Современные конструкции и особенности силовых трансформаторов распределительных электрических сетей

Министерство образования республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Факультет Энергетический

Кафедра «Электрические системы»

Реферат

по дисциплине Современные технологии передачи и распределения электроэнергии

Тема: Современные конструкции и особенности силовых трансформаторов распределительных электрических сетей

Исполнитель:

Магистрант Мейндино Траст Меремубио

кафедры Электрические системы

специальности 1-43 80 01 «Энергетика»

Руководитель:

д.т.н., профессор Фурсанов М.И.

Минск 2011

Введение

Распределительные трансформаторы мощностью 25—630 кВ ∙ А напряжением 6 - 10 кВ - наиболее массовая серия ид производимых и эксплуатируемых трансформаторов в СССР. Объем их составляет более 3 млн шт. с установленной мощностью более 350 млн кВ ∙ А. Производство и эксплуатация этих трансформаторов требует значительных материальных и трудовых затрат, любое снижение затрат дает существенную экономию в народном хозяйстве. Так, ежегодно затраты на обслуживание одного распределительного трансформатора традиционной конструкции составляют 7-8% от его первоначальной стоимости Па возмещение потерь холостого хода расходуется 260 р./кВт в год короткого замыкания — 44 р./кВт в год.

В целом от потерь в магнитопроводах теряется 4% производимой в стране электроэнергии, причем значительная часть потерь приходится на распределительные трансформаторы.

Снижение затрат на производство и эксплуатацию трансформаторов является основной задачей изготовителей, для решения которой необходимо:

·            снизить расход активных материалов при использовании наиболее эффективной магнитной системы;

·            снизить материалоемкость при применении гофрированных баков;

·            повысить надежность трансформаторов;

·            исследовать реальные условия эксплуатации трансформаторов;

·            привести в соответствие реальные условия эксплуатации и технические требования на изделие.

Для решения этих вопросов выбран метод функционально-стоимостного анализа.

Разработка отечественных трансформаторов массовых серий

Технические требования к трансформаторам новых серий и основные критерии при их разработке

Проектирование и модернизация трансформаторов осуществляются на базе предварительно установленных технических требований, выполнение которых обеспечивает реализацию внешних функций, определяющих стоимость трансформатора и качественные показатели. В настоящее время далеко не все технические требования к трансформаторному оборудованию имеют технико-экономическое обоснование. Вследствие этого материальные и трудовые затраты, заложенные в конструкцию, используются не в полной мере.

В некоторых случаях недостаток отдельных функциональных ресурсов приводит к значительным дополнительным затратам в народном хозяйстве.

Анализ соответствия номенклатуры и уровня внешних функций разрабатываемого трансформатора условиям эксплуатации позволяет выбрать оптимальную модель внешних функций изделия по критерию минимума приведенных затрат на производство и эксплуатацию. Анализ фактического использования технических параметров и стоимостная оценка эксплуатационных показателей с учетом перспективы развития электроэнергетики дают возможность экономически обосновать новые или измененные технические требования потребителей.

Технико-экономическое обоснование требований производится для выпускаемых изделий и при проектировании новых. Однако наибольший эффект достигается при выполнении исследований на предпроектной стадии, так как на этом этапе можно достичь наиболее полного соответствия функциональных ресурсов трансформатора реальным технико- экономическим условиям эксплуатации при учете производственных проблем. Работы на стадии проекта проводятся по двум основным направлениям:

1.        Анализ, обоснование и разработка требований к техническим и эксплуатационным характеристикам трансформаторов. На этом этапе проводятся с привлечением эксплутационных организаций исследования перспективных графиков нагрузок изделии по различным потребителям, выбираются основные потребители, определяются нормативы стоимости потерь холостого хода и короткого замыкания, аварийность и ее причины в процессе эксплуатации;

2.        Проработка и выбор оптимальных вариантов с целью удовлетворения требований заказчиков и минимизации затрат при изготовлении трансформаторов.

Этот этап направлен на разработку oптимальных вариантов с учетом рекомендаций первою этапа и поиском новых конструктивных и технологических решений, обеспечивающих возможность снижения расхода активных материалов при использовании различных конструкций магнитных систем, технических решений, направленных на повышение надежности трансформаторов и коэффициента использования материалов

В СССР накоплен значительный опыт по разработке и производству распределительных трансформаторов, обеспечивающих максимально возможный народнохозяйственный эффект и экономию потребления электроэнергии

За последние 10 лет потери холостого хода трансформаторов снижены на 37% за счет применения нее улучшающейся электротехнической стали и конструктивных совершенствований трансформаторов.

Новая серия трансформаторов мощностью 25—400 кВ ∙ А напряжением 6 - 10 кВ позволит существенно поднять технический уровень трансформаторов, добиться дальнейшего увеличения КПД, снижения расхода материальных и энергетических ресурсов.

Проектирование серии базируется на применении высококачественных материалов, современных конструкторских и технологических решениях и оптимизационных расчетах с использованием ЭВМ

Цель автоматизации проектирования определение и исследование областей допустимых и оптимальных параметров трансформаторов при различных формулировках задач проектирования и типов ограничений.

Выбор оптимальных вариантов конструкции и параметров трансформаторов производится, как правило, по критерию минимума народнохозяйственных затрат. В случае необходимости возможна оптимизация с применением многокритериальной оценки оптимальности

Система предусматривает поиск в области любого сочетания параметров из определенного набора варьируемых переменных. Основными варьируемыми параметрами являются диаметр стержня магнитной системы, плотность тока в обмотках и др.

Математическое обеспечение позволяет учитывать различные конструктивные, технологические, функциональные и экономические ограничения на параметры трансформаторов: перегрев обмоток и верхних слоев масла, ток и потерн холостою хода и короткого замыкания, суммарные потери, массу активных материалов, издержки потребителя при эксплуатации и т.д.

Для системы разработан язык описания конструкции, исходных данных, варьируемых параметров и критериев оптимизации. Он построен на основе естественного языка конструктора, что значительно облегчает проектировщику общение с машиной Математическое обеспечение представляет собой комплекс пакетов прикладных программ на Фортране-IV и Ассемблер, работающих под управлением операционной системы ДОС. ЕС ЭВМ.

Конструктивные особенности основных узлов трансформаторов

В новой серии принципиальные изменения, позволившие улучшить потребительские свойства трансформаторов и снизить затраты на их изготовление, связаны с магнитопроводом, обмотками и внешней металлоконструкцией.

Магнитопровод является основным узлом трансформатора, который определяет затраты электрической энергии на компенсацию потерь в трансформаторе, а также массу и габаритные размеры изделий, что в конечном итоге связано с расходом материальных ресурсов

В настоящее время металлургическая промышленность для трансформаторостроителей поставляет рулонную анизотропную сталь толщиной 0,3 мм с удельными потерями Р1,7/50 =1,35 -1,40 (марка 3405) и 1,25-1,3 Вт/кг (3406) и магнитной индукцией В100 = 1,61-1,65 Тл. Широко применяется высокопроницаемая сталь (типа Hi = В) с удельными потерями Р1,7/50 = 1,15-1,20 Вт/кг при толщине 0,3 мм.

Металлурги, идя навстречу возрастающим требованиям,ставят перед собой задачи:

·            снизить удельные потери стали и довести их до Р = 1,00—1,05 Вт/кг при индукции 1,7 Тл и толщине стали 0,30-0,35 мм при повышении магнитной индукции В100 до 1,74 1,76 Тл;

·            обеспечить выпуск трансформаторной стали с малой магнитострикцией для снижения уровни шума трансформаторов;

·            повысить пластичность металла и электроизоляционного покрытия их стали дли использовании в витых магнитопроводах и разработать магнитно-активные покрытия с высокой жаростойкостью (до 900 - 950 ° С) в инертных средах и на воздухе.

Улучшение свойств трансформаторных сталей имеет важное значение для энергетических характеристик трансформаторов. Правильно и оптимально использовать достижения металлургов это задача, которая стоит перед проектировщиками в процессе конструирования магнитопроводов.

Проведенные исследования с применением различных марок трансформаторной стали показали, что в планарном магнитопроводе с традиционным углом стыковки пластин, близким к 45° , значительное уменьшение удельных потерь в самой стали не дает ожидаемою результата по снижению потерь холостого хода в трансформаторах.

Коэффициенты увеличения потерь колеблются в пределах от 1,37 до 1,58 и имеют тенденцию к росту с повышением магнитной проницаемости. Это объясняется тем, что в традиционно используемых магнитопроводах с косым стыком невозможно добиться того, чтобы направление магнитного потока и направление проката во всех частях магнитопровода совпадали, что вызывает непредвиденно большие добавочные потери.

Наибольший эффект дает применение высокопроницаемой анизотропной стали в трансформаторах с использованием витой пространственной конструкции магнитопровода и рабочей индукцией более 1,6 Тл. Особенностью этой конструкции является то, что магнитный поток всегда совпадает с направлением проката и поэтому не наблюдается возрастание коэффициента увеличения потерь холостою хода при использовании элекгротехнических сталей с уменьшенными удельными потерями. В готовом магнитопроводе коэффициент увеличения потерь равен 1,33-1,35, и он не зависит от характеристик применяемой трансформаторной стали.

В витой пространственной конструкции магнитопровода обмотки располагаются на двух полустержнях независимых элементов и нет перехода магнитного потока из одной половины сечения в другую. Поэтому магнитный режим магнитопровода характеризуется наличием гармоник, кратных трем, в потоках элементов и отсутствием этих гармоник в напряженности поля и токе холостою хода. Появление третьей гармоники в магнитном потоке и приводит к росту потерь холостого хода готового магнитопровода, состоящего из трех cocтыкованных в трехфазную группу элементов. Теоретические расчеты коэффициента увеличения потерь подтверждены экспериментальными исследованиями.

Так как на коэффициент увеличения потерь в витом магнитопроводе практически не оказывает влияния изменение магнитных характеристик исходной электротехнической стали, можно сделать вывод, что применение высококачественных сталей типа Hi-В наиболее эффективно в магнитопроводах.

При разработке новой серии трансформаторов проанализированы достоинства и недостатки всех вариантов планарных и витых магнитопроводов и принято решение до стадии техническою проекта разработку вести на том и другом варианте магнитопровода.

В качестве основного материала для магнитной системы выбрана холоднокатаная электротехническая сталь с жаростойким покрытием толщиной 0,28 - 0,30 мм с удельными потерями не хуже Р 1,7/50 =1,20 Вт/кг (марка 3407)

Технический процесс изготовления витого пространственного магнитопровода пока отработан только на Минском электротехническом заводе имени В.П. Козлова. В настоящее время с целью улучшения технологичности конструкции и повышения ремонтоспособности трансформатора на заводе проводятся работы по разъемному витому магнитопроводу. Получены удовлетворительные результаты испытаний макетных образцов, что позволяет надеяться на дальнейшее снижение массы магнитопровода, а следовательно, и потерь холостого хода трансформаторов.

Принципиально новым в созданной серии является то, что трансформаторы выполнены герметичными. Эта серия обеспечивает снижение эксплуатационных издержек в результате исключения обслуживания, ремонтов и годовых эксплуатационных издержек вследствие уменьшения потерь электроэнергии, вызванных отказами трансформаторов и их простоями.

Разработанная конструкция обеспечивает повышенную надежность за счет:

·            отсутствия в трансформаторах новой серии контакта масла с окружающей средой. Это значительно улучшает условия эксплуатации масла, исключает ею увлажнение, окисление и шлакообразование и, как следствие, позволяет полностью отказаться oт ухода за маслом в процессе эксплуатации;

·            применения глубокого вакуума при заливке трансформатора, что увеличивает надежность работы его изоляции в течение всего срока службы;

·            использования новой конструкции и материала уплотнения между крышкой и баком, обеспечивающего гарантированную равномерную затяжку резины по всему периметру, новой технологии испытания баков, жидкостью с люминофором;

·            использования новой технологии подготовки и окраски баков методом струйного облива, новой водорастворимой эмали, обеспечивающей окрасочный слой повышенной долговечности;

·            применения неразъемных контактных соединений в активной части, выполненных методом холодной сварки;

·            использования новой конструкции переключателя ответвлений, исключающей вывод трансформатора из строя при неправильных действиях обслуживающего персонала;

·            применения для сварки гофр автоматической плазменной сварочной установки, повышающей маслоплотность сварного соединения.

Проведенные исследования показали высокую эксплуатационную надежность герметичных трансформаторов с гофрированными баками Создание и производство герметичных распределительных трансформаторов мощностью до 630 кВ ∙ А , помещенных в баки с гофрированными стенками и не имеющих свободного пространства для газовой подушки, т.е. с полным заполнением бака жидким диэлектриком основное направление в развитии современных распределительных трансформаторов.

Одной из задач создания герметичных трансформаторов является снижение эксплуатационных затрат за счет отказа от периодических ревизий, регенерации и замены масла и необходимости в капитальном ремонте и течение всею срока службы.

При такой постановке задачи возникает проблема оптимального выбора размера бака, количества и размеров гофр, способных отвести выделяемое тепло и не допускающих возникновения механических напряжений, опасных для бака во всех экстремальных режимах.

Трансформаторное масло проявляет свойства механической несжимаемости. Поэтому температурное расширение деталей и масла в процессе работы трансформатора должно компенсироваться температурным и механическим расширителем оболочки.

Отсюда следует, что чем меньше жесткость оболочки, тем легче она компенсирует изменение внутреннего объема. Напрашивается вывод об уменьшении толщины оболочки как эффективного способа снижении цилиндрической жесткости. Однако оболочка должна выполнять функции корпуса и обладать достаточной прочностью для удержания трансформаторного масла в баке, а повышение прочности требует увеличения толщины оболочки. Поэтому соотношение прочности и жесткости с учетом теплового и экономического расчета являются основными успениями оптимизации параметров оболочки. Проведены необходимые расчеты и исследования, позволяющие выбрать правильные конструкторские и технологические решения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5