книги из ГПНТБ / Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий учебник

взаимного расположения шин — широкой или узкой сто­ роной (рис. 6-21). При двух шинах величина Кя зависит также от эффекта близости, который учитывается коэф­ фициентом К б, так что Кя = К пКв. Величина К б может быть меньше и больше единицы в зависимости от того, становится ли распределение плотности тока по высоте сечения шины более или менее равномерным. Например, при расположении шин А 10 х 100 мм широкими сторо­ нами друг к другу с зазором 10 мм и при противополо­ жных направлениях тока (рис. 6-21, б) величина К я уменьшается до 1,04, так что Кв = 1,04 : 1,175 = 0,885.

Кд—2,03

Рис. 6-22. Векторы токов шин в пакетах из трех и четы­ рех шин прямоугольного сечения.

При одинаковых направлениях тока (рис. 6-21, в) Кд уве­ личивается до 1,36, так что Ка = 1,36 : 1,175 -- 1,16.

Эффект близости называется п о л о ж и т е л ь н ы м при получении более равномерного распределения плот­ ности тока по высоте шины (К0 < 1) и о т р и ц а т е л ь - II ы м при увеличении неравномерности (KQ > 1).

При расположении прямоугольных шин узкими сторо­ нами друг к другу при обоих направлениях тока эффект близости будет отрицательным, однако одинаковое направ­ ление тока дает значительно более равномерное распреде­ ление плотности тока (рис. 6-21, д), чем при токах проти­ воположного направления (рис. 6-21, г).

В пакетах из трех и четырех шин, несущих токи одного направления, происходит дальнейшее вытеснение тока на крайние шины, кроме того, токи в отдельных шинах полу­ чаются разными по величине и по фазе (рис. 6-22). В ре­ зультате этого происходит дальнейшее увеличение Кя до

200

1,6 при трех и до 2,03 — при четырех тинах в пакете. Рационально расположение четырех шин в пакете в виде квадрата, с зазором для вентиляции, что создает симмет­ ричные условия для всех четырех шин, делает распреде­ ление тока в них более равномерным и снижает величину

f i r x r A r " x m r

Рис. 6-23. Схемы расположения шин в пакетах для однофазных цепей.

а, б — рекомендуемые; в — нерекомендуемые.

К л до 1,25. Поэтому при числе шин более трех рекоменду­ ется переходить на схему квадрата, если нельзя использо­ вать положительный эффект близости. В последнем слу­ чае прямоугольные шины располагаются в сетях однофаз­ ного тока, как указано на рис. 6-23, т. е. с чередованием прямых и обратных токов; при двухрядном расположении пакетов необходимо шины

ного переноса мощности, для уяснения которого пред­ варительно рассмотрим схему двух элементарных однофаз­ ных цепей со взаимной индуктивностью (рис. 6-24).

При напряжениях U1 U2 токи в обеих цепях будут

равны:

и

r + f (x + kz) •

При напряжениях Ux = — U%

201

При напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°, т. е. при U2 = t/jé?-^1200, токи в цепях не будут равны; в опе­ режающей по фазе цепи ток І г будет меньше, а в отстающей цепи І х — больше:

Uг

h = - -Дгі+ 7 (х — Дж,)’

U2

г -р А г 2 + / (х — А х 2) ’

где Дгг и Аг2 — так называемые вносимые сопротивления, характеризующие индуктивный перенос мощности из опережающей по фазе цепи 2 в отстающую цепь 1.

wMßß — wMgc—kfzE

wMflc ~ kfâX

шМлс

Рис. 6-25. Схема трехфазной несимметричной цепи с взаимоиндуктивностыо.

Величина переносимой мощности І\Агх — /ІАг2 обус­ ловливает разницу в мощности, расходуемой на нагрев сопротивления г в обеих цепях:

Г\г — І\г = (І\ — II) г.

Отношение токов I J I 2 = Аеіа является комплексной величиной, в которой А — модуль, зависящий от коэф­ фициента магнитной связи к и отношения х/г, а а > 120° — угол между векторами токов, который стремится к 180° при увеличении к, и отношения х/r. Таким образом, при напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°, токи в цепях 1 я 2 получаются разными по величине и их векторы по­ ворачиваются в разные стороны, стремясь к бифилярности, и размагничивают друг друга, что выражается уменьше­ нием индуктивного сопротивления х на величины Ахх и Дж2. Одновременно происходит индуктивный перенос мощности из опережающей по фазе цепи в отстающую.

В трехфазных цепях происходит перенос мощности во всех трех фазах; если проводники расположены симме­ трично по треугольнику, этот перенос мощности не про­ является, поскольку он одинаковый по всем фазам. При расположении проводников в одной плоскости (рис. 6-25)

%0%

минимальный ток всегда получается в опережающей фазе А, а максимальный ток в зависимости от коэффициента

Явление переноса мощности резко проявляется в уста­ новках с большими токами и магнитными полями, в част­ ности в коротких сетях электропечей. Опережающая фаза

АГА"А"Г в' в"в'п с'сггст

а)

а ' в , с га ” в ” с г'а,"в ,"сг"

D D

г)

Рис, 6-26. Схемы расположения шин трехфазного тока.

А , имеющая минимальный ток, получила наименование «мертвой» фазы, а фаза с максимальным током — «резкой» или «дикой» фазы. В дуговых печах под электродом «мер­ твой» фазы металл не догревается, а под электродом «дикой» фазы получаются перегрев маталла и неспокой­ ный режим дуги, что ухудшает работу электропечи. В за­ висимости от конфигурации короткой сети и конструкции электропечи «мертвой» или «дикой» фазой могут быть как крайние фазы, так и средняя.

Эффект переноса мощности может оказывать положи­ тельное и отрицательное влияние на распределение плот­

203

ности тока по сечению шин, в зависимости от получаю­ щейся равномерности плотности тока.

На практике в установках напряжением до 1 000 В применяются следующие расположения шин трехфаз­ ного тока (рис 6-26).

С х е м а р а с щ е п л е н н ы х ф а з (рис. 6-26, а) является нерациональной; она допустима при числе шин до трех; при четырех шинах схема допустима с располо­ жением шин одной фазы по сторонам квадрата или с при­ менением шин специального профиля. Она применяется в установках напряжением выше 1 000 В, когда сближе­

установке карбидной элек­ тропечи с ошиновкой по схеме переплетенных фаз, вы­ полненной из 24 шин (по 8 шин на фазу), токи по фазам Л, В и С составили соответственно 26,8; 32,7 и 28,6 кА. Эта схема применяется в зарубежных закрытых магистраль­ ных шинопроводах (рис. 6-27) и коротких сетях электро­ печей при схеме соединений обмотки вторичного напря­ жения печного трансформатора в звезду. Вследствие значительного проявления эффекта переноса мощности эта схема не является оптимальной.

С х е м а с п р я м ы м и и о б р а т н ы м и п р о - в о д а м и и с в ы н о с о м т р е у г о л ь н и к а или схема передачи трехфазного тока по шести проводам или по числу проводников, кратному шести (рис. 6-26, в), вследствие бифилярности проводников дает низкие зна­ чения Кя = 1,02 ч- 1,04 и индуктивного сопротивления в шихтованной части. Схема имеет следующие недостатки. При увеличении числа проводников в 2 раза и уменьшении тока в каждом проводнике в 1,73 раза расход металла

204

увеличивается в отношении 2 : 1,73 = 1,155, или на 15,5%. Схема может быть применена для передачи элек­ троэнергии только к одному мощному приемнику, напри­ мер к электропечи, где шины соединяют в треугольник на электродах или перед гибкой частью короткой сети. При соединении шин в треугольник очень важно иметь одинаковые сопротивления всех фаз, так как в противном случае в треугольнике, образованном обмотками вторич­ ного напряжения трансформатора и ошиновкой до обра­ зования треугольника, возможно протекание токов ну­ левой последовательности, которые не проявляются во

Рис. 6-28. Векторные диаграммы токов и кривые квадратов плотностей токов в отдельных шинах.

а — с расщепленными фазами; б — с переплетенными фазами; в — со спаренными фазами.

внешней сети, но могут перегрузить обмотки вторичного напряжения трансформатора. Схема с прямыми и обрат­ ными проводами имеет ограниченное применение.

С х е м а с о с п а р е н н ы м и ф а з а м и исполь­ зует эффект переноса мощности таким образом, что пере­ пое получается симметричным по всем фазам и скомпен­ сированным. В этой схеме при двух шинах на фазу каждая половина одной фазы связывается индуктивно с половина­ ми каждой остальной фазы. Если в одной паре она высту­ пает как отстающая фаза, то в другой паре — как опере­ жающая. В результате получается оригинальная маг­ нитно-уравновешенная система, являющаяся симметрич­ ной при несимметричном положении проводников. Как указывалось выше, в индуктивно связанных цепях с на­ пряжениями, сдвинутыми по фазе на 120°, в каждой паре

205

фаз происходит взаимное размагничивание и поворот векторов в разные стороны на угол больше 120°. Полная векторная диаграмма токов в схеме со спаренными фазами и распределение плотности тока по высоте шины полу­ чаются более благоприятными, чем при других схемах (рис. 6-28 а, б). Схема спаренных фаз была впервые опубликована в 1943 г. Фишером и Фрэнком; в 1954 г. Кэтальдо и Шекман показали дополнительные преиму­ щества этой схемы при несимметричных нагрузках. В 1956 г. автором было дано теоретическое обоснование

носительно другой стано­ вится безразличным. Каждая пара шин может быть заключена в стальной кожух, который увеличивает ин­ дуктивную связь в паре и тем самым эффект переноса мощности. Поскольку положение пар относительно друг друга безразлично, то по конструктивным'соображениям наиболее распространенными схемами расположения шин в шестиполосных шинопроводах по схеме спаренных фаз

жения приняты в конструкциях магистральных шинопро­ водов типа ІПМАна 1600—2 500 и 4000 А. Разрабатываются шинопроводы на 6 300 А.

Величина Ад при бифилярной проводке прямоуголь­ ными шинами получается 1,02—1,04. Учитывая увели­ чение поворота векторов тока на 15%, получаем теорети­ ческое значение Кп = 1,02 -1,152 = 1,35.

Практически поворот векторов тока в реальных усло­ виях не достигает 30° и величина Ка получается равной

206

примерно 1,3. Одновременно уменьшается индуктивное сопротивление шинопроводов со спаренными фазами типа ШМА на токи 1 600, 2 500 и 4 000 А до 0,02 Ом/км.

Преимущество схемы со спаренными фазами состоит также в том, что она сохраняет свои положительные ка­ чества при несимметричной и даже однофазной нагрузке в стационарном режиме и при переходных^ процессах^ При нагрузке фаз AB в фазе С, образующей замкнутый виток из двух шин с перемычками, индуцируется ток,

Рис. 6-30. Шинопровод серии ШМА58 со спаренными фазами 1 500 А, 380 В, защищенный сеткой, проложен­ ный по нижнему поясу фермы цеха.

восстанавливающий магнитное равновесие системы. Это делает схему наиболее удобной для питания нагрузок от однофазных сварочных машин большой мощности, что подтверждается практикой Горьковского автозавода. На рис. 6-30—6-32 приведены примеры прокладки шинопро­

водов в цехах.

Несмотря тіа широкое распространение шинопроводов типа ШМА их недостаток состоит в отсутствии нулевой шины. Первые конструкции шинопроводов ШМА вообще не имели нулевой шины, что приводило к необходимости прокладывать дополнительную шину вдоль шинопровода при наличии однофазных нагрузок напряжением 220 В. Экспериментальные исследования показали, что в этом

случае ток однофазной нагрузки проходит в основном по кожуху. Сопротивление стального кожуха получается меньше, чем сопротивление цепи фаза-нуль за счет нали­ чия стали кожуха между фазным и нулевым проводами, резко повышающей индуктивное сопротивление. Новая кон­ струкция шинопровода типа ІПМА73 будет иметь боковые стенки из алюминия, выполняющие роль нулевых шин.

Рис. 6-31. Шинопровод серии ШМА58, полностью за­ крытый листом.

При переменных токах 60—120 кА и выше применяются трубчатые медные шины, расположенные по схеме пере­ плетенных фаз, с охлаждением водой. При трубчатом сечении проводника эффект близости получается всегда отрицательным, а магнитные поля всегда больше, чем при бифилярных проводниках прямоугольных шин. Если требуется искусственное охлаждение шин водой для повы­ шения плотности тока и сокращения размеров шинопро­ водов, по конструктивным соображениям более рациональ­ ным является применение пустотелой шины прямоуголь­ ного сечения. Толщина стенки шины должна быть равной глубине проникновения; это может быть обычная шина с трубками для охлаждающей воды, расположенными по середине наружной стороны шины, при этом внутренняя сторона шины должна быть сближена с другой шиной для получения бифилярности.

Гибкая часть короткой сети электропечей выполня­ ется из специальных гибких кабелей марки МГГ 500,

208

1 000 мм2, собрапиых из медных проволок селением 1 мм2. Для экономии меди кабели заключают в резиновый шланг с водяным охлаждением, что позволяет повысить плот­ ность тока и уменьшить число кабелей на фазу. Позднее был разработан специальный гибкий водоохлаждаемый кабель типа КВС-1000. Кабель состоит из стальной спи­ рали, образующей внутренний канал для воды, вокруг

Рис. 6-32. Прокладка шинопроводов серии ШМА68ІІ (ВАЗ в Тольятти).

которого расположены медные проволоки общим сечением 1 000 мм2, снаружи кабель имеет резиновую оболочку. Кабель КСВ-1000 допускает ток 4 500 А при высокой плот­ ности тока (4, 5 А/мм2) за счет водяного охлаждения.

Согласно исследованиям применение водоохлаждаемых кабелей существенно уменьшает индуктивное сопро­ тивление гибкой части короткой сети за счет уменьшения числа кабелей и сближения изолированных кабелей раз­ ных фаз. Это преимущество вполне оправдывает повышен­ ные потери электроэнергии при водяном охлаждении.

6-7. СЕТИ ДЛЯ МНОГОАМПЕРНЫХ УСТАНОВОК ПОСТОЯННОГО ТОКА

К этой группе относятся сети постоянного тока элек­ тролизных установок, установок электромагнитных насо­ сов постоянного тока, а также магистральные сети при

209