Obserwowany w ostatnim czasie duży nacisk na ochronę środowiska naturalnego oraz obniżenie kosztów dostaw energii powoduje rozwój nowych materiałów wykorzystywanych do budowy transformatorów. Obniżenie strat wnoszonych przez te urządzenia ogranicza bowiem straty środowiskowe związane z emisją szkodliwych substancji powstałych przy spalaniu węgla lub innego medium energetycznego. Szczególnie intensywny rozwój dotyczy transformatorów dystrybucyjnych, z uwagi na ich dużą liczbę. W Polsce jest ich ponad 200 tysięcy, co stanowi 98% wszystkich zainstalowanych transformatorów.

Magnetyki amorficzne

Materiał amorficzny o nazwie metglas, mający właściwości magnetyczne i nadający się do budowy rdzeni transformatorowych, wynaleziono w latach 50. ubiegłego stulecia. Jednak zasadniczy przełom w opanowaniu technologii tych materiałów nastąpił dopiero w latach 70. w Stanach Zjednoczonych, gdzie opracowano metodę wytwarzania magnetyków amorficznych w cyklu ciągłym.

Sposób ciągłego wytwarzania metglasu (szkła metalicznego) polega na skierowaniu stabilnej strugi ciekłego metalu (najczęściej wykorzystywane jest żelazo, ale stosuje się również kobalt) na zewnętrzną powierzchnię szybko obracającego się walca (kilka tysięcy obrotów na minutę) wykonanego z metalu o dobrym przewodnictwie cieplnym. Walec ten służy do szybkiego schładzania ciekłego stopu, w wyniku czego powstaje materiał magnetyczny o właściwościach amorficznych (ciało stałe o nieuporządkowanej strukturze cząsteczkowej).

Szybkość schładzania jest rzędu 10⁶ K/s, gdyż zbyt wolne schładzanie powoduje częściowe  skrystalizowanie materiału i utratę struktury amorficznej. W ten sposób uzyskuje się taśmę amorficzną o szerokości do 12 cm i grubości od 18 do 30 μm.

W tabeli I przedstawiono parametry blachy transformatorowej amorficznej firmy Metglas Alloys.  Rezystywność blach przedstawionych w tabeli I wynosi 130·10^-8 Ω·m. Dla porównania rezystywność blach krzemowych zimnowalcowanych wynosi 45÷48·10^-8 Ω·m.

TABELA I. Parametry blachy amorficznej firmy Metglas Alloys o grubości 30 μm

Rdzenie transformatorowe wykonane z metglasu

Jedną z metod konstrukcji rdzeni amorficznych jest zwijanie taśmy amorficznej w walce o średnicach równych średnicy jarzma i kolumny. Uzyskane w taki sposób jarzma nadają się wprost do budowy rdzenia, natomiast kolumny są dodatkowo przecinane wzdłużnie, a w miejsce przecięcia umieszcza się izolację, aby zmniejszyć prądy wirowe. Powstaje więc gotowy rdzeń symetryczny składający się z trzech walcowych kolumn i dwóch jarzm. Konstrukcję takiego rdzenia przedstawiono na rysunku 1.

Rdzenie zwijane wykorzystuje się do budowy transformatorów rozdzielczych. Budowa transformatorów mocy w takiej technologii jest niemożliwa, ponieważ nie można zbudować rdzenia pakietowanego o odpowiednich wymiarach, ze względu na zbyt małą szerokość taśmy amorficznej.

Transformatory z rdzeniem amorficznym

Zastosowanie metglasu do budowy transformatorów pozwala na zmniejszenie strat w żelazie nawet pięciokrotnie, a mimo to materiał ten nie jest powszechnie stosowany. W Europie żadna firma nie  produkuje transformatorów z rdzeniem z materiałów amorficznych na skalę przemysłową. Według programu Leonardo Power Quality Initiative (LPQI) powodem jest brak hut mogących wytwarzać magnetyki amorficzne. Także większa twardość tych materiałów (w porównaniu ze stalą zimnowalcowaną), stwarza duże trudności w ich zastosowaniu do budowy rdzeni pakietowanych, które są rozpowszechnione w Europie.

Obecnie transformatory z rdzeniem amorficznym są budowane i instalowane w Stanach Zjednoczonych, Indiach i Japonii, gdzie wykorzystuje się technologię rdzeni zwijanych (rys. 1), które wytwarzane są w hutach i dostarczane w postaci gotowego wyrobu. Metglas charakteryzuje się też niższą wartością  indukcji nasycenia, co wymusza budowę większych rdzeni i zużycie większej ilości miedzi i materiałów izolacyjnych, a więc wzrost ceny gotowego wyrobu. LPQI podaje, że przy zastosowaniu  najnowocześniejszych materiałów amorficznych rdzeń transformatora amorficznego jest o kilkanaście procent większy od rdzenia ze stali zimnowalcowanej.

W Zakładzie Elhand Transformatory prowadzono prace konstrukcyjno-badawcze zmierzające do opracowania transformatora z rdzeniem amorficznym zwijanym. Zbudowano kilka prototypowych jednostek o mocy 10 kV · A, jednak nie podjęto ich produkcji seryjnej.

TABELA II. Parametry transformatorów olejowych z rdzeniem amorficznym amerykańskiej firmy Sunrise Electric

W tabeli II zestawiono parametry transformatorów olejowych z rdzeniem z blach amorficznych amerykańskiej firmy Sunrise Electric. Porównanie strat transformatorów (SN = 250 kVA) z rdzeniem amorficznym (przybliżone ze względu na różnice napięć znamionowych), z transformatorami olejowymi z rdzeniem z blach stalowych zimnowalcowanych, o najniższym poziomie strat, przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Straty mocy w żelazie transformatorów olejowych z rdzeniem z blach stalowych zimnowalcowanych i z rdzeniem amorficznym

Rysunek 2 pokazuje, że transformatory z rdzeniem amorficznym charakteryzują się znacząco mniejszymi stratami w żelazie, nawet w porównaniu z transformatorami o rdzeniach wykonanych z blach stalowych zimnowalcowanych o najwyższej jakości. W tym przypadku różnice sięgają ponad 50%.

Na rysunku 3 przedstawiono porównanie sprawności obu typów transformatorów, przy założeniu jednakowych strat obciążeniowych. Można zauważyć, że wpływ materiału zastosowanego do budowy rdzenia na różnice sprawności pomiędzy poszczególnymi typami transformatorów jest niewielki – poniżej 1%.

Dodatkowo, przyjęcie założenia o jednakowych stratach obciążeniowych powoduje – z uwagi na większe wymiary rdzenia amorficznego – wzrost ceny oraz wzrost kosztów użytkowania takiego transformatora. Według wniosków zawartych w [6] transformatory amorficzne mogą znaleźć zastosowanie dla odbiorców o krótkim czasie użytkowania mocy szczytowej oraz małej dynamice zmian obciążenia. Wówczas koszty strat obciążeniowych odgrywają mniejszą rolę i możliwe staje się obniżenie ceny transformatora poprzez użycie do budowy uzwojeń materiałów o niższej jakości.

Podsumowanie

Zastosowanie magnetyków amorficznych przy budowie transformatorów pozwala na znaczne obniżenie strat jałowych. Jednak większe rozmiary rdzenia amorficznego, które powodują zużycie większych ilości miedzi i materiałów izolacyjnych, powodują wzrost ceny gotowego wyrobu. Wszystkie te czynniki sprawiają, że obszar stosowania tego typu jednostek jest ograniczony. Obserwowany stały wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną oraz naciski na zmniejszenie emisji szkodliwych substancji będą w przyszłości powodować większe zainteresowanie transformatorami tego typu.

AUTOR

Mgr inż. Maciej Zieliński

Biuro Studiów i Projektów Energetycznych Energoprojekt-Kraków

LITERATURA

[1] Jasiński L. i in.: Transformatory z rdzeniami amorficznymi produkcji Elhand Transformatory
[2] Riale A. et al.: LPQI Amorphous distribution transformers 2007
[3] EN 50464-1: Three phase oil immersed distribution transformers 50 Hz, from 50 kVA to 2500 kVA with highest voltage equipment not exceeding 36 kV, Part 1: General requirements. CENELEC, 2005
[4] Dokumentacje techniczne transformatorów typów Tod, TZE, Toc produkcji Fabryki Transformatorów Żychlin
[5] Dokumentacje techniczne transformatorów typów SH11-M produkcji amerykańskiej firmy Sunrise Electric
[6] Zieliński M.: Optymalny dobór mocy znamionowej transformatorów rozdzielczych. Praca magisterska AGH, Kraków 2008