151734 (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 Р_1,7/50 =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 Р_1,7/50 = 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.