Конструкции открытых распределительных устройств

Распределительное устройство, расположенное на открытом воздухе, называется открытым распределительнымустройством (ОРУ).Как правило, РУ напряжением 35 кВ и выше сооружаются открытыми.

Так же как и ЗРУ, открытые РУ должны обеспечить: надёжность работы, безопасность и удобство обслуживания при минимальных затратах на сооружение, возможность расширения, максимальное применение крупноблочных узлов заводского изготовления.

Расстояние между токоведущими частями и от них до различных элементов ОРУ должно выбираться в соответствии с требованиями ПУЭ [4].

Все аппараты ОРУ располагаются на невысоких основаниях (металлических или железобетонных). По территории ОРУ предусматриваются проезды для возможности механизации монтажа и ремонта оборудования. Шины могут быть гибкими из многопроволочных проводов или из жёстких труб. Гибкие шины крепятся с помощью подвесных изоляторов на порталах, а жесткие — с помощью опорных изоляторов на железобетонных или металличес­ких стойках.

Применение жесткой ошиновки позволяет отказаться от порталов и уменьшить площадь ОРУ.

Под силовыми трансформаторами, масляными реакторами и баковыми выключателями 110 кВ и выше предусматривается маслоприемник для сброса масла в аварийных случаях. Кабели оперативных цепей, цепей управления, релейной защиты, автоматики и воздухопроводы прокладывают в лотках из железобетонных конструкций без заглубления их в почву или в металли­ческих лотках, подвешенных к конструкциям ОРУ.

Открытое РУ должно быть ограждено.

К конструктивным элементам ОРУ относятся сборные шины и ошиновка. Сборные и соединительные шины (ошиновку) ОРУ выполняют гибкими и жесткими шинами, возможно применение комбинированных конструкций — жёстких шин и гибкой ошиновки.

Преимущественно гибкие шины получили распространение на напряжение 35 кВ и выше. В качестве гибких шин используют много-проволочные витые алюминиевые (А), сталеалюминиевые (АС) и полые алюминиевые (ПА) провода. В зависимости от номинального тока и напряжения в одной фазе может быть от 1 до 5 проводов. (Количество проводов в фазе на ОРУ меньше, чем на ЛЭП, из-за большего сечения проводов.)

В токопроводах до 330 кВ использование шин из нескольких проводов в одной фазе обусловлено большими рабочими токами. В установках 330 кВ и выше это решение применяется для снижения напряженности поля вокруг токопровода с целью устранения коронного разряда.

Таблица 5.1

Количество проводов в одной фазе

Напряжение U, кВ	Провода в одной фазе, шт.
	1—2
	2—3
	3—4
	4—5

При числе проводов в фазе 3 и более их обычно располагают по вершинам правильного равностороннего многоугольника, что обеспечивается дистанционными распорками, а также поддерживающими зажимами, укреплёнными на изоляторах (рис. 5.31).

а) б) в)

Рис. 5.31. Дистанционные распорки: а — парная; б — многолучевая; в — рамная

Жесткие шины наиболее широко используют в токопроводах до 110 кВ. В последнее время в ОРУ 110 кВ и выше всё более широкое применение получают жесткие трубчатые шины и ошиновка, изготовленные из алюминиевых сплавов. Вопросы применения таких конструкций заслуживают отдельного более подробного рассмотрения. Основные характеристики проводов и жёстких профилей приведены в [5, 12].

Для подвески проводов, гибких токопроводов, шин, ошиновок и их изоляторов в ОРУ применяются порталы, стойки и другие опорные конструкции. Чаще всего они изготавляются комбинированными (железо-бетонные опоры и стальные траверсы), реже используются полностью стальные опоры и порталы. Внешний вид шинных и линейных порталов приведён на рис. 5.32, размеры и расстояния между проводами указаны в табл. 5.2.

а)

б)

Рис. 5.32. Вид порталов ОРУ: а — шинные; б — линейные

Таблица 5.2

Размеры порталов типового ОРУ

Позиции на рис. 5.32	Размеры (м) при напряжении, (кВ)
а	1,5	3,25	3,5
б	3,0	4,0	4,5
в	7,5	11,0	11,0		22—26
г	2,5
д		3,7		5,5	10,5
е		16,5	16,5	23,6
ж	-	-	-		-

При напряжении 500 кВ и выше в ОРУ возможно использование одно-стоечных опор анкерного типа (рис. 5.33), что обеспечивает сокращение площади РУ. Гибкая ошиновка крепится на подвесных (рис. 5.35) или иногда на опорных изоляторах (рис. 5.34), а также на вводах электрических аппаратов и измерительных трансформаторов. В настоящее время в токопроводах в основном используются гирлянды подвесных стеклянных тарельчатых изоляторов (типа ПС), которые имеют шарнирное соединение друг с другом.

Рис. 5.33. Анкерная одностоечная опора

Рис. 5.34. Опорно-стержневой изолятор ОНС-110

Количество изоляторов зависит от номинального напряжения и приводится в табл. 5.3. В зависимости от условий работы изоляторов и способов их установки на опорах применяют поддерживающие и натяжные гирлянды (рис. 5.35). В качестве опорных используются опорно-стержневые изоляторы (рис. 5.34) на 35 и 110 кВ (типа ОНШ и ОНС) характеристики и размеры изоляторов приведены в [12, 27], а также составные шинные опоры-колонны из этих изоляторов, собранные из 2—3 изоляторов, которые устанавливаются на индивидуальных бетонных стойках. В РУ 35—110 кВ изоляторы трёх фаз монтируются на Т или П-образных бетонных или стальных конструкциях. Аналогичное решение применяется для крепления гибких токопроводов с большим суммарным сечением в наружных установках 6—10 кВ (рис. 5.36).

Таблица 5.3

Количество изоляторов в гирлянде

Напряжение U, кВ	Изоляторы в гирлянде, шт.
	3—4
	8—9
	12—16
	17—22
	24—33

Рис. 5.35. Натяжная и поддерживающая гирлянды подвесных изоляторов.

В РУ 500 кВ и выше применяют трёхгранные опоры (рис. 5.37) в виде пирамиды из изоляторов на 110 кВ, собранных на треугольной раме и жёстко скреплённых в средней части стальными поясами. В верхней части опоры для снижения напряжённости электрического поля устанавливают кольцевые экраны.

Рис. 5.36. Опорная конструкция гибкого токопровода

Рис. 5.37. Трёхгранная шинная опора на напряжение 500 кВ: 1 — токоведущая шина, 2 — экран, 3 — изоляторы на 110 кВ, 4 — стальной пояс, 5 — рама

К коммутационным аппаратам (КА) применяемым в ОРУ относятся высоковольтные выключатели, разъединители, отделители и короткозамыкатели.

В настоящее время в ОРУ высокого напряжения в основном применяются воздушные и малообъёмные масляные выключатели ( в ранее спроектированных установках используются и многообъёмные масляные выключатели), а также элегазовые выключатели.

Внешний вид и основные размеры выключателей в этом учебном пособии не рассматриваются, так как они приведены в [3, 5, 28].

Конструкции разъединителей для наружной установки отличаются большим разнообразием [5, 28]. В СНГ широко используются следующие типы разьединителей:

1. Горизонтально-поворотные типа РЛНД и РНД (при наличии заземляющих ножей в обозначении типа добавляется буква «З») на напряжение 10—500 кВ (рис.5.38);

2. Вертикально-поворотные (тип РНВ на 500, 750 кВ и РОН на 35—500кВ);

3. Подвесные (тип РП и РПД) на 330—750 кВ (рис. 5.39).

Рис. 5.38. Разъединитель типа РНДЗ-2-110

Основные размеры разъединителей типа РНД приведены в табл. 5.4. Разъединители монтируются на общей или индивидуальной раме, закреплённой на металлических или бетонных стойках на высоте (h), зависящей от класса напряжения. Компоновочные схемы разъединителей типов РНВ, РОН и РНД схожи за исключением конструкции поворотных ножей.

Таблица 5.4

Основные размеры РНД

U (кВ)
a (мм)
b (мм)
с (мм)
h (мм)

У РНВ и РОН ножи поворачиваются в вертикальной плоскости и применение этих разьединителей увеличивает вертикальные габариты ОРУ, но сокращает площадь за счет уменьшения междуфазных расстояний. Разъединители РОН в отличие от РНВ имеют один токоведущий нож рубящего типа, у РНВ два ножа. В разомкнутом положении вертикальные габариты РОН больше и в настоящее время они не выпускаются. Основные габаритные размеры разъединителей вертикально-поворотного типа приведены в табл. 5.5. Опорные колонки разъединителей сверхвысокого напряжения выполняются по принципу составных шинных опор соответствующего класса напряжения. Основной особенностью подвесных разъединителей является то, что подвижные контакты подвешиваются с помощью изоляционных подвесок и тросов на блоках, установленных на порталах РУ. Для уменьшения раскачивания подвижных контактов разъединителей на 500, 750 кВ используются двухлучевые V-образные гирлянды. В РП-330 применяются обычные гирлянды соединенные в верхней части тягой. Подвод тока к подвижному контакту осуществляется с помощью гибкой ошиновки или жёстким трубчатым токопроводом (поз.7 рис. 5.39). Неподвижный контакт состоит из кольца - ловителя, закрепленного на опорной изоляционной конструкции или на другом высоковольтном аппарате (чаще всего на трансформаторе тока).

Таблица 5.5

Основные размеры РОН и РНВ

U (кВ)	РОН	РОН	РОН	РОН	РОН	РНВ	РНВ
b				-			~10500
c				-
c′	~1200	~2100	~4500	-

с′ — высота в разомкнутом положении.

Рис. 5.39. Разъединитель типа РПД — 500 в отключенном положении: 1— противовес;

2 — гирлянда изоляторов; 3 — блок; 4 — привод; 5 — подвижный контакт;

6 — неподвижный контакт; 7 — жёсткий токопровод.

Основные габариты подвесных разъединителей определяются по ПУЭ из требований обеспечения допустимых воздушных промежутков в зависимости от класса напряжения (табл. 5.6).

На рис. 5.40 представлена конструкция и даны габаритные размеры полюса опорно-телескопического разъединителя РТЗ — 1150/4000У1, разработанного для ОРУ — 1150 кВ.

Таблица 5.6

Воздушные промежутки подвесных разъединителей

Тип разъединителя	Контакт-стойка портала D (мм)	Между контактами соседних полюсов B (мм)	Между контактами одного полюса[*],(мм)
РП — 330/3200
РПД — 500/3200
РПД — 750/3200
РПД — 1150/4000	~7500

Рис. 5.40. Разъединитель типа РТЗ — 1150 кВ во включённом положении

Компоновка и конструкция ОРУ разрабатывается для ранее выбранных номинального напряжения, схемы электрических соединений электростанции (подстанции), количества присоединений (линий и трансформаторов), параметров и типов выбранной коммутационной, измерительной и защитной аппаратуры. При выборе компоновки и конструкции необходимо учесть местные условия размещения площадки ОРУ (рельеф, грунты, размеры, коридоры ЛЭП и т.д.). В соответствии с местными условиями и генпланом станции (подстанции) ОРУ принимается с одно-, двух-, трёх- или четырёх-рядным расположением выключателей параллельно или перпендикулярно ряду силовых трансформаторов или машзалу станции (рис. 5.41).

а) б)

в) г)

Рис. 5.41. Виды компоновок схемы 3/2 для четырёх присоединений:

а — однорядная; б — двухрядная; в — трёхрядная; г — четырёхрядная

Таким образом, размеры ОРУ в значительной степени определяются выбранным видом компоновки. Кроме того существенную роль играет состав присоединений и порядок их чередования. ОРУ может быть широким, но коротким, или узким, но длинным. Каждое из решений имеет свои достоинства и недостатки. Например, второе решение для схемы рис. 5.42 предпочтительней, так как позволяет дальнейшее развитие схемы без изменения уже готовой конструкции.

Задачей проектировщика является выбор наиболее целесообразного решения, обеспечивающего надежность, экономичность, безопасность, удобство эксплуатации и возможность расширения, с выполнением всех требований действующих правил и норм.

а) б)

Рис. 5.42. Компоновки схемы «Одиночная секционированная с обходной СШ»:

а — раздельное расположение секций; б — параллельное расположение секций

Рассмотримосновные принципы размещения оборудования.Электрические аппараты ОРУ располагают обычно на горизонтальной плоскости, а соединительные шины и ошиновку — в один или несколько ярусов. Оборудование одного присоединения занимает горизонтальную полосу, которую называют ячейкой. Ячейки для однотипных присоединений одинаковы. Все ячейки размещаются рядом друг с другом, и разработка конструкции ОРУ напоминает сборку моделей из стандартных элементов.

Размеры каждой ячейки определяются типами и габаритами при-меняемого оборудования, а также принятыми согласно ПУЭ изоляционными промежутками (А_ф-ф—А_ф-з — расстояния соответственно между фазами и от фаз до заземленных конструкций) и расстояниями, допустимыми по условиям безопасности для персонала [4].

Решающее значение для определения размеров ячейки и высоты конструкций для установки оборудования и подвески ошиновки имеет разработка конструкции ОРУ с учетом механизмов, с помощью которых будет осуществляться монтаж, а впоследствии и ремонты этого оборудования с сохранением соседних цепей в работе под напряжением. Для определения размеров и конструкций ОРУ в целом существенно решение следующих вопросов [10]:

1. Допустимость прохождения над ремонтируемыми выключателями гибкой ошиновки, находящейся под напряжением какой-либо линии или трансформатора;

2. Высота стульев под оборудование. Ранее эта высота определялась требованиями ПУЭ (от основания фарфора аппарата до земли 2,5 м). При напряжениях 330 кВ и выше существенным является напряженность поля вблизи аппаратов на уровне 1,8 м от земли, следовательно, стулья под аппараты в ОРУ 500—750 кВ должны быть не менее 4 м;

3. Тип ошиновки для сборных шин и перемычек между коммутационной аппаратурой;

4. Типы электрооборудования (разъединители — опорные, подвесные; выключатели — масляные, воздушные и т.д.);

5. Размещение подъездных дорог, монтажных и ремонтных площадок;

6. Способы размещения большого количества кабелей (подземные туннели, наземные короба).

Рассмотрим несколько примеров размещения оборудования в ячейках ОРУ в соответствии с электрическими схемами этих ячеек.

На рис. 5.43 приведены электрические схемы типовых ячеек для двойной системы сборных шин с обходной.

а) б) в) г)

Рис. 5.43. Электрические схемы типовых ячеек

для схемы двойная система сборных шин с обходной СШ:

а — обходной выключатель; б — линия; в — трансформатор;

г — шинно-соединительный выключатель.

В соответствии с этими схемами разработаны типовые конструкции этих ячеек для напряжения 220 кВ (рис. 5.44—5.47). Размеры реальных схем могут отличаться от типовых из-за различий в габаритах применяемых электрических аппаратов (выключателей, разъединителей, измерительных трансформаторов).

Рис. 5.44. Конструкция ячейки обходного выключателя

для схемы двойная система сборных шин с обходной: а — разрез; б — план

Рис. 5.45. Конструкция ячейки линии

для схемы двойная система сборных шин с обходной: а — разрез; б — план

Рис. 5.46. Конструкция ячейки трансформатора

для схемы двойная система сборных шин с обходной: а — разрез; б — план

Рис. 5.47. Конструкция ячейки шинносоединительного выключателя

для схемы двойная система сборных шин с обходной: а — разрез; б — план

Например, если в конструкциях рис. 5.44—5.47 вместо горизонтально-поворотного линейного разъединителя применить подвесной и совместить неподвижный контакт с трансформатором тока, можно уменьшить длину ячейки, но при этом высота линейного портала увеличится.

В качестве другого примера, рассмотрим последовательные стадии разработки конструкции ОРУ 500 кВ, выполненной по схеме квадрата. Электрическая схема распределительного устройства приведена на рис. 5.48.

Рис. 5.48. Электрическая схема квадрата в компоновке 4/3

Схемы многоугольников часто являются схемами начальных этапов при строительстве электростанций и подстанций. В дальнейшем осуществляется переход к другим схемам (3/2 или 4/3) при этом оборудование на первом этапе размещается в соответствии с компоновкой схемы на конечном этапе. В нашем примере на последнем этапе предполагается компоновка по схеме 4/3 с двухрядным расположением выключателей.

Компоновки ОРУ с номинальным напряжением более 330 кВ имеют особенности, связанные с установкой на линиях электропередач шунтовых реакторов. В соответствии с требованиями ПУЭ [4] и условиями ремонта выключателей с использованием имеющихся монтажно-ремонтных механизмов, расстояние между фазами выключателей 500 кВ принято 12 м, а от оси их установки до оси дороги — 10 м.

При конструировании ОРУ 500 кВ в соответствии с выбранной схемой применяют различные компоновки, имеющие разные области использования.

Простейшей для схемы с полутора выключателями на присоединение является трёхрядная установка выключателей с установкой шунтовых реакторов вдоль оси линейных порталов [ 4 ] (рис. 5.49). Такая компоновка позволяет сократить количество конструкций, изоляторов, токоведущих шин, а также площадь ОРУ. Однако установка шунтовых реакторов у линейных порталов увеличивает ширину РУ, что может быть неприемлемо при её ограничении. Кроме того, в случае использования такого РУ на электростанции, шунтовые реакторы при монтаже необходимо перемещать к месту установки на большие расстояния от площадки машинного зала, либо сооружать специальную трансформаторную мастерскую вблизи их установки.

Еще одним недостатком такой компоновки является невозможность чередования мест присоединения ЛЭП и трансформаторов, что снижает надежность схемы на период ремонтов выключателей.

Рис. 5.49. ОРУ 500 кВ для схемы 3/2 с трёхрядной установкой выключателей и размещением шунтовых реакторов со стороны линейных порталов: а — разрез; б — план. шаг ячейки 28 м;

1 — высокочастотный заградитель; 2 — шунтовой реактор

В случае ограничения ширины строительной площадки ОРУ существует типовое решение, позволяющее уменьшить этот размер путем установки шунтовых реакторов в одном ряду с силовыми трансформаторами. Однако такое решение приводит к удвоению количества ячеек и соответственному увеличению длины РУ, расхода металлоконструкций, изоляторов и проводников