Общая характеристика. Токопроводы, впервые примененные свыше 20 лет назад для передачи электрической энергии от генераторов к РУ 6 кВ электростанций, в последние годы находят все большее применение в схемах электроснабжения энергоемких промышленных предприятий на напряжениях 6—35 кВ. Накопленный опыт проектирования и эксплуатации токопроводов позволяет в настоящее время проанализировать положительные и отрицательные качества отдельных систем токопроводов, отвергнуть ряд опорных или не оправдавших себя положений и дать последние проверенные практикой решения в рассматриваемой области.
Характерной особенностью токопроводов является то, что при их применении может быть успешно осуществлен принцип магистральной системы распределения электрической энергии. Разумеется, токопроводы не являются для всех случаев универсальным и наиболее экономичным способом передачи электрической энергии на предприятиях на напряжениях 6—35 кВ. Для токопроводов существует своя область применения. В частности, согласно исследованиям, проведенным ГПИ Электропроект, токопроводы являются, как правило, оптимальным техническим решением при канализации токов не менее 1 500 а. Предельное расстояние передачи электрической энергии токопроводами на напряжения 6—10 кВ обычно составляет не более 5 км, а при напряжении 35 кВ — не более 10 км.
Помимо электрических параметров (напряжение, ток, сопротивление), токопроводы различаются по исполнению в отношении условий прикосновения к токоведущим частям, а также рядом конструктивных характеристик (тип, расположение фаз, изоляция и т. д.).
Рис. 2-34. Жесткий несимметричный токопровод 6—10 кВ.
По условиям прикосновения к токоведущим частям различают токопроводы открытые, защищенные и закрытые. Защищенные и закрытые токопроводы обычно находят применение в распределительных сетях до 1 кВ, монтируемых внутри промышленных объектов. В тематику настоящей книги эти токопроводы не входят и в дальнейшем тексте не рассматриваются. Открытые токопроводы получили развитие в питающих и распределительных сетях 6— 35 кВ на территориях промышленных предприятий, электрических станций, крупных подстанций и т. п.
Рис. 2-35. Жесткий симметричный токопровод 6—10 кВ конструкции А. М. Семчинова.
В качестве проводникового материала для открытых токопроводов в настоящее время в основном применяется алюминий с удельным электрическим сопротивлением р = 0,0295 Ом-мм2/м и пределом механической прочности ад=7,5 кГ/мм2. В ряде установок применены токопроводы с повышенной механической прочностью, выполненные из алюминиевого сплава АД-31-Т1, имеющего р = 0,0344 Ом-мм2/м и од= =20 кГ/мм2. В конструктивном отношении открытые токопроводы можно разделить на несколько типов, краткие характеристики которых приводятся ниже.
Жесткие несимметричные токопроводы. Жесткие шины токопровода закреплены в вертикальной или горизонтальной плоскости на опорных изоляторах (рис.2-34). Этот тип токопроводов в течение ряда лет, предшествовавший жестким симметричным и гибким токопроводам, был наиболее распространенным. Рассматриваемый тип токопровода применяется, как правило, в галереях и туннелях.
Большие потери мощности в поддерживающих конструкциях, значительная несимметрия напряжений, а также высокая стоимость строительной части предопределяют невысокие технико-экономические показатели этого типа токопроводов.
Жесткие несимметричные токопроводы. Жесткие шины токопровода закреплены симметрично на опорных изоляторах по вершинам равностороннего треугольника (рис. 2-35). Это исполнение токопровода, предложенное инж. А. М. Семчиновым (Л. 16), выгодно отличается от исполнений рассмотренных выше токопроводов пониженной величиной дополнительных потерь мощности, симметрией напряжений и, как правило, меньшими капитальными затратами. Этот тип токопроводов
может выполняться на опорных конструкциях, в наземных галереях и подземных туннелях. При наличии относительно свободного генплана предприятия преимущество имеет вариант расположения токопровода на опорных конструкциях.
Гибкие токопроводы. Жесткие токопроводы, как правило, имеют небольшие пролеты между точками крепления шин, а следовательно, большое количество пунктов изоляции и контактных соединений. Гибкие токопроводы,
Рис. 2-36. Гибкий симметричный токопровод 10 кВ конструкции ГПИ Электропроект.
впервые предложенные в отечественной практике инж. Л. И. Двоскиным [Л. 19], явились реализацией идеи создания многоамперного токопровода, работающего по закону гибкой нити, в котором величина пролета между точками фиксации проводника резко увеличена в сравнении с жестким токопроводом. Гибкий токопровод практически представляет собой воздушную линию сверхбольшого сечения. В этом токопроводе удачно решена также задача максимального использования проводникового материала путем расщепления фазы на пучок проводов (для снижения поверхностного эффекта) и разноса фаз (для снижения эффекта близости). Удачное конструктивное решение токопровода приводит в ряде случаев к снижению капитальных затрат и последующих расходов по эксплуатации его. Фазы в гибком токопроводе размещают в горизонтальной плоскости либо по углам равностороннего треугольника.
Последний способ является более предпочтительным, поскольку симметричное расположение гарантирует отсутствие асимметрии напряжений в токопроводе. Все расщепленные провода фазы несут равномерную механическую нагрузку. На рис. 2-36 представлена конструкция токопровода, разработанная ГПИ Электропроект для реального объекта [Л. 18]. Выбранное по оптимальной плотности тока сечение фазы реализовано в виде пучка проводов, состоящего из шести алюминиевых проводов сечением по 600 мм2. Поддерживающее крепление проводов выполнено с применением стандартной арматуры треста Электросетьизоляция. Симметричное расположение фаз позволило отказаться от транспозиции токопровода. Непрерывно растущая мощность предприятий требует в ряде случаев повышения напряжения в токопроводах с 6—10 до 35 кВ. На рис. 2-37 представлен двухцепный токопровод 35 кВ конструкции ГПИ Тяжпромэлектропроект. Он рассчитан на передачу мощности порядка 120 МВт; каждая фаза его выполнена из трех алюминиевых проводов марки А600. Токоведущие провода при помощи кольца подвешиваются к опоре на несущем стальном тросе сечением 70 мм2.
Выбор оптимального сечения каждого провода расщепленной фазы является сложной задачей. С одной стороны, увеличение сечения провода и, следовательно, уменьшение числа проводов в фазе приводят к упрощению токопровода, снижению капитальных затрат, а также к некоторому снижению дополнительных механических нагрузок, в частности гололедных. С другой стороны, большие сечения проводов приводят к усилению явления поверхностного эффекта и некоторому снижению пропускной способности линии. Оптимальное решение может быть найдено только путем выполнения соответствующих технико-экономических расчетов. Аналогично фазам жесткого токопровода фазы гибкого токопровода подвержены динамическому воздействию токов к. з. Если для первого типа токопроводов это действие сопряжено с повышением механического напряжения в пакете шин и опорных изоляторах, то в гибком токопроводе под действием токов к. з. возможно схлестывание проводов, приводящее при определенных обстоятельствах к тяжелой аварии. Возможность схлестывания проводов в гибком токопроводе предупреждается установкой междуфазовых и внутрифазовых распорок.
Опоры для монтажа гибких токопроводов выполняют из металла или железобетона. В ряде случаев целесообразно применять промежуточные опоры железобетонные, а опоры анкерно-углового типа — металлические. При использовании для электроснабжения двух гибких токопроводов целесообразна их подвеска на общих опорах.
Рис. 2-37. Гибкий симметричный токопровод 35 кВ конструкции ГПИ Тяжпромэлектропроект.
Эти же опоры при соответствующей модификации могут быть использованы для прокладки технологических трубопроводов. При наличии ряда положительных качеств гибких токопроводов применение их представляется все же проблематичным, например, в следующих случаях. Промышленные предприятия с «плотным» надземным генпланом, где размещение гибких токопроводов, требующих «полосы отчуждения» размером 20—30 м, весьма затруднено. Расходы на искусственное расширение площади предприятия для размещения гибкого токопровода могут потребовать значительных средств. Здесь уместно привести одну фактическую справку. По данным Ленпромстройпроекта стоимость площади современного промышленного предприятия колеблется в пределах (100-7-200) • 103 руб/га (или 10—20 руб/м2). Даже при минимальной стоимости площади (10 руб/м2) стоимость «отчужденной территории» для гибкого токопровода получается равной 200 руб/м, что равнозначно удельной стоимости сооружения туннеля.
Рис. 2-38. Трубчатый симметричный токопровод 10 кВ конструкции ГПИ Тяжпромэлектропроект.
Промышленные предприятия, расположенные в местности с тяжелыми климатическими условиями (сильные гололеды и ветры).
Здесь работа гибких токопроводов будет весьма ненадежной.
Химические предприятия с интенсивным выделением компонентов, агрессивных по отношению к (голым алюминиевым проводам. В этих условиях решением проблемы явилось бы выполнение проводов токопровода в защитной пластиковой оболочке.
Во всех приведенных выше случаях, когда использование гибких токопроводов по технико-экономическим показателям становится сомнительным, в качестве конкурирующих вариантов следует рассмотреть применение жестких симметричных токопроводов либо кабельной канализации. Жесткие токопроводы требуют меньшей площади при открытом расположении на территории промышленного предприятия, а также удачно «вписываются» в небольшие габариты надземных галерей или подземных туннелей.
Трубчатые токопроводы. Это симметричные токопроводы с фазами, выполненными из труб (сплав АД-31Т1), работающие в зависимости от величины пролета как жесткие или гибкие конструкции (рис. 2-38). Этот тип
токопроводов находится в стадии проектных и экспериментальных разработок.
Некоторые вопросы проектирования. Проектирование токопроводов высокого напряжения выполняется на основании задания, включающего:
электрическую схему токопровода с указанием источника питания и всех потребителей по трассе токопровода;
данные о напряжении токопровода (номинальное напряжение, напряжение источника питания, средства регулирования напряжения);
данные о нагрузках токопровода (Рмакс, Рмин, cos <р, число часов использования максимума);
данные о токах короткого замыкания (величина их; время срабатывания защиты);
данные о климатических условиях (температура, гололед, ветер, роза ветров, грозовая деятельность);
данные об атмосфере (загрязненность, агрессивность) ;
данные о грунтах;
фрагмент генплана предприятия в зоне трассы токопровода.
Наиболее ответственной задачей при разработке проекта является выбор типа токопровода. Рациональный тип токопровода определяется в результате технико-экономических расчетов, выполняемых с учетом электрических параметров токопровода, генплана предприятия, характеристики среды, климатических условий, сметнофинансовых показателей различных систем токопровода и ряда других факторов.
