Как сообщается, директор по операциям одного склада холодного хранения сидел со своей финансовой командой и энергетическим консультантом, рассматривая таблицу, которая показывала неправильные результаты. В новом складе с емкостью 5,000 поддонов, который работает постоянно при нормальной нагрузке в 30 процентов, полученные кВтч аналогичны тем, что у небольшого склада с нагрузкой 55 процентов. Проблема не связана с холодильным оборудованием, а с трансформатором. Обычный сухой трансформатор терял 2,300 ватт на потери в сердечнике 24 часа в сутки, независимо от того, работает ли он с 2 или 200 поддонами. Предложение консультанта шокировало всех в комнате – заменить трансформатор, которому всего шесть лет, на новый сухой трансформатор из аморфного сплава, который имеет потери в сердечнике в три раза меньше. Срок окупаемости инвестиций составляет около 4 лет.
Эта статья написана для объяснения того, почему сухой трансформатор из аморфного сплава считается революционным в плане энергоэффективности. В этой статье будет представлено описание технологии, ее метод достижения 60-80% сокращения потерь в холостом режиме, ее влияние в финансовом выражении и в киловатт-часах, полученных на протяжении всего жизненного цикла, ее оценка по сравнению со всеми существующими способами проектирования трансформаторов и место в современной электрической сети. Если ваш трансформатор не получает больших нагрузок, это решение по эффективности является самым значительным для вас в этом десятилетии.
Почему это называется революцией
Трансформаторы на протяжении многих лет были самыми надежными и наименее заметными машинами, делая небольшие и постепенные шаги к улучшению своей эффективности через внедрение лучших марок стали, более тонких геометрий и лучших систем охлаждения. Использование аморфного сплава в качестве материала является революционным, поскольку оно помогает увеличить эффективность трансформаторов, делая скачок, а не шаг вдоль кривой эффективности, так как позволяет сократить потери в холостом режиме на 60-80 процентов.
Трансформаторы едва работают на своей номинальной мощности, и энергетические компании выбирают строить их в соответствии с их летним пиком, в то время как здания создаются в соответствии с экстремальными случаями. Таким образом, та часть, которая должна выполнять наибольшую часть работы в трансформаторах, также является той частью, которая никогда не останавливается. Главная цель аморфного сплава – уменьшить потери, которые происходят, когда работа не выполняется.
Научные материалы за аморфным металлом
Аморфный металл изготавливается путем заливки расплавленного сплава железа, бора и кремния на вращающееся охлажденное колесо, охлаждая его примерно со скоростью 1 миллион °C в секунду. Атомы никогда не получают шанса сформировать кристаллическую решетку — отсюда и название “аморфный”. Без границ зерен магнитные доменные стенки движутся с гораздо меньшим сопротивлением, поэтому сердечник теряет гораздо меньше энергии на гистерезис в каждом цикле намагничивания.
| Свойство | Аморфная лента | Кремний-сталь с ориентированными зернами |
|---|---|---|
| Типичная толщина | 02–0.03 мм | 23–0.30 мм |
| Кристаллическая структура | Нет (беспорядочная) | Кристаллические зерна |
| Коэрцитивность (легкость намагничивания) | Очень низкое | Умеренное |
| Потери в холостом режиме при 1,000 кВА | 800–1,100 Вт | 2,000–2,600 Вт |
| Механическая природа | Хрупкий, чувствительный к напряжению | Устойчивый, обрабатываемый |
Компромисс механический: лента хрупкая и теряет свои преимущества по эффективности при напряжении, поэтому производство — намотка, отжиг, зажим — требует дисциплины, которой никогда не требовали линии из кремниевой стали.
Потребление без нагрузки: тихая утечка энергии
Потребление без нагрузки относится к энергии, теряемой трансформатором из-за намагниченного сердечника, который существует с момента подачи питания до момента его отключения или обесточивания. Стандартный сухой трансформатор мощностью 1,000 кВА потребляет около 2,000 до 2,600 Вт энергии постоянно. Умножив на 8,760 часов, можно заключить, что один трансформатор теряет от 17,500 до 22,800 кВтч в год, что эквивалентно достаточному количеству энергии для работы 2-3 средних домов. Аморфные трансформаторы используют только 7,000 до 9,600 кВтч.
| Трансформатор (1,000 кВА) | Потери при холостом ходе | Годовая энергия (без нагрузки) | Годовая стоимость @$0.12/кВтч |
|---|---|---|---|
| Обычный сухой тип (CRGO) | 2,300 Вт | 20,148 кВтч | $2,418 |
| Аморфный сухой тип | 950 Вт | 8,322 кВтч | $999 |
| Годовая разница | 1,350 Вт | 11,826 кВтч | $1,419 сэкономлено |
Ни одно другое изменение спецификации трансформатора не дает такого результата. Это разница между сердечником, который работает дешево, и сердечником, который работает дорого, навсегда.
Реальные сбережения: математика киловатт-часов
Сумма сэкономленных денег будет расти на протяжении всего срока службы трансформатора. Ранее описанный трансформатор мощностью 1,000 кВА и требующий $0.12/кВтч будет работать круглосуточно:
Годовая экономия энергии для применения составляет 11,826 кВтч
Сбережения, возникающие от затрат на использование устройства в течение 1 года: $1,419,
Начальная цена покупки оборудования составляет на $6,000 до $8,000 больше, чем у обычного трансформатора
Простой срок окупаемости составляет около 4.2 до 5.6 лет.
Общая экономия за 20 лет составляет $28,000 до $30,000 (базовая цена минус начальная цена покупки), что дает примерно $22,000 чистой прибыли за годы.
В случае использования устройства в районах с тарифами от $0.18 до $0.25 (некоторые страны Африки и Азии, а также части Европы), срок окупаемости будет сокращен до всего лишь 2-3 лет, и общая выгода, таким образом, превысит $40,000. В случае, если компании должны платить за углеродные компенсации или составлять систематические отчеты по ESG, случаи трансформаторов становятся еще более убедительными с точки зрения экономии.
Дизайн и конструкция аморфного сухого типа
Инженерный процесс сочетания аморфного сердечника с конструкцией сухого типа является интенсивным. Сборка осуществляется поэтапно, включая намотку сердечника ленты в конфигурацию с шагом и отжиг в магнитном поле для правильного выравнивания доменов. Затем сердечник зажимается с помощью мягких контактных пластин, чтобы избежать потерь энергии из-за механических напряжений. После этого наносятся изоляционные обмотки и проверяются на соответствие IEC 60076-11, который среди прочих испытаний включает испытание на частичное разряд, в котором отливной смоляной внутренний тип должен выдерживать менее 10 пК при 1.1 номинального напряжения.
Таким образом, можно получить огнестойкий трансформатор без масла, который имеет наименьшие потери в своей категории. Следует быть осторожным при использовании оборудования, так как транспортировка или процедуры установки могут повредить сердечник.
Аморфный против других конструкций трансформаторов
| Конструкция | Потеря в холостом режиме (1,000 кВА) | Первоначальная стоимость | Риск возгорания | Лучше всего для |
|---|---|---|---|---|
| Аморфный сухой тип | 800–1,100 Вт | Высокий | Низкий | Легкие нагрузки, внутри помещений, экологические проекты |
| Конвенционные сухие | 2,000–2,600 Вт | Средний | Низкий | Стандартное распределение внутри помещений |
| Аморфные погруженные в масло | 250–320 Вт | Средний | Более высокий (масло) | Коммунальные линии, на открытом воздухе |
| Конвенционные погруженные в масло | 600–700 Вт | Низкий | Более высокий (масло) | Распределение на открытом воздухе, минимальные капитальные затраты |
Хотя цена аморфных сухих трансформаторов высока, затраты, связанные с этой технологией в терминах потерь из-за риска возгорания, крайне низки. Она предлагает наименьшие возможные потери при обеспечении соблюдения строительных норм относительно установки. Следует отметить, что аморфные погруженные в масло трансформаторы достигают еще более низкого показателя, когда речь идет о потерях.
Где революция происходит первой
Самый быстрый рост использования трансформаторов происходит там, где трансформаторы остаются бездействующими на самые длительные периоды времени. Электрические компании занимаются заменой трансформаторов из кремниевой стали для использования в сельских или жилых линиях, где трансформаторы работают на 10-30 процентов от своей номинальной мощности, поскольку аморфные трансформаторы показывают наибыструю отдачу от инвестиций для коммунальных компаний. Среди пользователей аморфной технологии для трансформаторных систем в помещениях находятся центры обработки данных, которые работают круглосуточно и требуют, чтобы их PUE или эффективность использования энергии была как можно ниже. Действительно, склады с холодным хранением, склады и коммерческие офисные здания, где трансформаторы эффективно работают ночью, также находят, что использование этой технологии выгодно для них. Проекты возобновляемой энергии могут использовать их в сочетании с ветряными и солнечными установками, поскольку им необходимо использовать трансформационную технологию везде, где есть вероятность длительного простоя трансформатора.
Цены, срок окупаемости и общая стоимость владения
Аморфные сухие трансформаторы имеют наценку 20–40 процентов по сравнению с конвенциональными единицами. Указанные диапазоны FOB; цены варьируются в зависимости от спецификации, бренда и региона.
| Рейтинг | Конвенционный сухой | Аморфный сухой | Типичный срок окупаемости |
|---|---|---|---|
| 250 кВА | $6,500–$11,000 | $9,000–$15,000 | 4–6 лет |
| 400 кВА | $9,000–$16,000 | $12,000–$20,000 | 4–6 лет |
| 630 кВА | $13,000–$22,000 | $17,000–$28,000 | 3–5 лет |
| 1,000 кВА | $20,000–$38,000 | $25,000–$45,000 | 3–5 лет |
| 2,500 кВА | $45,000–$85,000 | $55,000–$95,000 | 2–4 года |
Поскольку процент наценки снижается с увеличением номинальной мощности, более крупные единицы достигают срока окупаемости быстрее. По общей стоимости владения аморфный сухой трансформатор почти всегда выигрывает при коэффициентах нагрузки ниже примерно 50–60 процентов — рабочей точки большинства реальных трансформаторов.
Кто их производит и как выбрать
| Бренд | Ассортимент аморфных сухих | Ценовая позиция | Примечания |
|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Аморфная распределительная линия | Премиум | Пионер технологии сердечников |
| ABB | Опции аморфного сердечника | Премиум | Глобальная сеть обслуживания |
| Сименс | Устройства, ориентированные на эффективность | Премиум | Сильные позиции в Европе |
| Schneider Electric | Портфель зеленой премии | Премиум | Сила документации ESG |
| Jiangsu Subian Electric Power | Серия SC(B) аморфных, 100–2,500 кВА | Ценность (25–40% ниже) | Документировано по IEC 60076-11 |
Лидерами отрасли в области аморфной технологии и инженерии являются Hitachi Energy, ABB, Siemens и Schneider Electric. Они конкурируют друг с другом на протяжении времени. Но когда мы говорим о критериях с точки зрения покупателя, это можно измерить. Это означает потери в холостом режиме, частичное разряд, класс изоляции и испытательный отчет. В настоящее время множество китайских производителей конкурируют с лучшими в этом отношении. Jiangsu Subian Electric Power производит продукцию типа SC(B) с номинальной мощностью от 100 до 2,500 kVA с обмотками из смолы, классом изоляции F, значениями потерь в холостом режиме 60–80% ниже, чем у кремнистой стали, и с доступной документацией в соответствии со стандартом IEC 60076-11. Для владельца склада, завода или дата-центра принятие этого решения больше не является проблемой.
Предостережения и контрольный список спецификаций
Запросите значение потерь в холостом режиме в стандартном испытательном отчете; оно должно быть на 60–80 процентов меньше, чем у сопоставимого каталожного номера кремнистой стали.
Обязательно укажите класс ленты (например, 2605SA1) и что сердечник имеет конструкцию с шаговым наложением и снятием напряжения.
Укажите пределы частичного разряда: утечка менее 10 pC при 1.1 × номинальном напряжении для отливки из смолы в соответствии с IEC 60076-11.
Соответствуйте классу изоляции (F = 100 K, H = 125 K) климатическим условиям.
Убедитесь в требованиях к обработке и транспортировке морем; следует учитывать, что аморфные сердечники чувствительны к напряжению.
Проверьте рентабельность проекта на основе тарифа и коэффициента нагрузки перед принятием решения.
Закажите сертификат о типовых испытаниях этой группы номиналов и о первом заказе, выполненном третьей стороной, если финансирование позволяет.
Часто задаваемые вопросы
Насколько эффективнее трансформатор из аморфного сплава?
Он снижает потери в холостом режиме на 60–80 процентов по сравнению с кремнистой сталью с ориентацией зерна. Аморфный сухой трансформатор мощностью 1,000 kVA имеет потери в холостом режиме около 800–1,100 W по сравнению с 2,000–2,600 W для обычного устройства — экономя 1,000–1,500 W непрерывно, что составляет 8,760–13,140 kWh в год.
Стоит ли аморфный трансформатор сухого типа своей более высокой цены?
Да, когда устройство работает под легкой нагрузкой в течение длительных периодов — что характерно для большинства трансформаторов. Премия составляет 20–40 процентов (примерно $6,000–$8,000 на единицу 1,000 kVA), а срок окупаемости составляет 3–5 лет по коммерческим тарифам, после чего экономия становится чистой прибылью, обычно $22,000+ за 20 лет. При высоких коэффициентах нагрузки, проведите расчеты перед покупкой.
Как долго служит аморфное сердечник?
Аморфный металл не стареет магнитно; низкоточные свойства сердечника остаются стабильными на протяжении всего срока службы трансформатора, обычно 20–30 лет для сухого типа. Реальные угрозы — механические — стресс или грубая обработка — а не старение, поэтому правильная упаковка и обращение имеют значение.
Доступны ли аморфные трансформаторы сухого типа для экспорта?
Да. Аморфные трансформаторы сухого типа от китайских производителей, включая серию SC(B) от Jiangsu Subian Electric Power, экспортируются по всему миру с документацией IEC 60076-11, отчетами о рутинных испытаниях и сроками поставки 25–45 дней для стандартных номиналов. Ожидайте, что придется заплатить аморфную премию сверх стандартных цен на экспорт сухого типа.
Можно ли отремонтировать аморфные трансформаторы на месте?
Обмотки могут быть отремонтированы или заменены заводом или квалифицированной мастерской, но замена сердечника сложна и редко экономически целесообразна, поскольку лента должна быть перемотана и повторно отожжена с контролем напряжения. Рассматривайте сердечник как запечатанный компонент, защищайте его во время обработки, и вам редко придется проверять этот предел.
Ссылки
- IEC 60076-11: Сухие силовые трансформаторы — Стандарт, регулирующий проектирование сухого типа, классы изоляции и испытания, включая пределы PD.
- IEC 60076-1: Силовые трансформаторы — Общие сведения — Стандарт сердечника для определения потерь, допусков и испытаний.
- Стандарты трансформаторов распределения Министерства энергетики США — Официальные нормы эффективности, которые делают аморфные сердечники экономически необходимыми в Северной Америке.
- IEEE — Издатель технических стандартов и литературы по технологии аморфных сердечников и потерям трансформаторов.
- NEMA — Орган по стандартам Северной Америки, отслеживающий классы эффективности трансформаторов.
- Трансформаторы Hitachi Energy — Справочник производителя по технологии трансформаторов с аморфным сердечником.
- Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd. — Производитель аморфных трансформаторов сухого типа (серия SC(B)) с документацией IEC 60076-11.
Заключение
Аморфный сплавный трансформатор сухого типа является самым значительным достижением в области эффективности распределительных трансформаторов за последние десятилетия, поскольку он борется с потерями, которые происходят 24/7: потерями без нагрузки. Сократив их на 60–80 процентов, единица мощностью 1,000 kVA экономит более 11,000 кВтч и более $1,400 в год по типичным коммерческим тарифам — с окупаемостью за 3–5 лет и чистой экономией выше $20,000 за 20-летний срок службы. Для оператора холодного хранения, коммунального предприятия, дата-центра или здания с зеленой сертификацией, эта технология превращает невидимые потери в видимую прибыль. Спецификация проста: требуйте сертификат потерь без нагрузки, значение PD и отчет о типовых испытаниях. Затем сравните сертифицированных поставщиков, от премиум-брендов до лидеров по стоимости, таких как Jiangsu Subian Electric Power, и пусть математика окупаемости примет решение за вас.