Токопроводы применяются при удельных плотностях электрических нагрузок, большом числе часов использования максимума, концентрированном расположении крупных мощностей и при размещении нагрузок на предприятии, благоприятном для осуществления магистрального питания, т. е. когда число направлений основных потоков электрической энергии невелико. При построении генплана предприятия необходимо заранее предусматривать возможность и место для рациональной прокладки токопроводов и увязку их трассы с другими коммуникациями.
Основными отраслями промышленности, в которых широкое применение находят токопроводы, являются такие энергоемкие отрасли, как черная и цветная металлургия и химия.
При распределении энергии на напряжении 110 или 220 кВ токопроводы применяются для связи между шинами вторичного напряжения (6—10 кВ) различных ГПП или ПГВ или же ГПП—ТЭЦ.
Токопроводы имеют ряд преимуществ по сравнению с кабельными прокладками. Они позволяют заменить дефицитные кабели высокого напряжения неизолированными алюминиевыми шинами или проводами, сэкономить свинец и алюминий, идущий на оболочки кабелей, а также изоляционные материалы.
Токопроводы улучшают эксплуатацию сетей, так как облегчается непрерывное наблюдение и ускоряется исправление повреждений. Индустриализуются монтажные работы по сетям, так как на монтаж поступают готовые секции токопроводов.
Токопроводы имеют значительно большую способность к перегрузке, чем кабельные линии, ввиду отсутствия бумажной изоляции, причем в случае необходимости может быть усилена вентиляция шинного туннеля. По мере роста нагрузок возможно увеличение пропускной способности токопровода без перерыва питания путем поочередной замены сечения шинных пакетов или укладки дополнительных полос на отдельных "нитках" токопровода.
Обследования работающих токопроводов различных типов и исполнений показали, что токопроводы значительно надежнее кабельных прокладок.
Наряду с перечисленными преимуществами токопроводов необходимо учитывать их большую реактивность, которая приводит к понижению уровня напряжения у потребителей и вызывает значительные колебания напряжения при ударных нагрузках. Имеются дополнительные потери в крепящих и строительных конструкциях. В закрытых токопроводах высока стоимость строительной части. Авария на крупном токопроводе отражается на большей группе потребителей, чем при системе кабельной канализации с менее мощными линиями. Для устранения этого недостатка применяются секционирование и автоматическое включение резерва на всех ступенях, а токопроводы проектируются не менее чем из двух взаимно резервирующих ниток.
Применяются следующие конструкции токопроводов: гибкий токопровод, выполненный голыми проводами больших сечений;
жесткий токопровод из труб или других профилей, выполненный в виде жесткой балки;
токопроводы из шин различных профилей, закрепленных на подвесных изоляторах в нескольких исполнениях (см. ниже);
комплектные токопроводы заводского изготовления, составленные из типовых секций.
Для повышения электродинамической стойкости жестких токопроводов применяются шины повышенной прочности из алюминиевых сплавов электротехнического назначения.
Применение токопроводов выгодно в диапазоне следующих мощностей [1-9]:
При меньших мощностях токопроводы не имеют явных преимуществ перед кабельной канализацией, однако в диапазоне 10—15 ΜΒ-А в некоторых случаях рекомендуется рассматривать и сравнивать оба варианта.
Предельная длина токопроводов при данной передаваемой мощности зависит от его исполнения, сечения, коэффициента мощности, наличия или отсутствия регулирования напряжения, В зависимости от этих факторов она колеблется в широком диапазоне. Для иллюстрации сказанного на рис. 8-12 показана зависимость предельной длины токопроводов (км) на напряжение 6 и 10 кВ от их нагрузочной способности при значении средневзвешенного коэффициента мощности на приемном конце токопровода, равном 0,9 и при отсутствии по пути отбора мощности, т. е. при передаче полной мощности по всей длине токопровода.
Фактически же по трассе токопровода в большинстве случаев происходит отбор мощности на ответвлениях к РП и, следовательно, значение lпр при постоянном сечении токопровода будет больше; при ступенчатом же сечении токопровода lпр соответственно корректируется.
Рис. 8-12. Зависимость предельной длины токопроводов от их нагрузочной способности.
а — напряжение 10.5—11 кВ; б — напряжение 6,3—6.6 кВ; 1 — гибкие токопроводы; 2 — жесткие токопроводы; при наличии регулирования напряжения; при отсутствии регулирования напряжения.
При заданной пропускной способности значение lпр гибкого унифицированного токопровода на 20—25% выше типового жесткого. Из изложенного вытекает, что применение токопровода следует рассматривать при длине передачи до 1,5 км при напряжении 6 кВ и до 2 км при напряжении 10 кВ при наличии регулирования напряжения (подробнее см. [8-2]).
При двух и более «нитках» токопроводов, проходящих по общей трассе, а также при нескольких взаимосвязанных токопроводах, проходящих по разным трассам, их общая пропускная способность выбирается таким образом, чтобы при отключении одной «нитки» (в случае аварии или ремонта и т. п.) оставшиеся в работе «нитки» были способны воспринять на себя всю нагрузку потребителей, питаемых от токопроводов, с учетом допустимой послеаварийной перегрузки.
Значения k и k' для наиболее употребительных типов токопроводов следующие:
Несимметрия напряжения U в симметричных токопроводах не выходит на пределы 2%, нормированных ГОСТ 13109-67. Наведенное напряжение U' может быть значительным и для его ограничения при работах на отключенной цепи устанавливаются закоротки в начале и конце токопровода при необходимости и в промежуточных его точках с таким расчетом, чтобы наведенное напряжение не превышало 250 В, требуемых по условиям безопасности.
При коротких замыканиях проводов различных фаз гибких токопроводов и подвесных жестких токопроводов может произойти их схлестывание. Во избежание этого применяются междуфазные распорки.
Жесткие токопроводы выполняются в виде пакета шин, смонтированного на опорных или подвесных изоляторах. Они дешевле кабельных линий такой же пропускной способности более чем в 2 раза. При одинаковых же потерях токопроводы дешевле в 1,05—1,43 раза, но пропускная способность их при этом значительно больше. Кроме омических потерь в токопроводах возникают значительные дополнительные потери вследствие вытеснения переменного тока к поверхности проводника («поверхностный эффект») и неравномерного распределения тока по сечению из-за влияния других близлежащих проводников («эффект близости»).
Эти дополнительные потери, вызываемые увеличением активного сопротивления шин, учитываются коэффициентом поверхностного эффекта и коэффициентом близости. Общий коэффициент добавочных потерь в шинном пакете определяется по формуле
Для увеличения пропускной способности токопроводов по условиям допустимого нагрева рекомендуются профили шин и конструкции шинных пакетов, обеспечивающие наименьшее значение и, следовательно, минимальные добавочные потери и наилучшие условия охлаждения. Применяются коробчатые шины, трубы, полутрубы, полный квадрат, уголки, шины сложного профиля «двойное Т» и т. п. Пакеты из плоских шин при числе полос более двух применять не следует как неэкономичные.
Рис. 8-13. Симметричные жесткие токопроводы. а — внутренней установки; б — наружной установки.
Наиболее рациональной конструкцией является симметричный жесткий токопровод (рис. 8-13). Благодаря симметричному расположению фаз и лучшему токораспределению в шинах этот токопровод имеет примерно в 2—2,5 раза меньшие потерн мощности, чем токопроводы с вертикальным расположением фаз, и меньшую реактивность. Он компактен и не требует устройства транспозиции, которая необходима при вертикальном расположении фаз для устранения несимметрии напряжений. Это значительно упрощает конструкцию токопровода, удешевляет электрическую и строительную части, облегчает устройство молниезащиты и позволяет осуществить скоростной индустриальный монтаж токопровода, применяя сборку заранее заготовленных секций.
Длина прямых секций принимается равной 6 м, что соответствует строительной длине коробчатых алюминиевых шин. Их электродинамическая стойкость составляет 206 кА при расстоянии между фазными распорками 1,5 м. Для изготовления секций токопровода применяют также типовые шинные пакеты, состоящие из двух алюминиевых швеллеров (на фазу) следующих размеров: 2(100X45X6); 2(125X55X6,5); 2(150X65x7); 2(175Х χ80χ8). Их пропускная способность составляет соответственно: 3500, 4640, 5650, 6430 А.
Токопроводы прокладывают в закрытых эстакадах (рис. 8-14,а), внутри производственных помещений с использованием строительных конструкций здания, а также снаружи на открытых эстакадах, на специальных опорах (рис. 8-14,6) или же вдоль производственных зданий на кронштейнах, укрепляемых на их наружных стенах (рис. 8-14,в). Для удешевления стоимости токопроводы иногда прокладывают на эстакадах, предназначенных для технологических коммуникаций, если это возможно по условиям трассы последних. Рекомендуется открытая прокладка токопроводов (рис. 8-14,б), когда это возможно по условиям окружающей среды и молниезащиты. Открытая прокладка в 4—5 раз дешевле прокладки в закрытых галереях (в строительной части). Если же использовать наружные стены (рис. 8-14,в), то стоимость дополнительно снизится более чем в 2 раза. Поэтому прокладка в закрытой эстакаде применяется только при невозможности открытой прокладки: при проходе через здания, недопустимых сближениях со зданиями или сооружениями при загрязненной атмосфере и т. п.
На рис. 8-15 показан симметричный токопровод на подвесных изоляторах. Надежность работы подвесных токопроводов повышается благодаря уменьшению общего числа изоляторов, которые располагаются на расстоянии, равном длине пролета между опорами. Одновременно снижается их стоимость.
Украинским отделением Тяжпромэлектропроекта разработаны симметричные трубчатые токопроводы в нескольких исполнениях [8-3]: в виде «самонесущей балки», в виде «провисающей нити» и с подвеской труб на стальных тросах.
Первое исполнение целесообразно применять на сравнительно коротких прямых участках с большим количеством углов, пересечений, переходов и ответвлений; второе и третье — на сравнительно протяженных прямолинейных участках; возможно применение двух исполнений токопровода на одной трассе.
Рис. 8-15. Симметричные токопроводы на подвесных изоляторах, а —подвеска токопроводов; б — междуфазная распорка.
При тросовой подвеске токопровода (рис. 8-16) тросы располагаются внутри труб, что предохраняет тросы от атмосферных влияний и от воздействия электромагнитного поля, образуемого током, протекающим по трубчатому токопроводу. К траверсам опор тросы всех трех фаз крепятся при помощи натяжных гирлянд из изоляторов ПС-22А; внутри труб они фиксируются деревянными или пластмассовыми фиксаторами.
Тросы воспринимают все механические нагрузки от массы труб, распорок, гололеда и давления ветра, что позволяет использовать алюминиевые трубы АДО, пропускная способность которых выше пропускной способности труб из сплава АД31Т1.
Рекомендуется применять трубы диаметром 100; 140; 210 и 250 мм. Пропускная способность, А, труб из сплава АД31Т1 составляет соответственно 2640, (2450), (4700), 5100, 7630, 7100; 9150 (8400). Пропускная способность труб из сплава АДО больше на 6%. В скобках даны пропускные способности с учетом нагрева от солнечной радиации.
Для прохождения двухцепных трубчатых токопроводов с установкой отдельно стоящих молниеотводов необходим коридор шириной около 16 м.
Рис. 8-16. Трубчатые токопроводы 6—10 кВ с тросовой подвеской.
Комплектные жесткие симметричные токопроводы (рис. 8-17) изготовляются на напряжение до 11 кВ и токи 1600 и 2500 А. Они рассчитываются на мощность короткого замыкания 500 MB-А. Амплитуда предельного тока короткого замыкания составляет 75 кА. Такие токопроводы выполняются из голых алюминиевых шин, размещенных в общем алюминиевом круглом кожухе (немагнитный материал), и укрепленных на опорных изоляторах. Комплектный токопровод может быть установлен в пыльной среде, но для работы в среде, содержащей химически активные газы и испарения, а также в пожаро- и взрывоопасных средах он не предназначен. Этот вид токопроводов вследствие его значительной стоимости применяется пока на сравнительно коротких участках трассы, требующих повышенной надежности, например на подводе питания от вторичной обмотки трансформатора ПГВ или ГПП к распределительному устройству 6—10 кВ.
Рис. 8-17. Комплектные токопроводы 6—10 кВ.
а — общий вид; б — прокладки шинопроводов от трансформатора в ЭРУ; 1 — секция подхода к трансформатору; 2 — нормальная секция длиной 1500 мм; 3 — вводная секция с проходными изоляторами; 4 — подгоночная секция.
Гибкие токопроводы на большие токи выполняются в виде воздушной линии, смонтированной на специальных железобетонных или металлических опорах и под вешиваемой на натяжных и подвесных изоляторах. Каждая фаза токопровода состоит из нескольких алюминиевых или медных проводов.
Гибкие токопроводы требуют меньше изоляторов, чем жесткие, что удешевляет их, повышает надежность и облегчает эксплуатацию. Уменьшаются потери в метал лических крепящих конструкциях. Однако гибкие токопроводы требуют больше места для прохождения на промышленной площадке, чем жесткие, что удорожает их сооружение. Опыт прокладки гибкого токопровода на общей эстакаде с технологическими трубопроводами [1-9] не оправдал себя, так как усложнились и удорожились все операции по монтажу и эксплуатации. В настоящее время применяют гибкие токопроводы, монтируемые на отдельных опорах. Но ввиду затруднений, связанных с выделением отдельной полосы для прохож дения токопроводов их рекомендуется размещать хотя и на отдельных опорах, но в общем коридоре с технологическими коммуникациями.
Унифицированные гибкие токопроводы имеют следующее число алюминиевых проводов А600 на фазу: 4, 6, 8, 10. Их пропускная способность составляет соответственно 4080, 6120,8160, 10 200 А.
Гибкий токопровод с междуфазными и фазными распорками может быть применен при ударном токе к. з. до 400 кА.
В гибких токопроводах применяется внутрифазная транспозиция, при которой провода каждой фазы по всей длине токопровода располагаются по пологой спирали [8-2]. Цикл транспозиции зависит от длины пролета I и от числа проводов в фазе п(1п). За один цикл каждый провод фазы делает полный виток по окружности, последовательно перемещаясь в переменном магнитном поле трехфазной системы различной напряженности, Благодаря этому происходит выравнивание индуктивных сопротивлений проводов фазы и токораспределения между ними и практически полностью устраняется неравномерность токораспределения. При отсутствии же транспозиции неравномерность токораспределения колеблется от ±2 до +30% в зависимости от диаметра расщепленной фазы и расстояния между осями фаз.
Рис. 8-18. Гибкий токопровод на напряжение 6—10 кВ на отдельных опорах, проходящий по общей трассе с технологическими трубопроводами.
а — план; б — разрез: 1 — опора металлическая; 2 — ГПП; 3 — опора молниеотвода; 4 — производственный корпус; 5 — тротуар; 6 — автодорога; 7 — эстакада технологически к трубопроводов.
Ширина полосы территории, занимаемой двухцепным гибким токопроводом вместе с его молниезащитными устройствами, составляет 24 м. Поддерживающие гирлянды крепятся на высоте 15 м от уровня земли.
Институтом Электропроект разработана унифицированная конструкция двухцепного токопровода 6—10 кВ на отдельных опорах, учитывающая опыт монтажа и эксплуатации ранее выполненных токопроводов, с усовершенствованной подвеской фаз (рис. 8-18), при которой нижняя фаза подвешивается к двум верхним.
Схемы и расчеты релейной защиты токопроводов и примеры ее выполнения приведены в [1-5, 1-6 и 8-2].
Защита токопроводов от прямых ударов молнии может быть выполнена отдельно стоящими стержневыми молниеотводами или тросами, подвешенными на отдельных опорах. Тросовая молниезащита дешевле особенно при значительной длине токопровода. Ее можно выполнить на молниеотводах, расположенных по обеим сторонам токопровода или на специальных Г-образных опорах непосредственно над токопроводами.
Для защиты от перенапряжений генераторов ТЭЦ при подключении открытых токопроводов к шинам генераторного напряжения применяются вентильные разрядники типа РВМ и конденсаторы, если емкости присоединенных к шинам кабелей менее защитных емкостей, приведенных в табл. IV-2-9 ПУЭ. Для защиты электрооборудования, в том числе электродвигателей, подключенного в промежуточных точках и на конце токопровода, на присоединенных к нему РП устанавливаются защитные емкости (конденсаторы типа КМА) параллельно с разрядниками типа РВМ.
