Выбор токоведущих частей и изоляторов распределительных устройств

Токоведущие части в распределительных устройствах 35 кВ и выше электростанций и подстанций обычно выполняются сталеалюминиевыми проводами АС или АСО. В некоторых конструкциях открытых распределительных устройств часть или вся ошиновка и сборные шины могут выполняться жесткими из алюминиевых труб. Соединение трансформатора с закрытым устройством 6-10 кВ или с комплектным распредустройством 6-10 кВ осуществляется гибким подвесным токопроводом, шинным мостом или закрытым комплектным токопроводом. Все соединения внутри закрытого распредустройства 6-10 кВ, включая сборные шины, выполняются жесткими голыми алюминиевыми шинами прямоугольного или коробчатого сечения.

4.1. Выбор жестких шин

При токах до 3000 А в закрытых распредустройствах 6-10 кВ применяются однополосные и двухполосные алюминиевые шины. При больших токах рекомендуются шины коробчатого сечения, так как они обеспечивают лучшие условия охлаждения и меньшие потери от эффекта близости и поверхностного эффекта.

Выбор сечения ошиновки (ответвления от сборных шин к электрическим аппаратам) производится по экономической плотности тока:

,

где - ток нормального режима (без перегрузок);

- нормированная экономическая плотность тока, А/мм² [4,5]

Найденное сечение округляется. При этом принимается ближайшее меньшее стандартное сечение, если оно не отличается от экономического значения больше чем на 15%. В противном случае принимается ближайшее большее стандартное сечение [5,6].

Выбранные по экономической плотности тока шины проверяются:

по допустимому току из условия нагрева;

на термическую стойкость при коротком замыкании;

на динамическую стойкость при коротком замыкании.

Сечение сборных шин всех напряжений выбирается по допустимому току, так как нагрузка по длине шин неравномерна и на многих участках меньше рабочего тока. По допустимому току выбирается также сечение ошиновки и кабелей резервных линий и резервных трансформаторов собственных нужд, так как они включаются эпизодически; сечение токоведущих частей всех временных устройств; сечение ошиновки и кабелей в установках до 1000 В, если Т_max < 4500 ч, так как потери энергии при этом невелики.

Проверка по допустимому току – из условий нагрева при максимальных нагрузках утяжеленного режима

I_{раб.утж} < I_доп,

где I_доп – допустимый ток на шины выбранного сечения с учётом поправки при расположении шин плашмя или температуре охлаждающей среды, отличной от принятой в таблицах (Q_о.ном = 25°С). В последнем случае

.

Для шин Q_дл.доп = 70°С; Q_о.ном = 25°С;

I_{доп.ном} – допустимый ток по таблицам при температуре охлаждающей среды Q_о.ном = 25°С,

Q_о – действительная температура охлаждающей среды.

При горизонтальной прокладке прямоугольных шин и расположении их плашмя допустимый ток следует уменьшить на 5% для полос шириной до 60 мм включительно и на 8% для полос большей ширины.

Проверка шин на термическую стойкость при коротком замыкании производится по условию

Q_к £ Q_к.доп,

где Q_к – температура шин при нагреве током короткого замыкания;

Q_к.доп - допустимая температура нагрева шин при коротком замыкании.

Подробно это условие проверки описано в [3, с. 54], [4, с.195].

При проектировании распределительных устройств и сетей часто возникает необходимость определить минимальное сечение проводника S_min, отвечающего требованию термической стойкости при коротком замыкании

,

где B_к – тепловой импульс, выделяемый током короткого замыкания;

А_к и А_н – аргументы, определяемые по кривым, соответственно для Q_н и Q_к (начальной и конечной температуры проводника при коротком замыкании).

В приближенных расчетах можно пользоваться упрощенной формулой

,

где при Q_н = 70°С.

Значение С для алюминиевых шин и проводов равно 91, для медных шин – 167. Соответствующие значения для кабелей 6 и 10 кВ приведены в таблице [3, 4].

Проверка шин на электродинамическую стойкость. Жесткие шины, укрепленные на изоляторах, представляют собой динамическую колебательную систему, на которую воздействуют электродинамические силы. Если собственные частоты колебательной системы шины-изолятор совпадут с частотой изменения электродинамических сил, то нагрузки на шины и изоляторы возрастут.

Если собственная частота меньше 30 и больше 200 Гц, то механического резонанса не возникает. В большинство практически применяемых конструкций шин эти условия соблюдаются, поэтому ПУЭ [1] не требуют проверки на электродинамическую стойкость с учетом механических колебаний шинной конструкции. В отдельных случаях, например при проектировании новых конструкций, производится определение частоты собственных колебаний для алюминиевых шин [8]

,

где l – длина пролета между изоляторами, м;

J - момент инерции поперечного сечения шины относительно оси, перпендикулярной направлению изгибающей силы, см ;

S – поперечное сечение шины, см.

Значение момента инерции берется из таблиц [4, с. 232; 5, т. 3, кн. 1, с. 371].

Изменяя l и S, добиваются того, чтобы механический резонанс был исключен, т.е. f₀ > 200 Гц.

Если f₀ < 200 Гц, то производится специальный расчет шин [2,3,5] с учетом колебаний шин при коротком замыкании.

Механический расчет однополосных шин прямоугольного, профильного, круглого или трубчатого сечения, расположенных в одной плоскости. Определяется наибольшее усилие, возникающее при трехфазном коротком замыкании, Н

,

где ударный ток, А;

а – расстояние между соседними фазами, м;

l – пролет шины (расстояние между соседними изоляторами одной фазы), м.

Максимальный изгибающий момент на шину при числе пролетов свыше двух (шина рассматривается как многопролетная балка, свободно лежащая на опорах), .

,

Напряжение в материале шины, возникающее при воздействии изгибающего момента, МПа

,

где W – момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию усилия, см3 [4,табл.4-2; 5,т.3,кн.1,табл.36-17].

Таблица 4-1.

Шины динамически устойчивы, если

где - допустимое механическое напряжение в материале шин.

При этом для алюминия марки АО, А1 МПа, для алюминиевого сплава марки АД31Т МПа [4, табл.4-3; 5, т.3, кн.1, табл.36-16].

Если при расчете окажется, что напряжение в материале шин больше допустимого, то следует принять меры к изменению одной или нескольких величин, входящих в выражение для определения .

Методика механического расчёта шин двухполосных, коробчатого сечения, шин, расположенных в вершинах треугольника даётся в [4; 5,т.3,кн.1].

4.2. Выбор шинных изоляторов

Жесткие шины в распределительных устройствах крепятся на опорных изоляторах, которые выбираются:

по номинальному напряжению

;

по допустимой нагрузке

,

где сила, действующая на изолятор;

допустимая нагрузка на головку изолятора

,

где разрушающая нагрузка на изгиб, Н.

При горизонтальном или вертикальном расположении изоляторов всех фаз расчетная сила, Н

,

где поправочный коэффициент на высоту шины, если она расположена «на ребро».

, ,

где высота изолятора;

b и h – размеры шины.

При расположении шин в вершинах треугольника смотри в [4,табл.4-4].

Проходные изоляторы выбираются:

по напряжению

;

по номинальному току

;

по допустимой нагрузке

.

Для проходных изоляторов расчетная сила, Н

.

4.3. Выбор гибких шин

В распределительных устройствах 35 кВ и выше применяются гибкие шины, выполненные проводами АС. Сечение гибких шин выбирается:

по экономической плотности тока (ошиновка)

;

по длительно допустимому току (сборные шины)

;

по термическому действию тока короткого замыкания

Q_к £ Q_к.доп или ,

причем, согласно [2] шины, выполненные голыми проводами на открытом воздухе, на термическое действие не проверяются;

по электродинамическому действию тока короткого замыкания.

Гибкие шины крепятся на гирляндах подвесных изоляторов с достаточно большим расстоянием между фазами. Так как для сборных шин приняты расстояния: при 35 кВ – 1,5 м; 110 кВ – 3 м; 220 кВ – 4 м; 330 кВ – 4,5 м; 500 кВ –

6 м; 750 кВ – 10 м.

При таких расстояниях силы взаимодействия между фазами невелики, поэтому расчета на электродинамическое действие для гибких шин обычно не производят. Но при больших токах короткого замыкания провода в фазах могут схлестнуться. Согласно ПУЭ на электродинамическое действие токов короткого замыкания (на схлестывание) должны проверяться гибкие шины при мощности короткого замыкания, равной или большей следующих значений:

Порядок проверки на схлестывание приведен в [4].

Проверка по условиям коронирования делается для гибких проводников при напряжении 35 кВ и выше. Порядок расчета для выбора сечения проводов по условиям короны рассмотрен в [4]. Можно использовать также приведенные в ПУЭ минимально допустимые по условиям короны сечения проводов воздушных линий электропередач: для напряжения 110 кВ – АС-70; 150 кВ – АС-120; 220 кВ – АС-240; 330 кВ – АС-600 или 3хАС-150; 500 кВ – 2хАС-240, или 3хАС-330, или 2хАС-700 [6].