Зменшення втрат у трансформаторному залозі

    Трансформатори є невід'ємним елементом енергосистеми. Парметри трансформатора визначаються парметрами обмоткок, параметрами сердечника і параметрами охолодження. Конструкційні та інші аспекти у цій статті не розглядатимуться. Про це можна почитати у статтях Тут мова піде про матеріал сердечника трансформатора, а саме про його молекулярну будову.

    Відомо, що краще залізні сердечники намагнічуються, тим менше енергії вони втрачають і тим ефективніше вони працюють. Дослідники з інституту Пола Шерера (Швейцарія) знайшли спосіб заглянути всередину залізного сердечника трансформатора. Йдеться про новаторський метод нейтронної інтерферометрії, розробленої в PSI. Це відкриває можливість спостереження магнітних доменів у процесі , як вони утворюють магнітні поля всередині залізного сердечника. Це важливий крок на шляху до розуміння того, як трансформатори працюють сьогодні та у розробці більш ефективних моделей трансформаторів у майбутньому. Не в останню чергу тому, що ЄС встановив нові цілі щодо підвищення енергоефективності у цій галузі. Дослідники повідомили про свої результати у двох дослідженнях, опублікованих в останньому випуску журналу Physical Review.

 

  Трансформатори є незамінним елементом в енергосистемі: на підстанціях вони перетворюють напругу від низького до високого, так що електрика може поширюватися на великі відстані по високовольтних лініях електропередач, не витрачаючи багато енергії. На іншому кінці лінії електропередачі високої напруги, трансформатори зменшують напругу так, що електрика може бути підведена до побутових споживачів 230 вольт.

 

  Тим не менш, залишається місце для покращення становища у цій галузі. Два нових дослідження командою вчених під керівництвом Крістіана Грюйзвега в PSI, проведених шляхом штучного моделювання, показують крихітні магнітні структури всередині трансформатора під час його роботи. Отримані результати сприятимуть нашому розумінню того, як функціонують сьогодні трансформатори та допомогти у розробці ефективніших моделей у майбутньому.

 

"Сердечник з магнітного заліза у формі кільця трансформатора є основним елементом, необхідним для перетворення напруги," пояснює Грюйзвег. Крихітні магнітні домени в межах активної зони відіграють істотну роль у цьому процесі. Магнітна орієнтація всередині кожного домену є рівномірною. Експерти називають межі між цими доменами-стінками. Якщо залізний осердя намагнічується, це призводить до переорієнтації у всіх доменах в одному напрямку на мікроскопічному рівні. Іншими словами, доменні стіни зникають.

 

"Вирішальним фактором для ефективного функціонування трансформатора є мобільність доменної стінки," каже Бенедикту Бец, перший автор обох досліджень та докторант у команді PSI. Це відбувається тому, що наші силові лінії несуть змінний струм із частотою 50 Гц. В результаті, залізний сердечник трансформатора є повторно намагнічений 100 разів на секунду, будучи повторно поляризована з півночі на південь і назад у швидкій послідовності. Домени, отже, відкидає назад і вперед: чим більша їх гнучкість, тим краще трансформатор виконує.

 

PSI технологія виглядає всередині трансформаторів

 

Методи, доступні досі дозволено лише опосередковане спостереження поведінкою доменної стінки. Решітка інтерферометрії нейтронів, розроблена Christian Grünzweig в PSI десять років тому в рамках своєї докторської дисертації в даний час дозволяє прямий візуалізації доменних стінок. "Ви можете думати про домени як садові ділянки, відокремлені один від одного парканами," каже Grünzweig. «Використання нейтронних ґрат інтерферометрії, тепер ми можемо побачити ці паркани-то є доменні стінки, а не сад самих ділянок.» У зображеннях вченого, отриманих методом нейтронних ґрат інтерферометрії,, доменні стінки з'являються у вигляді чорних ліній.

 

У дослідженні, проведеному під керівництвом Бенедиктом Беца, команда Grünzweig досліджувала те, що відбувається, коли трансформатор підключений до постійного струму, який спочатку збільшується, а потім знову знизився. У міру зростання напруги чорні лінії зникли, показуючи, що залізний сердечник був рівномірно намагнічені в одному напрямку. Тільки цьому стані робить напруга переносу ядра заліза ефективно. Після того, як напруга була згодом зменшена, лінії — і доменні стінки, які вони представляють, знову з'явилися. Це перше дослідження, послужили основою подальших досліджень.

 

У другому дослідженні дослідники імітували більш реалістичний сценарій, застосовуючи змінний струм. При зміні напруги та частоти змінного струму, вони виявили, що існують певні граничні значення кожного з цих параметрів, за якими доменні стінки зникли або з'явилися замерзати.

 

Розробка ефективних трансформаторів

 

"Ці ідеї не призводять безпосередньо до покращення трансформаторів", визнає Крістіан Grünzweig. "Те, що ми робимо, пропонуючи науки і промисловості новий метод дослідження." І коли він прийшов якраз у потрібний момент. Починаючи з минулого року Директива Екодизайн ЄС, яку Швейцарія також погодилися здійснити, закликав енергетичний сектор для підвищення продуктивності трансформатора. До цих пір розробка трансформаторів була більш-менш на основі спроб і помилок: чому новий трансформатор функціонує краще, ніж стара версія ніколи не була зрозуміла. Ця нова, більш точна інформація про магнітні процеси, що відбуваються в межах ядра заліза, тепер дозволить більш цілеспрямовану оптимізацію трансформаторів.

 

Потенціал для покращення величезний. За оцінками, великі розподільні трансформатори втрачають близько 38 терават-годин вартістю енергії щорічно на всій території ЄС — понад половину річного споживання енергії Швейцарії. Підвищення ефективності трансформатора шляхом навіть кілька відсотків призвело б до економії прирівнюючи до виробництва електроенергії кількох електростанцій.

Всього коментарів: 0