Скачать

Современные конструкции и особенности силовых трансформаторов распределительных электрических сетей

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.

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.

Технико-экономические показатели проектируемых трансформаторов

В результате проведенной с применением ФСА работы выявлены проблемы, намечены технические решения и мероприятия, которые позволят снизить затраты h а производство и эксплуатацию распределительных трансформаторов I-II габаритов.

По срокам внедрения технических решении можно выделить три этапа

Первый этап предложения и рекомендации, имеющие базу внедрения и предварительную конструкторскую проработку. В основном они связаны с модернизацией отдельных узлов и деталей.

К мероприятиям этого этапа относятся: внедрение раскроя трансформаторной стали с применением ЭВМ, а также водорастворимых эмалей, изменение конструкции вволок и переключателя, применение стали 3407 вместо 3405, отказ от термометров. Экономия oт вышеперечисленных мероприятий: трансформаторной стали-130 т, алюминиевого литья - 35 т, лесоматериалов 4 т, лакокрасочных материалов 15т. Снижение себестоимости выпускаемых трансформаторов составит 800 тыс. р.

Второй этап - это предложения и мероприятия на ближайшую перспективу, для которых имеются принципиальные технические решения. Их внедрение охватывает всю серию, требует проведения опытно-конструкторских работ.

К мероприятиям этого этапа относятся: внедрение герметизированной серии, не требующей обслуживания в эксплуатации, с учетом реальных требований эксплуатации, с учетом реальных требований эксплуатации (выбор Р_х.х. и Р_к.з. с учетом характера нагрузок), разработка методики выбора трансформаторов, уточнение нормативов стоимости потерь, обоснование схемы соединения обмотки. Ориентировочные сроки внедрения – 1986-1989 гг. Экономия трансформаторной стали составит 600 т, трансформаторного масла 950 т. Затраты потребителя на обслуживание снизятся на 90%. Годовой экономический эффект в народном хозяйстве составит 4,5 млн р.

Третий этап предложения на отдаленную перспективу (до 2000 г.), существенно затрагивающее технологию и конструкцию, требующие теоретических и экспериментальных исследований. К ним можно отнести поисковую работу по созданию конструкции и технологии витых разрезных магнитопроводов, применение аморфных сталей |1, 2|

Зарубежные достижения в области распределительных трансформаторов

Распределительные трансформаторы напряжением 10 кВ мощностью до 630 кВ · А выпускаются многими фирмами стран Западной Европы, США и Японии. Наиболее высокие технические характеристики имеют распределительные трансформаторы фирм Trafo-Union (ФРГ), Stromberg (Финляндия), Transunel (Франция), Brush (Великобритания).

Конструктивные особенности основных узлов трансформаторов

Конструкторские решения, принятые передовыми зарубежными фирмами, заключаются в следующем. Магнитопровод - планарный, ступенчатый, с косыми стыками во всех углах из холоднокатаной рулонной стали типаHi-B с удельными потерями при Р_1,5/50 = 0,8-0,9 Вт/кг.

Усовершенствованием в области конструктивного исполнения магнитопровода является решение, примененное фирмой Trafo - Union в серии трансформаторов Tumetik. Оно сводится к использованию прямоугольного бесступенчатого сечения ярма и стержня, что позволило, не изменяя технических параметров, на 25 -30% снизить трудозатраты при изготовлении трансформатора и на 3- 6% массу магнитопровода за счет уменьшения межосевого расстояния.

Передовые европейские фирмы для распределительных трансформаторов используют только планарные шихтованные магнитопроводы с косыми стыками во всех углах. Фирмы идут по пути применения более высококачественной трансформаторной стали и снижения производственных затрат при изготовлении магнитопроводов, используя высокоавтоматизированные линии по производству пластин, шихтовке магнитопроводов (без верхнего ярма). Основным производителем этих линий является фирма Georg (ФРГ).

Фирмы General Electric, Westinghouse (США), Matsuchita (Япония) применяют витые разрезные планарные магнитопроводы с различным исполнением зоны стыка. Трансформаторы фирмы Westinghouse выполнены по Т-образной схеме (Скотта). Схема зоны стыка – «пластина в пластину». Схема шихтовки запатентована фирмой. Благодаря ей снижается плотность потока индукции в области стыка, а также на 10 -15% потери холостого хода. Трансформаторы фирмы собираются из двух однофазных броневых трансформаторов.

Фирмы Японии применяют разрезные витые магнитопроводы с резом по типу трансформаторов малой мощности (серия ОСМ) с травлением и полировкой зоны стыка Технологическое оборудование, применяемое фирмами США, разработано и изготовлено фирмой Georg.

По расходу активных материалов трансформаторы Т-образной схемы уступают трехфазной планарной шихтованной конструкции. При одинаковом уровне Р_х.х. , Р_К,З, трансформаторы Т-образной схемы проигрывают 18 -25% массы активных материалов.

Материал обмоток медный и алюминиевый провод круглого и прямоугольного сечения. Изоляция провода для малых мощностей — эмаль, для больших - кабельная бумага

В обмотках низкого напряжения для мощностей более 250 кВ · А применяется алюминиевая лента. Использование ленты позволило решить проблему изготовления прямоугольной обмотки, улучшить ее электрическую прочность, снизить производственные затраты. Для решения проблемы динамической стойкости катушек прямоугольной формы в качестве межслоевой изоляции применена кабельная бумага с двухсторонним ромбовидным клеющим покрытием. Покрытие окончательно полимеризуется в процессе сушки трансформатора, обмотка становится монолитной и динамически устойчивой.

Для трансформаторов мощностью менее 250 кВ · А применение ленты нецелесообразно, так как необходима межслоевая изоляция тоньше 0,08 мм. Использование изоляции 2х0,08 мм значительно снижает коэффициент заполнения катушки. Применение синтетических пленок ограничено из-за высокой стоимости.

Современным направлением в конструкции бака является использование гофрированных стенок из тонколистовою (1,0 - 1,2 мм) металла. Применение гофр позволило создать компактный трансформатор с полным заполнением бака маслом герметичного исполнения. Изменение температурных колебаний масла компенсируется эластичностью гофр. Гарантируется нормальная работа трансформатора при всевозможных перегрузках.

Преимущества герметичных трансформаторов с полным заполнением:

· герметизация масла позволяет отказаться от контроля за ним в процессе эксплуатации;

· отсутствие контакта масла с окружающей средой увеличивает срок службы изоляции трансформатора;

· не требуются расширители, и в результате уменьшается высота трансформатора.

Эти преимущества позволяют значительно снизить затраты при эксплуатации распределительных трансформаторов.

Регулировка осуществляется на стороне высокого напряжения. Диапазон регулирования ±5%. Имеется конструкция, позволяющая осуществить перевод трансформатора на другое напряжение. Например, фирма Trafo-Union предлагает трансформаторы с переключением напряжения с 10 на 20 кВ. Основные группы соединений для мощностей до 250 кВ · А - Y/Z - 5, до 630 кВ · А Δ /Y-5, т.е. применяются схемы, имеющие сопротивление нулевой последовательности меньше, чем у трансформаторов со схемой «звезда». Такие схемы при неравномерной нагрузке фаз (что часто бывает в низковольтных сетях) обеспечивают лучший режим за счет снижения величины смещения нейтрали (напряжения нулевой последовательности).

Наряду с обычным исполнением трансформаторов с фарфоровыми изоляторами ВН и НН зарубежные фирмы расширяют выпуск трансформаторов для подсоединения кабелей с так называемыми штекерными (втычными) контактами на стороне высшего напряжения. Эта конструкция обеспечивает быстрое и безопасное присоединение кабелей. Трансформаторы предназначены для устройств с ограниченным пространством (например, для подземных подстанций).

Технические характеристики трансформаторов зарубежных фирм

Минимальная мощность трехфазных распределительных трансформаторов при анализе каталогов фирм ASEA (Швеция), Trafo-Union (ФРГ), Transimel (Франция) составляет 50 кВ·А. Трансформаторы мощностью 25 кВ·А ни одна из фирм не выпускает. Фирмы выпускают трансформаторы мощностью (50)*, (75), 100 (125), 160 (200), 250 (315), 400 (500), 630 кВ·А. Технические данные трансформаторов мощностью 250 кВ·А различных фирм приведены в табл. 1.

Таблица 1