Выбор коммутационных аппаратов и токоведущих частей распределительных устройств - Выбор шин закрытых распределительных устройств

4 ВЫБОР ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ И ИЗОЛЯТОРОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

4.1 Выбор шин закрытых распределительных устройств

В закрытых распределительных устройствах (ЗРУ) 6¸20 кВ сборные шины и ошиновка выполняются жесткими алюминиевыми шинами, укрепленными на опорных изоляторах.
При токах до 3000 А применяются одно, двух и трехполосные шины прямоугольного сечения. При больших токах используются шины коробчатого сечения, так как они обеспечивают меньшие потери от эффекта близости и поверхностного эффекта, а также лучшие условия охлаждения [1].
Согласно ПУЭ сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах открытых и закрытых распределительных устройств всех напряжений выбираются по допустимому току. Условие выбора имеет вид
, (4.1)
где - максимальный ток нагрузки ремонтного или послеаварийного режима;
- допустимый ток нагрузки на шины.
Допустимые токовые нагрузки на голые шины стандартных сечений приведены в таблицах 1.3.31, 1.3.35 [3] и в таблицах 7.3¸7.6 [9] при температуре окружающей среды +25 C
При отклонении температуры окружающей среды от нормированной +25oC необходимо произвести перерасчет допустимого тока для шин стандартного сечения по формуле
, (4.2)
где - допустимый ток на шину при температуре окружающей среды . При расположении шин прямоугольного сечения плашмя токи , приведенные в таблице 1.3.31 [3] и в таблице 7.3 [9], должны быть уменьшены на 5% для шин с шириной полос до 60 мм и на 8% для шин с шириной полос более 60 мм [3];
- действительная температура окружающей среды;
- длительно допустимая температура нагрева шин, равная 70oC.
Выбранные по условию (4.1) шины проверяются на термическую и электродинамическую стойкость при коротких замыканиях.

Проверка шин на термическую стойкость при КЗ, согласно [2], производится по условию

, (4.3)
где - конечная температура шин при КЗ;
- допустимая температура нагрева шин при КЗ, таблица 4.1.
Температура шины, до которой она нагревается током КЗ, определяется по кривым, приведенным в [2] или на рисунке 4.1.
Значение вспомогательного коэффициента вычисляется по формуле:
, (4.4)
где - определяется по кривым, рисунок 4.1, для температуры проводника , которая соответствует нормальному режиму работы;
Таблица 4.1 – Допустимые температуры нагрева проводников

- тепловой (термический) или квадратичный импульс тока КЗ в месте установки шин, А2с;
- сечение шины, мм2.

а б

а
а – материалы
проводников: 1-ММ;
2-МТ; 3-АМ; 4-АТ;
5-АДО, АСТ;
6-АД31Т1; 7-АД31Т;
8-Ст3;

б
б – материалы проводников: 1-АЖ, АЖКП; 2-АН, АНКП; 3-А, АСКП, АпКП, АС, АСКП, АСКС, АСК, АпС, АпСКС, АпСК.
Рисунок 4.1- Кривые для определения температуры нагрева проводов

Температура шины , предшествующая режиму КЗ, определяется по выражению [10]:
, (4.5)
где - максимальный ток нагрузки.
Минимальное сечение шины, отвечающее требованиям термической стойкости, может быть определено по формуле
, (4.6)
где - значение параметра следует брать из таблицы 4.2.
Таблица 4.2- Значение параметра для жестких шин

Сборные шины и ошиновка распределительных устройств электрических станций и подстанций должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы противостоять механическим усилиям, возникающим при КЗ.
Динамическую стойкость любой шинной конструкции рассчитывают по наибольшему значению механического напряжения в шине и наибольшему значению силы, действующей на головку изолятора .
Напряжение в материале, однополосных шин, расположенных в одной плоскости, при трехфазном или двухфазном КЗ определяется согласно [2] по формуле:
, (4.7)
где - максимальная сила, действующая на расчетную фазу при трехфазном или двухфазном КЗ, Н;
- длина пролета, м;
- момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию усилия, м3 (таблица 4.3);
- коэффициент, зависящий от условия закрепления шин и числа пролетов, определяемый по [2] или по таблице 4.4;
- коэффициент динамической нагрузки шин и изоляторов, определяемый по кривым, приведенным в [2] или на рисунке 4.2.
Максимальная сила , действующая при трехфазном или двухфазном КЗ на расчетную фазу определяется по формулам
;
(4.8)
,
где - расстояние между соседними фазами, м;
- ударный ток трехфазного КЗ, А;
- ударный ток двухфазного КЗ, А;
- длина пролета, м;
- коэффициент формы шины прямоугольного сечения определяемый по кривым рисунка 4.3. Если расстояние в свету между проводниками прямоугольной формы больше периметра поперечного
Таблица 4.3 - Моменты сопротивления и инерции шин

сечения токоведущей части, т.е. , то . Для шин корытного сечения с высотой сечения коэффициент формы шин , при коэффициент формы , а при коэффициент формы . Для проводников кольцевого сечения и круглых проводников сплошного сечения коэффициент формы ;
- коэффициент, зависящий от взаимного расположения шин определяемый по [2] или таблице 4.5.
Расчетная фаза зависит от взаимного расположения шин, таблица 4.4.
Таблица 4.4- Расчетные схемы шинных конструкций

Для определения динамического коэффициента , необходимо рассчитать частоту собственных колебаний шины и определить отношение , где Гц.
Частота собственных колебаний шины определяется согласно [2] по формуле
, (4.9)
где - параметр основной собственной частоты шины, который зависит от типа шинной конструкции и определяется по таблице 4.4;
- модуль упругости материала шин (таблица 4.6), Па;
- момент инерции поперечного сечения шины определяемый по формулам таблицы 4.3, м4;
- масса шины на единицу длины, кг/м;
- плотность материала шины, кг/м3, таблица 4.6;
- поперечное сечение шины, м2.
 

1– при ; 2– при ; 3– при ; 4– при ; 5 – при
Рисунок 4.2- Зависимость коэффициента динамической нагрузки от частоты собственных колебаний шины.

Однополосные шины механически прочны, если
, (4.10)
где - допустимое механическое напряжение в материале шин, таблица 4.6.
Если условие (4.10) не выполняется, то необходимо определить допустимую длину пролета по формуле
(4.11)
и повторить расчет.

Рисунок 4.3-Диагаграмма для определения коэффициента формы проводников прямоугольного сечения

При расчете двухполосных шин необходимо определять две составляющие механического напряжения в материале: от взаимодействия пакетов разных фаз и от взаимодействия полос внутри одного пакета.
Двухполосные шины механически прочны, если
. (4.12)

Таблица 4.5- Значения коэффициента

Напряжение в материале шин от взаимодействия пакетов различных фаз определяется по формуле (4.7).

Таблица 4.6-Характеристики материалов шин

Механическое напряжение в материале шин от взаимодействия полос пакета , определяется согласно [2] по формуле
, (4.13)
где - расстояние между прокладками (рисунок 4.4), м;
- расстояние между осями шин пакета (рисунок 4.4), м;
- ударный ток трехфазного или двухфазного КЗ, А;
- момент сопротивления полосы пакета относительно оси, перпендикулярной к направлению действия силы, м3;
- число полос в пакете фазы;
- коэффициент динамической нагрузки, который зависит от основной частоты собственных колебаний шин пакета и определяется по кривым рисунка 4.2.
 

Рисунок 4.4 –Двухполосная шина

Основная частота собственных колебаний шин пакета в соответствии с [2] определяется по формуле
, (4.14)
где - момент инерции поперечного сечения шины пакета, м4;
- расстояние между прокладками, м;
- масса шины пакета на единицу длины, кг/м.
Если шины распределительного устройства выполняются из шин коробчатого сечения, то механическое напряжение в материале шин от взаимодействия фаз определяется по (4.7) с учетом расположения шин.
При расположении шин в горизонтальной плоскости, рисунок 4.5, а, и соединении швеллеров между собой жестко, . При отсутствии жесткого соединения .
При расположении шин в вертикальной плоскости, рисунок 4.5,б, .
Значения и берутся из таблицы 7.6 [9].
 

а – горизонтальное расположение; б – вертикальное расположение; в – сечение коробчатой шины
Рисунок 4.5 - Эскиз расположения шин коробчатого сечения

Механическое напряжение в материале шин от взаимодействия между швеллерами одной фазы определяется по выражению (4.13).
Шины коробчатого сечения механически прочны, если выполняется условие (4.12).
Если условие (4.12) не соблюдается, то необходимо уменьшить или , уменьшив при этом, соответственно, , или .
Величина пролёта определяется конструкцией распределительного устройства, а величину можно изменять, увеличивая число прокладок в пролете, если швеллеры не соединены жестко по всей длине.
В том случае если сборные шины распределительных устройств располагаются по вершинам треугольника, рисунок 4.6, максимальное механическое напряжение в материале шин определяется по формуле
, (4.15)
где - меньший из двух моментов сопротивлений поперечного сечения шины или , м3;
- электродинамические силы, определяемые по (4.7) или (4.8);
- коэффициент, значение которого для шинных конструкций расположенных по вершинам треугольников приведено в [2] и в таблице 4.7.
Жесткие шины распределительных устройств закрепятся на опорных изоляторах, которые выбираются из условий
, (4.16)
где – номинальное напряжение установки;
– номинальное напряжение изолятора;
– сила, действующая на изолятор;
– допустимая нагрузка на головку изолятора.
 

а – по вершинам прямоугольного треугольника;
б, в – по вершинам равностороннего треугольника

Рисунок 4.6 – Схемы взаимного расположения шин

При расположении сборных шин в горизонтальной или вертикальной плоскости расчетная нагрузка, действующая на изоляторы, обладающие высокой жесткостью, определяется по выражению [2]:
, (4.17)
где - коэффициент, зависящий от условия крепления шин, а также числа пролетов конструкции с неразрезанными шинами и определяется по таблице 4.4;

Таблица 4.7 –Значения коэффициентов и шинных конструкций, расположенных по вершинам треугольника

- максимальная сила, возникающая в многопролетной шине при трехфазном или двухфазном КЗ, Н;
- коэффициент динамической нагрузки, определяемый по кривым рисунка 4.2.
Максимальная нагрузка, действующая на проходные изоляторы при КЗ, определяется по формуле
, (4.18)
где - расстояние от торца проходного изолятора до ближайшего опорного изолятора фазы, м.
Максимальная нагрузка, действующая на опорные и проходные изоляторы, при расположении шин по вершинам треугольника в соответствии с [2] определяется по формуле
, (4.19)
где - максимальная сила, действующая на изоляторы при трехфазном или двухфазном КЗ, которая определяется по формулам (4.8);
- коэффициент, значение которого приведено в таблице 4.7, для наиболее распространенных типов шинных конструкций.
Допустимая нагрузка, действующая на опорный изолятор, определяется по формуле
, (4.20)
где - минимальная разрушающая сила на изгиб изолятора, задаваемая заводом-изготовителем, Н;
- высота изолятора, рисунок 4.7, мм;
- высота шины, мм.
Для соединения выводов мощных турбогенераторов с повышающими трансформаторами на блочных электростанциях согласно [11] обязательно применение экранированных токопроводов. Рекомендуется применение экранированных токопроводов и на станциях с поперечными связями. На ТЭЦ, экранированные токопроводы, используются в пределах машинного зала, т.е. для соединения выводов турбогенераторов с шинами генераторного распределительного устройства (ГРУ), и на открытой части, если повышающий трансформатор расположен не более чем в 15 метрах от машинного зала.
 

Рисунок 4.7 – К определению допустимых нагрузок на изоляторы

Экранированные токопроводы выбираются по номинальному напряжению и номинальному току генератора и проверяются на электродинамическую стойкость. Условия выбора и проверки экранированных токопроводов имеют вид:
.
Характеристики пофазно экранированных токопроводов генераторного напряжения приведены в таблице 4.8.
Для соединения рабочих источников собственных нужд со шкафами комплектных распределительных устройств (КРУ), а также для цепей резервных источников собственных нужд 6 кВ предназначены комплектные токопроводы напряжением 6 - 10 кВ [5]. Эти токопроводы выпускаются как с разделенными, так и неразделенными фазами.
Токопроводы с разделенными фазами применяются для ввода от рабочих источников собственных нужд до вводов КРУ собственных

Таблица 4.8 - Технические данные пофазно экранированных токопроводов генераторного напряжения.

нужд, а токопроводы с неразделенными фазами применяются для цепей резервного питания.
В таблице 4.9 приведены основные технические данные комплектных токопроводов напряжением 6 - 10 кВ [9].