6. Выбор токоведущих частей распределительных устройств

1. Общие сведения

Рассмотрим основные виды токоведущих проводников, применяе­мых на станциях и подстанциях.

Цепь генератор - ГРУ на ТЭЦ. На участке между машзалом и ГРУ соединение выполняется шинным мостом или гибким подвесным токопроводом. Все соединения внутри закрыто­го РУ 6-10 кВ, включая сборные шины, выполняются жесткими голыми алюминиевыми шинами прямоугольного или коробчатого сечения. Соеди­нения от ГРУ до выводов трансформатора связи осуществляется шинным мостом или гибким подвесным токопроводом. Токоведущие части в РУ 35 кВ и выше обычно выполняются сталеалюминиевыми проводами АС или АСО. В некоторых конструкциях ОРУ часть или вся ошиновка может вы­полняться алюминиевыми трубами.

Цепь ГРУ – трансформатор СН-РУ СН. От стены ГРУ до выводов трансформатора СН, установленного вблизи ГРУ, соединение выполняется прямоугольными алюминиевыми шинами. От трансформатора до РУ собственных нужд применяется кабельное соеди­нение.

В цепях линии 6-10 кВ вся ошиновка до реактора и за ним, а также в шкафах КРУ, выполнена прямоугольными алюминие­выми шинами. Непосредственно к потребителю отходят кабельные линии.

В блоке генератор-трансформатор на ГРЭС участок от генератора до трансформатора и отпайка к транс­форматору СН выполняются комплектным пофазно - экранированным токо­проводом. Для участка от трансформатора СН до РУ собственных нужд (6 кВ) принимается закрытый токопровод.

На подстанциях в открытой части могут приме­няться провода АС или жесткая ошиновка алюминиевыми трубами. Сое­динение трансформатора с закрытым РУ 6-10 кВ или с КРУ 6-10 кВ осуществляется гибким подвесным токопроводом, шинным мостом или закрытым комплектным токопроводом. В РУ 6-10 кВ применяется жест­кая ошиновка.

2. Выбор шин

Выбор сечения токоведущих частей или ошиновки (присоединения к сборным шинам) производится по экономической плотности тока

, м² , (5.1)

где I_норм - ток нормального режима (без перегрузок), А;

j_эк - экономическая плотность тока, зависящая от продолжи­тельности использования максимума нагрузки (Т_макс).

Для алюминиевых и сталеалюминиевых проводников при Т_макс= 1000 -3000 часов - j_эк = 1,310⁶ А/м², 3000-5000 часов - 1,110⁶ А/м² и свыше 5000 часов - 1,010⁶ А/м². Сечение, найденное по данной фор­муле, округляется. При этом принимается ближайшее меньшее стандарт­ное сечение, если оно не отличается от экономического значения бо­льше чем на 15%. В противном случае принимается ближайшее большее стандартное сечение.

Выбранные по j_эк шины должны удовлетворять условиям нагрева при максимальных нагрузках ремонтного или послеаварийного режима

I_р.макс I_доп , (5.2)

где I_р.макс - расчетный ток, по которому выбраны аппараты в этом присоединении;

I_доп - допустимый ток для шин выбранного сечения.

Таблицы для выбора шин по допустимым токам приведены в [4].

Следует учесть, что по j_эк не выбираются сборные шины всех напряжений. Сборные шины РУ выбираются по допустимому рабочему току. При выборе сечения сборных шин за расчетный принимается сум­марный ток всех источников, присоединенных к секции (системе) шин с учетом его распределения вдоль секций и возможного транзита мощ­ности. В том случае, когда источник присоединен к середине секции, расчетный ток принимается равным 0,7 тока источника.

В РУ 110 кВ и выше число проводов в фазе, их сечение и диаметр должны быть выбраны так, чтобы избежать коронирования. По условиям коронирования минимально допустимые диаметры проводов приведены в табл.5.1.

Таблица 5.1

Напряжение, кВ	d, мм	Марка провода
110	11,3	АС-70/11
220	21,6	АС-240/39
330	33,2	АС-600/72
	3x17,1	3хАС-150/24
500	3x25,2	3хАС-300/43
	2x36,2	2хАС-700/86
750	4x36,2	4хАС-700/86

При U_н=10 кВ и больших расчетных токах (3000 А) рекомендуются шины коробчатого сечения.

Для обеспечения механической прочности шин при токах КЗ расчет­ное напряжение в материале шин не должно превосходить _доп:

_{расч доп} . (5.3)

Максимальное расчетное напря­жение в материале шин определяется по следующим формулам.

Однополосные шины.

При расположении фаз в одной плоскости

,Па, (5.4)

где f- максимальное значение электродинамических усилий (ЭДУ), вызванных взаимодействием фаз, Н/м;

l - расстояние (пролет) между осями изоляторов вдоль фазы, м;

W - момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной направлению действия ЭДУ, м³.

Момент сопротивления для шин прямоугольного и кругового сече­ний определяется по известным формулам; моменты сопротивления ко­робчатых шин приведены в [4].

При расположении шин трехфазного токопровода в одной плоскости сила, действующая на 1 м длины проводника фазы В равна

, Н/м; (5.5)

где i_y- ударный ток трехфазного КЗ, А;

a - расстояние между осями шин смежных фаз, м

Ударный ток КЗ определяется по выражению

, (5.6)

где К_у- ударный коэффициент (табл. 4. 2).

Многополосные шины.

При выполнении шин в виде пакетов, собранных из отдельных полос, суммарное механическое напряжение в материале полосы складывается из двух напряжений: _ф , вызванного взаимодействием фаз, и _п , вызванного взаимодействием полос пакета одной фазы, т.е.:

_расч =_ф+_п. (5.7)

Напряжение _ф определяется так же, как и для однополосных шин, только вместо момента сопротивления шины подставляется момент сопротивления пакета. Момент сопротивления для пакетов из прямоуго­льных шин рассчитывается по соответствующим формулам [4], а для коробчатых шин принимается из таблиц [4].

Напряжение _п равно

, Па, (5.8)

где f_п - э.д.у., вызванные взаимодействием полос пакета, Н/м;

l_п - расстояние между прокладками пакета, м;

W_ш - момент сопротивления шины, м³.

Усилие в двухполосном пакете определяется по выражению

, Н/м, (5.9)

где К_ф - коэффициент формы, который для прямоугольных шин определяется по кривым [9];

d - расстояние между осями шин в пакете, м.

Расстояние между осями прямоугольных шин в пакете практичес­ки всегда равно d= 2b. Для коробчатых шин принимают d=h, a К_ф=1.

Механический расчет шин с расположением фаз в разных плос­костях (по вершинам прямоугольного и равностороннего треугольни­ков) приведен в [7].

Если в результате расчета получено, что _{расчдоп}, то необходимо произвести реконструкцию шинной линии, увеличив рас­стояние между фазами, уменьшив длину пролета, или уменьшив расстояние между прокладками в пакете для пакетных токопроводов.

Наиболее ответственные токопроводы генераторного напряжения, например, сборные шины ГРУ, кроме обычного расчета на механичес­кую прочность еще проверяются на вибрацию: определяется собст­венная частота (первая гармоника) шинной конструкции. Вычисление основной частоты колебаний шины на жестких изоляторах определяет­ся по выражению

, Гц, (5.10)

где l - длина пролета, м;

J - момент инерции шины относительно оси, перпендикулярной действию силы, м⁴;

E - модуль упругости материала шины, Па;

m - масса единицы длины шины, кг/м.

Для надежной работы шинной конструкции необходимо, чтобы 30Гцf₁155 Гц. Если это соотношение не выполняется, нужно из­менить длину пролета шины.

Согласно ПУЭ при токах КЗ 20 кА и более гибкую ошиновку необходимо проверять на схлёстывание. Такая проверка может быть проведена с помощью компьютерной программы BUSEF [16], алгоритм численного решения задачи в которой описан в [17]. Выбор и расчёт необходимых для проверки схлестывания шин геометрических размеров РУ и физико-механических параметров проводов и изоляторов в различных климатических режимах производится по КП МR2 [18, 19].

Проверка термической стойкости жестких шин сводится к определению допустимого по условиям нагрева токами КЗ сечения и сопо­ставления его с выбранным:

, (5.11)

где значения коэффициента С следует брать по табл. 5.2.

Таблица 5.2

Вид и материал проводника	Коэффициент, С А сек1/2/мм2
Медные шины	167
Алюминиевые шины	91
Кабели:	При напряжении, кВ
	6			10
1) с алюминиевыми сплошными жилами и бумажной изоляцией	92			94
2) с алюминиевыми многопроволочными жилами и бумажной изоляцией	98			100
3) с медными сплошными жилами и бумажной изоляцией	140			143
4) с медными многопроволочными жилами и бумажной изоляцией	147			150
Кабели и изолированные провода:			При напряжении, кВ
			6			10
1) с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной и резиновой изоляцией	75			78
2) с медными жилами и поливинилхлоридной и резиновой изоляцией	114			118
3) с алюминиевыми жилами и полиэтиленовой изоляцией	62			65
4) с медными жилами и полиэтиленовой изоляцией	94			98

Проверка термической стойкости гибких шин не производится, так как она практически всегда обеспечивается.

3. Выбор изоляторов

В РУ шины крепяться на опорных, проходных и подвесных изоля­торах. Жесткие шины крепятся на опорных изоляторах, выбор которых производится по следующим условиям:

по номинальному напряжению - U_устU_ном;

по допустимой нагрузке - Р_расч Р_доп

где Р_доп - допускаемая нагрузка на головку изолятора

Р_доп=0,6 Р_разр , Н, (5.12)

где Р_разр - разрушающая нагрузка на изгиб, определяется по [4].

Наибольшая расчетная нагрузка на опорный изолятор при распо­ложении фаз в одной плоскости равна:

, Н, (5.13)

где K_h - поправочный коэффициент на высоту шины.

При расположении шины на изоляторе « на ребро»

, (5.14)

где Н_из - высота опорного изолятора, м;

Н - расстояние до центра шины, м.

При расположении шин на изоляторе плашмя К=1.

Проходные изоляторы должны быть, кроме того, выбраны по номи­нальному току. Расчет нагрузок на опорные изоляторы при расположении фаз в разных плоскостях приведен в [7].

4. Выбор токопроводов.

Для соединения генераторов и трансформаторов с РУ 6-10 кВ гибкие токопроводы выполняются пучком проводов. Два провода из пучка - сталеалюминиевые, они несут, в основном, механическую нагрузку от собственного веса, гололеда и ветра. Остальные провода - алюминиевые и являются только токоведущими. Расчет гибкого токопровода заключается в определении числа и сечения проводников. Экономическое сечение токопровода равно:

, м². (5.15)

Исходя из общего сечения пучка проводов выбираются несущие провода. Сечение несущего провода принимается равным:

. (5.16)

Число и сечение токоведущих проводов выбирается по следующим условиям:

qn+2q_несq_эк, (5.17)

где n - число токоведущих проводов.

Сечение несущего провода рекомендуется брать на ступень больше токоведущего.

Выбранное сечение токопровода проверяется по длительно допус­тимому току, термическому и электродинамическому действию тока КЗ.

Подробный расчет токопроводов приведен в [9].

5. Выбор кабелей

Кабели выбираются по напряжению установки и экономической плотности тока. Проверка нагрева кабелей при аварийных перегрузках производится по условию

I_{раб.макс} I_{доп.прод} , (5.18)

где I_{раб.макс} - ток максимальной нагрузки в аварийном режиме;

I_{доп.прод} - допустимый продолжительный ток при расчетных условиях, равный:

I_{доп.прод =} N_кб I_доп K₁ K₂ K₃ ,

где N_кб - число параллельных кабелей на одну линию;

I_доп - длительно допустимый ток на один кабель;

K₁ - поправочный коэффициент на температуру окружающей среды;

K₂ - то же на число рядов проложенных в землю кабелей;

K₃ -коэффициент перегрузки.

Поправочные коэффициенты и I_доп определяются по [4, 9]. Выбранное сечение кабеля проверяется на термическую стойкость так же, как и жёсткие шины.