Учебная понижающая подстанция 110 кВ в масштабе 1/10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Учебная понижающая подстанция 110 кВ в масштабе 1/10

А.О. Егоров, А.А. Ларионова

Аннотация

понижающий подстанция учебный модель

Учебная понижающая подстанция 110 кВ в масштабе 1/10, предназначена для материально-технического оснащения образовательных процессов профильных кафедр вузов осуществляющих подготовку специалистов для электроэнергетики. Отсутствие постоянного и неограниченного доступа на энергообъекты для студентов, а также отсутствие возможности проводить на них любые работы, создаёт резкий дефицит практических знаний и навыков у студентов. Решением данной проблемы является создание действующих материальных моделей подстанций и отдельно стоящего силового оборудования, как в качестве наглядного пособия, так и в качестве лабораторной установки с малыми габаритами. Наличие действующей подстанции в масштабе 1/10 позволит в учебных целях выполнять широкий спектр работ: проектирование, строительство, монтаж, оперативные переключения и т.д.

Ключевые слова -- конструктор электроэнергетических систем, учебная действующая подстанция 110 кВ, система образования, трехмерное моделирование и конструирование, 3D принтеры и печать.

Abstract

The training step-down substation of 110 kV in 1/10 scale is intended for material fitting of educational processes of higher education institutions profile departments which are carrying out training of specialists for power industry. Absence of continuous and unlimited access of students to power facilities and also absence of an opportunity to carry out any works on it results in severe deficiency in practical knowledge and skills among students. The solution of this problem is creation of operating material models of substations and the separate power equipment, both as the visual aid and as laboratory unit small in size. Existence of the operating substation in 1/10 scale allows performing a wide range of works for educational purposes: design, construction, installation, routine switching, etc.

Keywords -- designer of electrical power systems, training the existing 110 kV substation, education system, three-dimensional modeling and design, 3D printing.

Введение

Проект «Конструктор электроэнергетических систем» действует на кафедре АЭС УралЭНИН УрФУ (г.Екатеринбург) с 2013 г. Основная задача, которая ставится перед проектом - повышение материально-технического и информационного оснащения образовательных процессов с применением методов и технологий масштабного моделирования, создание сборных масштабных моделей силового и вторичного оборудования электроэнергетических систем. Тем самым решая, в первую очередь, образовательные задачи, связанные с обеспечением качества подготовки студентов и специалистов технических специальностей для нужд электроэнергетической отрасли России. Кроме того, в рамках данного проекта производится обучение студентов конструированию, моделированию, проектированию, инженерным расчётам, что позволяет проектировать и создавать новое собственное действующее оборудование[1].

Конструктор выполняется на основе методов и технологий масштабного моделирования в средах промышленных систем объемного CAD/CAM проектирования, таких как, например AutoCAD. В настоящее время в производстве конструктора широко используется методы и технологии объемного лазерного сканирования, обратного инжиниринга и 3D печати. Такой подход к производственному процессу позволяет производить масштабные модели подстанций, отдельного силового и вторичного оборудования электроэнергетических систем из различных материалов и обеспечить их высокую внешнюю точность и геометрическую идентичность. В перспективе это позволит использовать модели в качестве действующих лабораторных установок с малыми габаритами и низкой стоимостью. Очередным преимуществом масштабного моделирования является обеспечение наглядности изучаемого или управляемого объекта обеспечение «эффекта присутствия» на энергообъекте.

Основная цель создания конструктора электроэнергетических систем состоит в повышении качества обучения студентов посредством улучшения материально-технического и информационного оснащения образовательной программы и созданием новых видов лабораторных и практических занятий на основе типовых и нетиповых ситуаций в электроэнергетике. То есть подразумевается создание и использование моделей силового оборудования и энергообъектов на их основе из оригинальных материалов, а так же виртуальных и напечатанных макетов электрических станций, подстанций и других энергетических объектов при изучении различных профильных дисциплин (электромеханика, электрические аппараты, оборудование ЭЭС, ЭЧС, системы АСДУ и пр.). В настоящее время ведутся работы по выпуску учебно-методических пособий и по постановке производства учебной ПС 110 кВ для того чтобы стало возможным донести до учащихся проблемы и знания о внешнем виде оборудования, его детализации и наглядности его устройства, принципах действия, назначения, конструктивного выполнения, транспортировки, монтажа, правилах сборки и технической эксплуатации, обслуживания и оперативно-диспетчерского управления.

Создание, сборка и печать масштабных моделей играет на данном этапе важную роль, т.к. получение наглядной модели внешнего и внутреннего устройства силового оборудования позволяет обеспечить качественное понимание физики и динамики процессов, а так же позволяет студенту погрузиться в процесс строительства и эксплуатации энергообъекта. Познакомиться и изучить детальное устройство энергообъекта позволит проект «Конструктор ЭЭС» на примере ОРУ трансформаторной ячейки блочной подстанции 110 кВ.

Технологические этапы создания масштабных моделей

Создание масштабной модели любого элемента оборудования производится в несколько технологических этапов методом обратного инжиринга.

Первый этап - это проведение изысканий, поиск лучшего элемента из ряда разных производителей и сбор полного состава исходных данных (фотографии, габаритные чертежи, каталоги, технические паспорта и др.). В настоящее время для оборудования 110 кВ такие изыскания полностью выполнены, и за основу (прототип) учебной ПС 110 кВ взята ПС 110/20 кВ «Медная» (АО «ЕЭСК» www.eesk.ru), с трансформаторами ТДН 40 МВА (СВЭЛ www.svel.ru), на площадке которой установлено современное оборудование. Ранее на площадке подстанции так же при проведении изысканий использовались методы объёмного лазерного сканирования для выполнения обратного инжиниринга оборудования [2]. Для перехода к созданию виртуальной ПС 110 кВ и воспроизводства её материальной модели в масштабе 1/10, запрошена технологическая документация, габаритные чертежи и выполнены фотографии, фрагменты которых приведены на рис.1-4.

Рис. 1 - ОРУ блочной ПС 110/20 кВ, вид сверху

Рис. 2 - Ячейка блочной ПС 110/20 кВ, вид сбоку

Этап создания конструктора является ключевым, так как именно от него зависит качество и дальнейшая детализация любой создаваемой модели. Требования к модели очень высокие т.к. в неё закладываются высокие модернизационные ресурсы, необходимые на будущих этапах развития проекта. Для того чтобы максимально быстро и качественно собрать все необходимые данные на этапе проектирования, используются технологии обратного инжиниринга, которые, в свою очередь, необходимы для восстановления размеров образцов оборудования на основании скан-файла, установления размеров крепежа, металлопроката и сортамента той части оборудования, которая находится под напряжением и доступ к нему закрыт. Тем самым значительно упрощается и ускоряется процесс сбора исходных данных, воспроизводства технической конструкторской документации и создание масштабной модели элемента конструктора. Важно заметить, что по итогам выполнения обратного инжиниринга площадки подстанции, становится возможным выполнение контроля качества выполненных строительно-монтажных работ, анализ механических деформаций, повреждений и износа поверхностей оборудования. Тем самым решаются не только образовательные, но и производственные задачи.

Рис. 3 - ОРУ 110 кВ блочной ПС 110 кВ

Рис. 4 - Трансформатор 110/20 кВ 40 МВА блочной ПС

На втором этапе производится обработка всех исходных данных и моделирование внешнего вида объекта с частичным воспроизводством внутреннего устройства элементов ОРУ. Также проводились эксперименты по поиску оптимального размера трансформаторной ячейки ОРУ 110 кВ, результаты которого показаны на рис.5 и в таблице 1.

Рис. 5 - Землеотвод ячейки ОРУ трансформатора 110 кВ

Таблица 1 - Соотношение размеров площади учебной ПС 110 кВ

Из рисунка и таблицы видно что, площадь ячейки ПС 110 кВ в масштабе 1/10 в 2,5 раза больше чем размер такой же ячейки в масштабе 1/16, но в то же время масштаб 1/10 хорошо подходит для интеграции в отдельностоящее оборудование крепежа часовых механизмов и стандартного металлосортамента. За базовый принят масштаб подстанции 1/10 с размерами трансформаторной ячейки ОРУ 110 кВ 1,68Ч5,22 мм. Для моделирования выполняются объёмные чертежи в масштабе 1/1 отдельно стоящего оборудования (рис.6-12) с полной детализацией и воспроизводством всех частей, соедиинений, элементов и узлов оборудования. Такой подход позволяет в перспективе перейти к любому как типовому, так и нетиповому масштабу в случае необходимости и если этого требует ситауция.

На сегодняшний день линейка масштабов достаточна хорошо проработана, от самых крупных: 1/2, 1/4, 1/8, 1/10, 1/13, 1/16, до самых маленьких 1/20, 1/24, 1/35, 1/48, 1/72, 1/100 и 1/144. По итогам изысканий было принято решение далее работать в масштабах 1/10, 1/13, 1/16 т.к. в этом случае, кроме вышеуказанных причин, также сохраняется возможность интеграции микроэлектронных компонентов и их установки внутри оборудования.

Рис. 6 - Ввод 110 кВ Мосизолятор. Узлы экрана, опорного фланца, колпак ввода и узел клеммы и аппаратного зажима

Рис. 7 - Трансформатор ТДН 110/20 кВ 40 МВА СВЭЛ (снят расширитель)

Рис. 8 - Шкаф управления РПН трансформатора фирмы MR (виды спереди, слева, справа, сверху, снизу)

Рис. 9 - Радиатор «Д» EuroCooler (виды слева, спереди, сверху, снизу)

Рис. 10 - Вентилятор EuroCooler (виды сверху, снизу, слева, спереди)

Рис. 11 - Шинная опора 110 кВ АИЗ в 2х исполнениях и жёсткая ошиновка Arutti на её основе

Рис. 12 - Гирлянда ошиновки ОРУ 110 кВ GIG с проводом АС-240

После выполнения всех трёхмерных чертежей отдельного электротехнического оборудования, также, в масштабе 1/1 выполняются чертежи строительной части подстанции: железобетонных изделий и металлоконструкций на которых устанавливается силовое оборудование. За основу взяты железобетонные изделия фирмы «БалтТеплострой», исчерпывающую информацию по металлоконструкциям предоставила Группа СВЭЛ [3]. Далее, на третьем этапе осуществляется трехмерная печать элементов подстанции, на 3D принтерах. Технологии 3D печати применяются для прототипирования, т.к. являются дорогостоящими. С примененим технологий 3D печати выполняется прототип одной ячейки ОРУ 110 кВ. Серийное производство элементов ПС требует применения других высоких технологий, в частности литья цветных металлов. При печати прототипа подстанции используются 2 машины - 3D принтеры имеющиеся на кафедре АЭС УралЭНИН УрФУ: 3D принтер StarLight (Россия) - применяется для печати мелких элементов с высокой точностью и 3D принтер CubeX (США), используемый для печати крупногабаритных делатей с хорошей точностью.

На четвертом этапе предусмотрена постобработка деталей после выполнения печати - осуществляется механическая зачистка и обработка деталей, удаление рафта, необходимого для печати, промывка деталей и их засветка и сушка в ультрафиолетовой камере. Далеее выполняется грунтовка, покраска, подготовка к сборке и непосредственно сама сборка ячейки подстанции.

Результаты

В настоящее время полностью выполнены чертежи и частично выполнена 3D печать: силового трансформатора ТДН 110/20 кВ 40 МВА (СВЭЛ), вводов 110, 66 и 20 кВ (Мосизолятор), выключателя ВЭБ-110 кВ (УЭТМ), трансформатора тока ТРГ-110 (УЭТМ), шинные опоры ШО-110 кВ (АИЗ), линейная арматура и изоляция (Global Insulator Group), жёсткая ошиновка (Arutti). В разработке находятся 3D чертежи Разъединителя РПД 110 кВ (УЭТМ), измерительного трансформатора напряжения ЗНГ-110 кВ (УЭТМ), ВЧ заградитель (СВЭЛ) и конденсатор связи СМА (DECRA). Создана виртуальная ячейка подстанции 110 кВ с максимальной проработкой и детализацией, выполняется её материальная копия-прототип из фотополимеров и пластмасс в масштабе 1/10.

Перспективы

Выполняется работа по поиску высоких технологий подходящих для серийного производства. Одновременно к ячейке ПС ведутся изыскания по созданию максимально информативной и эффективной пошаговой инструкции по сборке. Осуществляется подбор различных сортов цветных металлов и их сплавов. В планах полного состава работ по ячейке ОРУ 110 кВ выполнить:

Объёмные 3D чертежи ПС 110 кВ;

Плоские 2D чертежи ПС 110 кВ;

Учебное пособие по проектированию ПС 110 кВ;

Плакаты с инфографикой по устройству ПС 110 кВ;

Статичный макет ПС 110 кВ в масштабе 1/10;

Пошаговую инструкцию по сборке ПС 110 кВ;

Рабочую ПС 110 кВ в масштабе 1/10.

В перспективе ячейка ОРУ ПС 110 кВ в масштабе 1/10, позволит выполнять широкий спектр учебных практик и лабораторных работ: проектирование, строительство, монтаж, оперативные переключения и т.д. Планируемое окончание работ по выполнению чертежей и статичного макета ПС 110 кВ намечено на январь 2018 г.

Список литературы

1. Возисова О., Егоров А., Трембач А. Конструктор электроэнергетических систем. Siemens 3API DT 145kV Circuit-Breaker // Applied Mechanics and Materials. Vol. 698 (2015). pp. 699-703. Submitted 07.10.2014 © (2015) Trans Tech Publications, Швейцария (references)

2. Frцhlich C. and Markus M. "Terrestrial laser scanning-new perspectives in 3D surveying." International archives of photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences 36.Part 8 (2004): W2.

3. Tavlintsev A., Eroshenko S., Kuzin P., Kazantsev A., Trembach A., Vozisova O., Koksharova E., Zhavrid N., Kunshin V., Bannih P., Baltin D. 220/110 kV 250 MVA Autotransformer kit. Advanced Materials Research, 1008-1009.C. 1162-1165

4. O. Vozisova., A. Egorov, A. Trembach. Designer of electric power systems. Siemens 3API DT 145kV Circuit-Breaker // Applied Mechanics and Materials. Vol. 698 (2015). pp. 699-703. Submitted © 07.10.2014 (2015) Trans Tech Publications, Switzerland (references)

5. Frцhlich C. and Markus M. Terrestrial laser scanning-new perspectives in 3D surveying. International archives of photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences 36.Part 8 (2004): W2.

6. Tavlintsev, S. Eroshenko, P. Kuzin, A. Kazantsev, A. Trembach, Vozisova O., E. Koksharova, N. Zhavrid, V. Kunshin, P. Bannih, Baltin D. 220/110 kV 250 MVA Autotransformer kit. Advanced Materials Research, 1008-1009. pp. 1162-1165

Размещено на Allbest.ru