автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Магнитное поле и стойкость при коротком замыкании распределительных трансформаторов



На правах рукописи

Каданид Рамирсс Эктор

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И СТОЙКОСТЬ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Москна - 199Г>

Работа выполнена на кафедре электромеханики Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: ' доктор технических паук, профессор

Кузнецов В.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бряпцев Л. М„ кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лурье. Л. И.

Ведущая организация - ЛО "Научно-исследовательский центр по

испытанию высоковольтной аппаратуры", г. Москва

Защита диссертации состоится "22" декабря 1995 года в аудитории М-611 в 14 час. 00 мин, на заседании Диссертационного Совета К 053.16.04 Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной 611 ил потеке и нети туга.

Автореферат разослан "_"___ 1995 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Сонета К 053.16.04

кандидат технических наук, доцент АВ.Л. Морозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений повышения технического уровня распределительного трансформаторного оборудования является обеспечение его электродинамической стойкости при коротких .«мыканиях (КЗ). Эта проблема требует решения сложных научных и инженерных задач по расчету магнитного поля рассеяния, по расчету и экспериментальному подтверждении) стойкости трансформаторов.

В настоящее время трансформаторостроение Колумбии, ориентированное главным образом на производство распределительных трансформаторов мощностью до 500 кВА, имеет минимальный опы т в области расчетов электродинамической стойкости трансформаторов. Динамические испытания трансформаторов до последнего времени проводились в Мексике, Бразилии и США, что увеличивало стоимость трансформаторов.

Для успешного решения задач повышения качества и надежности распределительных трансформаторов в Колумбии было необходимо: разработать методику расчета электромагнитных усилий; спроектировать, смонтировать и ввести в эксплуатацию испытательный стенд; разработать методику испытаний трансформаторов на стойкость при КЗ. При этом должна быть учтена специфика конструкций трансформаторов, в частности, в Колумбии помимо классической конструкции одно- и трехфазных стержневых распределительных трансформаторов с круглыми обмотками наибольшее распространение в последнее время получили конструкции ленточных броневых трансформаторов с при моугольпыми обмотками.

Проблема стала особенно острой после того, как Колумбийский комитет по качеству электроэнергии (КККЭ) при Министерстве энергетики с июня 1993 г. установил требования к проведению иены таний па стойкость при КЗ распределительных трансформаторов в соответствии со стандартами ANSI С 57.12.90-1980 (AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITIITE, INC. Test code Гот l¡<|iii<l ¡nmierscd distribution, power and regulatin^ transformers and ^nide for short-circuit testintf oí distribution and power transformers. New York, ANSI 1980) и NTC 532-1985 (NORMA TECNICA COLOMBIANA. Transformadores, aptitud para soportar el cortocicuito).

Для полномасштабных испытаний на стойкость при КЗ требуется не только определить параметры испытательного оборудования, но и разработать инженерную методику расчета электродинамических усилий и методику динамических испытаний с учетом конструктивных особенностей распределительных трансформаторов, разрабатываемых в Колумбии, т.к. существующие методики расчетов ориентированы на другие конструкции трансформаторов. В частности, расчет и моделирование параметров магнитного ноля распределительных трансформаторов ленточных типов с прямоугольными обмотками необходимо нести па основе расчета трехмерного ноля.

Цель работы. Разработка теоретических и методических вопросов испытаний на стойкость при КЗ распределительных трансформаторов в Колумбии; создание математических моделей, алгоритмов и программ для расчета стойкости при КЗ распределительных трансформаторов на основе известных и предложенных двухмерных и трехмерных моделей магнитного ноля рассеяния.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи: проектирование, разработка и сооружение в Колумбии сетевого стенда для испытаний стойкости при КЗ распределительных трансформаторов; анализ различных методов расчета магнитного поля; разработка методики расчета магнитного поля обмоток распределительных трансформаторов, производимых в Колумбии, с учетом их конструктивных особенностей; расчетное и экспериментальное исследования стойкости при КЗ распределительных трансформаторов мощностью 25 и 75 кВЛ различных конструктивных исполнений; сравнительный анализ предложенных теоретических и практических решений и результатов экспериментальных исследований.

Методы исследования. Использованы аналитические и численные методы математической физики, методы вычислительной математики с применением электронной вычислительной техники, а также экспериментальные методы определения электрических величин с измерения параметров электротехнических устройств.

11аучная нонщша работы:

1. Разработаны математическая модель и алгоритм расчсч; л:}1ехх1ер110ш_ь1ш'1цшш141_11ш1я_.р.аспределитель11ых трансформаторов ( I [ ря м оу гол ы I ы м и об мотка м и.

2. Впервые в трансформаторостроении Колумбии выполнен пол 111,111 комплекс научно-технических исследований по проблеме ис питаний на стойкость при КЗ распределительных трапсформаторо!

(теоретические, методические разработки, расчеты, испытания на сетевом стеиде Университета дель Валье, г. Кали).

3. Разработана методика расчета стойкости при КЗ распределительных трансформаторов с прямоугольными обмотками.

Практическая ценность работы:

1. Спроектирован и введен в эксплуатацию первый сетевой стенд в Колумбии для испытания распределительных трансформаторов.

2. Разработаны теоретические и методические вопросы, которые экспериментально подтверждены результатами динамических испытаний распределительных трансформаторов на испытательном стенде Университета дель Валье в г. Кали (Колумбия). В соответствии с требованиями стандарта Колумбии проведены типовые испытания на стойкость при КЗ 27 трансформаторов мощностью 25 кВЛ - однофазные и 75 кВЛ - трехфазные с первичным напряжением 13.2 или 13.2/л/3 кВ трех различных вариантов конструкции; впервые в Колумбии получены экспериментальные данные, в том числе по остаточным деформациям в таких трансформаторах.

3. Разработанные математическая модель и программа расчета трехмерного магнитного поля позволяют выполнить исследования распределительных трансформаторов с учетом их конструктивных особенностей, а также повысить качество проектирования и надежность трансформаторов в эксплуатации.

4. По результатам теоретических, экспериментальных и расчетных исследований трансформаторов мощностью 25 и 75 кВЛ, производимых в Колумбии, разработаны рекомендации по усилению стойкости при КЗ и усовершенствованию конструкции этих трансформаторов.

5. Результаты динамических испытании 27 трансформаторов в дальнейшем будут использованы для определения динамической стойкости вновь разрабатываемых типов трансформаторов.

6. Пакет программ расчета магнитного поля и сил в прямоугольных обмотках будет использован в учебном процессе Унпверсннта дель Валье и МЭИ.

В недрение результатов р а6 о ты:

1. Разработка, проектирование и сооружение испытательного сетевого стенда в Университете дель Валье г. Кали, Колумбия (Стенд аттестован государственной комиссией министерства энергетики Колумбии).

2. Методики и программа расчета ноля, результаты исследований стойкости при КЗ распределительных трансформаторов использованы при разработке трансформатора 25 кВЛ на заводах фирм ABB и INTECRI, г. Перейра, Колумбия.

3. Затраты на проведение динамических испытаний одного трансформатора в Колумбии составляют $3500, что в 5 раз меньше, чем при аналогичных испытаниях, например, в Мексике. Таким образом, экономический эффект на испытаниях 27 трансформаторов составляет не менее $350000.

Апробация работы. Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на заседаниях кафедры электромеханики Московского энергетического института (ТУ). Результаты исследования некоторых вопросов данной работы докладывались па международных конференциях, семинарах и т. д., среди которых:

- Международный семинар "Проблемы электрических машин" г. Кали, Колумбия, 1988 г.;

- Научный семинар но проблеме "Электротехника и энергетика" г. Пупта Лренас, Чили, 1990 г.;

XII Панамериканский конгресс инженеров-электриков (COPIMERA) г. Картахена, Колумбия, 1991 г.;

- Научная конференция "Современное состояние, проблемы и перспективы высоковольтного оборудования" г. Медельин, 18-20 марта 1993 г.;

- I Латиноамериканский конгресс по выработке и распределению электроэнергии г. Виньа дель Map, Чили, 25-29 окт. 1993 г.;

- Научно-техническая конференция "Трансформаторостроение в Колумбии", г. Кали, 6-9 сентября 1994г.;

- Центральноамериканский конгресс IEEE по проблеме потребления и распределения электроэнергии, Сальвадор, ноябрь 1994 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цель работы, научная новизна и практическая ценность решаемых задач, дана краткая аннотация работы.

В настоящее время в Колумбии несколько фирм (более 16 заио дон) выпускают различные распределительные трансформаюры

причем самыми распространенными типами являются одпофаз, ли трансформатор мощностью 25 кВЛ и трехфазный мощностью 75 кВЛ (рис. 1) с первичным напря-

|>ис. 1. Общий пил трансформатора 75 кВЛ

жспием 13,2 (или 13.2/л/3) кВ, вторичным - 220 В и регулированием напряжения четырьмя ступенями переключения ответвлений в обмотке ВН (I 1,-3) 2,5% для 25 кНЛ и ± 2-2,5% для 75 кВЛ. Трансформаторы .тгих типов были

впервые испытаны на стойкость при КЗ на первом в Колумбии стенде динамических испытаний. Таким образом выбор трансформаторов мощностью 25 и 75 кВЛ в качестве объекта исследований в данной работе не случаен. Это позволяет провести исследования в едином комплексе - от расчетов до испытаний, разработки рекомендаций по усилению конструкции и их внедрению.

В первой главе рассмотрены испытательные возможности нескольких стендов мира. Динамические испытания трансформаторов проводятся во многих странах: в Италии , Канаде, Мексике , Нидерландах, России, США, Франции, Японии и в ряде других стран. До недавнею времени технических возможностей проводить динамические испытания трансформаторов в Колумбии не было.

В 1993 г. в Колумбии впервые были проведены динамические испытания трансформаторов; успешные результаты первого опыта позволили обоснованно провести последующие опыты КЗ, решить ряд методических вопросов проведения испытаний, выбора испытательного, контрольного, защитного и измерительного оборудования.

Под руководством и при непосредственном участии автора было разработано техническое предложение по проектированию, разработке и сооружению сетевого стенда для испытаний на стойкость при КЗ распределительных трансформаторов мощностью 25 кВЛ и 75 кВЛ. (По требованиям КККЭ трансформаторы указанных мощностей должны были быть испытаны в первую очередь - в июле 1994 г.) На рис. 2 приведена схема испытательного стенда, которой был сооружен в

лаборатории ТВН Университета дель Вальс г. Кали. Сетевой стенд введен в эксплуатацию в 1994 г.

Широкий спектр проведенных испытаний позволил проработать практически все методические вопросы испытаний и выявить осо-

бенности методики испытаний распределительных трансформаторов в условиях сетевого стенда по сравнению с испытаниями трансформаторов средней и большой мощности па генераторном стенде.

Решался сразу весь комплекс задач технического и методического обеспечения испытаний: разработка новых схем, систем управления, выбор методов дефектографировапия и пр. Проработаны все вопросы, связан иые с проведением испытаний, по возможности принимались проверен ные практикой решения, большая часть решений проверена впервые i ходе экспериментальных опытов па новом стенде.

На сетевом стенде по окончательным схемам проведены испита ния 27 распределительных трансформаторов трех разных конструк тивных исполнений различных фирм (ABB, TIF, MAGNETRON, FBM INTECRI, BIS, ANDINA, CDM, HOKAYA, MVA, SIERRA, TESLA) тлттироппдились-ио-схеме-с-нитанием-со-с-торонычинеиших—обмотш RH в соответствии со стандартом ANSI С 57.12.90-1980 и NTC 532 Результаты испытаний представлены в табл. 1 и 2.

Сеть 13.2 кВ. 60 Гц

I / Предохранитель

- Кабель 15 кВ

/ Разъединитель

У,,.

реле

времени

детектор

купи -1-

элегазовый выключатель

шунт

Кабель 15 кВ

Испытуемый трансформатор

ОСЦ

Рис. 2. Схема непитательного стенда Университета дель Валье г. Кали.

Таблица 1. Результаты динамических испытаний распределительных трансформаторов* в Колумбии. Диагностика после испытаний

Вид деформаций, изменения Количество

1. Взаимные смещения обмоток ** 10

2. Изменение 2«з ** 27

3. Изменение 1()** 27

4. Смещение магнитной системы 3

5. Обрыв отводов 2

6. Повреждение в переключателе (ПБВ) 1

7. Повреждение радиаторов 2

8. Отказ при опыте приложенного напряжения 2

9. Отказ при опыте импульсного напряжения 15

* Тми трансформаторов: однофазные 25 кНЛ и трехфазные 75 кВЛ.

Общее кол-во: 27 трансформаторов. ** Эти изменения не псегла являются обязательным основанием для отрицатель-

ного заключения о результатах испытаний на стойкость при К.Ч.

Таблица 2. Результаты динамических испытаний для разных конструктивных исполнений распределительных трансформаторов в Колумбии

Тип трансформатора Заключение* Количество тр-ров по видам конструктивного исполнения** Общее кол-во

А В С

25 кВЛ-1ф Да 2 3 - 5

25 кВЛ-1ф Нет 5 2 - 7

75 кВЛ-Зф Да 1 3 1 5

75 кВЛ-Зф Нет б 3 1 10

* Да : Транс< Нет: Траис< юрмагор выдержал испытание на стойкость мри К.Ч. юрматор не выдержал испытание на стойкость при К.Ч.

** - Витой ленточный мапштоировод, обмотки прямоугольные, регулировочные витки в пиле четырех секций "галет" (А) или в виде двух слоев "четыре иолу слоя" (В).

- Шихтованный магиитопрокод, круглые обмотки, симметричное расположение регулировочных питков (С).

Во второй главе выполнен анализ известных методов расчета маг нитиого поля рассеяния трансформаторов, разработана методика п программа расчета объемного ноля в области обмоток "вне окна", а

также обоснован выбор инженерной методики для анализа стойкости при КЗ распределительных трансформаторов с витым магнитопро-водом и прямоугольными катушками.

В последние годы опубликовано много статей по трехмерному моделированию магнитного поля трансформаторов с помощью метода конечных элементов (МКЭ), в том числе для распределительных трансформаторов рассматриваемого типа. По исследованиям фирмы "General Electric" расход времени и денежные затраты на такой анализ в конструкторских бюро не оправдываются. Это тем более очевидно в случае относительно дешевых распределительных трансформаторов, выпускаемых в Колумбии небольшими фирмами. Необходимо также учитывать, что расчет магнитного поля и электромагнитных сил, действующих на обмотки, является основанием для механического расчета напряжений и деформаций, по результатам которого оценивается стойкость трансформатора при КЗ и который является очень сложной задачей, как правило, решаемой при значительных-упрощающих допущениях. Поэтому практически в конструкторских бюро используются упрощенные методики расчета магнитного поля, основанные на классических подходах. На трансформаторных заводах России и СНГ применяется комплекс программ - система РЭСТ, разработанная в ВЭИ, с помощью которых рассчитывается магнитное поле рассеяния трансформатора при ударных токах КЗ и, что очень важно, выполняются необходимые механические расчеты. Про-веден?1ый в работе анализ показал, что для расчетов стойкости при КЗ рассматриваемых распределительных трансформаторов система РЭСТ-ВЭИ представляет наибольший интерес.

Для оценки возможности адекватного использования системы РЭСТ при расчетах распределительных трансформаторов с витыми сердечниками и обмотками прямоугольной формы в работе были выполнены расчеты магнитных полей трансформаторов мощностью 25 кВЛ и 75 кВЛ на основе уточненных подходов и по программе РЭСТ. Расчеты выполнялись при следующих допущениях: пет взаимною влияния полей в "в окне" и "вне окна", т.е. поля в этих областях рассчитывались независимо друг от друга; бесконечно большая магнитная проницаемость стали; отсутствует влияние вихревых токов па ноле рассеяния; влияние крышки и дна бака не учитывается; поверхности сердечника и бака заменяются плоскими и бесконечно протяженными (последние два допущения - для расчетов объемного поля "вне окна").

Магнитное поле в окне моделировалось с помощью МКЭ по программе ЕЬСиТ (версия 3.2), разработанной в НПК ТОР (г. С. Петербург).

Для трехфазного трансформатора 75 кВЛ на рис. 3 показаны результаты расчета магнитного поля рассеяния "в окне", в котором расположены обмотки двух фаз, для момента времени, когда ток в одной из них достигает максимального (ударного) значения, а ток в другой фазе составляет половинное значение от тока в нерпой фазе и имеет противоположный знак, на рис. 4 - распределение составляющих индукции и Ву вдоль образующей обмотки ВН, обращенной к каналу между НН и ВН. Аналогичные сравнения выполнены для индукций в других зонах, а также для других соотношений размеров окна и катушек. Расхождение результатов расчетов по двум методикам составляет не более 10%. Таким образом система РЭС.Т позволяет рассчитывать магнитное поле в окне распределительного трансформатора с достаточной для практики точностью.

Расчетная область "вне окна" показана на рис. 5. Расчет поля с учетом реальной геометрии обмоток и взаимного влияния фаз может быть выполнен только численным способом. В работе использован метод на основе закона Био - Савара. При этом, как и при расчете плоского поля, влияние ферромагнитных поверхностей учитывается по методу зеркальных отображений. Обмотки НН и ВН трансформатора заменяются системой элементарных катушек (шин) прямоугольного сечения с равномерно распределенной плотностью тока:

(О

где I - ток в обмотке; ге>к - число витков в элементарной катушке; 1гк, 1>к -высота и ширина сечения катушки. Геометрия элементарной катушки задается размером прямолинейной части - 1к, радиусом закругления - гк, расстоянием от сердечника - Лк и смещением по вертикали от оси симметрии катушек - ук (рис. 6). Такое описание катушек позволяет смоделировать любые виды несимметрии и учесть различные конструктивные выполнения регулировочных зон.

Каждая элементарная катушка разбивается по ширине (тк) и высоте (пк) на токовые нити с током 1к = 1п>1/(пктк), которые по длине разделяются на ск элементарных участков, тогда общее число токовых элементов в элементарной катушке - Мк = ткхпкхск.

l'uc. 3. Магнитное моле и окне трехфазного трансформатора 75 кИЛ.

!! f

■ !! î i i :N ¡1 :; ii

m

; ■! t i

* !! • ! H i

Рис. 5. К расчету трехмерною поля "une

окна" Tnexiha:innm тпаппЬппмлтппа

Вх." Тя

0.4-■

-0.8

а)

---- ---- --- ---- .... ....

-i-- - - - - - -

•40 Вх4

40 Y. нм

Вх5

Оу-т

Тп

raci-e-ELcuT -»-рэст-b-elcut

P3CI ELCUI

'ис. 4. ("оставляющие индукций (а) и Hv (б) в зоне обмотки 1511 "в окне" трансформатора 75 кВЛ.

Y»

dv

Рис. 6. Задание геометрии катушки в области "вне окна".

X

Индукция магнитного поля от тока в i-ой элементарной катушке приближенно может быть рассчитана как сумма индукций от элементарных участков:

В,г - ^htjjr№.xR,p] , (2)

где А?! - вектор элемента тока.

Для расчета поля в точке наблюдения необходимо просуммировать поля от отдельных элементарных катушек по (1) с учетом их отражений от ферромагнитных поверхностей. Как показали расчеты, достаточная для практики точность получается при учете только первых отражений:

ВР=±(В,Г+ в[р + в"„), (3)

где В,'Р - индукция от элементарной катушки, отраженной от сердечника; Bj, - индукция от элементарной катушки, отраженной от бака; А/ - общее число элементарных катушек, на которые разбиты обмотки НИ и ВН.

Для трехфазных трансформаторов расчет выполняется с учетом всех фаз:

вр= 1 t(B,r + B\r+B",P). (4)

171=1 1»1

Применительно к описанному подходу разработана программа 77? FIELD для интерактивных расчетов на ПЭВМ магнитного поля "вне окна" распределительных трансформаторов с прямоугольными обмотками, по которой кроме индукций можно рассчитывать силы, действующие на обмотки трансформатора (геометрия обмоток задается небольшим числом исходных данных, результаты расчета выводятся в табличной и графических формах).

Для модели двухмерного поля однофазного трансформатора при отсутствии бака, для чего длина прямолинейной части катушек задана намного превышающей поперечные размеры катушек (рис. (>), результаты расчета поля в центральном сечении но программам TR I'IELD, РЭСТ и ELCUT практически полностью совпали.

По программе TR FIELD было проведено большое число расчетов магнитного поля для однофазных трансформаторов 25 кВЛ и трехфазных трансформаторов 75 кВЛ (с учетом и без учета влияния фаз) в различных зонах обмоток ВН и НН, результаты которых сранниг.ллись с приближенным расчетом плоскопараллелыюго поля по

РЭСТ. На рис. 7 приведены результаты расчета составляющих Вх и Вц вдоль образующей обмотки ВН, обращенной к каналу, для трехфазного трансформатора 75 кВЛ (точки А и В на рис. 5).

В третьей главе работы рассмотрены математические модели и методические вопросы расчета стойкости при КЗ обмоток распределительных трансформаторов. Обычно при вычислении сил, действующих па обмотки трансформатора, предполагают, что обмотки неподвижны, а токи неизменны и равны максимальным амплитудным значениям (эти допущения характеризуют статический метод расчета, все другие допущения для расчетной механической схемы обмотки подробно рассмотрены в диссертации).

Задачами расчета механической схемы обмотки являются:

- определение сил на верхней Р„ и нижней Р„ опорах (т.е. определение сил, действующих па ярмовые балки и прессующие кольца);

- определение давления па прокладки а(у)=Р(у)/5 и макси- ■ малыюго давления в прокладках сгт,и.="Р„„а/Л', где 5 - площадь опоры (прокладок) обмотки, Р(у) - усилие сжатия в произвольном сечении обмотки; сравнение максимального давления с допускаемым;

- выбор силы осевой запрессовки Рп и давления ст0.

Рассмотрен расчет сил, действующих на опорах и в обмотке, в

общем виде и для двух примеров (обмотка с сосредоточенной силой и с прямоугольным графиком распределения электромагнитных сил).

Приведены формулы для расчета напряжения на разрыв в проводе наружной обмотки и прочности и устойчивости внутренней обмотки. Рассмотрено влияние размера провода, числа опор, давления осевого сжатия, длины пролета между прокладками, диаметра обмоток на устойчивость сжимаемых обмоток.

Реально в переходном процессе короткого замыкания ток непрерывно изменяется, а обмотки и их элементы под действием переменных во времени сил перемещаются, то есть имеет место динамический характер сил, при учете которого силы могут существенно превосходить силы, подученные в статическом расчете. Динамические силы получаются в значительной степени зависящими от меха!шческих свойств изоляционных материалов, сил инерции, упругости и трения.

В работе большая часть вопросов рассмотрена в статической постановке , в ряде случае - с учетом динамического характера сил.

В четвертой главе проанализированы результаты экспериментальных и расчетных исследований трансформаторов мощностью 25 и 75 кВЛ, производимых в Колумбии, разработаны рекомендации по усилению их стойкости при КЗ.

Трехфазный трансформатор 75 кВЛ по сушетгву включает в себя 3 однофазных трансформатора 25 кВЛ, поэтому более подробные исследования вначале проведены для однофазного двухобмоточиого трансформатора 25 кВЛ с витым двухсекционным магнитопроводом. Регулировочные ответвления расположены на середине высоты обмотки ВН, они выполнены по одному из двух вариантов: в варианте 25-1 - в виде четырех секций ("галет") по 47 витков в каждой (по одной секции па ступень регулирования), занимающих весь радиальный размер обмотки, в варианте 25-2 - в виде двух слоев (четыре полуслоя по 47 витков - по одному полуслою но высоте на ступень регулирования), расположенных в середине радиального размера обмотки ВН.

Из анализа результатов испытаний определены объем и направление основных расчетных исследований стойкости трансформаторов при КЗ, которые проводились по системе программ РЭСТ-ВЭИ. Для вариантов 25-1, 25-2 и 75 кВЛ выполнены расчеты осевых и радиальных сил в обмотках в трех режимах КЗ (MIN, NOM и МЛХ) для случаев "в окне" и "вне окна", расчетные исследования осевых сил с целью поиска варианта с наибольшей динамической стойкостью при разных значениях высот обмоток, при возможном осевом относительном сдвиге обмоток, при разных схемах расположения регулировочных витков в обмотке ВН (рис. 8, 9).

Основные результаты расчета трансформатора 75 кВЛ показывают, что осевые силы достаточно велики, особенно в обмотке ВН. Эти силы опасны для обмотки ВН, поскольку могут привести к "сползанию" витков круглого провода и взаимному смещению обмоток. Отметим, что в трансформаторе 75 кВА по сравнению с трансформатором 25 кВА осевые силы "в окне" несколько выше, чем "вне окна" из-за разной геометрии обмоток. Более того, в трансформаторе 25 кВЛ распределение осевых сил иное: большая сила действует на обмотку НН из фольги, которая обладает большей стойкостью к осевым силам, чем. выполненная из большого числа витков

Рис. 7. Результаты расчета объемного ноля "вне окна" трансформатора 75 кВЛ.

Р5-1 25-1 25-Z 25-1-вне окна —ж- исходный вариант.

—в окне —ж— вне окна —в— вне окно —ф— сдвиг 20 мм. —разновысокость 10 мм.

Рис. 8. Осевые силы в режиме MIN в обмотке BI1 трансформатора 25 кВЛ.

Пне окно L1 окне Средняя фаза -ф- сдвиг 30 мм. —♦—раэновысокость 60 мм

-е-

Рис Ч Осевые силы н пежиме МАХ в обмотке ВЦ тпанс(|>ог>матора 75 кНЛ.

круглого провода обмотка ВН. Поэтому можно с умеренностью сказать, что по осевым силам конструкция трансформатора 75 кВЛ хуже, чем трансформатора 25 кВЛ из-за неоптимального соотношении высот обмоток, хотя расположение регулировочных витков в нем лучше, чем в однофазном трансформаторе по варианту 25-1. Конструкция 25-1 значительно хуже конструкции 25-2, что согласуется с результатами испытаний табл. 2.

Для поиска оптимального по осевым силам соотношения высот-обмоток проведены специальные расчеты для трех описанных выше характерных областей ("вне окна" и две области "в окне"). Результаты расчета осевых сил при разных значениях высоты обмотки ВН показали, что практически для всех расчетных областей оптимальная высота обмотки ВН находится вблизи высоты обмотки НН (170 мм). При этой высоте максимальная сила, действующая на обмотку ВН "вне окна", снижается с 19 до 2 кН (почти в 10 раз), а на обмотку НН -увеличивается всего в 2 раза (с 5 до 12 кН). Еще больший эффект от увеличения высоты обмотки ВН наблюдается в областях "в окне": в этих областях снижается не только сила на обмотку ВН (тоже примерно в 10 раз), но и на обмотку НН (в 1.5-2 раза). Таким образом, целесообразно рекомендовать увеличение высоты обмотки ВН (или уменьшение высоты обмотки НН) трансформатора 75 кВЛ.

Как показали расчеты, распределение осевой составляющей магнитной индукции по высоте обмоток слабо зависит от разновысокое! и обмоток, то есть радиальные силы в трехфазном трансформаторе мощностью 75 кВЛ примерно такие же, как и в однофазном трапе-форматоре 25 кВЛ, поэтому дополнительный анализ радиальных сил в трансформаторе 75 кВЛ не проводится.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе разработаны теоретические и практические вопросы, связанные с обеспечением стойкости при коротком замыкании распределительных трансформаторов, производимых в Колумбии. Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. В 1993 г. в Колумбии но инициативе и с участием автора впервые были проведены динамические испытания трансформаторов; успешные результаты первого опыта позволили безопасно провести последующие опыты КЗ, решить ряд методических вопросов проведения испытаний, выбора испытательного, контрольного, защитного и и.ше-

рителыюго оборудования; било разработано техническое предложение по проектированию, разработке и сооружению сетевого стенда для испытаний на стойкость при КЗ распределительных трансформаторов мощностью 25 кВЛ и 75 кВЛ; сетевой стенд введен в эксплуатацию в 1994 г и аттестован государственной комиссией Министерства энергетики Колумбии.

2. На сетевом стенде по разработанным схемам проведены испытания на стойкость при КЗ 27 распределительных трансформаторов различных фирм мощностью 25 и 75 кВЛ разных конструктивных исполнений: двухобмоточные, однофазные и трехфазные с боковыми ярмами и без боковых ярем, с ленточными и листовыми магнптонроводами, с круглыми и прямоугольными обмотками; испытания проводились по схеме с питанием со стороны внешних обмоток ВН в соответствии со стандартом ANSI С 57.12.90-1980 и NTC 532-1985.

3. Разработаны алгоритм и программа TR FIELD для расчета • •трехмерного поля "вне окна" трансформаторов с прямоугольными обмотками.

4. При исследовании магнитного поля могут отдельно рассматриваться области обмоток "в окне" (илоскопараллельная модель) и "вне окна" (объемная модель). Проведены исследования этих областей по программам ELCUT, РЭСТ и TR FIELD. Сравнение результатов расчета магнитного ноля по простой плоскопараллельпой модели и более точной объемной модели показало, что характер распределения поля одинаковый, по рекомендуемый к практическому использованию более простой метод дает несколько большие значения индукций, что повышает расчетный запас стойкости обмоток трансформаторов.

5. Рассмотренные математические модели и методические вопросы расчета стойкости обмоток распределительных трансформаторов при воздействиях токов КЗ показали, что в общем случае необходимо учитывать большое число факторов, влияющих на осевые и радиальные силы в обмотках. Для распределительных трансформаторов мощностью 25 кВЛ однофазных и 75 кВА трехфазных могут быть применены упрощающие расчетные допущения, прежде всего допущения о статическом характере действия сил вместо динамического._

6. Проведение расчетов на стойкость при КЗ на стадии проектирования и испытаний трансформаторов является обязательным. Анализ результатов экспериментальных исследований динамической стойкости однофазных трансформаторов мощностью 25 кВА и трехфазных 75

кВЛ, проведенных при типовых и констукторских испытаниях па стенде Университета дедь Валье (Колумбия), предопределил основные направления необходимых расчетов и расчетных исследований, в частности, расчет осевых сил "в окне" и "вне окна", расчет радиальных сил НН "вне окна", расчет радиальных сил ВН "в окне" и "вне окна".

7. Проведенные расчеты полностью подтвердили все повреждения и деформации, выявленные при испытаниях. Особенно опасны осевые силы, причиной которых являются несимметрия обмоток (из - за несимметричного расположения регулировочных секций) и разновысо-кость обмоток ВН и НН, а также отсутствие у обмоток надежных опор, воспринимающих осевые силы. Радиальные силы менее опасны, но радиальные силы КЗ, действующие на обмотку ВН, могут передаваться па боковое ярмо и могут быть причиной деформаций магнито про вода при его слабой стяжке, увеличения потерь и тока холостого хода и реактанса КЗ трансформатора.

8. По результатам расчетов и испытаний разработаны рекомендации по оптимальной конструкции трансформаторов, в частности: конструкция со слоевыми регулировочными зонами намного лучше, чем с "галетами"; несимметрия обмоток (конструктивная, технологическая) недопустима; необходимы надежные опоры торцов обмоток, способные воспринимать осевые силы; имеется возможность оптимизации размеров обмоток.

9. Методы, заложенные в систему программ РЭСТ-ВЭИ, применимы для расчета распределительных одпофаз i-.ix и трехфазных трансформаторов с прямоугольными обмотками, производимых в Колумбии. Расчет магнитного поля в плоскопараллельном приближении дает вполне приемлимую для практических расчетов точность, обеспечивая, как правило, расчетный запас прочности. Возможно использование предложенной в диссертации методики для более мощных трансформаторов.

10. Трехфазный трансформатор 75 кВД по результатам расчетов имеет худшую конструкцию, чем однофазный 25 кВЛ, особенно по осевым силам. При динамических испытаниях также более часто повреждались трансформаторы мощностью 75 кВЛ. Предложены варианты повышения динамической стойкости этих трансформатора.

Основные положения диссертации опубликованы в следу к) щи х работах:

1. Кадавид Р.Э. Проектирование трансформаторов. - Кали, Изд. Университета дель Вальс, Колумбия, 1994. - 257 с.

2. Кадавид Р.Э., Энао Х.А., Кальдерой Х.К. ТРЛФО - Проекти рование трансформаторов на ЭВМ. - Изд. Университета дель Валье, Колумбия, 1993. - 65 с.

3. Ситников В.Ф., Кадавид Р.Э. Актуальность прикладного ферромагнетизма. //Энергетика и информатика. - 1993.- № 1. - С. 47-49.

4. Апонте Г., Кадавид Р.Э., Гонсалес Г., Ривас Э. Осевые усилия при КЗ в трансформаторах с круглыми обмотками. // Центральноамериканский конгресс IEEE по проблеме выработки и распределения электроэнергии, Тез. докл.- Сальвадор, ноябрь 1994,- С. 35 -39.

5. Апонте Г.М., Кадавид Р.Э., Кастро Ф., Лосапо К. Результаты испытания па стойкость при КЗ распределительных трансформаторов. //Энергетика и информатика. - 1994. - № 2. - С. 49 - 53.

6. Кадавид Р.Э., Апонте Г.М., Кастро Ф., Гонсалес Г., Ривас Э. Внедрение испытаний на динамическую стойкость к токам КЗ для распределительных трансформаторов. // I Латиноамериканский конгресс по выработке и распределению электроэнергии: Тез. докл. - Виньа дель Map, Чили, 25-29 окт. 1993. - С. 153 - 157.

7. Кадавид Р.Э. Переходные процессы в трансформаторах. // Междупар. Панамериканская научн.-техпич. конференция инженеров-электриков (COPIMERA): Тез. докл. - Картахена, Колумбия, 1991. - С. 251 - 258.

8. Кадавид Р.Э., Апонте Г.М., Муньос X., Ривас Э. Моделирование переходных процессов в трансформаторах. // Научи, семинар но проблеме "Электротехника и энергетика": Тез. докл. - г. Пунта Аренас, Чили, 1990. - С. 13 - 16.

9. Ситников В.Ф., Кадавид Э. Анализ процессов намагничивания аморфных сплавов с применением модели Прейсаха. //Эвристика. 1994. - № 8. - С. 23-27.

Тираж №0 Типографии \\:-)11, Красноказарменная, !3