Увеличение номинальных токов электроустановок приводит к сокращению затрат на их сооружение, на строительство производственных зданий, к уменьшению удельного расхода электроэнергии,
облегчает задачу механизации и автоматизации технологического процесса. Вместе с тем рост тока требует увеличения сечения шин, выполнения параллельных линий. Все это делает шинопроводы неконструктивными, громоздкими, затрудняющими обслуживание оборудования. Достаточно сказать, что масса 1 м шинопровода на ток 300 кА составляет около 3000 кг. Если в настоящее время задача передачи больших токов еще может быть решена традиционно: увеличением сечения проводника, строительством параллельных линий, то в недалеком будущем потребуется преодолеть принципиальные ограничения, присущие существующим системам. За сравнительно короткие сроки параметры токопроводов оказались близки к физическим и техническим пределам. По мнению авторов, предел для многоамперных токопроводов составляет 230— 27(1 кА. Поэтому весьма актуальна задача поиска новых решений, которые позволили бы расширить границы современной техники передачи электрической энергии.
Новыми направлениями являются применение новых проводниковых материалов и диэлектриков, а также охлаждение токоведущих элементов.
В 60-х годах в США было смонтировано примерно 20 км кабелей с натриевыми жилами и полиэтиленовой изоляцией напряжением до 35 кВ. Эти кабели обладают многими достоинствами: их проводимость на единицу массы в 1,7 раза больше, чем у алюминия, и в 3,3 раза — чем у меди, они дешевы, гибки и т. п. Но ввиду низкой коррозионной стойкости и плохих контактных свойств кабели с натриевыми жилами широкого распространения не получили.
Перспектива повышения пропускной способности в ближайшие годы связана с созданием линий переменного тока в трубах с использованием сжатых газов (ТСГ) в качестве изоляции [4]. По сравнению с маслонаполненными кабелями такие токопроводы имеют повышенную электрическую прочность и улучшенное охлаждение жил. Вместе с тем эти линии являются лишь модификацией традиционного пути повышения рабочих напряжений, который не может привести к радикальному увеличению пропускной способности линий электропередачи.
Другим путем повышения проводимости токопроводов является снижение активного сопротивления проводниковых материалов при использовании водяного и криогенного охлаждения.
Применение водяного охлаждения дает возможность увеличить мощности и повысить токи генераторов и электрических аппаратов в 4—5 раз по сравнению с электротехническими устройствами, имеющими естественное воздушное охлаждение. При изготовлении токопроводов водяное охлаждение дает возможность в одних случаях уменьшить расход металла, в других — уменьшить потери электроэнергии.
Для определения технико-экономической целесообразности применения водяного охлаждения для токопроводов решим классическую задачу теплообмена охлаждаемого водой шинопровода круглого сечения, на одном из концов которого поддерживается температура Θ.
Без учета конвективного теплообмена и лучеиспускания, что допустимо при интенсивном водяном охлаждении, уравнение теплопроводности такой системы имеет вид
Таким образом, водяное охлаждение позволяет повысить плотность тока и уменьшить габариты шинопровода. При этом снижается расход цветных металлов, по соответственно возрастают джоулевы потери.
Согласно исследованиям Американского института инженеров- электриков AIEE, водяное охлаждение целесообразно и экономически выгодно при токах выше 8 кА. Испытания па токопроводах 13 кА с токоведущими частями в виде цилиндрических неизолированных проводов показали, что их масса может быть уменьшена в 2 раза по сравнению с массой токопроводов с естественным охлаждением. Правда, джоулевы потери при этом также возросли, но не пропорционально.
На рис. 2 приведены различные конструктивные исполнения водоохлаждаемых шинопроводов. В шинопроводе на рис. 2. а вода протекает по трубкам, приваренным к параллельным плоским шинам, что дает возможность использовать шипы прямоугольного сечения.
Рис. 2. Шинопроводы с водяным охлаждением: а — параллельные плоские шины; б — шипы прямоугольного профиля; в — шины круглые концентрические
В токопроводе, изображенном на рис. 2, б, применена полая шина прямоугольного сечения. Иногда для этих целей могут быть использованы медные и алюминиевые трубы. Токопровод, состоящий из двух концентрических труб (внутренняя труба является токопроводящей), представлен на рис. 2, в.
Применение полых шин прямоугольного или круглого сечения требует их сваривания на стыках и наваривания специальных наконечников в местах соединения с аппаратами.
Широкое применение водяного охлаждения связано с успехами по химической очистке воды ионитовыми фильтрами, в результате чего электрическое сопротивление воды повысилось практически до сопротивления диэлектриков. Замкнутая система водяного охлаждения описана в работе.
