Мощные силовые трансформаторы. Оптимальный проектный синтез и исследование Чайковский Владимир Павлович

Содержание к диссертации

Введение

I. Постановка задачи проектного синтеза оптимального трансформатора и анализ путей ее решения на ЭВМ .. 12

2.Математические модем силового трансформатора и их функциональный анализ 23

2.1. Объекты и цели функционального анализа 24

2.2. Обобщенная математическая модель силового трансформатора 25

2.3. Функциональный анализ критериев "народнохозяйственные затраты" и "стоимость активной части" 38

2.4. Ограничения и их функциональный анализ 53

3. Вопросы оптимизации обмоток мощных силовых трансформаторов 69

3.1. Общие положения 69

3.2. Состояние вопроса 71

3.3. Частные критерии, математические модели обмоток и их функциональный анализ 73

3.4. Оптимизация концевой зоны непрерывных катушечных (переплетенных) обмоток 84

3.5. Оценка добавочных потерь при оптимизации обмоток 87

3.6. Алгоритм оптимизации концевой части обмотки. 93

3.7. Определение оптимальных значений управляемых переменных обмоток при условной оптимизации. 98

4. Проектный синтез оптимальных силовых трансфор маторов на ЭВМ на основе задачи .. 104

4.1. Общие положения 104

4.2. Описание конструкций магнитопроводов, обмоток и типов проводов, охватываемых разработанным алгоритмом 108

4.3. Безусловная оптимизация. Определение начальных значений управляемых переменных.. 111

4.4. Предварительная проектная оптимизация ти-поисполнений трансформаторов с учетом железнодорожных ограничений 116

4.5. Детальная оптимизация обмоток с разбивкой на зоны 121

4.6. Детальные расчеты узлов трансформатора 124

4.7. Организация диалогового процесса оптимизации 124

5. Проектные исследования силовых и специальных трансформаторов 127

5.1. Исследование некоторых направлений повы шения единичной мощности силовых трансфор маторов для электропередачи постоянного тока 127

5.2. Исследование блочных силовых трансформаторов класса напряжения 220 кВ 139

5.3. Исследование вопросов экономической устойчивости (на примере блочных силовых трансформаторов) 147

5.4. Экономическая плотность тока и анализ факторов, определяющих ее величину 152

Заключение 155

Литература 158

Приложение

• Обобщенная математическая модель силового трансформатора
• Частные критерии, математические модели обмоток и их функциональный анализ
• Описание конструкций магнитопроводов, обмоток и типов проводов, охватываемых разработанным алгоритмом
• Исследование блочных силовых трансформаторов класса напряжения 220 кВ

Введение к работе

Планами на текущее пятилетие предусмотрено освоение производства турбогенераторов мощностью 1000-1200 МВт, гидрогенераторов - 640 МВт, комплексов высоковольтного оборудования для линий электропередачи постоянного тока напряжением до 1500 кВ и переменного тока напряжением до 1150 кВ. Это обуславливает освоение производства трансформаторов в приемлемых железнодорожных габаритах единичных мощностей 1250-1600 MB.А на напряжения 330, 500 и 750 кВ, автотрансформаторов групповой мощностью до 2000 MB.А и напряжением до 1150 кВ, трансформаторов для преобразовательных подстанций единичной мощностью 320 и 500 MB.А и классами напряжений переменного тока 500, 750, 1150 кВ и постоянного тока +750 кВ и выше. Ставится задача создания более прогрессивного комплекса электрооборудования напряжением 1150 кВ со сниженным уровнем изоляции, что уменьшит габариты оборудования и существенно удешевит электротехнические установки /I...4/.

Необходимое повышение темпов внедрения научных достижений в производство возможно только путем создания и применения принципиально новой технологии проектирования, базирующейся на математическом моделировании проектируемых устройств и на эффективном использовании вычислительной техники. Поэтому в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" поставлена задача : "Расширить автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники".

Затраты на трансформацию электроэнергии зависят от конструктивного совершенства трансформаторов и рационального вложе - б ния в них активных материалов. Поэтому отечественному трансфор-маторостроению предстоит, решить вопросы роста мощности и напряжения трансформаторов на базе их конструктивного совершенствования и научно-обоснованного уровня затрат активных материалов, создания новых типоисполнений мощных силовых трансформаторов для линий передач /5...9/.

При решении этих научно-технических проблем большую экономию народному хозяйству дает снижение затрат на трансформацию электроэнергии, особенно если учесть, что на каждый киловатт вводимой генераторной мощности требуется установка до 8 кВ»А трансформаторной мощности и среднее время включения трансформаторов примерно в полтора раза больше среднего времени использования энергетической мощности.

Известно, что с ростом мощности в единице снижаются удельные показатели (масса и потери на кВ А) трансформатора, а с ростом напряжения улучшаются показатели линий передач, однако, рост единичных мощностей и классов напряжений- трансформаторов требует совершенствования их конструкции на базе новых конструктивных решений, улучшения технологии, осуществления всесторонних научно-технических исследований на базе широкого применения средств вычислительной техники и математических методов анализа /I0...II/. Последнее время вопросам оптимального проектирования мощных трансформаторов для линий передач переменного и постоянного токов уделялось очень слабое внимание, что может быть объяснимо значительной сложностью их математической модели, которая должна учитывать значительное число конструктивных схем выполнения трансформаторов с различными типами магнито-проводов и обмоток, реальную картину поля рассеяния и неравномерное строение обмоток и т.п.

Особенности конструктивного исполнения трансформаторов в основном определяются:

- классом напряжения,

- мощностью,

- типом и схемами применяемых обмоток и магнитопровода,

- числом фаз,

- гармоническим составом токов обмоток,

- схемами защиты от импульсных воздействий,

- системами охлаждения.

На современном этапе при проектировании мощных силовых и специальных трансформаторов (для ЛЭППТ), к которым предъявляются специфические требования в части конструктивных схем магнитных систем, схем расположения и соединения обмоток, габаритных, механических и других ограничений, наличия высших гармонических тока и магнитного потока, важнейшей является проблема не только параметрической, но и структурной оптимизации, т.е. в первую очередь необходимо решать задачу определения оптимальной структуры (конструктивного исполнения), а во вторую - осуществлять синтез оптимальных параметров для выбранной структуры. Поэтому при проектировании таких трансформаторов необходимо такое математическое обеспечение, такое построение алгоритма и программы, которые позволили бы эффективно уже на стадии предпроектных исследований оценивать и сопоставлять конструктивные исполнения трансформаторов и обеспечивать выбор наилучшей конструкции.

Важнейшее значение имеют перспективные проектные разработки, опережающий синтез, анализ, выбор и накопление перспективных технических решений, образующих необходимый проектный потенциал для развития новых высокоэффективных типов мощных силовых трансформаторов.

Эффективный автоматизированный проектный синтез оптимальных трансформаторов большой мощности и трансформаторов специальных назначений далеко не всегда может основываться на обычных методах и критериях, применяемых для проектирования трансформаторов общепромышленного назначения.

Процесс проектирования таких трансформаторов до сих пор остается сложным творческим процессом с невысоким уровнем автоматизации, требующим длительного труда специалистов, а результаты его в значительной мере определяются интуицией, опытом и творческими способностями проектировщиков. Этот процесс затрудняется еще и тем, что критерии оценки качества проектных решений несовершенны (интегральны и не учитывают во многом особенности реальной структуры), частные критерии учитываются интуитивно без достаточного научного обоснования. В то же время, в процессе проектирования необходимо достижение не одной, а нескольких целей, т.е. необходимо решать задачу оптимального проектного синтеза в многокритериальной постановке.

В этих условиях исключительное значение приобретает правильный учет характера взаимосвязей управляемых переменных математической модели. Решение проблемы следует искать в создании и функциональном анализе математической модели, в выделении специфических свойств (унимодальность, сепарабельность) критериев и переходе от оценки характеристик всего трансформатора к дифференциальным оценкам характеристик отдельных узлов.

При отсутствии сколько-нибудь существенного перекрестного влияния переменных это позволяет декомпонировать общую задачу., и строить процесс синтеза оптимального трансформатора как поэтапный. Декомпозиция задачи позволяет резко снизить размерность задачи и на отдельных этапах применить простые и эффективные

- 9 методы поиска оптимального варианта, упростить алгоритмы и программы оптимизации. В то же время это открывает путь к повышению уровня адекватности математической модели, тем самым создаются предпосылки для более тщательной оптимизации внутреннего строения трансформатора, т.е. улучшается качество проектов.

Для возможности проведения проектных исследований трансформаторов различных конструктивных исполнений с целью их дальнейшего совершенствования, необходимо создание проблемно-программного обеспечения не только с широким охватом конструктивных типов магнитопровода и обмоток, но и с широкими возможностями по режимам проектных исследований (поверочный расчет, частичная или полная оптимизация в автоматическом режиме или режиме диалога), по уровню учета тех или иных технических требований (в части нагрева, механической стойкости или прочности обмоток, ограничений по габаритам или массе), по полноте математического описания характеристик и физических процессов и т.п.

Задача дальнейшего совершенствования трансформаторов с целью повышения их надежности требует более тщательного учета реальной картины поля рассеяния, высших гармоник в токах обмоток преобразовательных трансформаторов, структуры обмоток, что составило один из разделов настоящей работы.

Проведение комплексных проектных исследований с целью выявления наиболее рациональных конструкций трансформаторов предельных мощностей и классов напряжений, а также уточнение некоторых соотношений и выяснение некоторых функциональных зависимостей в трансформаторах составило заключительный этап настоящей работы.

В связи с вышеизложенным в работе поставлены цели:

- разработать математическое и программное обеспечение для структурной и параметрической оптимизации, охватив исполнение Т с различными числом фаз, стержней, классами напряжения, числом, конструктивным исполнением и расположением концентров обмоток и конструкциями магнитных систем; учесть реальное распределение поля рассеяния и возможность автоматизированного построения неравномерной обмотки;

- исследовать характер зависимостей критериев и ограничений от управляемых переменных (УП) - диаметра стержня - J) , индукции в стержне - Зс » плотности тока - о и размеров проводов осевого - Q и радиального - О отдельной обмотки или ее части;

- определить взаимовлияние УП и характер допустимой области и на этой основе разработать алгоритмы проектного синтеза оптимального Т путем декомпозиции задачи;

- разработать и исследовать частные критерии оптимизации с использованием особенностей общего критерия - "народнохозяйственные затраты" (НХЗ) и на этой основе получить аналитические выражения для определения оптимальных значений основных УП;

- исследовать и разработать рекомендации по конструктивному совершенствованию мощных силовых и специальных трансформаторов, в том числе перевозимых водным путем.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Целевые функции НХЗ и "стоимость активной части" - унимодальные квазисепарабельные функции основных УП - 2) , , ,

2. Проектный синтез оптимального трансформатора на основе декомпозиции задачи;

3. Аналитические выражения для оптимальных значений УП при безусловной оптимизации;

4. Алгоритм и подсистемы для проектного синтеза оптимального Т для структурной и параметрической оптимизации;

5. Методика (стратегия) оптимизации обмотки по зонам;

6. Исследования блочных и специальных (для ЛЭШТ) Т. Перспективы развития и экономическая устойчивость;

7. Экономичная плотность тока в обмотках, факторы ее определяющие и закономерности ее экономичного распределения. 

Работа выполнялась в соответствии с планами целевых комплексных программ 0.Ц.003.03.ІЗ и 0.Ц.027.03.І7 и важнейшей_те-матики. Результаты исследований использованы в хоздоговорных работах, проводимых со Всесоюзным институтом трансформаторо-строения (г.Запорожье) по темам: "Исследование специальных вопросов теории трансформаторов и электрических машин", № г.р. 71057457; "Разработка научных основ проектирования электрических машин и трансформаторов нормальной и повышенной частоты на ЦВМ", № г.р. 68045494; "Разработка методики расчетной оптимизации на ЦВМ трансформаторов для ЛЭППТ с учетом механической стойкости обмоток", № г.р. 75034846; "Разработать и проверить в силовых трансформаторах новые конструктивные решения, обеспечивающие повышение их нагрузочной способности и надежности и выдать исходные данные для проектирования", № г.р. 76048665.

Работа выполнена на кафедре электрических машин Одесского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института. Научный руководитель канд.техн. наук, доцент Пуйло Г.В.  

Обобщенная математическая модель силового трансформатора

Рассмотрим двухобмоточный трансформатор, в котором в качестве основных управляемых переменных приняты: - диаметр стержня - J) , - индукция в стержне - 3 с » - средняя плотность тока в обмотках - U/r? .

Изоляцию обмоток (витковую и проводниковую) и охлаждающие - 26 каналы между элементами обмоток учтем введением коэффициента заполнения сечения обмотки металлом ( у/с ) Величина коэффициента У/с оказывает весьма слабое влияние на оптимальную величину (имеется ввиду безусловная оптимизация) диаметра стержня и индукции в стержне и средней плотности тока /27/. С достаточной точностью значение у/с может быть определено из следующих выражений (см.рис.2.1): - обмотка из обычного провода 1,05 - коэффициент, учитывающий округление углов проводника и неплотность прилегания проводников друг к другу; Г)л - число параллельных проводников в подразделенном проводе; Пт - число параллельных проводников в транспонированном

проводе. Для общности математической модели все зависимости в математическом описании приведены к одной структурной единице, в качестве которой принят стержень с размещенной на нем эквивалентной обмоткой, поэтому в дальнейшем все зависимости математического описания Т записаны на один стержень, (фазу), а реальная конструкция магнитопровода учитывается коэффициентами /Су/- . Kcm » К я » имеющими прямой физический смысл. Это коэффициенты приведения реальных сечений соответствующих элементов (углов, стержней, ярм) к сечению стержня (см.табл.1.1).

Витки базовой обмотки где V - фазное напряжение базовой обмотки, З і -f - частота, Гц; J) - диаметр стержня, см; 3 с - индукция в стержне, Т/1 . Произведя преобразования, получим

Сечение витка эквивалентной обмотки для двухобмоточного Т, мм2 Высоту обмотки ( Но) можно определить из уравнения, связывающего реактивную составляющую напряжения короткого замыкания ( Us ) с геометрическими размерами обмотки

Для стали 3404 и толщины 0,35 мм (К$ = 0,378. Для намагничивающей мощности может быть записана аналогичная зависимость, такая же как для потерь УХ.

В настоящее время основным критерием при оптимизации силовых общепромышленных трансформаторов приняты народнохозяйственные затраты (НХЗ) /79,116/ , который является сверткой частных критериев и обмоточного провода с учетом отходов и изготовления, руб/кг; Gem Єо масса стали и провода, кг; рху Р/ґ " потеРи холостого хода и короткого замыкания, Вт; Тбj Т - время включения и номинальных потерь, час; С$ - стоимость электроэнергии, руб.; Q} Со - реактивная мощность (В«А) и удельные затраты на ее компенсацию, руб/В А; р P/J коэффициенты амортизационных отчислений и экономической эффективности. В практике проектирования иногда применяется критерий -стоимость активной части трансформатора при ограничениях величины потерь XX и КЗ - 37 Для выполнения функционального анализа выразим эти критерии как функции управляемых переменных - J) с .

Под функциональным анализом здесь понимается анализ критериев и параметров - ограничений с точки зрения определения степени зависимости их от УП и определения между УП взаимного влияния.

Подставляя в выражения (2.28) и (2.29) соответствующие составляющие, получим окончательные выражения для критериев 2.3. Функциональный анализ критериев "народнохозяйственные затраты" и "стоимость активной части"

На рис.2.3 приведены зависимости критерия "НХЗ" от основных управляемых переменных ( D , с и О ) Зависимости получены на ЭВМ вариацией каждой УП в отдельности при постоянных значениях остальных УП в зоне безусловного минимума крите- рия. По степени влияния на критерий "НХЗ" УП могут быть разбиты на две группы - диаметр стержня 2) и индукция в стержне с . с одной стороны, и плотность токов и размеры проводников с другой, причем J9 и Зс оказывают на критерий "НХЗ" влияние на порядок выше, чем остальные управляемые переменные. Эти зависимости соответствуют необходимым условиям унимодальности, т.е. существования единственного минимума.(см. Рис, Д.3.3 П.З.б)

Достаточные условия унимодальности критерия "НХЗ" можно доказать на основе одного из свойств канонической функции /90, 112/. Под канонической функцией понимается позином (полином с положительными коэффициентами), члены которого содержат переменные в конкурирующих (положительных и отрицательных)степенях .и которая является унимодальной (содержащей один экстремум) функцией. Выражение

Частные критерии, математические модели обмоток и их функциональный анализ

Практическое отсутствие перекрестного влияния значений J) и В с на УП обмоток, позволяет из общего критерия "НХЗ" при по - -стоянстве D ъ Зе выделить составляющие, зависящие от плотности тока и размеров проводников и использовать их в качестве частного критерия /53/. В этом случае задача оптимизации обмоток остается задачей нелинейного математического программирования.

Так как при изменении плотности тока и размеров проводников данной обмотки изменяются не только ее характеристики, но и размеры ярма и стержня в соответствии с ограничением, налагаемым техническими требованиями в части напряжения короткого замыкания, выражение для частного критерия "затрат на обмотку" (30) может быть представлено в виде где G0 рк Рп Д- соответственно масса, основные потери, добавочные потери и ширина обмотки. Унимодальность критерия "НХЗ" относительно УП обмотки и, следовательно, унимодальность частного критерия "затраты на обмотку" позволяет определить оптимальные значения плотности тока и размеров проводников обмотки из условий

Чтобы получить необходимые зависимости,выразим составляющие (3.1) как функции плотности тока и размеров проводников.

Исследования проведем на математической модели обмотки непрерывного типа из обычного одножильного провода при усредненной величине канала между катушками. Особенности обмоток винтового типа с подразделенными и транспонированными проводниками учтем ниже. Дискретное строение обмотки оказывает на конечный результат при безусловной оптимизации незначительное влияние и на данном этапе анализа не учитывается.

Исходя из изложенных выше положений математическую модель непрерывной катушечной обмотки можно представить следующим математическим описанием.

Ширина обмотки (провод обычный), мм ток, число витков и высота обмотки, плотность тока, А/мм, осевой и радиальный размеры проводника, мм, изоляция проводника на две стороны, мм, величина канала между катушками, мм, коэффициент усадки изоляции провода и прокладок.

Определим степень влияния размеров проводов О и О на оптимальную величину плотности тока. Выражение (3.16) содержит конкурирующие члены в невысокой степени, зависящие от О и О Поэтому значение числителя выражения (3.16) с изменением Quo при полях рассеяния и размерах проводников, при которых #/0,3 PKt изменяется незначительно (это пологая функция) (см. рис.2.3). Кроме того, это влияние еще ослабляется радикалом. Это же подтверждается и численными исследованиями на ЭВМ. Результаты этих исследований приведены на рис.2.5, где показано, что между радиальным размером провода многопараллельных обмоток и плотностью тока существует зависимость, близкая к сепарабельной. Аналогичное взаимное влияние существует между осевым размером проводника и плотностью тока.

Выражение (3.16) также показывает, что решением уравнения =0 относительно сГ является единственная стационарная точ--\ -г ка, что свидетельствует об унимодальности критерия Зо в неотрицательном октанте изменения о

Найдем аналитическое выражение для определения по критерию "затраты на обмотку" оптимального значения радиального размера проводника о Для этого выражение (3.14) несколько упростим -вона том основании, что диаметр обмотки в мощных силовых Т, как правило, на порядок больше ее ширины. Тогда что позволяет в выражении (3.14) пренебречь членом

Производная от этого упрощенного выражения по радиальному размеру провода, приравненная нулю, приводит к уравнению

Решением этого уравнения относительно 6 является выражение Так как уравнение (3.17) имеет единственное положительное решение, то частный критерий "затраты на обмотку" является унимодальной функцией относительно о

Как видно из (3.17) плотность тока не оказывает существенного влияния на оптимальный размер провода 3 , т.к. некоторые члены числителя выражения (3.17) являются суммой конкурирующих членов, зависящих от (F . Кроме того, это влияние значительно ослабляется радикалом третьего порядка.

Аналогичные выводы получены при исследовании влияния величины осевого размера проводника на оптимальное значение радиального размера проводника. - 81 -Выполнив аналогичные преобразования, найдем выражение для определения оптимальной по критерию "затраты на обмотку" величины осевого размера проводника. На основании того, что диаметр обмотки на порядок больше ее ширины, пренебрегаем в выражении (3.14) членом

Полученное выражение по своей- структуре аналогично выражению (3.17), поэтому взаимное влияние оптимальной плотности тока и оптимальной величины осевого размера проводника оказывается таким\ же незначительным] , как и взаимное влияние между оптимальной плотностью тока и оптимальным значением радиального размера проводника (см. рис.2.5). Формулы (3.16, 3.17, 3.18) позволяют определять оптимальные по критерию "затраты на обмотку" значения управляемых переменных 6" CL & равномерной обмотки или их усредненные значения для неравномерной обмотки.

Для обмоток мощных специальных трансформаторов (например, для трансформаторов ЛЭППТ) или предельной мощности характерно - 82 -неравномерное строение вследствие значительной интенсивности и неравномерности распределения полей рассеяния по высоте обмотки.

В этих случаях необходимо оптимизировать уже отдельные части обмоток, учитывая конкретное распределение полей в соответствующих зонах. Формулы (3.16, 3.17, 3.18) применимы и для оптимизации отдельных частей обмоток, но тогда при расчете коэффициентов K f и К 2. в них необходимо подставлять характеристики поля рассеяния в соответствующих зонах.

Эти формулы также применимы для определения начальных значений управляемых переменных Q , , ff как в обмотке, так и отдельной ее части.

При незначительных полях рассеяния и размерах проводников, т.е. когда добавочные потери в обмотке ниже 30 % уровня от основных потерь, взаимное влияние между управляемыми переменными Q , $ , ft практически не проявляется и для определения их оптимальных значений не обязательно решать систему уравнений (3.16), (3.17), (3.18). В этом случае каждое из уравнений может быть использовано самостоятельно. Такой же подход может быть применен при решении частной задачи по определению оптимальной по рассматриваемому критерию какой-либо управляемой переменной обмотки или отдельной ее части. При полях рассеяния и размерах проводников, вызывающих добавочные потери от вихревых токов более 30 % от основных потерь, пренебрежение перекрестным влиянием между УП неправомерно, поэтому их оптимальные значения необходимо определять из решения системы уравнений (3.16), (3.17), (3.18). Для этой цели можно воспользоваться итерационным методом, т.к. он не требует никаких дополнительных преобразований. В этом случае резульжат нахо

Описание конструкций магнитопроводов, обмоток и типов проводов, охватываемых разработанным алгоритмом

Непрерывные (переплетенные) обмотки. Это в основном многовитковые обмотки, отличительным признаком которых является расположение витков в виде спиральной катушки и наличие горизонтальных охлаждающих и изолирующих каналов между катушками или парами катушек.

. Винтовые однослойные и двухслойные обмотки. Это в основном маловитковые обмотки, отличительным признаком которых является расположение витков в виде одного или двух концентров с осевыми охлаждающими каналами после каждого витка,либо после некоторой его части. В двухслойных обмотках выполняется вертикальный канал для охлаждения и изоляции.

. Многослойная цилиндрическая обмотка. Характеризуется наличием осевых охлаждающих и изолирующих каналов. В отечественном трансформаторостроении для силовых мощных высоковольтных трансформаторов применения не нашла в основном из-за пониженной механической прочности.

Зарубежные фирмы для трансформаторов больших мощностей и высоких напряжений многослойные цилиндрические обмотки применяют, так как они обладают хорошими импульсными характеристиками. Есть основания предполагать, что возможно совдание многослойных обмоток с достаточной механической прочностью и для трансформаторов больших мощностей отечественной промышленности за счет использования металла проводников с повышенными механическими свойствами /108+110/. 4.2.3. Обмоточный провод

Для силовых мощных высоковольтных траснформаторов применяется в основном три типа проводов. 4.2.3.1. Обычный одножильный провод (рис.2.I,а) марки ПБ или АПБ с различной величиной изоляции. Он находит применение в непрерывных, переплетенных и винтовых обмотках. 4.2.3.2. Подразделенный провод (рис.3.1,б) двух-, трех- и четырехжильный с проводниковой изоляцией 0,48 и 0,36 мм на две стороны и дополнительной изоляцией, охватывающей все проводники. Он применяется в непрерывных и переплетенных обмотках.4.2.3.3. Транспонированный провод (рис.2.1,в). Применяется в винтовых обмотках. Может быть применен в многослойных высоковольтных, а также непрерывных обмотках. 4.3. Безусловная оптимизация. Определение начальных значений управляемых переменных

При решении задач оптимального проектирования силовых трансформаторов затраты времени и инженерного труда на оптимизацию существенно сокращаются, если удается задать или определить достаточно близкие к оптимальным начальные значения основных переменных проектной математической модели (ПММ), используемой -при проектировании силового трансформатора. Задача определения достаточно точных начальных значений основных переменных ПММ уделялось серьезное внимание на всех этапах развития теории и практики проектирования трансформаторов и решалась она различными способами.

Еще в работах Е.Арнольда, Г.Н.Петрова, А.В.Трамбицкого /113,13,14/ и других были предложены приближенные формулы для определения через опытные коэффициенты и некоторые исходные данные начальных значений таких влиятельных переменных как диаметр стержня магнитопровода трансформатора (-D ) или площадь его активного сечения ( Sc/n), значения ряда других переменных также определялись предварительно по данным выпускаемых трансформаторов, а затем в процессе повторных переравчетов корректировались. Аналогичные зависимости и методика, скорректированные с учетом данных современных трансформаторов, рекомендуются и в ряде современных учебных пособий для целей учебного проектирования. В некоторых работах начальные значения переменных предлагалось принимать по графическим зависимостям, полученным по данным построенных траснформаторов.

Характерно, что уже в работах 50-х годов были предложены приближенные аналитические выражения для определения начальных значений основных переменных, соответствующих критериям минимума стоимости трансформатора /16/ или минимума "действительной стоимости" /17,21/. По своему содержанию этот критерий близок к современному критерию "народнохозяйственные затраты".

Необходимо отметить, что в работах /16,17,21/ выражения для начальных значений переменных выводились на основе анализа свойств используемых математических моделей.

Предложенные в работах /16,21,113/ зависимости для определения начальных значений переменных, несомненно, были полезными -на соответствующем этапе развития методов проектирования трансформаторов, а некоторые из них сейчас сохранили определенное значение для целей учебного проектирования, так как отличаются простотой и наглядностью. Однако подробный анализ этих выражений показывает, что они получены на основе весьма приближенных математических зависимостей, не учитывающих необходимый на современном уровне промышленного проектирования комплекс технических требований и критериев и использующих ряд грубых допущений. Поэтому применение этих зависимостей в современном автоматизированном проектировании оказывается неэффективным из-за их малой точности. В математическом обеспечении автоматизированного проектирования трансформаторов ведущих зарубежных фирм для этих целей широко используются различные зависимости /36,39/, которые сокращают затраты машинного времени и упрощают структуру используемых программ. Однако эти зависимости, как правило, эмпирические и основываются на результатах обобщения или статической обработки данных выпускаемых фирмой типов трансформаторов, поэтому использование этих зависимостей в отечественной практике проектирования затруднительно.

Необходимость реализации в проектируемых трансформаторах с заданной точностью определенного комплекса технико-экономических требований обусловливает не только соответствующую структуру и содержание применяемых в современном автоматизированном проектировании ГММ, но и учет в них значительного числа (более 10) управляемых переменных.

В зависимости от структуры ШШ, алгоритма проектирования, используемых методов и критериев оптимизации совокупности управляемых переменных могут быть различными, но как известно, в них входят электромагнитные нагрузки, т.к. они характеризуют степень использования электротехнических материалов, а также УП,имеющие

Исследование блочных силовых трансформаторов класса напряжения 220 кВ

С момента создания существующей серии блочных трансформаторов 220 кВ прошло 15 лет. За это время трансформаторостроение сделало значительный шаг в своем развитии, наметились пути развития конструкций трансформаторов больших мощностей и высоких напряжений в направлении повышения их экономической эффективности /II7+II9/. Успешно применяется транспонированный и подразделенный провод, позволяющий значительно снизить добавочные потери с одновременным увеличением заполнения площади обмотки проводниковым материалом. Решаются задачи по канализации потоков рассеяния при их магнитном шунтировании, что позволяет успешно бороться с добавочными потерями в баке и элементах конструкции трансформатора. Создание проводникового материала с улучшенными механическими характеристиками, а также освоение системы охлаждения с - -направленным движением масла позволяют приблизить электромагнитные нагрузки к их экономичным значениям /120/. Работы в области усовершенствования изоляции трансформаторов позволили снизить величину главной и продольной изоляции, и тем самым поднять коэффициент заполнения окна на 10-12 % /121,122/. Все вышеизложенное позволяет ставить вопрос о разработке новой серии блочных трансформаторов 220 кВ, которая может дать значительный экономический эффект. Поэтому была поставлена задача проверить возможные конструктивные решения с целью получить улучшенные технико-экономические показатели блочных трансформаторов. Сумма изоляционных расстояний от обмоток до ярм, включая прессующее устройство - 300 мм. 7. Каналы между катушками (витками) обмоток: а) В обмотке НН размеры каналов выбираются по условиям на грева и составляют 4,8 мм. Допускается совмещение двух или более ходов в пределах витка без дистанцирующих электрокартонных про кладок. В обмотке НН должен быть предусмотрен резерв высоты по рядка 40 50 мм. б) В обмотке ВН принят минимальный размер среднего канала между катушками 4,8 мм (до запрессовки). Предусмотрен резерв высоты 150 мм. в) При необходимости разделения обмотки (концентра) осевым каналом, его ширина должна приниматься равной б мм. 5.2.1.5. Нормативные данные а) Тепловой расчет обмоток - по 0ВБ 632.033-75. При этом расчетное значение повышения средней температуры обмотки над температурой масла должно быть не более 30 С, наиболее нагретой точки - не более 43 С. б) Расчет потерь и тока холостого хода - по РТМ 16.682.003-72. Расчет потокораспределения и в бронестержневом магнитопроводе по РТМ 16.682.050-72. в) Расчет народнохозяйственного эффекта - по /79/. Допускалось упрощение расчета цены, основанное на учете только стоимости активных материалов. г) При расчете осевого размера обмоток принималась усадка электрокартона - 8 55, бумажной изоляции ВН - 10 %9 НН - 20 %. д) Расчет добавочных потерь в конструкции по ОАХ 682-024, для трансформатора 250 MB-А (С& =0,5, а для траснформатора 400 MB-А /СS =0,8. Здесь /с5 - коэффициент снижения потерь в баке. е) Расчет механической стойкости обмоток трансформаторов при коротком замыкании - по Ш редакции PTM-I6 ВЭИ. При этом для вариантов I и Ш (см.таблицу 5.4) устойчивость сжимаемых концент ров рассчитывалась без учета опор для вариантов П и ІУ - с опорами. 5.2.2. Результаты исследований и выводы Для ТДЦ-250000/220. а) Уменьшение главного промежутка ВН-НН на каждые 10 мм приводит к уменьшению массы стали и потерь XX на 2+2,5 %. б) Переход с бронестержневой конструкции магнитрпровода на стержневую уменьшает массу на 3x3,5 %9 а потери XX на 24-2,5 %. в) Для изоляционных промежутков в варианте I (НН без опор) при С/к. =11 % плотность тока в обмотке НН не может быть приня та оптимальной (экономичной) по условиям механической стойкости. Переход при этом на значение L/K =13 % позволяет поднять плот ность тока в обмотке НН до оптимального уровня 2,8x3,0 А/мм2 и тем самым снизить массу меди на 3 %, а стоимость активной части на 5 %. г) Для изоляционных промежутков в варианте П (НН с опорой) переход от Uк. =11 % к Цк. =13 % позволяет снизить массу стали и потерь XX примерно на 4 %. д) Проведенные расчетные исследования показали, что при использовании комплекса мероприятий, таких как переход с диаметра стержня 1120 мм на диаметр 1060 мм, снижение промежутков стержень НН до 30 мм, а НН-ВН - до 40 мм, увеличение СУ/с до 13 % и применение стержневой конструкции магнитопровода можно получить конструкцию трансформатора ТДЦ-250000/220, которая отличается от базовой следующим технико-экономическими показателями (см. табл.5.5): - масса стали и потери XX снижены на 20 %\ - масса меди практически не изменилась; - потери к.з. обмоток увеличены на 17 %; - стоимость активной части снижена на II %; - величина народнохозяйственных затрат снижена на 3,5 %. Для ТДЦ-400000/220. а) Уменьшение главного промежутка ВН-НН с 80 мм до 70 мм позволяет уменьшить массу стали и потери XX на 2 %. б) Выполнение трансформатора на диаметре стержня 1180 мм (вместо 1250 мм в базовом) привело к снижению массы стали и потерь XX на б %. При этом масса меди и потери КЗ обмоток уве личились на 5 %. Цена активной части уменьшилась на 2 %t а народ нохозяйственные затраты практически не изменились. в) Переход с L/к. =П % на С/& =13 % приводит к снижению массы стали на 4 /S, а потерь XX на 2 %. Стоимость активной части уменьшилась на 3 %. г) Применение комплекса мероприятий а, б, в позволяет получить конструкцию трансформатора ТДЦ-400000/220, которая отличается от базовой следующими технико-экономическими показателями (см. табл.5.4):