Трансформатор для взрывозащищенных комплектных трансформаторных подстанций
Нагорный М.А., Грушко В.М., Ковалёв А.П., Омельченко А.Н., Чернов И.Л.
Источник: Взрывозащищенное электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: ООО «Юго-Восток», 2008.- с.70-77
Постановка проблемы. Взрывозащищённые комплектные трансформаторные подстанции (КТП), предназначенные для эксплуатации в электрических сетях участков угольных шахт, длительное время выпускает ОАО «Донецкий энергозавод». К настоящему времени освоен серийный выпуск КТП мощностью до 1250 кВА. На протяжении всего времени выпуска КТП осуществляются их конструктивные усовершенствования, направленные на повышение технических характеристик и предусматривающие обеспечение всё возрастающих требований по безопасности, надёжности и удобству их эксплуатации в условиях взрывоопасных сред и стеснённого пространства. В своём составе КТП содержат активную часть, представляющую собой трёхфазный магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений, размещённую в стальной взрывонепроницаемой оболочке, и распределительные устройства высшего (РУВН) и низшего (РУНН) напряжений, которые размещаются в своих взрывонепроницаемых оболочках и укомплектованы силовой коммутационной аппаратурой, а также аппаратурой защиты, управления, сигнализации и передачи информации о состоянии изделия. Постоянное совершенствование КТП, осуществляемое на протяжении всего этапа их развития, привело к отработке конструктивных решений, которые, на первый взгляд, могут считаться не подлежащими сомнению. Однако современные требования к КТП ставят правомерным вопрос о пересмотре концепции структурных и конструктивных совершенствований, обусловленных всё более ужесточающимися условиями добычи полезного ископаемого, характеризующимися глубиной его залегания, ростом уровня опасности из-за наличия метана и внезапных выбросов, сложностью проветривания при ограниченных сечениях горных выработок. Поэтому актуальным является более внимательный подход к структуре самой КТП, включая и взаимоувязку ее электрической схемы с системой электроснабжения угледобывающего участка.
Интенсификация угледобычи требует не только обеспечения безопасной эксплуатации КТП в электрических сетях участков шахт, но также повышения их живучести при возникновении аварийных и нештатных ситуаций. Потеря добычи угля в случае возникновения аварии может существенно превышать стоимость самой КТП и затрат на эксплуатацию.
Анализ исследований и публикаций.
Важнейшей сборочной единицей КТП, выход из строя которой является наиболее опасным в эксплуатации и может привести к очень тяжёлым последствиям, является её активная часть. При выходе из строя активной части КТП приходится заменять полностью, что требует значительных усилий по отключению вышедшей из строя КТП, доставке и замене её на резервную, привлечению значительного обслуживающего персонала и выполнению большого объёма работ по её подключению для возобновления нормальной работы участка. Установка же на участке резервного источника электроснабжения приводит к существенному увеличению общей стоимости электрической сети участка.
Вопросу обеспечения и характера резерва в шахтных условиях до настоящего времени уделялось недостаточно внимания и если он решался на угольных предприятиях положительно, то это осуществлялось в большей степени благодаря их энергомеханическим службам, а в учебной литературе они рассматривались лишь принципиально (Р.М.Лейбов, М.И.Озерной, 1972) [1]. Научно обоснованные рекомендации по оптимизации резервирования, особенно с учётом повышения производительности участков, опасности эксплуатации современного электрооборудования, конкретных вариантов технологии угледобычи практически отсутствуют.
Разработанные ИГД им. А.А.Скочинского технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах [2] к настоящему времени устарели и требуют совершенствования в части использования новейшего оборудования, в том числе КТП, пусковой аппаратуры, приёмников электроэнергии. Естественно, что при разработке КТП, наиболее полно отвечающей требованиям эксплуатации, должна быть обеспечена совместимость её конструкции с новейшей электрической системой участка. Известна конструкция КТП [3], которая содержит силовой преобразовательный блок, РУВН и РУНН, включающие оболочки и кабельные коробки с вводами, проходными токоведущими зажимами, комплектами коммутационной аппаратуры, шинами, аппаратурой защиты, управления и сигнализации. Силовой преобразовательный блок этих КТП выполнен из трансформаторов-секций, представляющих собой магнитопроводы с насаженными на их стержни обмотками. Каждый трансформатор-секция, а также РУВН и РУНН размещены во взрывонепроницаемых оболочках, образующих систему взрывозащиты путём их соединения в один агрегат мри помощи взрывонепроницаемых фланцев и крепящих элементов. В таких трансформаторах-секциях повышения мощности можно достичь за счёт применения изоляции классов нагревостойкости Н и 200, а для изготовления магнитопроводов - стали с пониженными удельными потерями. Охлаждение трансформаторов-секций осуществляется естественной конвекцией воздуха и излучением.
К недостаткам этой конструкции КТП относится большой расход металла из-за того, что оболочка каждого трансформатора-секции имеет свои фланцы и крепёжные элементы. Большое количество стыковочных поверхностей приводит к существенному увеличению общей массы КТП и снижению безопасности применения из-за наличия большого количества взрывозащитных поверхностей. Продольное размещение трансформаторов-секций в оболочках ограничивает их количество в КТП по причине сложности обеспечения взрывозащиты (уже для четырёх трансформаторов-секций требуется пять пар фланцев).
В существующих КТП для снижения давления взрыва на сопряженных стенках между активной частью и РУНН, а также в кабельных коробках РУВН и РУНН устанавливаются устройства снижения давления взрыва (УСДВ).
Цель статьи. Обоснование структурного построения трансформатора для применения в сухой КТП, предназначенной для эксплуатации в условиях угледобывающих участков шахт, опасных по метану и/или угольной пыли.
Результаты исследований. В связи с повышением мощности КТП становится сложным обеспечение их технических характеристик в заданных габаритных размерах по причине недостаточного использования размера по ширине, т.к. он ограничивается допустимой шириной шахтных вагонеток. Это приводит к увеличению длины трансформатора и соответственно самой КТП. Кроме того, традиционное конструктивное построение КТП при повышении мощности приводит к снижению её надёжности из-за возрастания тока короткого замыкания (КЗ) в обмотке трансформатора или в электрической системе, увеличению напряжения КЗ, влекущем снижение пусковых характеристик приёмников электроэнергии, усложнению конструкции для обеспечения устойчивости обмотки к возникновению КЗ. Увеличение мощности КТП с традиционной конструкцией активной части при её повреждении приведёт к более тяжёлым последствиям из-за сосредоточения повышенной мощности в зоне повреждения.
Установка УСДВ на смежных перегородках между кабельными коробками и отсеком активной части КТП приводит к снижению давления взрыва при возникновении КЗ или взрыва только в самих кабельных коробках. При возникновении же взрыва или дугового КЗ в обмотке активной части такой эффект не наблюдается из-за несоизмеримо малого по сравнению с отсеком для размещения активной части объёма кабельной коробки.
Для взрывозащищённых КТП предложено активную часть, размещённую во взрывонепроницаемой оболочке, выполнить разделённой на две составляющие [4], каждая из которых представляет магнитопровод с нанесёнными на его стержни обмотками половинной мощности, установленные поперечно оси КТП в двух идентичных отсеках оболочки, разделённой взрывонепроницаемой поперечной перегородкой с проходными токоведущими зажимами ВН и НИ.
Перегородка выполнена с теплоотводящими элементами в виде вертикальных каналов с открытыми верхними и нижними концами, совмещённых с ней, и имеет УСДВ, размещённое в её нижней части и соединяющее оба упомянутых отсека оболочки.
Конструкция КТП с трансформатором в виде двух активных частей половинной мощности, размещённых в одной оболочке с поперечной взрывонепроницаемой перегородкой позволяет получить следующие преимущества:
а) повысить надёжность в условиях эксплуатации за счёт снижения тока КЗ в обмотках активной части;
б) за счёт снижения тока КЗ и разделения оболочки на два идентичных отсека взрывонепроницаемой перегородкой повысить безопасность применения КТП в условиях эксплуатации;
в) расширить функциональные возможности КТП за счет параллельного или раздельного включения двух активных частей трансформатора;
г) уменьшить напряжение КЗ и повысить пусковые характеристики приёмников электроэнергии;
д) за счёт разделения мощности составляющих активной части КТП снизить давление взрыва при его возникновении в одном из отсеков взрывонепроницаемой оболочки или в кабельной коробке;
е) упростить систему крепления обмоток активной части в результате снижения в них тока КЗ;
ж) улучшить условия охлаждения активной части.
Сущность предложенного технического решения представлена на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 – Структурная схема трёхфазного взрывозащищённого трансформатора
Трёхфазный взрывозащищённый трансформатор содержит оболочку 1 с фланцами, разделённую на два идентичных отсека 2 и 3 взрывонепроницаемой перегородкой 4. В отсеках размещены активные части 5 и 6 половинной мощности, выполненные в виде магнитопроводов 7 и 8 с расположенными на их стержнях обмотками 9 и 10.
Обмотки соединены между собой при помощи отводов 11 и 12 через проходные токоведущие зажимы высшего 13 и низшего 14 напряжения. Для подачи напряжения на обмотку предусмотрены кабельные коробки 15 и 16 с установленными на них проходными токоведущими зажимами (на рисунках не показаны) и силовые шины 17 и 18. При использовании такого трансформатора взрывозащита КТП обеспечивается при помощи фланцев РУВН и РУНН.
Взрывонепроницаемая перегородка снабжена УСДВ 19 и имеет совмещённые вертикально расположенные теплоотводящие каналы 20 с открытыми нижними и верхними концами для прохождения охлаждающего воздуха. В месте расположения проходных токоведущих зажимов 13 и 14 в оболочке для удобства монтажа выполнены люки, закрытые крышками 21 и 22 с фланцами. Кабельные коробки 15 и 16 смонтированы на торцевых крышках 23 и 24 с фланцами или могут выполняться в составе распределительных устройств РУВН и РУНН. На рисунке 2 показана взрывонепроницаемая перегородка с УСДВ 19 и вертикальными каналами 20, выполненными в виде коробов треугольного сечения, совмещённых с поперечной перегородкой, с открытыми нижними и верхними концами. УСДВ может быть применено традиционное. ВН подаётся на обмотки активной части через проходные токоведущие зажимы кабельной коробки 15 и подводящие шины 17. Ток первичных обмоток разделённой активной части 5 и 6 создаёт магнитный поток в магнитопроводах 7 и 8, который индуктирует в обмотках 9 и 10 электродвижущую силу. Питание приёмников электроэнергии осуществляется через силовые шины 18 и проходные токоведущие зажимы, установленные в кабельной коробке 16 НН. Отсеки активной части и кабельные коробки в процессе работы закрываются крышками с фланцами, образующими взрывозащиту трансформатора.
Активные части в процессе работы могут быть подключены параллельно или использоваться автономно. При необходимости увеличения напряжения в два раза, как это имеет место в электрических сетях за рубежом, это напряжение при исполнении главной изоляции, допускающей удвоенный уровень напряжения, также может быть получено путём последовательного включения обмоток активной части.
Рисунок 2 – Фрагмент оболочки трансформатора с взрывонепроницаемой перегородкой
Последствия потенциально возможного взрыва снижаются за счёт того, что он может произойти только в одном из отсеков, т.е. будет иметь пониженное давление. При крайне редкой вероятности возникновения взрыва в двух отсеках одновременно мощность КЗ разделяется на две зоны половинной мощности, что также снижает его разрушительные последствия. Уменьшение мощности активной части позволяет выполнить трансформатор с меньшим напряжением КЗ. Разделение активной части на две составляющие повышает устойчивость трансформатора в результате уменьшения тока КЗ приблизительно в два раза, что снижает силы, воздействующие на обмотки. Вследствие этого отпадает необходимость усложнять систему их крепления.
Выполнение взрывонепроницаемой поперечной перегородки 4 с элементами охлаждения 20 в виде вертикальных каналов и размещение активных частей 5 и 6 поперёк продольной оси оболочки КТП и параллельно помянутой перегородке позволяет улучшить условия охлаждения расщеплённой активной части. Совмещение поперечной перегородки с элементами охлаждения в виде вертикальных коробов треугольного сечения позволяет повысить жёсткость и устойчивость к взрыву как оболочки 1, так и самой перегородки [4]. Треугольное сечение вертикальных каналов позволяет удалить точки крепления силовых отводов (шин) активной части проходных токоведущих зажимов от стенок этих каналов.
Процесс изготовления активной части в условиях завода упрощается, а при эксплуатации живучесть изделия повышается, т.к. выход из строя одной из активных частей позволяет продолжить работу КТП за счёт вывода из строя повреждённой части и повторного включения неповреждённой.
При выборе источников системы электроснабжения (трансформаторов или КТП) резерв их установленной мощности может быть снижен и принят в виде половинной мощности, что является одним из направлений снижения расхода материалов и электроэнергии в эксплуатации.
Вывод:
Предложена и обоснована конструкция трансформатора для рудничных взрывозащищённых КТП, у которого активная часть выполнена разделённой, состоящей из двух частей половинной мощности и установленных поперечно продольной оси оболочки КТП в двух идентичных отсеках. Оболочка разделена взрывонепроницаемой поперечной перегородкой с проходными токоведущими зажимами ВН и НН, УСДВ и теплоотводящими элементами в виде вертикальных каналов треугольного сечения с открытыми верхними и нижними концами.
Литература
- Электроснабжение угольных шахт / Волотковский С.А., Разумный Ю.Т., Ивняк Г.Г. и др. - М.: Недра, 1984. - 376 с.
- Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах: Части 1 и 2.- М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1979.
- Шахтная передвижная подстанция для питания угледобывающих комплексов А.с.427435 СССР, МКИ Н 02b 9/00/Грушко В.М., Кубрак А.И., Лысюк А.В., Нагорный М.А., Плетнев А.И., Селищев А.Н., Суков Ф.В., Шилов В.В.(СССР).–№1673250/24-7; Заявлено 24.06.71; Опубл. 05.05.74, Бюл. № 17.
- Пат. №26444 Україна, МПК (2006) НОН 27/02. Трансформатор вибухозахищений трифазний / Нагорний М.О., Грушко В.М., Ковальов О.П., Омельченко О.М., Чернов І.Я. (Україна).–№ 11200703923; Заявлено 5.05.07; Опубл. 25.09.07, Бюл. №15.