji aluminijevih zlitin je obravnaval težave, povezane z lezenjem in povezavami.
Izolacijski sistem
Razvoj izolacijskih materialov odraža napredek tehnologije transformatorjev.
Trdni izolacijski materiali so se razvili v celovit sistem
-Izolacijska stiskalnica služi kot glavni izolacijski okvir.
-Aramidni papir Nomex® se uporablja pri visokih-temperaturah (razred H in višji).
-Epoksidne plošče iz steklenih vlaken se uporabljajo za mehanske podporne komponente.
Izbira tekočih izolacijskih medijev odraža prilagodljivo modrost, ki temelji na lokalnih razmerah
-Mineralno olje ostaja prevladujoče in predstavlja več kot 75 % svetovnega tržnega deleža.
-Naravni estri (rastlinska olja) doživljajo hitro rast v regijah s strogimi okoljskimi zahtevami.
-Silikonsko olje in fluorirane tekočine se uporabljajo v posebnih aplikacijah,-odpornih proti ognju.
Izolacija za suhe-transformatorje se vse bolj spreminja
-Tehnologija ulivanja z epoksi smolo je zrela in nudi odlično odpornost na vlago.
-Vakuum-tlačna impregnacija (VPI) s hlajenjem odprte-strukture ponuja izboljšano odvajanje toplote.
-Okolju prijazni pol-trdni izolacijski materiali, razviti v zadnjih letih, uravnotežijo učinkovitost in možnost recikliranja.
Strukturne komponente
Ti neopazni strukturni deli dejansko skrivajo številne zapletenosti:
Material za rezervoarje za olje se je razvil iz običajnega ogljikovega jekla v jeklo, ki je izpostavljeno vremenskim vplivom. Dandanes vse več transformatorjev uporablja obloge iz nerjavečega jekla, zlasti v obalnih in zelo onesnaženih območjih.
Majhna, a kritična podrobnost: proti-korozijski premaz znotraj rezervoarjev za olje je zdaj pretežno pol{1}}prevodna barva. To ni le zaradi estetike-služi enakomerni porazdelitvi električnega polja v rezervoarju, s čimer se prepreči delna izpraznitev.
Spremembe, ki jih poganjajo okoljski trendi
Biorazgradljivo izolacijsko olje
Prebojna napetost rastlinskih-izolacijskih olj, kot sta sojino olje in repično olje, zdaj presega 60 kV/2,5 mm.
Pasivacija-brez kroma
Prevleka na ploščah iz silicijevega jekla se premika od-na osnovi kromatov k okolju prijaznim alternativam-na osnovi fosfatov.
Obnovljivi materiali
Izolacijska plošča-ojačana z bambusovimi vlakni je vstopila v fazo poskusne uporabe.
Nizko{0}}ogljično jeklo
Jeklo, proizvedeno s tehnologijo kratkega-postopka elektroobločne peči, zmanjša svoj ogljični odtis za 40 %.
Izbira
Pri izbiri materialov za transformatorje inženirji v bistvu rešujejo multivariatno enačbo: kjer začetni stroški, operativne izgube, pričakovana življenjska doba, zahteve glede vzdrževanja in okoljski vidiki služijo kot spremenljivke. Na primer:
Podatkovni centri
Podatkovni centri se lahko odločijo za transformatorje z naravnim estrskim oljem po 30 % višji ceni, pri čemer cenijo njihovo odpornost proti ognju na ravni K4-.
vetrne elektrarne na morju
Transformatorji za vetrne elektrarne na morju bodo opremljeni z izboljšano proti-korozijsko zasnovo, tudi ob 15-odstotnem povečanju stroškov.
urbanih središčih
Razdelilni transformatorji v urbanih središčih dajejo prednost suhim-izvedbam, ki kljub nekoliko nižji učinkovitosti odpravljajo nevarnost puščanja olja.
Zaključek
Naslednjič, ko boste ob ulici videli transformator, ga boste morda gledali z nekoliko več razumevanja-v tej škatli se skriva stoletje modrosti znanstvenikov za materiale in inženirjev elektrotehnike. Od asfaltne izolacije Edisonove dobe do današnjih nanokompozitnih izolacijskih materialov, vsak razvoj transformatorskih materialov predstavlja občutljivo ravnovesje med varnostjo, učinkovitostjo in ceno.
Kakšni bodo prihodnji materiali za transformatorje? Visoko{0}}temperaturni superprevodniki so že dosegli preboj v laboratorijih in število patentov za izolacijski papir-z grafenom se iz leta v leto povečuje. Ne glede na to, kako se materiali spreminjajo, glavni cilj ostaja nespremenjen: narediti pretvorbo energije varnejšo, učinkovitejšo in zanesljivejšo.