Электрическая часть электростанций - Выбор токоведущих частей распределительных устройств

Общие требования к шинам РУ заключаются в следующем:
Сечения их должны соответствовать максимальным возможным токам при наиболее неблагоприятных эксплуатационных режимах.
Они должны обладать достаточной термической стойкостью в режимах к. з.
Они должны выдерживать механические нагрузки, создаваемые собственной массой и массой связанных с ними проводов и аппаратов, а также усилиями, возникающими при к. з. или в результате атмосферных воздействий (ветер, гололед).
В условиях нормальной эксплуатации при рабочих напряжениях на шинах не должно возникать короны.
Число соединений и изоляторов должно быть минимальным.
В качестве материала шин используется сталь, медь или
алюминий. Сталь имеет низкую электрическую проводимость и подвержена интенсивной коррозии, а поэтому используется очень ограниченно, преимущественно в неответственных установках умеренных напряжений. Ее главные преимущества-—дешевизна и высокая механическая прочность.
Медь и алюминий применяются одинаково часто, причем медь используется преимущественно при напряжениях 110 кВ и ниже. При напряжениях выше 330 кВ почти исключительно используется алюминий, имеющий хорошие электрические характеристики и значительно меньшую плотность, чем медь (примерно в три раза).
Следует учитывать, что медные шины применяют преимущественно в тех случаях, когда использование алюминия невозможно из-за коррозии, недостаточной механической прочности и т. п.
Форма сечения шин разнообразна: применяются шины прямоугольного сечения, круглого или профильного (чаще всего коробчатого). Прямоугольные шины удобны в монтаже, к ним легко присоединять плоские контакты аппаратов, однако недостаточная механическая прочность позволяет применять их только при коротких пролетах, а корона ограничивает напряжения, при которых они могут использоваться, значением 20—24 кВ.
Максимальные размеры однополосных медных и алюминиевых шин по условиям прочности равны 120x10 мм, их предельная
нагрузка 2,65 кА для меди и 2,07 кА для алюминия. При больших нагрузках применяют двух- и трехполосные шины, что позволяет увеличить нагрузку трехполосных медных шин до 5,2 кА, а алюминиевых до 4,1 кА. Непропорциональное увеличение допустимой нагрузки многополосных шин (удвоение вместо утроения при переходе к трем полосам) объясняется эффектом близости, из-за которого в крайних полосах пакета протекает по 40 %, а в средней полосе всего 20 % полного тока фазы. По этой же причине нецелесообразно увеличивать число полос в пакете сверх трех, так как при пяти полосах, например, ток в средней полосе почти равен нулю и эффективного увеличения сечения при добавлении пятой полосы почти не получается.

Рис. 7-12. Способы расположения однополосных шин
Гораздо больший выигрыш дают шины профильного (коробчатого) сечения, имеющие к тому же значительно более высокую механическую прочность. Пакет шин, состоящий из двух коробчатых шин с толщиной стенки 12,5 мм и высотой полки 250 мм, позволяет передавать ток 12,5 кА в медных шинах и 10,8 кА в алюминиевых шинах.

Рис. 7-13. Способы расположения многополосных шин
На рис. 7-12 и 7-13 показаны различные способы расположения однополосных и многополосных шин прямоугольного и коробчатого сечения. Горизонтальное расположение полос или пакетов шин выгоднее с механической точки зрения, так как шины, обращенные друг к другу узкой стороной, имеют на 40 % больший момент сопротивления относительно оси, перпендикулярной электродинамическим силам при к. з., чем шины при вертикальной установке.
Следовательно, в соответствии с формулой, определяющей механические напряжения (в паскалях) в материале шин при к. з.,
qрасч = FPI(10W), (7-35)
где F — максимальное усилие, приходящееся на 1 см длины шины, от взаимодействия токов в фазах, Н/м; I — расстояние
(пролет) между осями опорных изоляторов вдоль фазы, м (рис. 7-14); W — момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной усилию, м³; эти напряжения меньше, чем при вертикальном расположении.

Рис. 7-14. Установка прокладок у двухполосной шины
Однако условия охлаждения шин при установке их на плоскость хуже, и нагрузка шин при таком расположении должна быть уменьшена на 5—8 %.
Сечение плоских шин выбирают по экономической плотности тока /эк — в А/мм² [72] (табл. 7-7), деля рабочий ток нормального режима на экономическую плотность:
(7-36)
Полученное таким образом сечение, при котором ежегодные расчетные затраты оказываются наименьшими, носит название экономического.
Так как сечения шин стандартизированы и сведены в таблицы [72], то при выборе их достаточно определить экономическое сечение по (7-36) и затем округлить его до ближайшего табличного значения.
Проверка шин на динамическую стойкость при к. з. заключается в сопоставлении механических напряжений, возникающих в материале шин при к. з,, с допустимыми напряжениями (табл. 7-8).
Максимальное расчетное напряжение в материале однополосной шины при к. з. определяется по формуле (7-35). При этом следует учитывать, что изгибающая сила F зависит от частоты собственных колебаний шинных конструкций и по условиям резонанса опасны частоты, близкие к 50 и 100 Гц.
Таблица 7-7

При частотах, больших 200 Гд, можно определять электродинамическую силу F (Н/м) без учета собственных колебаний шинных конструкций по формуле
(7-37)
где iyrn — максимальный ударный ток трехфазного к. з., А; а — расстояние между осями шин, м; 1 — расстояние между изоляторами вдоль линии шин, м.
Моменты сопротивления для различного расположения шин и разной формы сечения приведены в табл. 7-9.
В многополосных шинах механическое напряжение в каждой из полос можно разложить на две составляющие: от взаимодействия фаз о-ф и от взаимодействия полос пакета одной фазы сгп:
(7-38)
Здесь напряжение 0Ф определяется по формуле (7-35), а напряжение <тп — по формуле
(7-39)
где Fn — усилие, приходящееся на 1 м длины полосы, от взаимодействия между токами полос пакета, Н/м; /„ — расстояние между прокладками пакета, м (рис. 7-14).
Изгибающая сила (в Н/м)
(7-40)
Коэффициент б находится по кривым на рис. 7-15.

Рис. 7-15 Определение коэффициента б
1 -  двухполосные шины; 2  - трехполосные шины

Рис. 7-17. Определение температуры нагрева проводника при коротком замыкании
1 — алюминий; 2 — медь

Рис. 7-16. Динамический коэффициент напряжения шин
При частоте собственных колебаний шинных конструкций, меньшей 200 Гц, определение изгибающей силы следует выполнять с учетом колебаний шин при к. з., используя выражение
(7-41)
где г'шп — амплитуда незатухающей периодической составляющей тока к. з., А; а — расстояние между осями шин, м; I — расстояние между изоляторами вдоль линии шин, м; ца — динамический коэффициент, учитывающий частоту собственных колебаний шинной конструкции /ш и определяемый по кривым рис. 7-16.
При этом частоту собственных колебаний шинных конструкций оценивают обычно, пренебрегая колебаниями опорных изоляторов и учитывая только собственную частоту шин /ш по приближенным выражениям.
Собственная частота шинной конструкции может быть приближенно определена по формуле [57 ]
(7-42)
где I — пролет между изоляторами, см; Е — модуль упругости материала шины, МПа; J — момент инерции сечения шины, см4; К — коэффициент, зависящий от способа крепления шин (K = 112 при жестком креплении; К ~ 78 при свободном креплении на одной опоре и жестком на другой; К — 49 при шинах, свободно лежащих на опорах).
Термическая стойкость шин и кабелей при к. з. проверяется сопоставлением повышения их температуры в условиях к. з. и максимальной температуры, допускаемой при кратковременном нагреве.
Температура проводника vk, до которой он нагревается током к. з., определяется по кривым на рис. 7-17. Вспомогательный коэффициент Aqk вычисляется по формуле

где Л#„ определяется по кривым на рис. 7-17 для начальной температуры проводника до к. з.; Вк — тепловой импульс, характеризующий количество теплоты, выделенное током к. з., А2-с; q — площадь поперечного сечения проводника, км².
Минимальная площадь сечения проводника по условию термической стойкости
(7-44)
Для практических расчетов можно принимать
(7-45)
Коэффициент следует брать из
табл. 7-10.
Опорные изоляторы для шинных конструкций выбираются по номинальному напряжению Ua, номинальному току (для проходных изоляторов) /раб. форс и по допускаемой механической нагрузке, которая не должна быть больше 60 % разрушающей нагрузки на изгиб:
(7-46)
Значения разрушающих нагрузок для изоляторов различных типов можно найти в [72].
Наибольшая расчетная нагрузка на опорный изолятор (в ньютонах) не должна превосходить допускаемую и может быть вычислена по формуле
(7-47)
где 1ут — ударный ток трехфазного короткого замыкания, А; а — расстояние между осями соседних фаз, м; I — расстояние между изоляторами вдоль шины, м; kh — поправочный коэффициент на высоту шины при установке на ребро, kh = Н/Низ (рис. 7-18). При расположении шин плашмя kh = 1.
Таблица 7-10

Рис. 7-18. К определению поправочного коэффициента kh

Низ “ высота опорного изолятора; Н - расстояние от опорного фланца до линии действия нагрузки
Наибольшая расчетная нагрузка (в ньютонах) для проходного изолятора
(7-48)
В табл. 7-11 приводятся параметры, по которым выбираются шины, кабели и изоляторы.
Ошиновка открытых РУ выполняется гибкими проводами или жесткими шинами. Во всех установках напряжением 110 кВ и выше по условиям короны применяются шины только круглого сечения. Условия выбора жестких шин ОРУ по существу ничем не отличаются от условий выбора шин для ЗРУ. Добавляется лишь требование обязательной проверки выбранного сечения шин на корону.
Выбор и расчет гибких шин производится так же, как и многопроволочных сталеалюминиевых проводов такой же конструкции для линий высокого напряжения.
К преимуществам гибкой ошиновки относят большую длину пролетов (что сокращает число изоляторов, опор и соединений), отсутствие необходимости в компенсации температурных расширений, простоту монтажа. Эти преимущества, по-видимому, вызвали широкое распространение гибкой ошиновки на открытых подстанциях высокого и сверхвысокого напряжения.
Однако в последнее время наблюдается тенденция даже в установках сверхвысокого напряжения применять жесткую ошиновку, преимуществами которой являются: значительно меньшие изоляционные расстояния от токоведущих частей до земли; уменьшение
Таблица 7-11

расстояний между фазами за счет уменьшения размеров собственно токоведущих частей (не нужно расщепления проводов для повышения коронного напряжения). Оба этих преимущества дают возможность резко сократить размеры дорогих открытых РУ высокого и сверхвысокого напряжения.
Дополнительные преимущества жесткой ошиновки заключаются в повышении надежности по сравнению с гибкой, обусловленном отсутствием постоянных механических напряжений от натяжения проводов (возможности их обрыва); возможностью применения сварных присоединений вместо менее надежных прессуемых зажимов гибкой ошиновки; облегчением ремонта и чистки опорных изоляторов и меньшей опасностью аварийных ремонтов; лучшей обозреваемостью жестких шинных конструкций, что очень важно для безопасности обслуживания.
Все эти преимущества жесткой ошиновки, ведущие к повышению надежности эксплуатации, позволяют рекомендовать этот тип ошиновки для самого широкого применения в ОРУ высоких и сверхвысоких напряжений, вплоть до 1150 кВ.
На современных мощных электростанциях для соединения генераторов с трансформаторами или генераторов и трансформаторов с соответствующими РУ, а также в установках собственных нужд применяют экранированные токопроводы, обладающие высокой надежностью и долговечностью. В ряде случаев они позволяют значительно удешевить конструкцию РУ.
Токопроводы представляют собой цельносварную конструкцию с электрически непрерывными экранами пофазного исполнения, внутри которых на опорных изоляторах укреплены токоведущие шины швеллерного или круглого (труба) сечения (рис. 7-19).
Во избежание чрезмерного нагрева экранов вихревыми токами, возникающими при воздействии магнитного потока, создаваемого токами нагрузки, протекающими по шинам, экраны выполняются из алюминия.
В начале и в конце электрически непрерывного экрана все три фазы закорочены перемычками, которые обеспечивают создание по экранам замкнутой электрической цепи. Коэффициент трансформации образованного при этом трансформатора тока (первичная обмотка — токоведущая шина; вторичная обмотка — экраны токопровода, замкнутые накоротко) равен почти единице, и вихревые токи, протекающие по экранам, примерно равны току шины. Вихревые токи создают свое магнитное поле, направленное навстречу магнитному потоку, создаваемому током шин. В результате происходит компенсация внешнего магнитного поля за пределами экранов и оно практически равно нулю.
Основные преимущества закрытых токопроводов по сравнению с другими шинными конструкциями: 1) высокая надежность, предотвращение междуфазных к. з., влаго- и пылезащищенность шин и изоляторов; 2) значительно меньшие электродинамические

Рис. 7-19. Закрытый токопровод с раздельными фазами: а — токопровод с корытными шинами
I — шины; 2 — шинодержатели; 3 — изолятор, 4 — опорная рама
6 — токопровод с круглыми шинами 1 — станина; 2 — болт антимагнитный; 3 — прокладка; 4 — изолятор; 5 — шинодержатель; 6 — алюминиевая шина; 7 — сварной шов; 8 — арматура изолятора
усилия, действующие на шины и изоляторы при коротких замыканиях; 3) одна и та же конструкция внутри и снаружи подстанции; 4) упрощение строительной части шинного моста; 5) изготовление токопровода в заводских условиях; 6) небольшие потери от вихревых токов в экранах.
Токопроводы, защищенные экранами, выпускаются заводами в виде готовых к монтажу секций (блоков), длина которых определяется условиями транспортирования и монтажа и составляет обычно 3—8 м (рис. 7-20). Токоведущие шины из меди и ее сплавов соединяют между собой, а также с генераторами и трансформаторами при помощи болтовых соединений, а из алюминия — сваркой под защитными газами.
Экранирование заметно уменьшает электродинамические усилия при коротких замыканиях, что позволяет уменьшить число опорных изоляторов и упростить конструкцию токопровода.
Пофазно экранированные токопроводы выпускаются на напряжение до 35 кВ с номинальными токами до 25 кА (серия ТЭН).

Рис. 7-20, Закрытый токопровод с раздельными фазами КЭТ 300/20: а — разрез по токопроводу; б—монтажный блок комплектного экранированного токопровода
1 - съемные мостки; 2 -  алюминиевый экран (кожух); 3 — опорная балка; 4 опорные изоляторы;  5 -  алюминиевая шина; 6 -  размагничивающие кольца
Передаваемая ими мощность доходит до 1200 МВт. Изготавливаются также токопроводы для установок собственных нужд (серии ТКЗ, T3KP) и для комплектных распределительных устройств (серия ТЗП).
Токопроводы на номинальные токи до 20 кА выполнены с естественным, а выше 20 до 60 кА с принудительным воздушным охлаждением. Водяное охлаждение не проходит по экономическим соображениям (не оправдываются потери электроэнергии в токопроводах при водяном охлаждении).
Поскольку токопроводы стоят в одной цепи с силовыми трансформаторами, которые допускают значительные аварийные и сезонные перегрузки, выяснялась возможность таких же пере-
грузок и для токопроводов. Было установлено, что большинство экранированных токопроводов может безболезненно перегружаться по току в соответствии с условиями ГОСТ 14209—69 «Трансформаторы силовые масляные. Нагрузочная способность». Длительность перегрузки токопроводов зависит от степени их перегрузки. Например, токопровод ТЭН-20-2000-560 на номинальный ток 2000 А может быть перегружен до 6000 А в течение 1,5 мин; на 200 %, т. е. до 4000 А, на 10 мин; на 130 %, т. е. до 2600 А, на два часа. Токопровод ТЭН-Е-35-10000-300У1 с номинальным током 10 000 А способен перегружаться втрое, т. е. до 30 000 А, на 1,5 мин; вдвое, т. е. до 20 000 А, на 10 мин; в 1,3 раза, т. е. до 13 000 А, на два часа.