Выбор токоведущих частей

а. Выбор сечения токоведущих частей и присоединений к сборным шинам (ошиновки) проводится по экономической плотности тока

                                                                       (8.4)

где I_норм – максимальный ток нормального режима (без перегрузки), А;

J_эк – экономическая плотность тока, зависящая от продолжительности использования максимума нагрузки (Т_мах), от типа и материала проводника (табл. 8.1).

                                                                                                Таблица 8.1

          Экономическая плотность тока

Тип и материал проводника	При Тмах, ч А/мм2
	1000-3000	3000-5000	более 5000
1	2	3	4
Неизолированные провода и шины медные алюминиевые	2,5 1,3	2,1 1,1	1,8 1
Кабели с бумажной и провода с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с жилами медными алюминиевыми	3 1,6	2,5 1,4	2 1,2
Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией с жилами медными алюминиевыми	3,5 1,9	3,1 1,7	2,7 1,6

     

Рассчитанное сечение округляется до стандартного. При этом принимается ближайшее меньшее стандартное сечение (q), если оно не отличается от q_эк более чем на 15%. В противном случае принимается ближайшее большее стандартное сечение.

Выбранное сечение проверяется на нагрев максимальным током длительного режима:

 

                                             I_доп ≥ I_фор                                       (8.5)

 

где I_доп –допустимый ток для проводника (с учетом поправки при расположении шин плашмя и на температуру воздуха, отличную от стандартной).

Ток I_доп для жестких и гибких проводников нормирован при температуре окружающего воздуха J_о=+25^оС или при температуре земли (для кабелей) J_о=+15^оС [1]. Если действительная температура окружающей среды J_с отличается от J_о, то пересчет допустимого тока осуществляется по выражению

                                                                     (8.6)

где J_доп – длительно допустимая температура проводника, принимаемая для неизолированных проводов и окрашенных шин +70^оС.

Сборные шины РУ всех напряжений выбираются по допустимому току. Максимальный рабочий ток шин определяется при этом как наибольший ток наиболее мощного присоединения к шинам.

Выбранные жесткие шины должны быть проверены на термическую и динамическую стойкость при КЗ.

Проверка на термическую стойкость проводится по условию

                            J_кз£J_{кз доп}, или q_мин£q,                         (8.7)

 

где J_кз – температура шин при нагреве током КЗ;

J_{кз доп} –допустимая температура нагрева шин при КЗ (табл.8.2).

                                                                                                                        Таблица 8.2

Проводник	Допустимая температура при КЗ оС
Шины: медные алюминиевые стальные, присоединенные к аппаратам стальные не соприкасающиеся с изоляционными материалами и выводами аппаратов	300 200 300   400
Неизолированные провода: медные при тяжениях, Н/мм2 менее 20 20 и более алюминиевые при тяжении, Н/мм2 менее 10 10 и более алюминиевая часть сталеалюминиевых проводов	250 200   200 160 200
Кабели и изолированные провода с медными и алюминиевыми жилами и изоляцией: поливилхлоридной и резиновой полиэтиленовой этилен пропиленовой резиной	160 130 250
Кабели до 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена температура жилы температура экрана	250 350

q_min- минимальное сечение проводника по термической стойкости

                                                                             (8.8)

где С – функция, значение которой приведены в табл.8.3

 

                                                                                 

                                                                                                           Таблица 8.3

 

Проводник и марка проводника	Значение функции С, А∙С1/2/мм2
1	2
Шины:	При начальной температуре, оС
	70	90	120
медные – МГМ, МГТ алюминиевые – АДО                     - АД1Н                     - АДОМ, АД1М Алюминиевый сплав – АД31Т1                                - АД31Т                                 - АД33Т1                                 - АД33Т                                 - АВТ1                                 - АВТ                                 - 1911                                - 1915, 1915Т                                 - АМГ5 стальные при - Jдоп=400оС                    - Jдоп=300оС	170 90 91 91 85 82 77 74 73 71 71 66 63 70 60	81 82 83 77 74 71 67 66 63 63 60 57 - -	68 69 70 64 62 59 57 55 53 53 51 48 - -
Кабели:	При номинальном напряжении, кВ
	6	10
с алюминиевыми сплошными жилами и бумажной изоляцией с алюминиевыми многопроволочными жилами и бумажной изоляцией с алюминиевыми жилами и поливинилхлоридной и резиновой изоляцией с алюминиевыми жилами и полиэтиленовой изоляцией с медными сплошными жилами и бумажной изоляцией с медными многопроволочными жилами и бумажной изоляцией с медными жилами и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами и полиэтиленовой изоляцией	92   98   75   62   140   147   114   94	94   100   78   65   143   150   118   98
Продолжение табл.8.3
1	2	3
Неизолированные провода:	При допустимых температурах нагрева при КЗ, оС
	160	200
медные – М, МГМ алюминиевые – А, АКП, АП, АпКП алюминиевый сплав – АН, АНКП, АЖ сталеалюминиевые – АС, АСК, АпС, АСКС, АпСКС, АпСК, АСКП	- 76 69   76	142 90 81   90

 

Жесткие шины в электроустановках крепятся к опорным изоляторам. Определение механического напряжения в материале шин s_расч и расчетной нагрузки на изоляторы Р производятся с учетом частоты собственных колебаний шин (f_соб):

 

                                                                  (8.9)

где l – длина пролета, м

J – момент инерции шины относительно оси, перпендикулярной действию силы, м^4;

  E – модуль упругости материала шины, Па;

m – масса единицы длины шины, кг/м.

Значения J и, E для стандартного сечения шин разных профилей приведены в табл. 8.4 и табл. 8.5.

 

                                                                                                            Таблица 8.4

 

Расположение шин	Момент инерции J, см4	Момент сопротивления W, см3

 

 

                                                                                 

 

 

                                                                      

 

     

                                                                                                           Таблица 8.5

                          Основные характеристики материалов шин

Материал шины	Марка	Временное сопротивление разрыву sразр, МПа		Допустимое напряжение sдоп, МПа		Модуль упругос- ти E, 1010 Па
		матери-ала	в области свар- ного соеди- нения	матери-ала	в области свар- ного соеди- нения
алюминий	АО, А АДО	118 59-69	118 59-69	82 41-48	82 41-48	7 7
алюминие- вый сплав	АД31Т АД31Т1 АВТ1 1915Т	127 196 304 353	120 120 152 318	89 137 213 247	84 84 106 223	7 7 7 7
медь	МГМ МГТ	345-355 245-294	- -	171,5-178 171,5-206	- -	10 10

 

Для шин корытного сечения момент инерции определяется по каталогам допустимого тока. Если f_c>200 Гц, то шины и изоляторы рассматриваются как статическая система с нагрузкой равной максимальной электродинамической силе, возникающей при трехфазном КЗ (f ⁽³⁾)

 

                                              (8.10)

 

где a – расстояние между осями шин разных фаз, м.

Под действием этой силы в однополосных шинах прямоугольного или круглого сечения при расположении фаз в одной плоскости возникает напряжение

                                                          (8.11)

 

W – момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию силы, м³.

Если f _соб <200 Гц, то в выражение (8.11 )вводится динамический коэффициент К_д определяемый по кривым К_д=φ ( f _собс ,Т_а). [8].

В случае, когда шины состоят из 2-х полос, то между полосами устанавливаются прокладки. Пролет между прокладками l _п выбирается из 2-х условий:

1) отсутствие прикосновения полос при КЗ:

                                                             (8.12)

 

а_п – расстояние между осями полос, см;

где К_ф - коэффициент формы, определяемый по рис. 8.2;

2) отсутствие механического резонанса        

                                                                           (8.13)

где m_n – масса полосы на единицу длины, кг/м.

В расчет принимается меньшая из двух величин, определяемых по формулам (8.12) и (8.13).

 Механическое напряжение в материале шин такой конструкции складывается из двух составляющих - s_мф, вызванного силами взаимодействия фаз и s_п, вызванного взаимодействием полос в пакете одной фазы:

 

                     s_расч=s_мф+s_п                                             (8.14)

 

Напряжение s_мф 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 табл.8.4, а для коробчатых шин принимается из [2] табл.7.5.

Напряжение s_п:

 

                                                                                        (8.15)

 

где                           (8.16)

 

 

Рисунок 8.2 – Кривые для определения коэффициента

формы для двухполосных шин при a = 2b

 

К_ф – коэффициент формы, определяется по кривым рис.8.2;

d  - расстояние между осями шин в пакете, м. Для пакета из прямоугольных шин d равно двойной толщине шин (d =2). Для коробчатых шин d = h , и К_ф=1;

h – ширина коробчатой шины.

Условие электродинамической стойкости шин является

 

                           s_расч£s_доп=0,7s_разр,               (8.17)

 

где s_доп, s_разр – допустимое и разрушающее механические напряжения в материале шин (табл.8.5).

Если в результате расчета получено, что s_расч≥s_доп, то необходимо увеличить расстояние между фазами или уменьшить пролет между изоляторами, в пакетных токопроводах – уменьшить расстояние между прокладками и поверить расчет.

После механического расчета шин необходимо выбрать опорные изоляторы, к которым будут крепиться шины. Выбор опорных изоляторов производится по следующим условиям:

1) по номинальному напряжению - U_ном≥U_эу

2) по допустимой нагрузке – Р_доп=0,6Р_разр≥Р_расч,

где                                                  (8.18)

при расположении шин в одной плоскости:

 

 - поправочный коэффициент на высоту шины (К_h=1 в случае расположения шины плашмя на изоляторе);

Н – высота расположения оси шины:

H _из – высота изолятора.

 

б) Гибкие неизолированные провода.

Сечение проводов выбирается по экономической плотности тока, гибких шин – по допустимому току.

При напряжении 110 кВ и выше сечение проводов и их число в фазе выбираются такими, чтобы избежать коронирования. Для этого при напряжениях 330 кВ и выше каждая фаза выполняется двумя, тремя и более проводами, т.е. применяются расщепленные провода. Расстояние между проводами в расщепленной фазе принимается при напряжении 220 кВ 20÷30см, 330-750 кВ – 40 см.

Минимально допустимые диаметры проводов (и примерная их марка) по условиям коронирования приведены в табл.8.6.

                                  

                                                                                                Таблица 8.6

Напряжение, кВ	d ,мм	Марка провода
110	11,3	АС-70/11
220	21,6	АС-240/39
330	32,3 2х21,6 3х17,1	АС-600/72 2хАС-240/39 3хАС-150/24
500	2х36,2 3х25,2	2хАС-700/86 3хАС-330/43
750	4х36,2 5х25,2	4хАС-400/86 5хАС-330/43

 

Выбранное сечение проверяется на термическое действие тока КЗ по (8.8). Расщепленные провода при этом рассматриваются как один провод суммарного сечения.

Если на сборных шинах, выполненных из гибких проводов, ток трехфазного КЗ то они проверяются на схлестывание. Методика проверки гибких проводов на схлестывание приведена в [3] стр188. Методика компьютерного расчета электродинамической стойкости гибких шин приведена в [5].

Токоведущие части, выполненные несколькими проводами в фазе, проверяются по электродинамическому взаимодействию проводников одной фазы [3] ст.190.

 

Выбор кабелей

На электрических станциях преимущественно применяются кабели с многопроволочными алюминиевыми и медными жилами, как один или несколько кабелей. Прокладываются кабели в кабельных полуэтажах, кабельных туннелях, на металлических лотках, в воздухе. На ТЭЦ потребители 6-10 кВ питаются по кабельным линиям, проложенным сначала в РУ станции, в кабельных туннелях, а затем в земле.

Для обеспечения пожарной безопасности на электростанции применяются кабели, у которых изоляция оболочки и покрытия выполнены из самозатухающего поливинилхлоридного пластиката и кабели с пониженным дымо и газовыделением. Применяются так же кабели, в конструкции которых отсутствуют материалы, содержащие галогены.

В настоящее время большое количество кабелей электростанций имеют изоляцию из сшитого полиэтилена.

На АЭС, как правило, используются кабели с медными токопроводящими жилами. Для цепей, где требуется функционирование при пожаре, применяются огнестойкие кабели с изоляцией и оболочкой из полимерных композиций, не содержащих галогенов.

Кабели выбирают:

по напряжению U_ном≥U_эу;

по конструкции, в зависимости от места прокладки, свойств среди, механических усилий, воздействующих на кабель, вида изоляции по таблицам областей применения различных марок кабелей выбирается требуемая марка кабеля [1, 2,5];

по экономической плотности тока по выражению (8.4) рассчитывается сечение кабеля (q_э). Далее по таблицам [1,2,5] подбирается стандартное сечение жил кабеля и допустимый ток.

Выбранный кабель проверяется на нагрев при длительном протекании максимального тока нагрузки:

                                                              (8.19)

 

где К₁, К₂, К₃…К_n – поправочные коэффициенты на число рядом проложенных кабелей, температуру окружающей среды, глубину прокладки в земле, тепловое сопротивление земли и др. Поправочные коэффициенты определяются по ПУЭ или данным справочников (или заводов – изготовителей кабелей) [1, 5].

При выборе сечения кабелей следует учитывать их допустимую перегрузку по данным ПУЭ в зависимости от вида прокладки, предварительной нагрузки и длительности перегрузки.

Выбранные по рабочему режиму кабели проверяются на термическую стойкость при КЗ по выражению (8.8). При этом кабели небольшой длины проверяются по току КЗ в начале кабеля. Два и более параллельных кабеля проверяют по токам при КЗ непосредственно за пучком кабелей.

У одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена термическая стойкость при КЗ проверяется отдельно для жилы и отдельно для экрана [5].

Проверка на термическую стойкость жилы проводится по условию

                                                                   (8.20)

где  - периодическая составляющая тока трехфазного КЗ для жилы выбранного кабеля, кА;

 I_{доп 1секж} – допустимый односекундный ток КЗ для жилы (определяется по [5] табл. 3.16 стр.69).

t _кз = t _{рзосн. защиты} + t _ов – расчетная продолжительность КЗ,с.

Если условие (8.20) не выполняется – принимается большее сечение жилы и расчет повторяется.

Термическая стойкость экрана проверяется по условию

                                                         (8.21)

где   - максимальное значение двойного тока КЗ на землю в начале кабельной линии, кА;

I _{доп1сек э} – допустимый ток односекундного КЗ в экране [5] табл.3.17 ст. 70.

Если условие (8.21) не выполняется, то необходимо принять большее сечение экрана, при котором это условие выполняется. Но при этом потребуется разземление экранов с одной стороны линии или транспозиция экранов.

В случае разземления экранов на разомкнутых концах экранов при нормальном режиме и при КЗ появляется напряжение. Величина этого напряжения не должно превышать 5 кВ. Методика расчета приближенного значения этого напряжения приведена в [5] стр. 70-71.

Выбранные кабели необходимо проверить на невозгорание при КЗ [7]. Проверка кабелей 6-10 кВ системы собственных нужд электростанций осуществляется путем сравнения расчетной температуры жил кабеля после КЗ при его отключении действием резервной защиты с предельной допустимой температурой невозгорания кабелей указанной в табл.8.7.

 

                                                                                                           Таблица 8.7

 

Типы кабелей	Допустимые температуры нагрева жил кабелей, оС
	длительно допусти- мая	при КЗ	при проверке на невозгорание	При проверке пригодности кабелей к дальнейшей эксплуатации после КЗ
1	2	3	4	5	6
Бронированные кабели с бумажной изоляцией на напряжение: до 6 кВ             до 10 кВ	65 60	200 200	400 360	200 200	300 300
Не бронированные кабели с бумажной изоляцией на напряжение: до 6 кВ              до 10 кВ	65 60	200 200	350 310	200 200	300 280
1	2	3	4	5	6
Кабели с поливинилхлоридной и резиновой изоляцией	65	150	350	160	250
Кабели до 10 кВ с изоляцией из вулканизированного (сшитого) полиэтилена	90	250	400	250	300
Кабели с изоляцией из полимерной композиции не содержащей гологенов	70	160	350	160	250
Кабели с изоляцией из этилен пропиленовой резины	90	250	360	250	280

 

Если расчетная температура J_кзн больше значения указанного в графе 4 таблицы 8.7. необходимо изменение уставок защит, либо увеличение сечения жил кабелей. При этом в качестве резервной защиты для присоединений секции собственных нужд 6-10 кВ (и 0,4 кВ)следует принимать резервную защиту ввода питания секции.

Данные табл.8.7 позволяют определить и пригодность кабелей к эксплуатации после отключения КЗ. Для этого рассчитывается температура жил кабеля за время КЗ и сопоставляется с данными графы 5 табл.8.7. Если расчетная температура J_кзн не превышает данных графы 5 таблицы 8.7 - кабели пригодны к дальнейшей эксплуатации. Если расчетная температура находится в пределах между значениями граф 5 и 6 – кабели после соответствующего ремонта и испытаний пригодны к эксплуатации в течении года. Если температура превышает значения графы 6 – кабели не пригодны к эксплуатации и должны быть заменены.

Расчетным местом КЗ при проверке на невозгорание кабеля является точка в начале кабельной линии. Значение начальной температуры жил до КЗ определяется по формуле

                                         (8.22)

где J_среды, J_о – фактическая и стандартная температура окружающей среды (J_о для кабелей в земле 15^оС, в воздухе – 25^оС);

  J_доп – длительно допустимая температура жил кабеля, ^оС (табл.8.7);

I _раб , I _дл.доп – рабочий и длительно допустимый ток инагрузка кабеля. А.

Расчетная температура жилы кабеля после КЗ определяется по выражению:

 

                                 J _кзн = J _нач ∙ e ^к +228 (е^к-1),                   (8.23)

где

 в – для алюминиевых жил равно 45,65 мм²/кА²∙С;

 в – для медных жил кабеля равно 19,58 мм²/кА²∙С;

В_кз – квадратичный тепловой импульс тока КЗ равный

 

                        (8.24)

 

I _пос – начальное значение периодической составляющей КЗ от источников питания, кА;

t _откл = t _рез.рз + t _{откл.выкл} – продолжительность существования КЗ, с;

t _рез.рз – время срабатывания резервной защиты кабельной линии, ^оС;

t _{откл.выкл}  - полное время отключения выключателя С;

I _{по эд} =5,5∑ I _{ном эд} – начальное значение периодической составляющей тока подпитки от электродвигателей, кА;

∑ I _{ном эд} – суммарный номинальный ток одновременно работающих асинхронных электродвигателей единичной мощности 100 кВт и более непосредственно связанных с точкой КЗ;

q – сечение жилы кабеля, мм²;

T _аз =0,1с – эквивалентная постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ от источников питания (для собственных нужд 6-10 кВ).