Причины возникновения остаточных внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроения

Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из стали 13х15н4ам3 при продольном точении

Оригинальная статья / Original article УДК 621.941.08

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2021-8-34-45

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 13Х15Н4АМ3 ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ТОЧЕНИИ

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Проведение сравнительного анализа результатов измерения остаточных напряжений в стали 13Х15Н4АМ3 (ВНС-5) после продольного точения с варьированием подачи. В работе были поставлены следующие задачи: установить влияние режимов обработки при продольном точении на технологические остаточные напряжения, формируемые в образце, и провести сравнение принципиально различных методов для исследования напряженно-деформированного состояния материала на поверхности детали. МЕТОДЫ. В ходе работы были применены механический метод определения остаточных напряжений и метод рентгеноструктурного анализа. Данные методы являются наиболее распространенными при анализе остаточных напряжений в металлических образцах, отличаются удовлетворительной точностью, сходимостью результатов и широко применяются как в исследовательских целях, так и в производственных условиях. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Кратко описан процесс изготовления образцов, используемых при исследовании остаточных напряжений механическим методом на установке УДИОН-2. Получены эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое образцов после продольного точения с варьированием подачи. Проведено сравнение результатов измерений, полученных механическим методом и методом рентгеноструктурного анализа на поверхности образцов. Рассмотрены особенности методов, а также оборудование для исследования технологических остаточных напряжений – установка для измерения остаточных напряжений механическим методом (УДИОН-2) и рентгеновский дифрактометр XStress 3GGG G3R. ВЫВОДЫ. При росте подачи увеличивается глубина залегания минимального остаточного напряжения, глубина залегания активной части эпюр остаточного напряжения, но при этом уменьшается значение касательного напряжения Tzxo на поверхности. Выявлена достаточно высокая сходимость результатов измерения остаточных напряжений на поверхности образцов механическим методом и при помощи рентгеноструктурного анализа. Ключевые слова: остаточные напряжения, продольное точение, высокопрочная нержавеющая сталь, рент-геноструктурный анализ, механический метод определения остаточных напряжений, поверхностный слой.

Информация о статье. Дата поступления 19 мая 2021 г.; дата принятия к печати 27 июля 2021 г.; дата онлайн-размещения 31 августа 2021 г.

Формат цитирования. Тихонов А.Г., Смольков П.С. Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из стали 13Х15Н4АМ3 при продольном точении II Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 22. № 8. С. 34-45. DOI: 1G.21285/1814-352G-2G18-8-34-45

RESEARCH OF RESIDUAL STRESSES IN THE SURFACE LAYER OF PARTS FROM STEEL 13Х15Н4АМ3 AT LONGITUDINAL TURNING

A.G. Tikhonov, P.S. Smolkov

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664G74, Russian Federation

ABSTRACT.The PURPOSE of the paper is to perform a comparative analysis of the measurement results of residual stresses in steel 13Х15Н4АМ3 (VNS-5) after longitudinal turning with a varied feed. The work has the following objectives:

1Тихонов Александр Геннадьевич, младший научный сотрудник кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: tihonovalex90@mail.ru

Alexander G. Tikhonov, Junior Researcher of the Department of Technology and Equipment of Machinery Production, e-mail: tihonovalex90@mail.ru

2Смольков Павел Сергеевич, инженер кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: sps@istu.ru

Pavel S. Smolkov, Engineer of the Department of Technology and Equipment of Machinery Production, e-mail: sps@istu.ru

to determine the influence of processing modes at longitudinal turning on technological residual stresses formed in a sample and to compare the methods different in principle for the study of the stress-strain state of material on the part surface. METHODS. The study uses a mechanical method for determining residual stresses and an X-ray diffraction analysis (XRD). Being the most widespread in the analysis of residual stresses in metal samples, these methods feature satisfactory accuracy, convergence of results and are widely applied both for research and production purposes. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. A brief description is given to the production process of samples used for residual stress research by the mechanical method using UDION-2 research equipment. The diagrams of residual stress distribution in the surface layer of samples after longitudinal turning with a varied feed are obtained. The measurement results received through the use of the mechanical method and XRD analysis on sample surface are compared. Consideration is given to the features of methods and equipment for the study of technological residual stresses, which includes the UDION-2 research equipment for residual stress measurement by the mechanical method and the XRD XStress 3000 G3R diffractometer. CONCLUSIONS. The growth of the feed is accompanied by the increase in the depth of the minimum residual stresses, the depth of the active area of residual stress diagrams and the decrease in the value of the tangential stress Tzx0 on the surface. A sufficiently high convergence of the measurement results of residual stresses on the sample surface by the mechanical method and X-ray diffraction analysis is found.

Keywords: residual stresses, longitudinal turning, high strength stainless steel, X-ray diffraction analysis (XRD-analysis), mechanical method for residual stress determination, surface layer.

Information about the article. Received May 19, 2021; accepted for publication July 27, 2021; available online August 31, 2021.

For citation. Tikhonov A.G., Smolkov P.S. Research of residual stresses in the surface layer of parts from steel 13Х15Н4АМ3 at longitudinal turning. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2021, vol. 22, no. 8, pp. 34-45. DOI: 10.21285/1814-3520-2021-8-34-45. (In Russian).

Введение

В технологии обработки поверхности важная роль отводится процессам с жесткой кинематикой, многие из которых проводятся по базовой схеме продольного точения: создается зона местной упругопластической деформации, которая перемещается с помощью главного движения и подачи для обработки всей поверхности детали [1-9].

Качество поверхностного слоя обрабатываемого материала во многом зависит как от используемого режущего инструмента, так и от режимов обработки детали, при этом исследование таких физических параметров состояния поверхности как «остаточные напряжения» и «наклеп» зачастую не проводится, однако именно эти характеристики содержат информацию о величине и направлении пластической деформации при обработке [10-12]. Вместе с определением остаточных напряжений возникает проблема управления ими по критерию обеспечения требуемого качества поверхностного слоя, что требует проведения комплексных исследований с варьированием режимов обработки, режущего инструмента и использованием различных методов измерений остаточных напряжений для верификации полученных результатов [13, 14].

Определение остаточных напряжений (ОН) является неотъемлемой частью в исследовании напряженно-деформированного состояния материалов, подвергающихся различным видам технологического воздействия. В Иркутском национальном исследовательском техническом университете (ИРНИТУ) продолжительное время ведутся исследования по изучению ОН [15, 16].

Оценка остаточных напряжений проводится по компонентам тензора напряженно-деформированного состояния, что при допущении о плоском состоянии остаточных напряжений в процессе продольного точения позволяет рассматривать две нормальные компоненты о^, Oz по направлениям векторов подачи (осевая) и скорости резания (окружная), соответственно, и одну касательную компоненту Tzx в плоскости обработки [2, 3, 5]. Многие исследователи упрощают данную схему измерений до определения одной, в лучшем случае – двух нормальных компонент [4], это, безусловно, искажает полученные результаты и приводит к выбору неоптимальных режимов обработки. Принципиально важным фактором является обеспечение сходимости результатов при использовании различных мето-

дов и подходов, что особенно важно в условиях отсутствия эталонного образца остаточных напряжений и недостаточной проработки действующей нормативной базы. Поэтому целью настоящих исследований является установление влияния режимов обработки при продольном точении стали

13Х15Н4АМ3 на технологические остаточные напряжения, формируемые в образце, а также сравнительный анализ механического метода и метода рентгеноструктурного анализа (РСА) для исследования напряженно-деформированного состояния материала на поверхности деталей.

Экспериментальное определение остаточных напряжений

Для исследования распределения компонент ОН, наводимых при продольном точении, были изготовлены образцы-втулки из высокопрочной нержавеющей стали 13Х15Н4АМ3 (ВНС-5) (рис. 1 а). Химический состав данной стали приведен в табл. 1, механические и физические свойства -в табл. 2.

Изначально заготовки для образцов-втулок имели следующие размеры: наружный диаметр – 40 мм, внутренний диаметр -34 мм, длина – 110 мм. Внутренний диаметр втулок является базирующим и был обработан окончательно с допуском по Н6 (рис. 1 Ь).

Рис. 1. Исходные образцы-втулки: а – фото; b – чертеж Fig. 1. Initial plug samples: а – image; b – drawing

Химический состав стали 13Х15Н4АМ3 Chemical composition of steel 13Х15Н4АМ3

Таблица 1 Table 1

Массовая доля элементов, %

С Cr Ni Mo N Si Mn S P

0.11-0.16 14.0-15.5 4.0-5.0 2.3-2.8 0.05-0.10 <0.7 1.0 0.02 0.03

Механические и физические свойства стали 13Х15Н4АМ3

Таблица 2 Table 2

Mechanical and physical properties of steel 13Х15Н4АМ VI3

as, МПа ао,2,МПа ô % щ % Е, МПа p, кг/м3

1380-1600 >920 >15 >55 190000 7820

Обработка выполнялась на токарном обрабатывающем центре DMG NEF400: заготовки для образцов-втулок закреплялись гайкой на центровой оправке, которая, в свою очередь, была зажата в трехкулачко-вый патрон токарного обрабатывающего центра (рис. 2). Экспериментальный проход

при точении производился с варьированием подачи, скорость и глубина резания не изменялись. В табл. 3 представлены режимы резания, а также применяемые державки и пластины для резцов производства Бап^к Соготап!.

Режимы резания и применяемый инструмент Cutting modes and used tools

Таблица 3 Table 3

Инструмент Vc, м/мин Fn, мм/об Ap, мм

Державка: C3-DCLNL-22045-12 Пластина: CNMG 12 04 08-MM 2025 100 0.1 0.5

0.3

0.5

Рис. 2. Закрепление образцов-втулок в токарном обрабатывающем центре DMG NEF400 Fig. 2. Fixing of plug samples in the turning processing center DMG NEF400

Измерение ОН производилось двумя методами – механическим методом (применительно к цилиндрическим деталям метод известен также как метод колец и полосок) и методом рентгеноструктурного анализа.

Элементарные образцы для определения ОН механическим методом (полоски и кольца) получали вырезкой из образцов-втулок (рис. 3).

Для реализации механического метода использовалась установка УДИОН-2 [7] разработки федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВО) ИРНИТУ (рис. 4). Установка является восьмиканальной, что позволяет одновременно измерять до четырех различных элементарных образцов с регистрацией их изгиба и кручения. В состав основного оборудования установки входит тензометрическая система сбора данных 9, приспособления для закрепления образцов 2, устройство подъема ванн (подъемный механизм) 7, термостатирующая 6 и травильная ванна 5, вытяжной шкаф 4, скруббер (система очистки воздуха) 1, блок питания электрохимической цепи 10. В состав вспомогательного оборудования, предназначенного для проведения промежуточных измерений параметров образца, входят аналитические весы, приспособление для измерения стрелы прогиба, микрометр, набор концевых плоскопараллельных мер длины.

Непрерывное удаление слоев осуществляется посредством химического травления элементарных образцов в растворе электролита, находящегося в травильной ванне 5, постоянство и стабильность процесса травления обеспечивает термостат, состоящий из термостатирую-

щей ванны 6 со встроенными в нее нагревателями, управляемыми пропорционально-интегрально-дифференцирующим (ПИД) регулятором, роль термостатирующей жидкости выполняет вода.

Для расчета ОН и учета начальных напряжений после изготовления элементарных образцов у них измеряются перемещения в результате вырезки полосок, вырезки и разрезки колец из исходных образцов-втулок. Этими перемещениями являются прогибы 1° (Г0) и углы закручивания у0 полосок, а также изменения диаметров 5° и осевые перемещения поверхностей разрезки колец (рис. 5).

В процессе химического травления элементарных образцов происходит высвобождение остаточных напряжений, что приводит к деформации изгиба (кручения) исследуемого образца, которая, в свою очередь, через двуплечий рычаг передается на тензометрический датчик. Тензометриче-ские датчики являются унифицированными и состоят из гибкой стальной пластины с наклеенными с двух сторон тензорезисто-рами.

Система сбора данных установки УДИОН-2 обеспечивает прием, обработку, визуализацию и сохранение информации с тензометрических датчиков в процессе проведения эксперимента.

Обработанная информация, полученная с тензометрических датчиков, а также измеренные параметры образцов, необходимые для последующего расчета остаточных напряжений, хранятся в специальной базе данных. Каждому элементарному образцу присваивается уникальный штрих-код, с помощью которого в базу данных образцов вносятся все его необходимые параметры.

Рис. 3. Элементарные образцы (кольца и полоски) для определения остаточного напряжения

механическим методом Fig. 3. Elementary samples (rings and strips) for determining residual stresses by the mechanical method

Рис. 4. Исследовательский комплекс УДИОН-2 для измерения остаточных напряжений механическим методом: 1 – скруббер; 2 – приспособление для закрепления образцов; 3 – кронштейны для приспособлений; 4 – вытяжной шкаф; 5 – травильная ванна; 6 – термостатирующая ванна; 7 – устройство подъема ванн; 8 – персональный компьютер; 9 – тензометрические модули системы

сбора данных; 10 – блок питания Fig. 4. Research equipment UDION-2 for residual stress measuring by the mechanical method: 1 – scrubber; 2 – device for sample fixing; 3 – consoles for devices; 4 – fume hood; 5 – pickling bath; 6 – thermostatic bath; 7 – bath lifting device; 8 – personal computer; 9 – strain gauge modules of the data collection system;

10 – power supply

—

Рис. 5. Перемещения, измеряемые на элементарных образцах (кольцах и полосках) после их вырезки Fig. 5. Displacements measured on elementary samples (rings and strips) after cutting them

Последующая обработка информации производится в программе для расчета остаточных напряжений, разработанной в ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» специально для установки УДИОН-2 (рис. 6). Программа рассчитывает нормальные и касательные компоненты остаточных напряжений по известным формулам [8].

Завершающим этапом работ по измерению остаточных напряжений в образце является формирование протокола измерения, содержащего параметры образца и эпюры остаточных напряжений, построенные по данным, рассчитанным в программе.

Измерение остаточных напряжений методом рентгеноструктурного анализа осуществлялось на дифрактометре XStress 3000 G3R непосредственно на поверхности образцов-втулок. Рентгеновский анализатор напряжений «XStress 3000 G3/G3R» (рис. 7) фирмы «Stresstech Oy» представляет собой портативный рентгеновский ди-фрактометр, разработанный специально для измерения остаточных напряжений. В приборе используется малогабаритная рентгеновская трубка. В рентгеновском анализаторе напряжений «XStress 3000 G3/G3R» реализованы оба типа V- и П-

гониометрии, являющиеся стандартными при определении остаточных напряжений методом рентгеновской дифракции. Метод измерения напряжений с использованием V-гониометра является более точным и производительным, а использование Л-го-ниометра иногда позволяет проводить измерения напряжений, где использование V-гониометра не является возможным, например исследовать напряжения в пазах или зубах шестерен.

Рефераты: Реферат: Вопросы компьютерной безопасности (антивирусы) -

В состав рентгеновского дифракто-метра XStress 3000 G3R входят: гониометр G3R с боковым наклоном – модифицированной psi (W) геометрией; главный блок X3003; компьютер, настольный или портативный, с операционной системой Windows (Windows 2000 pro Windows XP pro, Windows Vista Business или рекомендуемая – новейшая) и портом для локальной сети Ethernet для запуска программного обеспечения; программное обеспечение Х3000 на базе Windows для считывания показаний линейных датчиков изображения, обработки данных и обеспечения функций предохранительной блокировки, управления, измерения, расчетов, отображения, распечатки и хранения.

S3 Xudion

Experiment | Simulation | Optons | Log |

– Stress component:- [sigma z ▼ [

74000.01 Young’s modulus [flPa] 27612.0 shear modulus [MPa] 0.34! Poisson’s ratio

twist bend lever twist lever length

[plate type etching velocity [mue/min] thidcness [mm] etched depth step [mue] -0.068

4,373 0,023

1,805 72,6

1,0 73,5

30,5

bend twist bend lever twist lever length

-0.051 bend twist bend lever twist lever alpha diameter -0.07

0,036 0,012

73,2

75,4 76,8

90 30,4

34,5

Compute J

Рис. 6. Интерфейс программы расчета остаточных напряжений для установки УДИОН-2 Fig. 6. Interface of the residual stress calculation program for UDION-2 installation

Рис. 7. Исследовательский комплекс для измерения ОН методом РСА: 1 – защитный шкаф с системой

сигнализации и автоматическим отключением; 2 – гониометр рентгеновского анализатора напряжений XStress 3000 G3/G3R; 3 – стол с подвижной платформой для закрепления и перемещения

образцов; 4 – блок управления X3003; 5 – усилитель вращения двигателей G3R Fig. 7. Research equipment for residual stress measuring by the XRD method: 1 – protection cabinet with an alarm system and automatic shutdown; 2 -goniometer of X-ray residual stresses analyzer XStress 3000 G3/G3R; 3 – table with a movable platform for fixing and moving of samples; 4 – control unit X3003; 5 – rotation amplifier

of G3R engines

Прибор автономен, для его работы необходимо лишь внешнее электропитание. На подготовку прибора к работе с момента доставки прибора на место измерения требуется всего десять минут. Использование встроенных микропроцессоров и связь между основным блоком, гониометром и компьютером по одному кабелю обеспечивают возможность быстрой установки. Благодаря применению технологии полупроводниковых детекторов, измерение на типо-

вом стальном образце выполняется за две минуты и менее. Программное обеспечение предоставляет доступ ко всем настройкам и результатам измерения на любой стадии процесса измерения. В рентгеновском анализаторе напряжений используются твердотельные линейные датчики, способные преобразовывать рентгеновское излучение в электрический сигнал.

Блок управления Х3003 помещен в отдельный компактный, портативный корпус.

S a

ef ea

S as 4 <u

а у

а h

° OS

H u

500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500

у—7

i —XT” – _

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08

Глубина залегания, мм / Depth, mm

0,10

S а ef &

S ^

Я ,

i ‘->

а 5Й

№ %

a £

и Ь

® £

H о

500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500

0,00

0,05 0,10 0,15

Глубина залегания, мм / Depth, mm

0,20

a еь

я &

в ^ аа

3 S

г о н

н о

500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500

* ^^ ^

– ~

“r

0,00

0,05 0,10 0,15

Глубина залегания, мм / Depth, mm

0,20

Рис. 8. Эпюры остаточных напряжений после продольного точения стали 13Х15Н4АМ3, измеренные

механическим методом: а – Fn = 0.1 мм/об; b – Fn = 0.3 мм/об; c – Fn = 0.5 мм/об Fig. 8. Residual stress diagrams after longitudinal turning of steel 13 Х15Н4АМ3 measured by the mechanical method: а – Fn = 0.1 mm/rev; b – Fn = 0.3 mm/rev; c – Fn = 0.5 mm/rev

Таблица 4

Параметры остаточных напряжений, полученные механическим методом и методом рентгеноструктурного анализа

Table 4

Parameters of residual stresses obtained by the mechanical method and XRD-analysis

Fn, мм/об РСА / XRD-анализ Механический метод

Ox0, МПа Oz0, МПа Ox0, МПа Oz0, МПа Tzx0, МПа Ox min, МПа Oz min, МПа Ax min, мм Az min, мм A, мм

0.1 253 215 287 200 157 -272 -308 0.028 0.028 0.075

0.3 214 -40 232 -10 118 -384 -433 0.030 0.033 0.125

0.5 369 212 412 230 96 -324 -374 0.048 0.054 0.175

Fn — подача / feed; Oxo, Ozo, hxo — ОН на поверхности (при глубине 0 мм) соответствующей компоненты / residual stresses on the surface (at a depth 0 mm) of the appropriate component; Ox min, Oz min — минимальное ОН по глубине / minimum residual stress in the depth; Ax mm, Az mm — глубина залегания минимального ОН / depth of the minimum residual stress; A — глубина залегания активной части эпюр ОН / the depth of the active area of the residual stress diagrams

Главный блок оснащен системной интерфейсной платой, предохранительными блокировками, генератором высокого напряжения, блоком теплообменника, автономной системой охлаждения.

Измерение ОН в образцах методом РСА производилось со следующими параметрами рентгеносъемки: материал анода -хром, напряжение и сила тока на рентгеновской трубке – 25 кВ и 5,5 мА, соответственно, время экспозиции – 5 сек, угол дифракции – 156,4°, режим съемки – модифицированный х [9, 14].

На рис. 8 приведены распределения компонент ОН после продольного точения стали 13Х15Н4АМ3, измеренные механическим методом. Полученные данные позволяют утверждать, что на поверхности компоненты нормальных остаточных напряжений являются преимущественно растягивающими (см. табл. 4), а затем переходят в сжимаю-

щие и на глубине 25…55 мкм принимают минимальные значения (-270.-430 МПа). После прохождения минимумов нормальные компоненты остаточных напряжений практически совпадают.

Следует отметить экспоненциальный характер распределения касательной компоненты Тгх остаточных напряжений, имеющей максимум на поверхности, изменение значения этого максимума можно связать с изменением подачи так как росту подачи с 0.1 до 0.5 мм/об соответствует уменьшение значения касательной компоненты со 150 до 100 МПа. Касательные напряжения в данном случае положительные, что подтверждается закручиванием элементарных образцов-колец в правую спираль после разрезки. Прослеживается влияние подачи на глубину залегания А активной части ОН: с увеличением подачи увеличивается и А (с 75 до 125 мкм).

Заключение

По результатам проведенного исследования установлено влияние подачи на распределение остаточных напряжений в функции глубины поверхностного слоя при продольном точении стали 13Х15Н4АМ3:

при росте подачи увеличивается глубина залегания минимального остаточного напряжения, глубина залегания активной части эпюр ОН, но при этом уменьшается значение касательного напряжения Тгхо на поверхности.

При сравнении результатов определения нормальных компонент остаточных напряжений непосредственно на поверхности образцов методом рентгеноструктур-

1. Zamashchikov Y.I. Equivalent Residual Stress Approach to the Surface Layer State / Int. J. Advances in Machining and Forming Operations, ISSN: 0975-4784. Vol. 1. No.1. January-June 2009. P. 21—35.

2. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1963. 232 с.

3. Иванов С.И. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндра // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. 1971. № 48. С. 153—168.

4. Henriksen E.K., Ithaca, N.Y. ‘Residual stresses in machined surfaces’. Trans. Of the ASME 434, 1951, vol. 73, no. 1, pp. 69—76.

5. Тимофеев В.Н. К вопросу о напряженном состоянии поверхностного слоя стали при точении // Журнал технической физики. 1954. Т. 24. № 7. С. 1273— 1281.

6. Иванов С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок. Остаточные напряжения. Куйбышев: КуАИ, 1971. Вып. 53. С. 32—42.

7. Пат. № 2121666 МКИ3, Российская Федерация, G01L1/06. Способ определения остаточных напряжений / Ю.И. Замащиков. № 96107536/28; заявл. 18.04.96, опубл. 10.11.98. Бюл. № 31.

8. Зайдес С.А. Технология экспериментальных исследований. В 2 кн. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2021. Кн. 2. С. 121—158.

9. Яблокова Н.А. Анализ напряженно-деформированного состояния лопаток ГТД рентгеноструктур-ным и механическим методами // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2021. № 117. С. 117—121.

ного анализа и механическим методом обнаружена достаточно высокая сходимость результатов измерений (среднее расхождение результатов составляет около 26 МПа, максимальное – 43 МПа).

кий список

10. García Navas V., Fernández D., Sandá A., Sanz C., Suzon S. De., Mendiola T.F. Surface integrity of AISI 4150 (50CrMo4) steel turned with different types of cooling-lubrication (2021) Procedia CIRP, 13. P. 97-102. DOI: 10.1016/j.procir.2021.04.017

11. Liu G., Huang C., Zou B., Wang X., Liu Z. Surface integrity and fatigue performance of 17-4PH stainless steel after cutting operations (2021). Surface and Coatings Technology, 307. P. 182-189. DOI: 10.1016/j.surf-coat.2021.08.086

12. Tekaslan, O., Gerger, N., §eker, U. A study on residual stresses formed on AISI 304 austenitic stainless steels when machined with different cutting parameters [Article@Aisi 304 ostenitik paslanmaz gel i kleri n farkli kesme parametreleri ile tornalama i§leminden sonra olu§an kalici gerilmelerin ara§tirilmasi]. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University. 2009. No. 24 (3). P. 443-452.

13. Wang Y., Han Z., Ye G., Zhang Z., Zhang Z. Surface integrity and fatigue life in high-speed milling of die steel SKD61 (2021) Jisuanji Jicheng Zhizao Xitong/Computer Integrated Manufacturing Systems, CIMS, 21 (11). P. 2995-3000. DOI: 10.13196/j.cims.2021.11.020.

14. Sinkovits T., Zhao Y., O’Brien R., Dowey S. X-ray diffraction stress analysis of interrupted titanium nitride films: Combining the sin2ф and crystallite group methods (2021) Thin Solid Films, 562. P. 206-210. DOI: 10.1016/j.tsf.2021.04.054.

15. Promptov A.I., Zamashchikov Y. I., Residual stresses and strains in machining parts with low toughness. Вестник машиностроения. 1975. No. 4. P. 42-45.

16. Zamashchikov Y.I. Approximate inherent stress evaluation in calculation of residual deformations due to cutting. Improvement of the machine parts performances by technological methods, 1978. P. 71.

References

1. Zamashchikov Y.I. Equivalent Residual Stress Approach to the Surface Layer State / Int. J. Advances in Machining and Forming Operations, ISSN: 0975-4784, vol. 1, no. 1, January-June 2009, pp. 21-35.

2. Birger I. A. Ostatochnyye napryazheniya [Residual stresses]. Moscow: Mechanical Engineering Publ., 1963, 232 p. (In Russian).

3. Ivanov S. I. Determination of residual stresses in the cylinder surface layer. Voprosy prochnosti elementov aviatsionnykh konstruktsiy [Problems of Strength of Aviation Structure Elements], 1971, no. 48, pp. 153-168. (In Russian).

4. Henriksen E.K., Ithaca N.Y. ‘Residual stresses in machined surfaces’. Trans. of the ASME 434, 1951, vol. 73, no. 1, pp. 69-76.

5. Timofeyev V.N. K voprosu o napryazhennom sos-toyanii poverkhnostnogo sloya stali pri tochenii [To the problem of steel surface layer stressed state under turning]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Applied Physics], 1954, vol. 24, no. 7, pp. 1273-1281. (In Russian).

6. Ivanov S.I. K opredeleniyu ostatochnykh naprya-zheniy v tsilindre metodom kolets i polosok [To determination of residual stresses in a cylinder by the method of rings and strips]. Ostatochnyye napryazheniya [Residual

stresses]. Kujbyshev: KuAI, 1971, Issue. 53, pp. 32-42. (In Russian).

7. Zamashchikov Y.I. Sposob opredeleniya ostato-chnykh napryazheniy [Method for residual stress determination]. Patent RF, no. 2121666 MKM3, 1998.

8. Zaides S.A. Tekhnologiya eksperimental’nykh issledo-vaniy [Technology of experimental studies]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University Publ., 2021, vol. 2, pp. 121-158. (In Russian).

9. Yablokova N.A. Analysis of the stress-strain state of gas-turbine blades by X-ray diffraction and mechanical by methods. Nauchno-tehnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politehnicheskogo universiteta [St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Science and Technology], 2021, no. 117, pp. 117-121. (In Russian).

10. García Navas V., Fernández D., Sandá A., Sanz C., Suzon S., De Mendiola, T.F. Surface integrity of AISI 4150 (50CrMo4) steel turned with different types of cooling-lubrication (2021). Procedia CIRP, 13, pp. 97-102. DOI: 10.1016/j.procir.2021.04.017

11. Liu G., Huang C., Zou B., Wang X., Liu Z. Surface integrity and fatigue performance of 17-4PH stainless steel after cutting operations (2021) Surface and Coatings Technology, 307, pp. 182-189. DOI: 10.1016/j.surf-coat.2021.08.086

12. Tekaslan O., Gerger N., §eker U. A study on residual stresses formed on AISI 304 austenitic stainless steels when machined with different cutting parameters [Arti-cle@Aisi 304 ostenitik paslanmaz geli kleri n farkli kesme parametreleri ile tornalama i§leminden sonra olu§an kal-ici gerilmelerin ara§tirilmasi]. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 2009, no. 24 (3), pp. 443-452.

14. Sinkovits T., Zhao Y., O’Brien R., Dowey S. X-ray diffraction stress analysis of interrupted titanium nitride films: Combining the sin2^ and crystallite group methods (2021). Thin Solid Films, 562, pp. 206-210. DOI: 10.1016/j.tsf.2021.04.054.

15. Promptov A.I., Zamashchikov Y.I., Residual stresses and strains in machining parts with low toughness. Vest-nik mashinostroeniya [Mechanical Engineering Bulletin], 1975, no. 4, pp. 42-45.

Критерии авторства

Тихонов А.Г., Смольков П.С. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authorship criteria

Tikhonov A.G., Smolkov P.S. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Реферат: силовые трансформаторы –

Содержание

Введение

I. Общие требования и условия работы силовых трансформаторов

II. Выбор силовых трансформаторов

III. Трансформаторы главных понижающих подстанций

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Данная тема является чрезвычайно актуальной, так как в системах электроснабжения промышленных предприятий главные понизительные и цеховые подстанции используют для преобразования и распределения электроэнергии, получаемой обычно от энергосистем. На всех подстанциях для изменения напряжения переменного тока служат силовые трансформаторы различного конструктивного исполнения, выпускаемые в широком диапазоне номинальных мощностей и напряжений.

Выбор трансформаторов заключается в определении их требуемого числа, типа, номинальных напряжений и мощности, а также группы и схемы соединения обмоток.

Рефераты: Объем фреона в кондиционере: измерение хладагента, инструкция правильной дозаправки, диагностика

Цеховые трансформаторные подстанции (ТП) в настоящее время часто выполняются комплектными (КТП), и во всех случаях, когда этому не препятствуют условия окружающей среды и обслуживания, устанавливаются открыто.

Правильное определение числа и мощности цеховых трансформаторов возможно только с учетом следующих факторов: категории надежности электроснабжения потребителей; компенсации реактивных нагрузок на напряжении до 1 кВ; перегрузочной способности трансформаторов в нормальном и аварийном режимах; шага стандартных мощностей; экономичных режимов работы трансформаторов в зависимости от графика.

Целью данной работы является необходимость описать силовые трансформаторы промышленных предприятий и их выбор.

Достижение данной цели предполагает решение ряда следующих задач:

1. Описать общие требования и условия работы силовых трансформаторов.

2. Описать процесс выбора силовых трансформаторов.

3. Охарактеризовать трансформаторы главных понижающих подстанций.

В процессе написания данной работы нами была использована монографическая, учебная и публицистическая литература.

I. Общие требования и условия работы силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы являются основой системы электроснабжения крупных предприятий, имеющих в своем составе главные понижающие подстанции – ГПП (5УР), в средних предприятиях, имеющих распределительные подстанции – РП на 6;10 кВ (4УР) с разветвленными высоковольтными сетями и несколькими трансформаторными подстанциями ТП на 6;10 кВ(3УР). Производственная деятельность малых предприятий, как правило, имеющих в своем составе одну – две ТП на 6;10/0,4КВ, во многом зависит от надежной работы силовых трансформаторов [щитов и шкафов, распределительных пунктов РП на 0,4кВ (2УР)]. В реальных условиях каждый из шести уровней системы электроснабжения может быть границей раздела предприятие – энергосистема, решения по которой юридически согласовываются между энергоснабжающими организациями и потребителем (абонентом) [1, с. 10].

По расчетной электрической нагрузке Р_р
предприятия определяется необходимость сооружения ГПП (или ПГВ – подстанции глубокого ввода, или ОП – опорной подстанции электроснабжения предприятия). Наиболее распространенное число подстанций с напряжением пятого уровня на одном предприятии одна – две, но бывает до двух и более десятков. ГПП принимают электроэнергию от трансформаторов энергосистемы или, например, от блочной ТЭЦ или гидроэлектростанции (ГРЭС). Высшее напряжение трансформаторов ГПП в России35,110,154,220,330кВ; питание подводится по воздушным и кабельным линиям электропередач (ЛЭП). Отходящие от ГПП высоковольтные распределительные сети, рассчитанные на 6;10 кВ (хотя могут быть и на 110кВ), называют межцеховыми (заводскими). Обычно ряд мощностей ГПП: 10,16,25,40,63,80,110, 125МВ∙А, а в отдельных случаях и выше.

Для электроснабжения потребителей напряжением до 1 кВ (220,380,500,600В) сооружают трансформаторные подстанции с высшим напряжением чаще всего на 6;10 кВ (но существуют подстанции, напряжением 3,20 кВ), которые обычно называют цеховыми, а с учетом комплектной поставки (с транформаторами, щитом низкого напряжения и оцинковкой, вводным высоковольтным отключающим устройством) их обозначают КТП. Ряд применяемых мощностей ТП:100, 160,250,400, 630, 1000, 1600,2500кВ∙А. Из – за больших токов короткого замыкания (КЗ) на стороне 0,4кВ, вызывающих сложности коммутации и передачи электроэнергии приемникам, трансформаторы на 2500кВ∙А применяются только в специальных случаях [1, с. 11].

Кроме трансформаторов, устанавливаемых на 5 УР для присоединения предприятия к энергосистеме, и трансформаторов, устанавливаемых на 3УР, обеспечивающих потребителей низким (до 1кВ) напряжением трехфазного переменного тока, существуют специальные подстанции со своими силовыми трансформаторами: печными, выпрямительными (для создания сети постоянного тока до 1,5кВ), преобразовательными, сварочными и другими, которые могут использоваться и как ГПП, и как цеховые ТП.

Решение о строительстве трансформаторной подстанции принимается в составе решения о строительстве завода (цеха). Особенностью решения о строительстве трансформаторной подстанции является то, что она не выделяется, а рассматривается и утверждается как часть предприятия, сооружения – объекта, подлежащего новому строительству, реконструкции, модернизации, расширению перевооружению. Конечно, для электриков подстанции и сети являются самостоятельными объектами, согласование параметров которых с субъектами электроснабжения, а также их последующее проектирование, строительство и принятие в эксплуатацию осуществляется по отдельным срокам и графикам, не зависящих от основного производства [3, с. 23].

Принятие технологического решения начинается с утверждения технологического задания на строительство завода определенного состава. По технологическим данным оценивают параметры энергопотребления, определяют нагрузку по цехам (для выбора мощности цеховых трансформаторов и выявления высоковольтных двигателей) и заводу в целом (для выбора ГПП, их числа и единичной мощности трансформаторов на каждой подстанции).

Готовые решения служат материалом для получения технических условий от энергосберегающей организации (энергосистемы). Одновременно собирают следующие сведения: особенности энергосистемы и вероятных мест присоединения потребителей; данные по объектам – аналогам и месту строительства. Определяющими данными на начальном этапе являются:

– значения расчетного максимума нагрузки и число часов использования этого максимума, связанных с электропотреблением;

– схема примыкающей районной энергосистемы с характеристиками источников питания, и сетей внешнего электроснабжения, позволяющая решать вопрос выбора мощности трансформатора и схемы его присоединения (размещение трансформатора следует увязывать с заходами ЛЭП) [1, с. 12].

Предложения или проектные проработки по выбору трансформатора 3УР (в диапазоне мощности 100…..2500кВ∙А), определяются условиями потребителя, а для средних и крупных предприятий – особенностями энергосистемы, к сетям которой они подключены.

Основными параметрами, определяющими конструктивное выполнение и построение сети являются:

– для линий электропередачи – номинальное напряжение, направление (откуда и куда), протяженность, число цепей, сечение провода;

– для подстанций – сочетание номинальных напряжений, число и мощность трансформаторов, схема присоединения к сети и компенсация реактивной мощности [1, с. 12].

В России сложились две системы электрических сетей на номинальные напряжения 110 кВ и выше (110, 200, 500кВ), принятая на востоке страны, и 110(154), 330, 750 кВ, принятая в западной части страны.

Для электроэнергетики страны это означает:

– увеличение потерь электроэнергии из – за повышения числа ее трансформаций, необходимость создания сложных коммутационных узлов и ограничения пропускной способности межсистемных связей;

– дополнительную нагрузку предприятий электропромышленности, то есть номенклатуры выпускаемых видов продукции;

– финансирование дополнительного строительства подстанций и линий передач предприятиям, попавшим в зону «стыковки»;

– необходимость учета тенденций развития электрохозяйства, то есть расчет и прогнозирование параметров электропотребления.

Таким образом, подводя итог, необходимо сделать следующие выводы.

На всех подстанциях для изменения напряжения переменного тока служат силовые трансформаторы различного конструктивного исполнения, выпускаемые в широком диапазоне номинальных мощностей и напряжений.

II. Выбор силовых трансформаторов

Для правильно выбора номинальной мощности трансформатора (автотрансформатора), необходимо располагать суточным графиком, отражающим как максимальную, так и среднесуточную активную нагрузки данной подстанции, а также продолжительность максимума нагрузки [1, с. 14]. При отсутствии суточного графика с достаточной для практических целей определяется расчетный уровень максимальной активной нагрузки подстанции P_max
(МВт).

Если при выборе номинальной мощности трансформатора на однотрансформаторной подстанции исходить из условия:

(1)

(здесь ∑P_max
– максимальная активная мощность на пятом году эксплуатации – сроке, в условиях рыночной экономики согласованном с инвестором; P_р
– проектная расчетная мощность подстанции), то есть при графике работы с кратковременным пиком нагрузки (0,5…..1,0ч)трансформатор будет длительное время недогружен. При этом неизбежно завышение номинальной мощности трансформатора и, следовательно, завышение установленной мощности подстанции. В ряде случаев более выгодно выбирать номинальную мощность трансформатора близкой к максимальной нагрузке достаточной продолжительности и в полной мере использовать ее перегрузочную способность с учетом систематических перегрузок в нормальном режиме [1, с. 15].

Наиболее экономичной работа трансформатора по ежегодным издержкам и потерям будет в случае, когда в часы максимума он будет работать с перегрузкой. В реальных же условиях значения допустимой нагрузки выбирают в соответствии с графиком нагрузки и коэффициентом начальной нагрузки, а также в зависимости от температуры окружающей среды, при которой работает трансформатор.

Коэффициент нагрузки, или коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, практически всегда меньше единицы.

(2)

где P_c
, P_max
и I_c
и I_max
– соответственно среднесуточные и максимальные мощности и токи.

В зависимости от коэффициента суточного графика нагрузки (коэффициента начальной нагрузки и длительности максимума), эквивалент температуры окружающей среды, постоянной времени трансформатора и вида его охлаждения, допустимы систематические перегрузки трансформаторов.

На рисунке 1 приведены фактический суточный график нагрузки и двухступенчатый, эквивалентный фактическому. С нуля часов начинается ночной провал нагрузки (от условно номинальной, равной 1,0), минимальный между 5 и 6 ч. (для объекта провал может быть и другие часы, например, между 3 и 5ч). С 6 ч. начинается подъем нагрузки до дневной, обычно незначительно колеблющейся вокруг некоторого значения (но возможно наличие утреннего пика перегрузки, например, между 9 и 11 ч.) В 20 ч. нагрузка достигает номинального значения (1,0), а затем превосходит его, образовав пиковую часть графика, и лишь к 14 ч. вновь снижается до 1,0.

Реальный (фактический) график суточной нагрузки можно преобразовать в двухступенчатый. Для чего в виду невозможности из-за ценологических свойств получить аналитическую зависимость Р_нагр
=∫ (t), реальный график разбивают на интервалы, в которых нагрузка осредняется. Эти интервалы могут составлять от 3 мин. до 0,5 ч. Интегрированием определяют площадь под фактическим графиком, а затем строят эквивалентный, в данном случае для периодов 0…..20ч. и 20….24 ч.

Рис.1 Расчетные графики нагрузки

1 – фактический суточный; 2- двухступенчатый, эквивалентный физическому.

Первый период характеризуется коэффициентом начальной нагрузки k_и.н.
, равным 0,705 (физический смысл k_и.н.
– отношение площади под графиком, характеризующим работу трансформатора с номинальной нагрузкой в период 0….. 20ч., к фактической нагрузке, представленной ступенью, составляющей по оси ординат 0,705 номинальной). Аналогично для второго периода определяют коэффициент перегрузки k_пер.
= 1,27.

Таким образом, перегрузки определяются преобразованием заданного графика нагрузки в график, эквивалентный ему в тепловом отношении. Допустимая нагрузка трансформатора зависит от его начальной нагрузки, ее максимума и его продолжительности и характеризуется коэффициентом превышения (перегрузки), определяемой выражением:

(3)

а коэффициент начальной нагрузки:

(4)

где I_{э max}
– эквивалентный максимум нагрузки; I_э.н.
– эквивалентная начальная нагрузка, определяемая за 10ч. предшествующие началу ее максимума.

Эквивалентный максимум нагрузки (и эквивалентная начальная нагрузка) определяется по формуле:

Причины возникновения остаточных внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроения (5)

где a₁
, a_{2 ……..}
a_n
– различные ступени средних значений нагрузок в долях номинального тока; t₁
,t₂
,………t_n
– длительность этих нагрузок, ч.

Формулы (3) и (4) используются для упрощения расчетов по сравнению с построением графиков, заданных на рис.1, если ступень задана или делаются проектные предположения. Следует также иметь в виду, что k_и.н.
определяется не за 20ч., а за 10ч. во всех случаях формула (5) дает правильный результат.

Допустимые систематические перегрузки трансформаторов определяются нагрузочной способностью, задаваемой с помощью таблиц или же графически. Коэффициент перегрузки k_пер.
дается в зависимости от среднегодовой температуры воздуха t_с.г.
, вида охлаждения и мощности трансформаторов, коэффициента начальной нагрузки k_и.н.
и продолжительности двухчасового эквивалентного максимума нагрузки t_max
. Для других значений t_max
. допускаемый k_пер.
можно определить по кривым нагрузочной способности трансформатора.

Если максимум графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается длительная 1% – перегрузка трансформатора на каждый процент недогрузки летом, но не более, чем на 15%. Суммарная систематическая перегрузка трансформатора не должна превышать 150%. При отсутствии систематических перегрузок допускается длительная нагрузка трансформаторов током на 5% выше номинального при условии, что напряжение каждой из обмоток не будет превышать номинальное.

Допускается превышение напряжение трансформаторов сверх номинального:

– длительно – на 5% при нагрузке не выше номинальной и на 10% при нагрузке не выше 0,25 от номинальной;

– кратковременно (до 6 ч) в сутки – на 10% пери нагрузке не выше номинальной.

Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются в соответствие с указаниями завода – изготовителя. Так, для трехфазных трансформаторов с расщепленной обмоткой на 110кВ мощностью 20,40, и 63МВ∙ А допускаются следующие относительные нагрузки: при нагрузке одной ветви обмотки, равной 1,2; 1,07; 1,05 и 1,03, нагрузка другой ветви должна составлять соответственно 0; 0,7; 0,8 и 0,9.

Номинальная мощность каждого трансформатора двухтрансформаторной подстанции, как правило, определяется аварийным режимом работы подстанции: при установке двух трансформаторов их мощность выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного из них оставшийся в работе трансформатор с допустимой аварийной перегрузкой мог обеспечить нормальное электроснабжение потребителей.

Номинальная мощность трансформатора S_ном
, МВ∙ А на подстанции, числом трансформаторов n>1 в общем виде определяется из выражения:

(6)

где Р_р
=Р_max
k_I-II
– расчетная мощность, МВт; Р_max
– суммарная активная максимальная мощность подстанции на пятом году эксплуатации, МВт; k_{I-II –}
коэффициент участия в нагрузке потребителей I-II категорий; k_пер
– коэффициент допустимой аварийной перегрузки; cos φ – коэффициент мощности нагрузки.

Для двухтрансформаторной подстанции, то есть при n=2:

(7)

Для сетевых подстанций, где в аварийном режиме до 25% потребителей из числа малоответственных может быть отключено k_I-II
обычно принимается равным 0,75……0,85 (единице он равен, когда все потребители относятся к первой категории) [4, с. 28].

Рекомендуется широкое применение складского и передвижного резерва трансформаторов, причем при аварийных режимах допускается перегрузка трансформаторов на 40% во время максимума общей суточной нагрузки продолжительностью не более 6 ч. в течение не более 5 сут. При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформаторов k_н
в условиях его перегрузки должен быть не более 0,75, а коэффициент начальной нагрузки k _и.н.
– не более 0,93.

Коэффициент заполнения графика нагрузки определяется следующим отношением:

(8)

где W – электропотребление (площадь под кривой нагрузки); Т – полное время по оси абсцисс.

Необходимо учитывать, что k_н
–такой коэффициент заполнения, который имеет наибольшее значение во время аварийных режимов в течение пяти суток подряд.

Так как k_I-II
<1, а k_пер
>1, то их отношение k = k_I-II
/k_пер
, всегда меньше единицы, и характеризует собой резервную мощность трансформатора, заложенную при выборе его номинальной мощности. Чем данной отношение меньше, тем меньше будет резерв установленной мощности трансформатора и тем более эффективным будет использование трансформаторной мощности с учетом перегрузки.

Рефераты: Можно ли стать кандидатом наук без аспирантуры и сколько я потратил на подготовку и защиту докторской диссертации в 2017 году

Завышение коэффициента k приводит к завышению суммарной установленной мощности трансформаторов на подстанции. Уменьшение коэффициентов возможно лишь до такого значения, которое с учетом перегрузочной способности трансформатора и возможности отключения неответственных потребителей позволяет покрыть основную нагрузку одним оставшимся в работе трансформатором при аварийном выходе из строя второго.

Таким образом, установленная мощность трансформатора на подстанции:

Причины возникновения остаточных внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроения (9)

В настоящее время существует практика выбора номинальной мощности трансформатора для двухтрансформаторной подстанции с учетом значения k = 0,7, то есть с учетом условия:

(10)

Формально эта формула выглядит ошибочной: Действительно, единицы измерения активной мощности – Вт, а полной (кажущейся) – В∙А. Есть различия и в физической интерпретации S и P. Но следует всегда полагать, что осуществляется компенсация реактивной мощности на шинах подстанций 5УР и 3УР и что коэффициент мощности cos φ находиться на уровне 0,92…..0,95 (tg на уровне 0,42….0,33). Такая ошибка, связанная с упрщением формулы (9) до (10), не превосходит инженерную ошибку 10%, которая включает в себя и приблизительность значения 0,7, и ошибку определения фиксированного P_max
. Становиться объяснимым формула (1), где активная и полная мощность не различаются.

Таким образом, суммарная установленная мощность двухтрансформаторной подстанции:

(11)

При значении k = 0,7 в аварийном режиме обеспечивается сохранение около 98% P_max
без отключения неответственных потребителей. Однако, учитывая высокую надежность трансформаторов, можно считать вполне допустимым отключение в редких, аварийных режимах какой – то части неответственных потребителей.

Условие покрытия расчетной нагрузки в случае аварийного выхода из строя одного трансформатора с учетом использования резервной мощности S_рез.
сетей низкого и среднего напряжений определяется выражением:

(12)

При аварии одного из двух или более параллельно работающих на подстанции трансформаторов, оставшиеся в работе принимают на себя его нагрузку. Эти аварийные перегрузки не зависят от предшествующего режима работы трансформатора, являются кратковременными и используются для прохождения минимума нагрузки.

III. Трансформаторы главных понижающих подстанций

Проектирование подстанций с высшим напряжением 35….330 кВ, к которым относятся главные понижающие подстанции (ГПП), подстанции глубокого ввода, опорные, осуществляется на основе технических условий, определяемыми схемами развития энергосистемы (возможностями источников питания) и электрических сетей района, а также схемами внешнего энергоснабжения предприятия, то есть присоединения к подстанциям энергосистемы или ВЛ, схемами организации их ремонта и применением систем автоматики и релейной защиты [1, с. 20]

Причины возникновения остаточных внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроения

Рис.2 Схема присоединения потребителей к подстанциям энергосистемы -а…..г соответственно с одной, двумя, тремя, четырьмя системами сборных шин; д – с двойной системой шин.

На рис. 2 приведены схемы присоединения потребителей к подстанциям энергосистемы, которая все оперативные переключения производит выключателем Q. Самая простая схема показана на рисунке а, обычная на рисунке – б, редкая на рисунке г. Наиболее распространенная на ответственных районных подстанциях схема с двойной секционированной и обходной системами шин, что обеспечивает высокую надежность и маневренность управления с помощью выключателя QI.

Причины возникновения остаточных внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроения

Рис. 3 Варианты схем присоединения подстанция 5УР…… 3УР к воздушной линии.

Варианты схем присоединения подстанций 5УР5УР…… 3УР к воздушной линии отражены на рис. 3

В качестве необходимых данных при выборе трансформаторов ГПП необходимо знать:

– район размещения подстанции и загрязненность атмосферы;

– значения и рост нагрузки по годам с указанием ее распределения по напряжениям;

– значение питающего напряжения;

– уровни и пределы регулирования напряжения на шинах подстанции, необходимость дополнительных регулирующих устройств;

– режимы заземления нейтралей трансформаторов, значение емкостных токов в сетях на 10; 6 кВ;

– расчетные значения токов короткого замыкания;

-требующуюся надежность и технологические особенности потребителей и отдельных электроприемников [1, с. 20].

Выбор трансформаторов выполняется на расчетный период (пять лет с момента предполагаемого срока ввода трансформатора в эксплуатацию). Дальнейшее расширение подстанции, включая резерв территории, производиться с учетом возможности ее развития в последующие пять лет. Площадка подстанции должна размещаться вблизи центра электрических нагрузок, автомобильных дорог (для трансформаторов, мощностью 10МВ∙А и выше) и существующих инженерных сетей. Учитывается также и наличие железнодорожных путей промышленных предприятий.

На подстанциях устанавливается, как правило, не более двух трансформаторов. Большее их число допускается устанавливать на основе соответствующих технико – экономических расчетов и в тех случаях, когда на подстанциях требуются два средних напряжения, а по соотношению нагрузок, например 6 и 10 кВ, 10 и 3 кВ, не удается подобрать трансформатор с расщепленными обмотками.

При наличии крупных усредненных нагрузок и необходимости выделения питания ударных, резкопеременных и других специальных электрических нагрузок для производств, цехов и предприятий, преимущественно с электроприемниками I категории и особой группы I категории возможно применение трех и более трансформаторов с проведением соответствующего технико – экономического обоснования. В первый период эксплуатации при постепенном росте нагрузки подстанций допускается установка одного трансформатора при условии обеспечения резервирования питания потребителей по сетям среднего и низкого напряжений[1, с. 24].

Мощность трансформаторов выбирается таковой, чтобы при отключении наиболее мощного из них, оставшиеся в работе обеспечивали бы питание нагрузки во время ремонта или замены этого трансформатора с учетом допустимой перегрузки оставшихся в работе и резерва по сетям низкого и среднего напряжений. При установке двух трансформаторов и отсутствии резервирования по сетям среднего и низкого напряжений мощность каждого из них выбирается с учетом загрузки трансформатора не более чем 70% от суммарной максимальной нагрузки подстанции на расчетный период. При росте нагрузки сверх расчетного уровня увеличение мощности подстанции производиться, как правило, путем замены трансформаторов более мощными.

Трансформаторы должны быть оборудованы устройством регулирования напряжения под нагрузкой. При отсутствии трансформаторов с устройством регулирования напряжения под нагрузкой допускается использование регулировочных трансформаторов

Предохранители на стороне высокого напряжения подстанций 35; 110кВ с двухобмоточными трансформаторами могут применяться при условии обеспечения селективности предохранителей и релейной защиты линий высокого и низкого напряжений, а также надежной защиты трансформаторов с учетом режима заземлений нейтрали и класса ее изоляции. Для трансформаторов высшим напряжением 110 кВ, нейтраль, которых в процессе эксплуатации может быть разземлена, установка предохранителей недопустима. Определители на стороне высшего напряжения могут применяться как с короткозамыкателями, так и с передачей отключающего сигнала. Применение передачи отключающего сигнала должно быть обосновано (удаленностью от питающей подстанции, мощностью трансформатора, ответственностью линии, характером потребителя). При передаче отключающего импульса по высокочастотным каналам (кабелям связи) необходимо выполнять резервирование по другому высокочастотному каналу (кабелю связи) или с помощью короткозамыкателя.

Распределительные устройства на 6; 10 кВ на двухтрансформаторных подстанциях выполняются, как правило, с одной секционированной или двумя одиночными секционированными выключателями системами сборных шин с отходящими линиями. На однотрансформаторных подстанциях РУ выполняются, как правило, с одной секцией. На стороне напряжений 6; 10кВ подстанций должна быть предусмотриваться раздельная работа трансформаторов.

При необходимости ограничения токов короткого замыкания (КЗ) на стороне напряжений 6; 10 кВ могут предусматриваться:

– применение трехобмоточных трансформаторов с максимальным сопротивлением между обмотками высшего и низшего напряжений и двухобмоточных трансформаторов с повышенным сопротивлением;

– применение трансформаторов с расщепленными обмотками на 6;10 кВ;

– применение токоограничивающих реакторов в цепях вводов трансформаторов на цепях вводов от трансформаторов [1, с. 26].

Выбор варианта ограничения токов КЗ следует обосновать технико – экономическим сравнением. Степень ограничения токов КЗ распределительных устройств на 6; 10 кВ определяется с учетом применения наиболее легкой аппаратуры, кабелей, проводников и допустимых колебаний напряжения при резкопеременных и толчковых нагрузках.

При необходимости компенсации емкостных токов в сетях на 35, 10,

6 кВ на подстанциях должны устанавливаться заземляющие реакторы. При напряжении на 6; 10 кВ заземляющие реакторы подключаются к сборным шинам через выключатели и отдельные трансформаторы. Не допускается подключение к трансформаторам для собственных нужд, присоединенным к трансформаторам подстанций до ввода на шины низшего напряжения, а также трансформаторам, защищенным плавкими предохранителями.

В закрытых распределительных устройствах на все напряжения должны устанавливаться воздушные, малообъемные масляные или элегазовые выключатели. Баковые выключатели устанавливаются, когда отсутствуют малообъемные выключатели с соответствующим током отключения. Могут применяться и другие типы выключателей после начала их серийного производства. В открытых распределительных устройствах на 330 кВ и выше должны устанавливаться воздушные выключатели.

При выборе аппаратов и ошиновки по номинальному току оборудования (синхронных компенсаторов, реакторов, трансформаторов), необходимо учитывать нормальные эксплутационные, послеаварийные и ремонтные режимы, а также перегрузочную способность оборудования. Аппаратура и ошиновка в цепи трансформатора должны выбираться, как правило, с учетом установки в перспективе трансформаторов следующего габарита.

Выбор местоположения, типа, мощности и других параметров ГПП в основном обуславливаются значениями и характером электрических нагрузок и размещением их на генплане, а также производственными, архитектурно – строительными и эксплуатационными требованиями. Важно, чтобы ГПП располагалась возможно ближе к центру питаемых мим нагрузок, что сокращает протяженность питающих и распределительных сетей электроснабжения предприятия, а, следовательно, их стоимость и потери в них. Намеченное месторасположение уточняется по условиям планировки предприятия, ориентировочным габаритным размерам и типу подстанции (отдельно стоящая, пристроенная, внутренняя, закрытая, комплектная) и возможности подвода высоковольтных линий от энергосистемы (место ввода ЛЭП) к ГПП.

Допускается смещение подстанции на некоторое расстояние от геометрического центра питаемых ею нагрузок в сторону подвода линии от энергосистемы.

ГПП выполняется двухтрансформаторной. Мощность трансформаторов определяется активной нагрузкой предприятия и реактивной мощностью, передаваемой от системы в период максимума нагрузок. Мощность трансформатора выбирается такой, чтобы при выходе из работы одного трансформатора второй воспринял бы основную нагрузку подстанции с учетом допускаемой перегрузки в послеаварийном режиме и возможного временного отключения потребителей третьей категории. В соответствии с существующей практикой проектирования мощность трансформаторов на понижающих подстанциях рекомендуется выбирать из условия допустимой их перегрузки в послеаварийных режимах до 60….70% (на время максимума суточной нагрузки, продолжительностью не более 6 ч. в течение не более 5 сут.):

(13)

Масляные трансформаторы в большинстве случаев устанавливаются открыто, а РУ на 10 кВ – внутри помещения или пристраиваются к цеху

(хотя в последнее время наметилась тенденция закрытой установки трансформаторов).

При разработке схем коммутации ГПП предприятий средней мощности следует стремиться к их максимальному упрощению и применению минимума коммутационных аппаратов. Линии и трансформаторы, как правило, работают раздельно. На высшем напряжении ГПП рекомендуется следующая схема: мостик с выключателем в перемычке и выключателями в цепи ВЛ.

На вторичном напряжении ГПП применяется лишь одна система шин, секционированная выключателем, который в большинстве случаев оборудуется устройством автоматического включения резерва (АВР).

Большинство подстанций промышленных предприятий выполняется без сборных шин на стороне первичного напряжения по блочному принципу, реализуемому в виде схем:

– линия – трансформатор;

– линия – трансформатор – токопровод (магистраль).

Блочные схемы просты и экономичны. Установка их на подстанция промышленных предприятий, как правило, двух трансформаторов удовлетворяет по надежности электроснабжение потребителем I категории.

Причины возникновения остаточных внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроения

Рис. 4 Безмостиковые схемы блочных ГПП

На рис. 4 показаны схемы блочных ГПП, выполненных без перемычки (мостика) между питающими линиями 35; 110; 220; 330кВ, с двухобмоточными трансформаторами. При конкретном проектировании могут применяться трансформаторы с расщепленными обмотками, трехобмоточные и др. При напряжении 110 кВ в нейтрали трансформаторов устанавливается заземляющий разъединитель – разрядник, при 220 кВ нейтраль заземляется наглухо. При необходимости высокочастотной связи на вводах ВЛ устанавливается аппаратура высокочастотной (ВЧ) обработки линии.

Схема соединений распределительных устройств ГПП со стороны высокого напряжения определяется скорее внешними требованиями субъекта электроэнергетики и реальными сетями энергосистемы, чем мощностью трансформатора. Однако возможность переключений предопределяет предпочтительность различных режимов работы трансформатора, в том числе и аварийного, влияя тем самым на выбор его мощности.

Заключение

Таким образом, подводя итог всему вышесказанному, необходимо сделать ряд следующих выводов.

Список используемой литературы

1. Быстрицкий, Г.Ф., Кудрин, Б.И. Выбор и эксплуатация силовых трансформаторов/Г.Ф. Быстрицкий, Б.И. Кудрин.- М.: Техническая литература, 2003.- 176с.

2. Кацман, М.М. Электрические машины/М.М. Кацман.- М.: Высшая школа, 2004.- 464с.

3. Могузов, В.Ф. Обслуживание силовых трансформаторов/В. Ф. Могузов.- М.: Энергоиздат, 1991.-192с.

4. Перемутер, Н.М., Электромонтер – обмотчик и изолировщик по ремонту электрических машин и трансформаторов: Учебник/Н.М. Перельмутер.- М.: Высшая школа, 1984.- 328с.

5. Силовые трансформаторы. Справочная книга/Под ред. С.П. Лизунова, А.К. Лоханина.- М.: Энергоиздат, 2004.-616с.

6. Соколова, Е.М. Электрическое и электромагнитное оборудование. Общепромышленные механизмы и бытовая техника/Е.М. Соколова.- М.: Академия, 2006.- 224с.

7. Хренников, А Силовые трансформаторы. Проблема электродинамической стабильности/А. Хренников//Новости электротехники.- 2008.- №6.- с. 14-18.

8. Щеховцов, В.П., Электрическое и электромеханическое оборудование/В.П. Шеховцов.- М.: Издательство «Профессиональное образование», 2004.- 407с.