Открытые шинные конструкции

ВВЕДЕНИЕ

Основное электротехническое оборудование электрических станций и подстанций (генераторы, трансформаторы, синхронные компенсаторы) и аппараты (выключатели, разъединители, короткозамыкатели и отделители, трансформаторы тока и напряжения, реакторы, разрядники и др.) соединяются между собой различными по конструкции токоведущими элементами, которые образуют токопроводы.

Токопровод – это устройство, выполненное в виде пакетов шин или пучка электрических проводов в комплекте с изоляторами и конструкциями и предназначенное для передачи электрической энергии в пределах электростанции, подстанции или цеха.

На промышленных предприятиях токопроводы (ТП) применяют в качестве магистральных линий от источника питания (теплоэлектроцентрали, районной подстанции) к цеховым подстанциям и отдельным мощным электроприемникам. Токопроводы высокого напряжения прокладывают в закрытых галереях, туннелях или на открытом воздухе. Наиболее выгодны экономически открытые токопроводы, особенно гибкие подвесные, если применение их возможно по климатическим условиям и характеру производства.

В качестве токопроводов для передачи электроэнергии от генераторов, трансформаторов и распределительных устройств (РУ) на электростанциях и подстанциях применяют шинные мосты открытого исполнения, гибкие связи и комплектные токопроводы.

Открытые шинные конструкции

Шинной конструкцией называют систему неизолированных проводов (шин), установленных на опорные изоляторы. Они получили широкое распространение для соединения генераторов с трансформаторами и РУ, для выполнения систем сборных шин распределительных устройств различного напряжения, а также для передачи значительных мощностей на расстояние до 1,5-2 км. Неизолированные проводники дешевле изолированных, обладают большей нагрузочной способностью по току, проще в монтаже и эксплуатации.

В электроустановках напряжением до 35 кВ включительно в качестве токоведущих элементов применяют профили и трубы, по форме и размерам соответствующие ГОСТам 15175-70, 15176-70, 434-78, 18432-79, 18475-82. При этом стремятся получить наибольшую нагрузочную способность шин при возможно меньшей затрате металла, достаточной механической прочности конструкции, удобном креплении и крепеже.

Токоведущие части шинных конструкций изготавливают из алюминия марок А8, А85, АДО, АД1, алюминиевых сплавов АМц, АМцС, АМц07, АК6, АМн, АДЗ1, АВ, Д1, 1995 и меди – ШММ, ШМТ. Трубы могут быть круглые (КР), квадратные (КВ), прямоугольные (ПР), фасонные (ФС), по форме и отожженные (М), нагартованные (Н), закаленные и естественно состаренные (Т), закаленные и искусственно состаренные (Т1), нагартованные после закалки и естественно состаренные (ТН), нагартованные после закалки и искусственно состаренные (Т1Н) по состоянию холоднодеформированные трубы.

Круглые трубы изготавливают наружным диаметром от 6 до 150 мм и толщиной стенки S от 0,5 до 5 мм. Квадратные трубы изготавливают со стороной а от 10 до 48 мм и толщиной стенки от 1 до 5 мм. Прямоугольные трубы изготавливают с размерами а от 14 до 60 мм, b – от 10 до 40 мм. Средней толщиной стенки от 1 до 5 мм. Прессованные трубы изготовляют круглой и фасонной формы наружным диаметром от 18 до 300 мм и толщиной стенки от 1,5 до 40 мм. Фасонные трубы изготовляют по чертежам, согласованные между изготовителем и потребителем.

Сортамент шин прямоугольного сечения из алюминия и алюминиевых сплавов определен. Шины прямоугольного сечении изготовляют на различные линейные размеры (со стороной Н от 3 до 110 мм и стороной В от 10 до 500 мм) площадью сечения от 0,3 до 258 см².

При разработке конструкции распределительных устройств электрических станций и подстанций применяют преимущественно токоведущие части из алюминия и алюминиевых сплавов. Медные шины устанавливают в тех случаях, когда использование алюминиевых шин невозможно из-за коррозии, недостаточной гибкости и прочности и т.п.

В цепях с большими рабочими токами применяют многополосные шины, набранные в пакет из двух и более полос на фазу [рис.1б,в] с прокладками между полосами, равными по длине стороне Н полосы. С увеличением числа полос на фазу допустимое значение тока, нагрузки возрастает не пропорционально числу полос в пакете. Снижается отвод тепла путем лучеиспускания и конвекции с внутренних поверхностей пакета. На переменном токе, кроме того, проявляется влияние эффекта близости, вызывающего перераспределение токов в проводниках (под действием переменного магнитного поля соседнего проводника). Все это усиливает неравномерность распределения тока в проводнике, в результате чего активное сопротивление его возрастает, а допустимый ток нагрузки уменьшается. При числе полос в пакете три и более эффект близости приводит к значительной неравномерности распределения тока в полосах пакета: в средних полосах ток в полтора-два раза меньше, чем в крайних. В результате этого металл в пакете используется неэффективно по сравнению с одиночными шинами. Поэтому при переменном токе лучше применять не более двух (в виде исключения трех) полос в пакете. При постоянном токе, когда эффект близости не проявляется и ток распределяется равномерно между полосами пакета, можно применять пакеты с большим числом полос.

При больших рабочих токах чаще всего применяют трубы и четырехполосные и корытные шины. (рис. 1г - з)Главной особенностью этих шин является расположение материала по периферии сечения. Этим достигается малое проявление поверхности эффекта и эффекта близости, хорошие условия теплоотдачи с поверхности и высокая механическая прочность.

Рис. 1. Профили и трубы электротехнического назначения.

Трубчатые шины сложнее при изготовлении и монтаже. Поэтому их применяют при изготовлении мощных токопроводов на напряжение до 35 кВ и в сетях 110 кВ и выше. В установках напряжением 110 кВ и выше трубчатые шины достаточно большого диаметра позволяют избежать коронирования, что повышает надежность электроустановок. Следует отметить, что в электроустановках 110 кВ и выше шины прямоугольного сечения не используются из-за коронирования.

Системы сборных шин РУ представляют собой неизолированные, сравнительно массивные проводники прямоугольного, круглого и других профилей сечения. В пределах РУ все ответвления от шин присоединения к аппаратам выполняются так же голыми проводниками, образующими ошиновку. Сборные шины являются наиболее ответственной частью электроустановки, так как связывают между собой все присоединения электрического распределительного устройства.

В помещении РУ шины монтируются на специальных полках или каркасах аппаратных ячеек. Шины укладываются на опорных фарфоровых изоляторах на ребро или плашмя и закрепляются при помощи шинодержателей. При большой длине токопровода в местах присоединения к аппаратам устанавливают шинные компенсаторы. Это снижает усилие на шину и аппарат от температурного расширения.

Коэффициент теплоотдачи шин, закрепленных на ребро, на 10-15% выше, чем расположенных плашмя. Шины, обращенные к соседним своей узкой стороной (ребром), обладают большей механической устойчивостью. Для улучшения теплоотдачи, защиты от коррозии и удобства эксплуатации (облегчается ориентировка обозначения фаз) шины окрашиваются в разные цвета с соблюдением ГОСТа 9.104-79.

При рабочих токах, превышающих допустимые для двухполюсных шин наибольшего сечения, более целесообразно применять трубчатые шины, дающие возможность лучше использовать проводниковый материал и повысить механическую прочность конструкции. Для обеспечения большей компактности и надежности электроустановок в ОРУ высокого напряжения (110 кВ и выше) все шире используют жесткую ошиновку, позволяющую уменьшить изоляционные расстояния между токоведущими частями и землей. Для устранения коронирования при этом применяют трубчатую ошиновку из алюминия или алюминиевого сплава вместо подвески двух и более гибких проводов в фазе с большим числом концевой аппаратуры и различных типов зажимов.

В электроустановках высокого напряжения зарубежных стран находят применение токопроводы более сложной конструкции (с дву­мя эллипсами и перемычкой между ними и сборные трубчатые шины).

Гибкие токопроводы

При выполнении систем сборных шин РУ и свя­зей междуисточниками питания и распределительными устройствами напряжением 35 кВ и выше применяют, как правило, гибкие токопроводы. Они изготовляются, как и воздушные линии, из многопроволочных прово­дов.

Для изоляции и крепления гибких проводов в электроустановках всех напряжений применяют подвесные, а в сетях до 35 кВ включитель­но - и линейные штыревые изоляторы. Многопроволочные провода могут быть выполнены из одного (меди, алюминия, алюминиевого сплава, ста­ли) или двух металлов, например, алюминия и стали (так называемые сталеалюминиевые провода).

Расчетные параметры многопроволочных проводов из меди, алюминия марок AT и АТп и алюминиевого сплава ABE (сечение, диаметр, электрическое сопротивление 1 км провода постоянному току при 20°С, разрывное усилие провода, масса 1 км провода и т.д.). ГОСТу 839-80 Е соответст­вуют следующие марки проводов: М, А, Ап, АКП, АпКП, АН, АНКП, АЖ, АЖП, АС, А_НС, АСКС, АпСКС, ДСКП, АпСКП, AСK, АпСК, Они различа­ются конструкцией, материалом, сроком службы (от 10 до 45 лет), областью преимущественного применения и т.п. Основные характерис­тики проводов приведены в обозначении их марок.

Сталеалюминиевый провод с заполненным межпроволочным простран­ством стального сердечника нейтральной смазкой повышенной тепло­стойкости, с номинальными сечениями алюминиевой части 450 мм² и стального сердечника 56 мм²: провод АСКС 450/56.

То же, провода из алюминиевого термообработанного сплава, с номинальным сечением 50 мм²: провод АЖ 50.

То же, провода из алюминиевого термостойкого сплава, с запол­ненным межпроволочным пространством всего провода, за исключением наружной поверхности, нейтральной смазкой повышенной теплостойкос­ти, с номинальным сечением 50 мм²: провод АЖКП 50.

Гибкие токопроводы нашли также распространение на электриче­ских станциях при соединении находящихся на значительном расстоя­нии трансформаторов связи и генераторов с системами сборных шин распределительных устройств напряжением 6-10 кВ. Такие токопроводы состоят из пучка многопроволочных проводов и равномерно распределенных по окружности крепящего кольца-обоймы. Кольца с токоведущими проводами крепятся к стальным или сталеалюминиевым проводам, воспринимающим механическую на­грузку.

Для устранения (уменьшения) коронирования при сооружении РУ высокого напряжения (220 кВ и выше) применяют расщепление фаз, т.е. каждую фазу токопровода выполняют из двух и более гибких проводов, расположенных на определенном расстоянии между собой. В сетях 220 кВ это расстояние составляет 20-30 см, на напряжении 330-750 кВ 40 см, а на 1500 кВ - 60 см.

Отказ от расщепления фаз путем применения при сооружении сбор­ных шин, полого провода, скрученного из фасонных алюминиевых или медных проволок, позволяет снизить расход материала на 20-35%, упростить и удешевить конструкцию РУ высокого напряжения (500 кВ и выше).

Комплектные токопроводы

Комплектный токопровод – электротех­ническое устройство, служащее для передачи электроэнергии, защищен­ное сплошными металлическими оболочками, состоящее из шин, изолято­ров, встраиваемых измерительных трансформаторов и других аппаратов, и поставляемое крупными блоками в собранном либо подготовленном для сборки виде.

В цепях генераторного напряжения на электростанциях с агрегатами мощностью 100 МВт и выше, где требуется высокая степень надежности, взамен гибких связей и шинных мостов открыто­го исполнения получили преимущественное распространение комплект­ные токопроводы . Особенно целесообразно применение комплектных токопроводов (КПТ) в устройствах на большие номинальные токи (до 25000 А) для цепей с незначительной протяженностью и ответвлениями (отпайками).

В настоящее время для тепловых и атомных электростанций освоен выпуск комплектных токопроводов следующих назначений:

генераторного напряжения, предназначенного для соединения выводов генератора с повышающим трансформатором и трансформатором CH;

собственных нужд (напряжениями 6, 10 кВ) для соединения выводов рабочих ТСН со шкафами КРУ, а также для цепей резервного питания СН;

собственных нужд напряжением 0,4 кВ дляцепей, идущих от резервного ТСН к сборкам других блоков;

резервного возбуждения турбогенераторов, предназначенных длясоединения цепей от сборок резервных возбудителей к сборкам возбудителей всех турбогенераторов станций,

Применение КТП имеет следующие основные преимущества по сравнению с другими способами соединения элементов электротехнических устройств:

обеспечивается более высокая степень эксплуатационной надежности и безопасности обслуживания электроустановки;

достигается внедрение индустриальных методов сооружения и монтажа электроустановок;

становится возможной унификация проектных решений за счет применения типовых элементов КТП. Сокращаются объемы и сроки проектирования;

увеличивается комплектность заводской поставки и упрощаются вопросы комплектации и снабжения;

уменьшаются потери электроэнергии;

исключается возникновение междуфазных коротких замыканий, особенно опасных для турбогенераторов большой мощности (при пофазно-экранированном исполнении КТП),

Токопроводы генераторного напряжения могут состоять из следующих составных частей:

секции (блоки) прямолинейные;

секции (блоки) угловые и ответвительные;

секции с трансформаторами тока, напряжения, заземлителями и разрядниками;

секции с проходными изоляторами;

блоки нулевых выводов генераторов;

блоки с трансформаторами тока нулевой последовательности;

блоки (шкафы) или секции выключателей и разъединителей;

узлы примыкания к генераторам, трансформаторам и аппаратам;

узлы компенсации температурных и строительных перемещений ТП;

узлы стыковые;

узлы изоляции оболочек от металлоконструкций;

установки для принудительного охлаждения.

По способу установки изоляторов в оболочке токопроводы бывают со стационарно установленными изоляторами и с выемными изоляторами.

По способу выполнения оболочки пофазно-экранированные токопроводы подразделяют на КТП с секционированной оболочкой и с электрически непрерывной (цельносварной) оболочкой.

В последние годы КТП со стационарно установленными изоляторами (серии КЭТ) и секционированной оболочкой (серии ТЭК) заменяют токопроводами с выемными изоляторами и электрически непрерывной оболочкой (серии ТЭН, ТЭКН) и самонесущей конструкцией.

Конструкции выемных изоляторов имеют два основных исполнения:

ввертываемые в оболочку изоляторы (ТЭК-20, ТЭКП-20, ТЭКН-20)

изоляторы с плоским фланцем, прикрепляемым коболочке с помощью четырех болтов (у ТЭН).

Выемная конструкция изоляторов позволяет выполнить цельносва­рные, электрически непрерывные оболочки, что обеспечивает возмож­ность компенсации внешнего магнитного поля, которая достигается соединением экранов всех трех фаз КТП по его концам. Конструкции КТП с секционированными оболочками (серии КЭТ, и ТЭК) сняты с про­изводства, но находятся в эксплуатации на многих электрических станциях страны.

Классы напряжений гене­раторных токопроводов: 10, 20, 24 и 35 кВ. Номинальные токи токопроводов выбираются из следующего ряда: 1000, 1600, 2000, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31500 А.

Пример условного обозначения токопровода пофазно-экранированного комплектного, с непрерывными оболочками и естественным охлаж­дением, класса напряжения 20 кВ, на номинальный ток 12500 А, с то­ком электродинамической стойкости 400 кА, исполнения У, категории размещения 3; токопровод ТЭКНЕ-20-12500-400 УЗ (Е - естественное охлаждение, П - принудительное).

Назначенный срок службы КТП до первого сред­него ремонта - 8 лет.