Шини и шинопроводи
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2010
Методика за избор и експлоатационни особености
Шините са неизолирани проводници, които намират широко приложение за осъществяване на електрическата връзка между отделните апарати в първичните вериги на електроразпределителните и преносни мрежи. В разпределителните устройства те често биват предпочитани пред кабелните линии поради редица техни предимства, сред които лесен монтаж и експлоатация, икономичност и надеждност. Темата за шини и шинопроводи стартирахме в предишен брой на сп. Инженеринг ревю, с представяне на техническите специфики на различни видове шинопроводи, класифицирани по техните характеристики, и разгледахме приложната им област. В настоящия брой продължаваме темата с представяне на критериите за избор.
Сечение на шините
Сечението на шините в уредбите с напрежение по-високо от 1000 V се избира от условието за най-малките ежегодни експлоатационни разходи. Такъв избор се извършва по икономичната плътност на тока, която може да се определи с израза
Sy = Iiip/Jy, mm2,
където Iiip е токът при нормален режим на работа в [А], а Jy е нормирана икономична плътност на тока в [А/mm2].
Сечението, изчислено по горната формула, се закръгля до най-близкото стандартно по-малко сечение, ако то не се различава с по-вече от 15% от Sy. Необходимо е избраното сечение да бъде проверено по условието за продължително допустимо нагряване, температурата в нормален режим не трябва да превишава +70 °С или Iдоп і Iн.мах, където Iдоп е допустимият ток с отчитане поправката по температурата на околната среда от таблици за продължително допустимо натоварване на шините и проводниците със стандартно сечение, а с Iн.мах е отбелязан максималният ток на натоварване в дадената верига.
Добре е шините да бъдат проверявани по условието за протичане на токове на късо съединение (к.с.) и на динамична и термична устойчивост. Също така, за шините, работещи на напрежение 35 kV и по-голямо, е препоръчително да бъдат проверявани по условието за образуване на "корона".
Добре е също така да се има предвид, че по икономична плътност на тока не се препоръчва да се избират сечения на сборни шини и шинопроводи в границите на разпределителните уредби. Това се обяснява с факта, че натоварването на сборните шини е неравномерно. Много участъци от шинопровода имат натоварване по-малко от Iном, което обуславя намаляване на загубите на енергия в шините и има възможност за използването на по-малки сечения, избрани само по условието за продължително допустимо нагряване.
Избор на шинни конструкции и шини за закрити разпределителни уредби (ЗРУ)
Шините за ЗРУ се оразмеряват по условията, посочени в таблица 1.
Изборът на шини за закрити разпределителни уредби в зависимост от вида на материала, формата и сечението е почти еднозначен. Обикновено се приемат единични или пакетни неизолирани боядисани алуминиеви шини с правоъгълно сечение и само в случаите, в които те не отговарят на условията за работа, се прибягва до друга форма на сечението.
Когато критерият за избор е нагряването на шината, при продължителен режим на работа може да се използва посоченият вече израз, като токът Iн. мах се определя за най-натоварения участък от шинната система при най-неблагоприятния продължителен режим на работа. Обикновено събирателните шини на двутрансформаторните подстанции се оразмеряват за ток определен от мощността на единия трансформатор (по-мощният, когато са с различна мощност), като се отчита възможното му претоварване.
Оценката на термичната устойчивост на тоководещите части обикновено се извършва като се сравняват допустимите им температури на нагряване в кратковременен режим (режим на к.с.) - Jк.доп. °С, с действителната температура Jк °С, до която се нагряват в този режим. Стойностите на Jк.доп. °С за различните тоководещи части са показани в таблица 2. Това на практика са допустимите температури на нагряване на тоководещи части при късо съединение. От таблицата е видно, че шините и изградените от тях шинопроводи издържат значително по-висока температура на нагряване в сравнение с кабелите, тъй като шините са голи, неизолирани и се охлаждат от околния въздух.
Температурата Jк за тоководещите части от мед, алуминий и стомана може да се определи графоаналитично (чрез криви) и по формулата Ак = Ан + Вк/s2 , където АH и Ак са функции съответно на началната (в момента на късо съединение) и на крайната температура на нагряване на тоководещата част, в [А2s/mm2], s е сечението на тоководещата част, определено по условието за продължителен режим на работа, в [mm2], а с Вк е отбелязан топлинният импулс в [А2s].
При използването на графоаналитичен модел, обикновено се решават следните две задачи. При известни началната температура на нагряване в момента на късо съединение Jн или температурата в края на късо съединение Jк, да се намерят съответните им функции Ан или Ак, и обратната задача - по зададена Ан или Ак да се определят Jн или Jк.
При зададен топлинен импулс Вк и допустима крайна температура на нагряване Jк.доп може да не се определя Jк, а може да се изчисли минималното термично устойчиво сечение
Sm min = Ц[Вк /(Ак доп - Ан)] =
= ЦВк/С,
където С = Ц(Ак доп - Ан) е коефициент, който за различните тоководещи части приема съответните стойности, посочени в таблица 3.
След като се определи Sm min, то се сравнява с избраното по условието за продължителна работа сечение S, като се приема по-голямото от тях. Обикновено Sm min се закръглява към по-горното стандартно сечение, но е възможно термично устойчиво да бъде и най-близкото по-долно стандартно сечение, тъй като поради по-големия му допустим ток от този на сечението S, има известен температурен запас в нормален режим. В този случай се изисква задължителна проверка на приетото сечение по термична устойчивост.
Проверка по електродинамична устойчивост
Изисква допустимото механично напрежение на материала на шините sдоп да не надвишава изчислителното напрежение sизч. За шини от алуминий, мед и стомана sдоп е съответно 70, 140 и 160 МРа. При единични правоъгълни шини sизч се определя съгласно израза
sизч = M/W = F.l/10W =
= f.l2/10W,
където:
М е огъващият момент, създаван от силата, действаща върху шината, Nm;
W e съпротивителният момент на шината относно оста, перпендикулярна на действие на силата, m3;
с F е обозначена електродинамичната сила на взаимодействие между шините на фазите при трифазно к.с., N;
f съответно е специфичната сила, N/m,
с l е отбелязано разстояние между опорите по надлъжната ос на шините, m;
Съпротивителният момент W обикновено се приема съгласно посочените данни в таблица 4.
За шини, разположени в една равнина или във върховете на равностранен триъгълник,
F = 1,73.10-7 (l/a)iy2 ,
а специфичната сила
f = 1,73.10-7 (iy2 /a),
където
iy е ударният ток при трифазно късо съединение, А,
с а е отбелязано разстоянието между осите на две съседни фази в метри.
Максимално допустимото разстояние между опорите на шините lмах, m, се определя съгласно посочения по-горе израз като
sизч = sдоп
или
lмах = Ц((10.sдоп W)/f).
Когато шините са подпрени на разстояние l І l max, те са динамично устойчиви. При пакет от две или повече шини на фаза, механичното напрежение sизч е сума на напреженията от взаимодействие на шините между отделните фази sф и тези в пакета sn. Тогава s изч = sф +sn І sдоп. В зависимост от броя на шините в пакета и разположението им, sф се определя, като съпротивителният момент се приема съгласно таблица 4.
От горната формула при известно sдоп се намира
sn = sдоп - sф = Mn/Wn =
= (fnIn2 )/(12Wn),
където:
Мn = fnIn2/12 е огъващият момент на шините в пакета;
Wn = b2h/6 e съпротивителният момент на една шина от пакета;
In - разстоянието между подложките (дистанционните фиксатори) в пакета, m;
f n е специфичната сила на взаимодействие между шините в пакета N/m;
с b и h са обозначени размерите на сечението на правоъгълната шина, m;
Максимално допустимото разстояние ln мах, m между подложките в пакета се намира от следната формула:
ln max = Ц((12sn . Wn)/fn).
Силата fn при две и три шини в пакета се определя от израза:
fn = d(iy2/b)10-7,
където d е коефициент, който при две или три правоъгълни шини в пакета се отчита графично от номограми.
Цитираният начин за проверка на шинните конструкции в ЗРУ по електродинамична устойчивост се отнася за статична система шина - изолатор. На практика е възможно в нея да възникнат собствени механични колебания и тя да се прояви като динамична. За традиционните конструктивни изпълнения на шинните системи обикновено липсват собствени колебания и не се изисква проверка по това условие.
Особено опасни са собствените колебания
с честоти 50 и 100 Hz, при които е възможно да настъпи механичен резонанс. Когато собствените честотни колебания на шините fш са под 30 или над 200 Hz, шинната система се приема за статична. Стойността на fш се определя по опростения израз
fш = к.105(x/l2),
където за правоъгълни шини, с х е обозначен размерът на шината, успореден на действащата сила cm; к е коефициент, зависещ от вида, материала, броя и начина на полагане на шините във фазите, а l е разстоянието между опорите, в сантиметри.
За една-единствена медна шина с правоъгълно сечение, независимо от начина на полагането й к = 3,62, а при една алуминиева шина к = 5,02. При две вертикално положени шини на фаза, стойностите на к са съответно к = 18 за алуминий и к = 12,3 за мед.
На практика, опасните граници на f ш обикновено се избягват, като се променя размерът на шините (размерът х).
Избор на закрити шинни токопроводи
Извършва се съгласно условията, посочени в таблица 5.
Закритите токопроводи обикновено са комплектно изпълнение и изборът им се различава от този на шините за ЗРУ по това, че се избират по напрежение, а електродинамичната и термичната им устойчивост се проверяват аналогично на тези за електрическите апарати.
Изборът на шини за открити разпределителни уредби (ОРУ) се провежда по условията, посочени в таблица 6.
В ОРУ се използват основно шини от гъвкави многожични стоманено-алуминиеви проводници. В последно време намират приложение и твърди тръбни шини, които се избират аналогично на шините за ЗРУ.
При оразмеряването на шините по продължително допустим ток се изисква определяне на участъци от тях с най-голям ток IM, който протича при най-тежкия продължителен режим на работа и избор на сечение, чийто допустим ток IДОП е по-голям или равен на IM.
За ОРУ с напрежение 35 kV и по-високо, проводниците на шинните системи се проверяват по условието за образуване на корона, а при необходимост и на радиосмущения.
Максималният действителен интензитет на електрическото поле ЕМАХ, kV/сm на повърхността на единия проводник се определя по формулата:
ЕМАХ = (0,354U)/(r0 lgDcp/r0),
където:
U е междуфазното напрежение, kV;
r0 е радиусът на проводника в сантиметри;
Dcp = 1,26D е средногеометричното разстояние между проводниците на фазите, разположени в една равнина, при разстояние между две съседни фази D в сантиметри.
Допустимият интензитет на полето се приема ЕДОП = 28 kV/сm (19,8 kV/cm ефективна стойност). Тази стойност отговаря на атмосферно налягане р = 1013,2 hPa (760 mm Hg), средногодишна температура на въздуха J0 = 20 °С и относителна плътност на въздуха d = 1. При други стойности на p и J0, d № 1 и определянето й става по зависимостта
d = 0,289р/(273 + s0).
В този случай допустимият интензитет на полето се променя и се определя по формулата
Е´ДОП = d . ЕДОП.
За да не коронират проводниците, се препоръчва за ОРУ с надморска височина до 1000 m да се използват единични проводници с диаметър d і 11,3 mm (сечение 70 mm2) при напрежение 110 kV и с d і 21,6 mm (сечение 240 mm2) за напрежение 220 kV.
Ако ефективната стойност на тока на к.с. е над 21 kА ( ударен ток Iу = 50 kА), гъвкавите шини на откритите уредби се проверяват на опасно за пробив сближаване или дори преплитане на фазите при разлюляването им под действие на електродинамичните сили, предизвикани от токовете на двуфазно к.с. между две съседни фази.
Твърдите шини в ЗРУ се закрепват върху подпорни изолатори, а при преминаването им през преградни стени се използват проходни изолатори. Последните могат да имат собствена тоководеща част или да бъдат от шинен тип без такава. За закрепване на гъвкавите шини в ОРУ се използват висящи изолатори. Изборът и проверката на подпорните и проходните изолатори се извършва според изискванията, представени в таблица 7.
Минимална разрушаваща сила
Основен параметър на подпорните и проходните изолатори се явява минималната разрушаваща сила FРАЗР, N. За да се осигури необходимия запас от механична якост, допустимата сила FДОП се приема равна на 0,6FРАЗР (когато шината се закрепва на два изолатора в една точка FДОП = FРАЗР ). Тази сила се сравнява с изчислителната FИЗЧ, която действа на шината и се предава върху изолатора.
За проходните изолатори изчислителната сила се определя за половината от разстоянието l между подпорните изолатори на фазите, т.е. за половината от силата, с която се оразмеряват подпорните изолатори.
Изборът на висящите изолатори за ОРУ на практика се свежда до избор на типа и броя на елементите в зависимост от напрежението на уредбата. Обикновено минималният брой на елементите за напрежение 20 kV е 3 бр., за 110 kV - 8 бр, за 220 kV - 14 бр и за 400 kV - 20 бр. В последно време се прилагат предимно стъклени изолатори.
Монтаж на шините и шинопроводите
В разпределителните уредби той се улеснява от факта, че същите пристигат на обекта почти готови за монтаж на място. Съединяването на отделните елементи става по различни начини - чрез заварка или чрез болтови връзки.
Шинопроводите, които работят под открито небе, са подложени на различни атмосферни влияния - нагряване от слънчевата радиация (разширение), обдухване от вятър, намокряне от валежи, изстиване през зимата (свиване) и то при доста голям диапазон на DJ.
Всичко това създава предпоставки за разхлабване на болтовите връзки по шинопроводите. Този недостатък води до получаване на допълнително нагряване на мястото на влошения контакт. Тъй като товарните токове са с голяма величина (kА) и веднъж започналият процес на влошаване на контакта продължава да се задълбочава, това можа да доведе до появата на искрене. Същото се забелязва обикновено нощем, а през деня се чува само като "пращене".
За да се избегне този отрицателен ефект, е необходимо да се следи често температурата на болтовите съединения. Това се извършва с дистанционни измервателни прибори за измерване на температура, работещи в инфрачервения спектър. Местата по шинопровода с повишена температура започват да излъчват инфрачервени лъчи. Посредством лазерно насочена оптика, приборът отчита тези лъчи и на екрана му се получава информация във вид на температура в °С. Измерването се извършва без изключване на високото напрежение. Възможно е съставяне на топлинна картина на всички болтови връзки в едно ОРУ или ЗРУ при нов монтаж или след ремонт за последващо сравнение.
Атмосферните промени могат да доведат и до напукване и счупване на отделните елементи на висящите стъклени изолатори в ОРУ. Това налага, поне веднъж в годината, на разпределителните уредби да бъде извършвана профилактика и ако е необходимо - планово предупредителен ремонт с пълно изключване на напрежението.
В материала са цитирани методология и таблични данни от т. 3, гл. 8 на Справочник по енергетика, изд. ABC Техника.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 9/2024
