- •1.1. Потребление электрической энергии. Требования к качеству энергии и надежности электроснабжения*
- •1.2. Типы электростанций и их характеристики
- •1.3. Режимы энергосистемы и участие электростанций в выработке электрической энергии
- •2.2. Назначение электрического оборудования первичных цепей
- •2.3. Требования, предъявляемые к электрическому оборудованию и токопроводам
- •2.4. Аппараты вторичных цепей. Релейная зашита и элементы системной автоматики
- •3.1. Неизолированные жесткие проводники
- •3.2. Неизолированные гибкие проводники
- •3.3. Изоляторы
- •3.4. Кабели
- •4.1. Общие вопросы теории нагревания
- •4.2. Тепловой расчет неизолированных проводников в продолжительном режиме
- •4.3. Нагревание аппаратов в продолжительном режиме
- •4.4. Нагревание кабелей в продолжительном режиме
- •4.5. Превышение температуры
- •4.6. Нагревание стальных конструкций, расположенных в сильных магнитных полях
- •5.1. Особенности процесса нагревания проводников при коротком замыкании
- •5.2. Термическая стойкость неизолированных проводников
- •5,3. Термическая стойкость кабелей
- •5.4. Термическая стойкость электрических аппаратов
- •5.5. Определение интеграла Джоуля
- •6.2. Простейшие случаи взаимодействия проводников
- •6.3. Электродинамические силы в трехфазном токопроводе при коротком' замыкании
- •7.1. Токопроводы с жесткими проводниками
- •7.2. Токопроводы с гибкими проводниками
- •7.3. Электродинамическая стойкость электрического оборудования
- •8.1. Пофазно-экранированные токопроводы
- •8.2. Токопроводы для напряжений 6—10 кВ и рабочего тока до 3200 а
- •8.3. Токопроводы для напряжений до 1 кВ
- •8.4. Токопроводы с элегазовой изоляцией
- •9.1. Основные понятия
- •9.2. Сопротивление контакта
- •9.3. Нагревание контактов
- •9.4. Конструкции контактов
7.3. Электродинамическая стойкость электрического оборудования
Под электродинамической стойкостью электрического оборудования (коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов тока и др.) понимают его способность противостоять кратковременному (в течение нескольких периодов) электродинамическому (механическому) действию тока КЗ без повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе.
Заводы-изготовители характеризуют электродинамическую стойкость электрического оборудования номинальным током электродинамической стойкости, установленным расчетом и типовыми Испытаниями, а именно: действующим значением и мгновенным значе-
нием При проверке оборудова-
ния на электродинамическую стойкость следует сопоставить номинальные значения токов с соответствующими расчетными значениями:
Необходимость в соблюдении двух условий объясняется тем, что отношение номинальных токов установлено равным 2,55, в то время как отношение расчетных токов может быть меньше и больше 2,55. В первом случае достаточна проверка по второму неравенству, во втором случае — по первому.
Глава восьмая
КОМПЛЕКТНЫЕ ТОКОПРОВОДЫ
8.1. Пофазно-экранированные токопроводы
Комплектным токопроводом принято называть токопровод с жесткими неизолированными проводниками и металлическим кожухом, изготовленный специализированным заводом по техническим условиям, согласованным с заказчиком, и поставляемый к месту установки частями, размеры и масса которых удобны для транспорта. Изоляцией в комплектных токопроводах служит обычно воздух; при высоких напряжениях — элегаз.
В пофазно-экранированных токопроводах (рис. 8.1) проводники каждой фазы вместе с опорными изоляторами охвачены проводящими заземленными экранами — кожухами, назначение которых заключается в следующем: 1) обеспечить безопасность обслуживания; 2) защитить проводники, изоляторы от пыли, влаги, случайного попадания посторонних предметов; 3) исключить возможность междуфазных замыканий в пределах токопровода; 4) уменьшить электродинамические силы взаимодействия между проводниками при внешних КЗ; 5) устранить нагревание индуктированными токами стальных несущих конструкций, арматуры железобетонных стен и перекрытий (§ 4.6).
Последние два требования могут быть выполнены, если внешнее магнитное поле (вне кожухов) будет возможно полнее компенсировано токами, индуктированными в кожухах. Это и имеет место в токопроводах с непрерывной замкнутой системой
кожухов типа ТЭН (токопровод экранированный, непрерывный). Как видно из схемы рис. 8.2, секции кожухов каждой фазы соединены между собой сваркой. По концам токопровода кожухи трех фаз соединены с помощью приваренных алюминиевых перемычек в виде плит или труб. Заземляют экраны в одной точке, для чего одну из перемычек присоединяют к контуру заземления электростанции.
Таким образом, кожухи образуют замкнутую трехфазную систему. В рабочем режиме в них индуктируются токи, приблизительно равные токам в проводниках, но направленные противоположно. Они проходят вдоль кожухов, распределяясь равномерно по периметру, и переходят из одного кожуха в два других по концам токопровода. Геометрическая сумма их равна нулю. Эти токи в дальнейшем называются циркулирующими в отличие, от вихревых токов, замыкающихся в пределах кожуха каждой фазы (подробнее ниже). Циркулирующие токи уменьшают внешнее магнитное поле токопровода. Если бы токи в кожухах в точности соответствовали токаем в проводниках и находились с ними в фазе, то внешнее магнитное поле отсутствовало бы. Однако кожухи обладают активным сопротивлением. Вследствие этого токи в кожухах не точно совпадают по фазе с токами в проводниках и внешнее магнитное поле компенсируется не полностью. Однако в рабочем режиме индукция внешнего поля настолько мала, что опасность нагревания стальных конструкций индуктированными в них вих-
Экранирующее действие непрерывной системы кожухов удобно проследить на примере однофазного (двухпроводного) токопровода [8.1]. Допустим, что ток в проводнике фазы А (рис. 8.3) соответствует периодической составляющей тока КЗ с постоянной амплитудой. Требуется определить индукцию внутри кожуха фазы В. В кожухе фазы А индуктируется циркулирующий ток I'А, близкий по значению
к току но сдвинутый по фазе на некоторый угол вследствие влияния активного сопротивления кожуха. Этот угол невелик, поскольку активное сопротивление кожуха значительно меньше индуктивного сопротивления. Ток
замыкается через кожух фазы В (на рисунке не показано). Магнитный поток, охватывающий кожух фазы А, определяется геометрической суммой токов и —или так называемым остатрчным током, не превышающим . Следо-
вательно, магнитная индукция вокруг кожуха фазы А от периодической составляющей тока КЗ не превышает 0,1 соответствующего значения при отсутствии кожуха. Этот уменьшенный магнитный поток индуктирует в кожухе фазы В периодические вихревые токи, замыкающиеся у пределах кожуха. В одной половине кожуха они направлены так -же, как в проводнике фазы А, в другой половине — в противоположную сторону. Вихревые токи значительно меньше циркулирующих токов, однако они достаточны, чтобы препятствовать проникновению магнитного поля в кожух. В результате магнитная индукция около проводника В не превышает 0,01 соответствующей индукции при отсутствии кожухов: она уменьшается в 10 раз циркулирующим током в кожухе фазы А и еще в 10 раз вихревыми токами в кожухе фазы В. Соответственно уменьшается (т. е. практически исчезает) электродинамическая сила на проводник В, обусловленная периодической составляющей тока КЗ.
В переходном режиме ток КЗ содержит не только периодическую, но и апериодическую составляющую, затухающую с постоянной времени. Поэтому при КЗ токи, индуктируемые в кожухах, также содержат апериодические составляющие, уменьшающие апериодическую составляющую индукции внешнего магнитного поля, а также поля в кожухах. Эти токи затухают с постоянными времени, значительно меньшими постоянной(значение последней принято здесь 0,4 с). В начальный момент апериодическая составляющая индукции вокруг кожуха А равна нулю, поскольку
она полностью компенсируется апериодической составляющей циркулирующего тока, возникающего в кожухе. По мере затухания последнего составляющая магнитной индукции увеличивается, достигает максимального значения и затем уменьшается вследствие затухания апериодической составляющей тока КЗ (рис. 8.4, кривая ). Проникновению магнитного поля в кожух фазы В препятствуют апериодические вихревые токи, появляющиеся в этом кожухе. Максимальное значение индукции в кожухе фазы В от апериодической составляющей тока КЗ зависит от постоянной времении постоянных времени контуров циркулирующих и вихревых токов. В ряде выполненных токопроводов максимальная индукция внутри кожухов приблизительно в 4 раза меньше соответствующего значения индукции при отсутствии кожухов. Соответственно уменьшается электродинамическая сила на проводники.
Поскольку ток в проводниках содержит периодическую и апериодическую составляющие, а магнитная индукция в кожухах только апериодическую составляющую (периодическая составляющая ничтожно мала), электродинамическая сила на проводники также содержит периодическую и апериодическую составляющие. Составляющая двойной частоты, характерная для неэкранированных токопроводов (см. § 6.3), здесь отсутствует. Кривая F на рис. 8.4 представляет собой огибающую по мак-
симальным значениям электродинамической силы. Максимальное значение электродинамической силы составляет приблизительно 0,25 соответствующего значения при отсутствии кожухов. Существенно важно, что этот максимум наступает спустя 8 — 9 периодов после момента замыкания, когда периодическая составляющая тока КЗ несколько уменьшается.
Электродинамические силы на кожухи при КЗ, отнесенные к единице длины, равны произведению тока в кожухах и индукции магнитного поля от соседних проводников с учетом экранирующего действия соответствующих кожухов. Как указано выше, при хорошо проводящих кожухах снижение периодической составляющей магнитного потока, вызванное влиянием кожуха, больше снижения апериодической составляющей. Электродинамическая сила на кожухи определяется в основном апериодической составляющей тока КЗ. Она несколько меньше силы на проводники, что объясняется относительно быстрым затуханием апериодической составляющей тока КЗ. В целом электродинамическая стойкость пофазно-экранирован-ных токопроводов очень высока; ток электродинамической стойкости достигает 560 — 750 кА, Несмотря на большие расстояния между опорами.
Из изложенного следует, что непрерывная замкнутая система кожухов, охватывающая проводники с током, обеспечивает в рабочем режиме почти полную компенсацию внешнего магнитного поля токопровода. Следовательно, в окружающих стальных конструкциях не возникают сколько-нибудь заметные потери мощности от индуктированных токов и перемагничивания. При КЗ экранирующее действие кожухов также весьма заметно. Электродинамические силы на проводники обусловлены в основном апериодической составляющей тока КЗ.'Они в несколько раз меньше электродинамических сил на проводники при отсутствии кожухов. Электродинамические силы на кожухи еще меньше. Эти положительные качества экранированных токопроводов приобретены за
счет значительного увеличения расхода цветного металла, дополнительных потерь энергии в кожухах и ухудшенных условий теплоотдачи от проводников в окружающую среду. Последнее объясняется тем, что нагретый кожух представляет собой барьер, препятствующий передаче тепла от проводников в окружающую среду. Чтобы обеспечить отвод тепла от проводников, температура их должна быть выше температуры кожухов. Номинальная температура для проводников в продолжительном режиме установлена равной 120°С, т.е. значительно выше соответствующей температуры для неэкранированных шин. Такая температура может быть допущена при условии, что большая часть электрических соединений выполнена сваркой, а контактные поверхности болтовых соединений покрыты слоем серебра. Номинальная температура для кожухов установлена равной 80 °С при температуре воздуха 35 °С.
В кожухах токопровода индуктируется ЭДС, равная произведению тока в проводниках и взаимного индуктивного сопротивления между проводником и кожухом. Эта ЭДС составляет приблизительно 3 — 4 мВ на 1 м длины кожуха и на 1000 А рабочего тока и не' представляет опасности для обслуживающего персонала.
Конструкции пофазно-экранированных токопроводов. В токопроводах этого типа [8.2] в качестве проводников используют исключительно алюминиевые трубы кольцевого сечения. Диаметр трубы и толщину стенки определяют из теплового расчета, руководствуясь установленными максимальными температурами для проводников и кожухов. Кожухи токопровода изготовляют из листового алюминия толщиной 4 — 6 мм в виде секций длиной 10—12 м. Диаметр кожухов определяется диаметром проводников и двойной высотой изоляторов. Последние вводят в кожухи снаружи через отверстия в стенках и укрепляют болтами. В случае необходимости любой изолятор можно вынуть и заменить другим. Расстояние между изоляторами по длине токопровода составля-
ет 4 — 5 м, т. е. значительно больше обычных расстояний в неэкранированных токопроводах сборного типа. Проводники плотно прилегают к головкам изоляторов.
Изготовленные таким образом секции собирают в трехфазную систему на месте установки и связывают поперечными двутавровыми балками. Продольная несущая конструкция для токопроводов с непрерывной системой-кожухов не требуется, поскольку кожухи обладают значительной жесткостью и могут быть установлены на опорах с пролетом до 15 —20 м. Как проводники, так и кожухи отдельных секций соединяют сваркой. Чтобы обеспечить свободную деформацию проводников и кожухов при изменении температуры, предусматривают тепловые компенсаторы. Во избежание проникновения в кожухи пыли и влаги их надежно герметизируют.
В токопроводы могут быть встроены разъединители, заземлители, измерительные трансформаторы тока и напряжения. Токопроводы для блочных агрегатов генератор - трансформатор изготовляют с ответвлениями для присоединения трансформаторов собственных нужд.
Большая часть токопроводов с номинальным током вплоть до 15 — 20 кА работает с естественным воздушным охлаждением. Имеются токопроводы, выполненные с проточной вентиляцией и водяными охладителями. При этом размеры проводников и кожухов могут быть уменьшены. Целесообразность такой конструкции должна быть'проверена соответствующим технико-экономическим расчетом с учетом местных условий.