ПРОВЕРКА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ И ШИН ПО

ПРОВЕРКА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ И ШИН ПО

УСЛОВИЯМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Термическая стойкость проводников

Продолжительность КЗ составляет обычно доли секунды и, как исключение, может достигнуть нескольких секунд. В течение этого короткого промежутка времени выделение тепла настолько велико, что температура проводников и аппаратов выходит за пределы, установленные для нормального режима. Процесс нагревания прекращается в момент автоматического отключения поврежденного участка системы, после чего происходит относительно медленное остывание.

Свойство (способность) аппарата и проводника противостоять кратковременному тепловому действию тока КЗ без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью. Критерием термической стойкости является конечная температура, которая ограничивается механической прочностью металлов, деформациями частей аппаратов, а также нагревостойкостью изоляции. Допустимые конечные температуры для аппаратов и проводников (табл. 2.1) установлены на основании опыта. Они выше допустимых температур при нормальной работе, поскольку изменение механических свойств металлов и износ изоляции определяются не только температурой, но также продолжительностью нагревания, которая в рассматриваемых условиях мала. Как видно из табл. 2.1, допустимые конечные температуры при КЗ лежат в пределах от 120 до 300^оС, в то время как допустимые температуры при нормальной работе, как правило, не превышают 60 – 80^оС.

Таблица 2.1

Допустимые конечные температуры проводников

и аппаратов при КЗ

Наименование проводников, частей аппаратов	Конечная температура, оС
Неизолированные медные и латунные проводники, части аппаратов
Неизолированные алюминиевые проводники, части аппаратов
Кабели с бумажной пропитанной изоляцией до 10 кВ с медными и алюминиевыми жилами
Кабели 20 – 220 кВ
Кабели и провода с поливинилхлоридной изоляцией, с медными и алюминиевыми жилами
То же, но, с полиэтиленовой изоляцией

 

При проверке на термическую стойкость пренебрегают теплоотдачей, что не вносит заметной ошибки.

Таким образом, процесс нагрева при КЗ определяется уравнениями:

(2.1)

где r_n, с_n - соответственно, сопротивление и теплоемкость проводника для температуры n;

G – масса проводника.

После подстановки G, r_n и разделения переменных:

(2.2)

где g, q – удельная проводимость и площадь поперечного сечения проводника.

 

 

Для неизолированных проводников при номинальных условиях n_нач=70^оС.

При этом

(2.4)

По значению А_к и рис. 2.1 определяется температура n_к в конце короткого замыкания.

Проводник термически устойчив, если n_к £ n_доп (табл. 2.1).

Часто определяют термическую стойкость шин и кабелей по минимально допустимой площади сечения:

(2.5)

Значения коэффициентов С приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Допустимые температуры и соответствующие им коэффициенты С

для шин и кабелей

	qк.доп, оС	С
Шины:
из меди
из алюминия
из стали, не соединенные непосредственно с аппаратом
из стали, соединенные непосредственно с аппаратом
Кабель до 10 кВ с бумажной изоляцией и жилами:
из меди
из алюминия

 

Условия термической стойкости при этом определяется выражением q_{min доп} £ q_расч, где q_расч – площадь сечения проводника выбранная по условиям рабочего режима.

 

Динамическая стойкость проводников

Таблица 2.3

Электрическая система, элемент системы	Та, с	kу
Турбогенераторы мощностью, МВт: 12 – 60 100-1000	0, 16 – 0, 25 0, 4 – 0, 54	1, 940 – 1, 955 1, 975 – 1, 980
Блок турбогенератор (60 МВт) – трансформатор при номинальном напряжении генератора, кВ: 6, 3 10, 5	0, 20 0, 15	1, 95 1, 935
Блок турбогенератор – повышающий трансформатор при мощности генератора, МВт: 100 – 200	0, 26 0, 32 0, 35 0, 30	1, 965 1, 977 1, 983 1, 967
Система, связанная с шинами, где рассматривается КЗ, воздушными линиями напряжением, кВ: 110 – 150 220 – 330 500 - 750	0, 02 0, 02 – 0, 03 0, 03 – 0, 04 0, 06 – 0, 08	1, 61 1, 61 – 1, 72 1, 72 – 1, 78 1, 85 – 1, 89
Система, связанная со сборными шинами 6 – 10 кВ через трансформаторы единичной мощностью, МВ× А: 80 и выше 32 – 80 32 и ниже	0, 06 – 0, 15 0, 05 – 0, 1 0, 045 – 0, 07	1, 85 – 1, 935 1, 82 – 1, 90 1, 80 – 1, 85
Ветви, защищенные реактором с номинальным током, А: 1000 и выше 630 и ниже РУ 6 – 10 кВ	0, 23 0, 10 0, 01	1, 956 1, 90 1, 37

 

Следует отметить, что во многих случаях токоведущие части имеют значительные запасы по термической стойкости. Поэтому допускается выполнять расчет термического импульса по выражению , дающему несколько завышенный результат, и, в случае необходимости, можно уточнить значение импульса по формулам для схемы " двухлучевая звезда".

 

Пример 2.1:

Определить минимальное термически стойкое сечение для шин РУ-10 кВ подстанции с трансформаторами ТДТН-40000 кВ× А, U_кВН=22%. К секции шин подключены высоковольтные электродвигатели S_S=12 МВ× А. Ток КЗ в распредустройстве 220 кВ I_по=4, 8 кВ. Пусковой ток эквивалентного электродвигателя I_*п=5, 6. Время отключения КЗ t_отк=t_рз + t_ов=1+1, 1=1, 1 с.

Решение:

Определим токи КЗ в РУ-6 кВ

S_б=100 мВ; U_б=6, 3 кА; I_б6=9, 18 кА;

Сопротивление системы

 

Сопротивление трансформатора

Ток короткого замыкания от системы в РУ-6 кВ

Начальное значение тока КЗ от эквивалентного электродвигателя

Определим термический импульс короткого замыкания в РУ-6 кВ.

В_ка=(15, 25+6, 17)² Т_асх = 21, 42²× 0, 069 = 31, 66 кА²× с;

В_к = 302 кА²× с = 302× 10⁶ А²× с.

Минимальное термически стойкое сечение алюминиевых шин

При определении В_к без учета затухания тока электродвигателей

В_к = 21, 52² × 1, 1 = 504 кА²× с;

Таким образом, расчет по упрощенному выражению завышает сечение почти на 30 %, но при этом для расчетной схемы оно значительно меньше выбранного сечения шины по условиям длительного режима.

 

Таблица 2.4

Таблица 2.6

Таблица 2.7

Тип изолятора	Fи, Н
ОФ-6-375, ОФ-10-375, ОФ-20-375, ОФ-35-375	3 750
ОФ-6-750, ОФ-10-750, ОФ-20-750, ОФ-35-750	7 500
ОФ-10-1250	12 500
ОФ-10-2000, ОФ-20-2000	20 000
ОФ-20-3000	30 000

 

Проходные изоляторы выбираются:

по напряжению U_уст £ U_ном;

по номинальному току I_max £ I_ном;

по допустимой нагрузке F_расч £ F_доп.

При этом расчетная сила для проходных изоляторов определяется по выражению F_расч = 0, 5f_фl.

 

Пример 2.2:

Выбрать сборные шины 10, 5 ГРУ ТЭЦ и опорные изоляторы к ним для следующих данных:

- температура наиболее жаркого месяца 30^оС;

- токи продолжительных режимов I_ном = 4130 А; I_{max p} = 4350 А;

- расстояние между фазами а = 0, 8 м;

- длина пролета l = 2, 0 м;

- токи короткого замыкания на шинах I_{по г} = 28, 2 кА; I_{по с} = 32, 3 кА;

- время отключения КЗ t_отк = 2 с.

Решение:

Сборные шины по экономической плотности тока не выбираются, поэтому сечение выбираем по допустимому току. Принимаем шины коробчатого сечения, алюминиевые 2(125´ 55´ 6, 5) мм, высота h=123 мм; ширина полки b=55мм; толщина шины с=6, 5 мм; сечение (2´ 1370) мм²; W_у0-у0=100 см³; W_у-у=9, 5 см³; I_доп=4640 А.

Допустимый ток с учетом поправки на температуру окружающей среды:

Проверка на термическую стойкость.

Определяется термический импульс короткого замыкания по (2.8), (2.9):

В_к = В_п+В_а = 2986× 10⁶ (А²× с).

Минимальное термически стойкое сечение шин по выражению (2.5)

где с = 90

605, 6 > 2× 1370, термическая стойкость шин обеспечивается.

Частота собственных колебаний шинной конструкции по (2.14)

Т.к. f₀ > 200 Гц, то расчет можно вести по формулам для статической системы.

Момент сопротивления сечения для двух сращенных шин W_у0-у0=100 см³, тогда

где

Сила взаимодействия между швеллерами

Максимальное расстояние между местами сварки швеллеров:

где W_п = W_у-у=9, 5 см³ и s_доп = 82, 3 Мпа.

Выбор изоляторов.

Предварительно выбираем ОФ-10-2000. Максимальная сила, действующая на изгиб

Поправка на высоту коробчатых шин

F_расч=k_hF_и=1, 29× 11504=14841 Н;

F_расч=14841 > 0, 6 F_разр= 0, 6× 20000=12000 H.

Изолятор ОФ-10-2000 не проходит по механической прочности.

Выбираем ОФ-10-3000, тогда

F_расч=14841 < 18000 H.

Таблица 2.8

Номинальное напряжение, кВ
Мощность КЗ, МВ× А

 

При этом определяется сближение гибких токопроводов при протекании токов КЗ и по диаграммам [5, 6] сравнивается с допустимыми значениями. Наименьшие допустимые расстояния в свету между соседними фазами в момент их наибольшего сближения приведены ниже. Для токопроводов генераторного напряжения а_доп = 0, 2 м; для ОРУ 110 кВ – 0, 45 м; 220 кВ – 0, 95 м; 330 кВ – 1, 4 м.

Согласно ПУЭ на термическую стойкость не требуется проверять провода воздушных линий за исключением случаев, когда они оборудованы устройствами быстродействующего АПВ.

При проверке на термическую стойкость аппаратов и проводников линий, оборудованных устройствами быстродействующего АПВ, должно учитываться повышение нагрева из-за увеличения суммарной продолжительности прохождения тока по таким линиям.

 

Пример 2.3:

На подстанции 110 кВ выбрать сборные шины ОРУ. Проверить возможность применения жестких трубчатых шин. Данные: S_max=300 МВ× А; I_по=25 кА; l_пр=5 м; междуфазные расстояния для жестких шин а_ф=1, 4 м.

Решение:

Максимальный ток нагрузки

 

Предварительно выбираем трубчатую алюминиевую шину 74/80 (D=80, d=74) I_доп=1770 А.

Сборные шины по экономической плотности тока не выбираются.

Проверка на динамическую стойкость:

Условие проверки

s_ресч £ s_доп; 83, 43 > 82, 3 Мпа.

Шина не проходит по динамической стойкости.

Выбираем гибкие шины проводниками 2´ АС-500/336

I_доп=2´ 945=1890 А.

Мощность КЗ в РУ-110 кВ

Требуется дополнительные проверки на схлестывание, т.к.

S_КЗ=4757 МВ× А > 4000.

 

Пример 2.4:

Выбрать кабель в цепи отходящей линии 10 кВ для следующих исходных данных. Кабель проложен в жиле (песок влажностью более 9 %). Температура окружающей среды n=20^о. Параллельно проложены два кабеля, l= 150 мм. Нагрузка составляет в нормальном режиме S_норм=2, 5 МВ× А; в утяжеленном режиме S_утяж=4, 0 МВ× А, Т_max=6000 ч. Время отключения КЗ t_КЗ=1, 3 с.

 

Решение:

При Т_max=6000 ч j_эк=1, 2 для алюминиевых кабелей с бумажной изоляцией

Предварительно выбираем сечение q=120 cм². Длительно допустимый ток при прокладке в земле n_з=15^оС; I_доп=240 А.

Поправочный коэффициент на температуру окружающей среды n_окр=20^о К₁=0, 96.

Поправочный коэффициент на количество параллельно проложенных кабелей К₂=0, 91.

Поправочный коэффициент на вид почвы (песок влажности более 9%) К₃=1, 05.

Термический импульс короткого замыкания

Минимальное термически стойкое сечение

Ближайшее большее сечение, удовлетворяющее термической стойкости q=240 мм².

ПРОВЕРКА ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ И ШИН ПО

123Следующая ⇒

Поделиться: