Объёмная 3D печать элегазовых трансформаторов тока

Keywords -- power systems designer, education system, three-dimensional design, scale models of power equipment, 3D printing

Для повышения уровня материально-технического оснащения образовательных процессов в учебных заведениях и перевода занятий с учащимися в активную форму, специалистами кафедры АЭС УралЭНИН УрФУ ведётся разработка конструктора электроэнергетических систем. Ранее разработаны его концепция основная элементная база, конструкторская документация, и напечатаны на 3D принтерах первые прототипы оборудования [1]. В ходе дальнейших работ и изысканий после воспроизводства «материальной оболочки оборудования» из пластмасс разных сортов, принято решение сделать оборудование из оригинальных материалов и далее сделать его рабочим. Для этого принято решение перейти к уточнению размеров масштабных моделей, т.к. одно из новых требований, предъявляемых к элементной базе конструктора, стало возможность применения крепежа и стандартного металлопроката сортамента и крепежа. Например, в ходе таких работ и изысканий, было принято решение использовать крепёж, применяемый в часовых и сильно нагруженных кинематических механизмах. Это также упростит, ускорит и удешевит в перспективе сборку уменьшенных в масштабе учебных энергообъектов. Основой для таких изысканий стала прогрессия измерительных трансформаторов тока ТРГ и ТРГ-110 кВ в частности [2], т.к. с её применением в настоящее время строится учебная подстанция 110 кВ в масштабе 1/10. трансформатор печать ток подстанция

Оптимальный размер оборудования в уменьшенном масштабе должен быть удобным для работы в процессе обучения. Он не должен быть мелким, чтобы не было необходимости напрягать зрение и рецепторы учащегося, но в то же время не должен быть большим, чтобы не занимать много места и пространства в учебных аудиториях и на столах в лабораториях [3]. Для поиска такого оптимального размера важно не только проверить все размеры на классе 110 кВ как это было сделано ранее [2], но и проверить габариты на всех классах напряжения и увязать оборудование с металлоконструкциями и опорными стойками, которые применяются на распределительных устройствах подстанций. Основой для таких работ стали элегазовые измерительные трансформаторы тока серии ТРГ, производства завода АО «УЭТМ» (www.uetm.ru). Основой является классическая трёхфазная группа ТРГ-110 на металлоконструкциях [1, 2] (рис. 1).

Рис 1.Трёхфазная группа измерительных трансформаторов тока серии ТРГ на основании из металлоконструкций на ОРУ-110 кВ ПС

Процесс реверс-инжиниринга, отработанный ранее на трансформаторе тока 110 кВ с использованием габаритных чертежей изготовителя и фотографий (рис.2),

Рис 2. Габаритные заводские чертежи трансформтаора тока ТРГ-110

Его восстановленная трехмерная модель в 3D AutoCAD в цвете позволил достаточно быстро в течение года восстановить объёмные чертежи измерительных трансформаторов тока на классы напряжения 500, 330, 220,110 и 35 кВ (рис.3):

Рис 3. Прогрессия однофазных трансформаторов тока серии ТРГ на классы напряжения 500, 330, 220, 110 и 35 кВ в масштабах 1/1ч1/100

Далее, восстановленные сборочные и рабочие чертежи собственного производства для воспроизводимых ТТ были адаптированы и конвертированы для печати на 3D принтерах и в течение года поэлементно напечатаны на принтерах по технологиям SLA и FDM (рис.4 и рис.5)

Рис 4. Прогрессия трансформаторов тока серии ТРГ в масштабах 1/10ч1/50 напечатанная на 3D принтере StarLight по технологии SLA. Основная часть ТРГ-35, ТРГ-110 и ТРГ-220 в масштабах 1/16, 1/13 и 1/10

Мастер-модели ТТ (материнские детали модели) после воспроизводства имеют габариты в масштабе 1/35: 35 кВ до 40 мм, 110 кВ до 55 мм, 220 кВ до 100 мм. При этом, в ходе печати и набора прогрессии стало очевидно, что минимально подходящий по всем вышеуказанным требованиям рекомендуемый размер относится к масштабу 1/16 и выше. Так, для 35 кВ ТТ имеет высоту 69 мм. Соответственно, для 110 кВ ТТ имеет высоту 110 мм, 220 кВ - 194 мм, 330 кВ - 246 мм и 500 кВ - 460 мм. Также установлено, что с 16-го масштаба у моделей имеется возможность применения стандартных крепежей металлопроката и сортаментов. Например, для ТТ ТРГ-110 и 220 в основании фланца опорного изолятора болт имеет размер М16. Т.е. в масштабе 1/16 он будет иметь размер М1 (1мм), что не всегда будет удобно для учащихся при постановке задачи по сборке в ходе практического занятия. Продолжая поиски и последующее увеличение мастер моделей с 16 до 13 и 10-го масштаба, болты увеличиваются до М1,2 и М1,6 с возможностью увеличения до М2. При этом шпильки в кожухе ТТ имеющие типоразмеры М10, будут иметь размер М1 и т.д. В масштабе 1/10 трансформаторы тока ТРГ на 35, 110 и 220 кВ имеют высоту 110 мм, 176 мм и 310 мм соответственно. С другой стороны, для крупных габаритов, ТТ в масштабе 1/2, все болты будут уменьшены в 2 раза и крепёж в основании опорного изолятора будет иметь типоразмер М8 или М10, (рис.5):

Рис 5. Прогрессия трансформаторов тока серии ТРГ-110 в масштабах 1/2ч1/8 напечатанная на 3D принтере CubeX по технологии FDM

Для дальнейших изысканий, было принято решение установить модели ТРГ-110 кВ в оптимальных исследуемых масштабах 1/16, 1/13 и 1/10 на основание на металлоконструкциях, по рис.1. При этом ввиду отсутствия сборочных чертежей и исходной информации о таком основании, опорной информацией принят габаритный чертёж заводского исполнения УЭТМ (рис.6).

Рис 6. Заводской чертёж основания трёхфазной группы ТРГ-110 на металлоконструкциях с указанием габаритных размеров (Н=4800)

Методом пропорций, обратных геометрических вычислений и пропорций на рис.1, восстановлены габаритные размеры узлов, частей и соединений, а также металлопроката, швеллеров и уголков с болтовыми соединениями. Восстановленный чертёж основания измерительных трансформаторов тока для ТРГ-110 кВ на металлоконструкциях представлен на рис.7.

Для удобства, для основания также смоделирована имитация фундамента из железобетона и основание - секция поверхности грунта на ОРУ-110 кВ подстанции (газон или щебень). Также для перспективной интеграции микроэлектроники смоделированы шкаф вторичных коммутаций и кабели измерительных цепей ТТ.

Рис 7. Восстановленный чертёж трёхфазной группы измерительных трансформаторов тока серии ТРГ-110 на основании по рис.1 и 6 и подготовленный к декомпозиции, нарезке и печати на 3D принтере

В настоящее время напечатаны основания-платформы и сами трансформаторы тока. Закуплен болтовой крепёж. Ведутся работы по подбору металлопроката и его закупка для сборки трёхфазной группы ТТ на основании из металлоконструкциях в масштабах 1/16, 1/13 и 1/10. Трёхфазная группа ТТ является частью перспективной учебной ПС 110 кВ. Далее, на основе полученного результата по оптимальному масштабу, будет принято решение о строительстве учебной подстанции 110 кВ в одном из трёх масштабах в классической компоновке трансформаторной ячейки по блочной схеме.

Основная цель создания конструктора ЭЭС - создание элементной базы силового, и вторичного оборудования ЭЭС, аппаратных зажимов, линейной арматуры и изоляции, проводов ЛЭП, а также шкафов РУ НН, терминалов РЗ и ПА полной номенклатуры, позволяющей выполнять весь спектр работ, начиная с геодезических изысканий, проектирования и строительства, до испытаний, пусконаладки, и эксплуатации энергообъектов. Для обеспечения возможности реализации всех этих задач, необходимо поэтапно решить задачу производства конструктора ЭЭС в следующей последовательности:

1. Выбор оптимального масштаба

2. Создание конструкторской документации в 2D и 3D

3. Воспроизводство материальной оболочки учебной ПС 110 кВ из пластмасс и полимеров

4. Воспроизводство материальной оболочки учебной ПС 110 кВ из оригинальных материалов

5. Воспроизводство материальной оболочки учебной ПС 110 кВ из оригинальных материалов с внутренним наполнением оборудования

6. Воспроизводство отмасштабированных физических, электротехнических и электромагнитных процессов в оборудовании учебной подстанции

7. Воспроизводство информационных процессов в оборудовании и во всей ПС 110 кВ и создание диспетчерских систем АСУ ТП на их основе.

Важен тот момент, что выбор оптимального масштаба является ключевым шагом, т.к. выполнив этапы 1, 2 и 3 и после перехода к этапам 4 и 5, вернуться к первым этапам будет крайне затруднительно и повлечёт серьёзные затраты ресурсов. Данное обстоятельство затягивает и затрудняет во времени процесс воспроизводства всего оборудования, которое было сконструировано ранее, в течение предыдущих 3х лет работы специалистов [1,2].

Другим серьёзным затруднением является поиск и закупка специальных инструментов для работы с мелким болтовым крепежом. Опыт показал, что некоторые сборочные работы требуют наличия специальных оптических приборов, специальных часовых отвёрток с битами и головками, и соответствующей подготовки рабочего места (аналог процесса сборки часовых механизмов). Данный факт, для обеспечения возможности применения конструктора для широкого круга учащихся, приводит к необходимости укрупнения моделей, что не соответствует требованию уменьшения габаритов.

Ещё одним затрудняющим работы моментом является поиск особенных сортов глин и сталей и их сплавов, т.к. при воспроизводстве фарфоровых изоляторов требуется обеспечить во-первых соблюдение геометрии тонких поверхностей граней тарельчатых изоляторов, во вторых механическую прочность граней изоляторов, в третьих поиск эффективной технологии обжига глины. Таких проблем нет с полимерными изоляторами. Также, для обеспечения геометрической идентичности фланцев и кожухов оборудования, требуется подбор подходящих цветных металлов и их сплавов с адекватной текучестью и шероховатостью для соблюдения текстуры поверхностей.

Прогрессия ТРГ-110 кВ, взятая ранее за основу разработки конструктора ЭЭС напечатана в масштабах от 1/2 до 1/100, что соответствует высоте 880 мм и 18мм. На основе данной прогрессии была разработана и напечатана прогрессия трансформаторов тока на 35, 220, 330 и 500 кВ. Указанные ТТ напечатаны в масштабах от 1/35 до 1/10. При этом масштабы 1/16, 1/13 и 1/10 взяты за основу перспективного конструктора ЭЭС для воспроизводства трёхфазной группы на основании из металлоконструкций.

Таблица 1. Размеры секции ТТ РУ 110 кВ в основных масштабах на основе трёхфазной группы измерительных ТТ ТРГ 110 кВ

Из размеров, указанных в таблице видно, что для масштаба 1/10, который в соответствии с вышеизложенным, является перспективным (ранее перспективным считался масштаб 1/16), секция ТТ в трёхфазном исполнении будет иметь габарит вдоль фаз 400 мм - (40 см), что достаточно для размещения в лаборатории на рабочем месте учащегося как трёхфазной группы трансформаторов тока на классы напряжения 35, 220 кВ и выше, так и для создания учебной подстанции с силовыми трансформаторами, выключателями и пр.

В ходе выполнения работ по печати ТРГ-110 в масштабах 1/8, 1/6, 1/4, 1/3 и 1/2 установлено, что для создания прототипов и образцов единичного оборудования вполне эффективно подходят масштабы 1/2 и 1/3. Размеры таких прототипов достаточно приемлемы для работы с ним команды учащихся, они достаточно быстро печатаются, имеют высокую геометрическую точность и низкую стоимость при изготовлении.

На базе прогрессии ТРГ-110 и ТТ на классы напряжения 35, 220, 330 и 500 кВ, разработана область применения прототипов и перспективных серийных изделий в уменьшенном масштабе. Масштаб 1/10 является эффективным для создания учебных рабочих энергообъектов. Масштабы 1/2 и 1/3 подходят для создания единичных однофазных и трёхфазных прототипов и образцов для отдельных работ конкретно с оборудованием в учебных аудиториях и лабораториях.

Список литературы

1. Возисова О.С., Банных П.Ю., Трембач А.Ю., Казанцев А.С., Ерошенко С.А. (…) Изнаиров Б.М. Конструктор автотрансформатора 220/110 кВ 250 МВа. 2-я Международная конференция по достижениям в области энергетики и окружающей среды, науки ICAEES 2014; Гуанчжоу, Китай; 21-22 июня 2014 года. Расширенные материалы исследований, 1008-1009, с. 1162-1165

2. Кузнецов К.А., Возисова О.С., Фирсова Д.А., Зонов И.С. Конструтор электроэнергетических систем. Линейная прогрессия трансформатора тока ТРГ-110. 6-я Международная научно-техническая конференция «Энергетика глазами молодежи»,г. Иваново, 9-13 ноября 2015 года. Материалы конференции, том.2, с. 492-495.

3. Shashi M., Jain K., Use of photogrammetry in 3D modeling and visualization of buildings, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 2 (2) (April 2007)

Размещено на Allbest.ru