Все коммутационные аппараты, измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также изоляторы и проводники должны удовлетворять условиям работы при нормальном режиме работы, быть устойчивыми при воздействии токов к. з. и при перенапряжениях. Они должны выбираться в зависимости от условий окружающей среды и условий размещения проектируемой установки (открытая или закрытая установка). Должны учитываться температура и влажность, запыленность, наличие химических и биологических воздействий на изоляцию и проводники, высота над уровнем моря данного района строительства. Класс изоляции всех аппаратов, изоляторов и проводников должен соответствовать номинальному напряжению сети, а в отдельных случаях, при наличии загрязненной атмосферы, может быть выше номинального напряжения сети на одну ступень.
Все электрические аппараты могут длительно работать при напряжении (∆Uн.а) на 10—15% больше номинального напряжения Uн.а, указанного на заводской табличке (щитке) или в каталоге. Это напряжение, называемое максимальным рабочим напряжением, также указывается в каталогах.
Рабочее напряжение установки Uр с учетом возможных отклонений ΔUр не должно превышать максимальное рабочее напряжение аппарата, т. е. должно быть выдержано условие
(3-17)
Выбор аппаратов по номинальному току производится согласно условию
(3-18)
где Iм.p — максимальный рабочий ток с учетом возможной длительной перегрузки цепи, для которой выбирается аппарат; Iн.а — номинальный допустимый длительный ток аппарата с учетом расчетной температуры окружающей среды.
Для большинства аппаратов перегрузка их током сверх номинального не допускается, если температура окружающего воздуха равна расчетной для данного аппарата (+ 35 или +40°С). Как правило, аппараты могут работать при температуре окружающего воздуха от —40 до + 60°С, если в технических условиях на аппарат нет специально оговоренных ограничений.
Если аппарат должен работать при температуре воздуха больше расчетной (+ 35 или +40°С), но не выше + 60°С, то допустимый рабочий ток может определяться по формуле
Выбор аппаратов, изоляторов и проводников по току к. з. производится путем сопоставления токов к, з. в данной точке сети, протекающих через выбираемый аппарат, с допустимыми токами термической и электродинамической стойкости аппарата. Допустимые токи термической и электродинамической стойкости указываются в каталогах.
В электроустановках напряжением выше 1000 В по режиму к. з. должны выбираться все электрические аппараты, токопроводы и другие проводники, а также опорные и несущие конструкции для них. При больших токах к. з. (ударный ток 50 кА и более) необходимо проверять подходы линий электропередачи к подстанциям и ответвительные опоры для предупреждения схлестывания проводов при динамическом действии токов.
Температура нагрева частей электрических аппаратов при длительной работе
В электроустановках напряжением до 1000 В проверке по режиму к. з. подлежат только распределительные щиты, токопроводы и силовые шкафы.
Аппараты и проводники в установках выше 1000 В не проверяются по электродинамической стойкости токам к. з., если они защищены предохранителями с плавкими вставками на номинальный ток до 60 А, а по термической стойкости — независимо от номинального тока и типа плавких предохранителей. При этом предохранители должны быть выбраны по предельному отключаемому току, обеспечивая отключение расчетного тока к. з.
Правила устройства электроустановок (ПУЭ) позволяют не проверять по режиму к. з. проводники в цепях к индивидуальным электроприемникам, в том числе и к цеховым трансформаторам мощностью до 1000 кВ-А и напряжением до 20 кВ, если повреждение проводников при к. з. не может вызвать взрыва и если в электрической или технологической частях установки предусмотрено резервирование, обеспечивающее технологический процесс производства. При этом замена поврежденного проводника должна производиться без необходимости выполнения каких-либо строительных работ и не вызывать значительных затруднений.
Трансформаторы тока в цепях напряжением 6— 10 кВ, питающих трансформаторы или реактированные линии, могут не удовлетворять требованиям стойкости к токам к. з., если их выбор по току к. з. для этих цепей требует такого завышения коэффициентов трансформации, при котором не может быть обеспечен необходимый класс точности измерительных приборов (например, расчетные счетчики). В этих случаях рекомендуется избегать применения неустойчивых трансформаторов тока на стороне высшего напряжения силовых трансформаторов, осуществляя питание приборов учета и измерения от трансформаторов тока, устанавливаемых на стороне низшего напряжения. Аппараты и шины в цепях измерительных трансформаторов напряжения могут выполняться неустойчивыми к воздействию тока к. з., если они расположены в отдельной камере распредустройства или за токоограничивающими добавочными сопротивлениями.
Случаи, когда аппараты и проводники могут быть неустойчивыми к воздействию тока к. з., допускаются с целью предотвращения чрезмерного удорожания электроустановок, с учетом того, что аварии в перечисленных элементах сетей могут происходить редко, а повреждения носят ограниченный характер, практически не снижая надежности электроснабжения соседних электроприемников. Этот принцип, когда допускаются неустойчивые к току к. з. некоторые аппараты и проводники при условии ограничения размеров повреждения рамками одного электроприемника (в цепи питания которого произошла авария), довольно широко применяется на практике. Действительно, если редкая авария в цепи приводит к прекращению питания только одного электроприемника, а в технологической или электрической схеме производства имеется резерв, то повышенные размеры разрушения в этой одной цепи (вызванные применением неустойчивых к токам к, з. аппаратов и проводников) не могут играть большой роли, не приведут к простоям технологических агрегатов.
При выборе аппаратов и проводников по току к. з. исходят из определенных условий. Так, для определения электродинамической стойкости аппаратов, жестких шин с изоляторами и поддерживающими конструкциями в качестве расчетного тока к. з. принимается ток трехфазного к. з.
Для определения термической стойкости аппаратов и проводников также принимается ток трехфазного к. з., а на генераторном напряжении электростанций — трехфазное и двухфазное, в зависимости от того, какое из них приводит к максимальному нагреву.
Для выбора выключателей по включающей и отключающей способности в качестве расчетного принимается наибольший ток, получаемый для трехфазного или однофазного к. з. на землю (для сетей с глухим заземлением нейтрали).
Расчетный ток к. з. определяется исходя из наиболее тяжелого режима работы, при котором выбираемые аппараты и проводники находятся под действием наибольшего тока повреждения. На реактированных линиях, отходящих от закрытых распределительных устройств, проводники и аппараты, расположенные до реактора и отделенные от питающих сборных шин разделяющими перегородками, глухими полками или перекрытиями, выбираются по току к. з. за реактором. При этом имеется в виду, что повреждения на участке между сборными шинами распределительного устройства и реактором являются маловероятными, а размер аварии при таких повреждениях ограничивается только одной линией, не затрагивая других потребителей. Ответвления от сборных шин до разделяющих полок, перекрытий н т. п., в которых установлены проходные изоляторы (включая и сами проходные изоляторы), должны выбираться по токам к. з. на сборных шинах, т. е. при повреждении до реактора.
Формулы и указания по выбору аппаратов, шин и кабелей по току к. з. широко освещены в литературе, и, в частности, приведены в [1-6].
Выбор аппаратов и проводников по соображениям технико-экономической целесообразности производится на основе сопоставления нескольких вариантов проекта. Во всех случаях в электроустановках промышленных предприятий следует применять комплектное крупноблочное электрооборудование, обладающее большими технико-экономическими преимуществами перед устройствами, которые собираются на месте строительства из отдельных аппаратов, конструкций, проводников и изоляторов. Комплектные распредустройства (КРУ) напряжением 6— 10 кВ для закрытой и открытой установки, комплектные трансформаторные подстанции (КТП), комплектные токопроводы для передачи энергии на различных напряжениях являются основными элементами сетей промышленных предприятий, обеспечивающими высокое качество, надежность установок и возможность ведения монтажных работ в сжатые сроки с минимумом затрат, Проводники (шины, кабели, провода), кроме проверки по току к. з. и по нагреву при нормальных и аварийных режимах работы сети, выбираются по условиям экономической плотности тока при длительных рабочих режимах.
Экономически целесообразное сечение проводника определяется из соотношения
(3-21)
где Iр — расчетный ток; ja — нормированное значение экономической плотности тока для заданных условий работы проектируемой линии.
Расчетный ток выбирается по условиям нормальной работы. Возможные увеличения тока, вызываемые отключением каких-либо участков сети в связи с аварией или ремонтными работами, при определении экономически целесообразного сечения проводника учитываться не должны.
В качестве расчетного тока Iр для выбора сечения проводов воздушных линий по экономической плотности тока рекомендуется принимать ожидаемый расчетный ток нормального режима работы линии на пятом году эксплуатации с поправочным коэффициентом а, учитывающим дальнейшую перспективу роста нагрузок.
Величина α определяется по формуле
(3-22).
Величина iнб принимается не более единицы при длине линий, превышающих следующие значения:
При меньших длинах линий величина iнб может приниматься более единицы, но во всех случаях не более двух.
Сечение проводника, полученное из выражения (3-21), округляется до ближайшего стандартного сечения.
Если при выборе проводников по экономической плотности тока сечение увеличивается настолько, что возникает необходимость увеличения числа проводников или числа цепей линий сверх требуемого по условиям обеспечения надежности электроснабжения, то решение может приниматься только в результате технико-экономического сравнения вариантов. При этом сравнении не следует забывать и такие затраты на дополнительную линию, как оборудование ячеек распределительных устройств на обоих концах дополнительной линии, расширение полосы территории, отводимой под сооружение линий.
Нормированные в СССР экономические плотности тока приведены в табл. 3-3.
Выбор сечений проводов для линий напряжением 330 кВ и выше, а также мощных жестких и гибких токопроводов, работающих с большим числом часов использования максимума нагрузки, производится на основе технико-экономических расчетов без учета приведенных в табл. 3-3 данных по экономической плотности тока. В этих случаях учитываются все реальные затраты, которые будут получены при расчетах (принимая во внимание стоимость потерь электроэнергии в проектируемой линии или токопроводе).
Экономическая плотность тока
Выбор проводников по нагреву производится путем сопоставления максимального расчетного тока нагрузки с длительно допустимым током для проводника данной линии, определенным по условию допустимого нагрева.
Проводники любого назначения должны удовлетворять требованиям предельно допустимого нагрева во всех возможных режимах работы сети, включая аварийные режимы и периоды ремонтов, когда отдельные участки сети могут быть отключены, а оставшиеся будут работать с перегрузкой.
При проверке проводников на нагрев в расчет принимается получасовой максимум нагрузки (см. § 3-2), который представляет собой наибольшую из средних получасовых нагрузок для данной линии.
Допустимые токовые нагрузки на проводники зависят от их сечения, материалов проводника и изоляции, от способов прокладки, температуры окружающей среды и ее теплопроводности. Значения допустимых токовых нагрузок нормированы (ПУЭ) для всех применяемых на практике марок проводов и кабелей, а также условий прокладки [1-6].
Окружающая среда оказывает большое влияние на выбор аппаратов и проводников.
Каталоги и технические условия на аппараты и проводники, составляемые заводами-изготовителями и согласованные с потребителями, определяют область их применения, включая и условия окружающей среды.
Применение аппаратов и проводников должно соответствовать техническим условиям, при соблюдении которых завод-изготовитель гарантирует нормальную работу своего изделия.
Так, в открытых установках, подверженных усиленному загрязнению пылью, производственными уносами, отходящими газами или парами кислот и т. п., должна применяться изоляция, предназначенная для этих условий работы, с повышенной длиной пути утечки или диэлектрической прочностью, выполненная из стойких материалов. Выбор аппаратов и проводников для взрывоопасных помещений производится в соответствии со специальными требованиями ПУЭ для этих помещений, а электрооборудование для них изготовляется по правилам изготовления взрывозащищенного электрооборудования.
Электрооборудование, поставляемое в тропические страны, где условия среды характеризуются повышенной влажностью, высокой температурой окружающего воздуха, солнечной радиацией, возможностью пыльных бурь или наличием различных грибков и насекомых, выбирается в соответствии с «Общими техническими условиями на изготовление материалов, приборов и оборудования, поставляемых в страны с тропическим климатом», утвержденными Комитетом стандартов при Совете Министров СССР.
Рекомендации по проектированию для стран с тропическим климатом приведены в [3-6].
В случае необходимости защиты от пыли или брызг воды применяется защищенное исполнение электрооборудования в закрытых шкафах или других оболочках, защищающих установленное внутри них оборудование от непосредственного воздействия окружающей среды.
