Исследование характеристик потерь в сердечнике низкочастотных трансформаторов в системах морской ветроэнергетики

Китай обладает богатыми ресурсами морской ветроэнергетики, при этом морская ветроэнергетика имеет такие преимущества, как высокая эффективность эксплуатации, меньшая дальность передачи электроэнергии, централизованное потребление и минимальное использование земельных ресурсов. В рамках глобальных целей «двойного углерода» морская ветроэнергетика призвана стать одним из ключевых направлений развития возобновляемой энергетики Китая.

Однако рабочая частота систем морской ветроэнергетики сравнительно низка, что снижает импеданс линии электропередачи и значительно повышает пропускную способность по передаче мощности. По сравнению с наземной ветроэнергетикой морские системы эксплуатируются в более суровых условиях и сталкиваются с такими проблемами, как высокая влажность, экстремальные температуры, образование плесени и коррозия под воздействием соляного тумана. Эти условия приводят к росту затрат на техническое обслуживание и ремонт, поэтому критически важным становится выбор подходящих материалов для трансформатора.

Являясь основным оборудованием систем передачи и распределения электроэнергии, трансформаторы играют ключевую роль в проектах морской ветроэнергетики. Сердечники трансформаторов обычно изготавливаются из шихтованной электротехнической стали, свойства которой — такие как электропроводность, магнитная проницаемость, потери в сердечнике и магнитная индукция — изменяются в зависимости от температуры и частоты. Эти изменения напрямую влияют на эксплуатационную эффективность трансформатора. Следовательно, выбор подходящих материалов трансформатора имеет решающее значение для применений в морской ветроэнергетике. Для исследования общих закономерностей потерь трансформатора в условиях низких частот и низких температур в системах морской ветроэнергетики группа исследователей под руководством Ли Сяна (Li Xiang) из Шанхайского университета электроэнергетики провела углубленное исследование. Работа была поддержана Национальной ключевой программой научных исследований и разработок (2021YFB2401100) и научно-техническим проектом Государственной электросетевой корпорации Китая.

1. Изменение магнитных свойств листов электротехнической стали при различных температурах и частотах при низкочастотном возбуждении

Исследователи использовали испытания в аппарате Эпштейна и конечно-элементный анализ для измерения магнитных свойств листов электротехнической стали. Они оценили кривые намагничивания и потерь листов электротехнической стали при различных температурах (-40°C, 0°C, 23°C, 40°C, 80°C) и частотах (50 Hz и 20 Hz).

Полученные результаты свидетельствуют:

Напряженность магнитного поля, соответствующая магнитному насыщению, возрастает с повышением температуры. Однако при одинаковой напряженности магнитного поля магнитная индукция снижается с ростом температуры. В ненасыщенном состоянии изменения температуры оказывают сравнительно незначительное влияние на характеристики намагничивания.

Удельные потери в сердечнике листов электротехнической стали зависят от рабочей частоты сердечника трансформатора, магнитной индукции и температуры. С повышением температуры удельные потери в сердечнике постепенно снижаются, причем температурная зависимость наиболее выражена при магнитной индукции от 1.25 T до 1.75 T.

2. Изменение потерь трансформатора при различных температурах и частотах

С использованием метода конечных элементов исследователи смоделировали соотношение потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи в трансформаторах при различных рабочих частотах и температурах. Дополнительные (паразитные) потери в данном исследовании не учитывались: внимание уделялось исключительно долям потерь на гистерезис.

Результаты показывают:

На промышленной частоте 50 Hz потери на гистерезис составляют основную долю потерь холостого хода в сердечнике из листов электротехнической стали. На более низкой частоте 20 Hz доля потерь на гистерезис снижается.

Доля потерь на гистерезис уменьшается с повышением температуры.

На низкой частоте 20 Hz доли потерь на гистерезис в большей степени подвержены влиянию изменений температуры по сравнению с более высокими частотами.

Данное исследование дает важное представление о механизмах потерь в трансформаторах в условиях низких частот и низких температур и служит руководством по снижению потерь трансформаторов и оптимизации будущих конструкций для систем морской ветроэнергетики.