- •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
7.2. Токопроводы с гибкими проводниками
Токопроводы рассматриваемого вида впервые были применены в СССР в 20-х годах при сооружении наружных РУ 110 кВ. Мощности станций в то время были невелики, и объединение их в системы только начиналось. Токи КЗ не превышали 5 — 10 к А, и вопрос электродинамической стойкости ТП не возникал. Рабочие токи не превышали 600 А, поэтому в качестве проводников могли быть применены одиночные многожильные провода, которые рассчитывали на действие ветра в условиях гололеда и изменения температуры воздуха в широких пределах. Проводники укрепляли с помощью подвесных изоляторов к стальным или железобетонным опорам (рис. 7.12). Надежность и экономичность таких конструкций не вызывали сомнений.
Позднее по мере увеличения номинального напряжения до 220 — 500 кВ и рабочих токов до нескольких тысяч ампер одиночные провода пришлось заменить пучками из двух-трех проводов большего сечения, чтобы увеличить нагрузочную способность и устранить ко-ронирование. Токи КЗ к этому времени достигли 50—80 кА. В этих новых условиях выявились слабые стороны ТП с гибкими проводниками, а именно: при КЗ вследствие электродинамического взаимодействия провода отклоняются от своего нормального положения; тя-жения проводов и соответствующие нагрузки на опоры резко увеличиваются; возникают качания проводов и опасность чрезмерного их сближения. Вопро- сы электродинамической стойкости стали основными при проектировании ТП.
Тяжения, вызванные взаимодействием проводов в пучках. При КЗ любого вида по проводам пучка проходят значительные токи, которые численно равны и имеют одинаковое направление. Возникают электродинамические силы, стремящиеся сблизить провода. Последние быстро перемещаются навстречу друг другу и смыкаются в пролетах между дистанционными распорками (рис. 7.13). Вследствие изгиба проводов длина пуч-
ка уменьшается, а тяжение проводов быстро увеличивается. Максимум тяже-ния наступает в момент максимального сближения, т. е. когда провода сопри-касаются почти по всей длине. Это первый максимум ,тяжения, возникающий при КЗ. Осциллограммы тока и тяжения Т показаны на рис. 7.14. Первый максимум тяжения обозначен буквой а.
Основными параметрами, определяющими максимум тяжения и время до его наступления, являются: ток КЗ и конструкция пучка (число проводов, расстояние между ними, пролет между дистанционными распорками), а также масса и жесткость опор.
При уменьшении расстояния между проводами увеличиваются электродинамические силы и уменьшается время необходимое для смыкания проводов. Уменьшается также максимум тяжения поскольку уменьшение
длины пучка, вызванное изгибом проводов, становится менее заметным, что видно из кривых, приведенных на рис. 7.15. Кривые построены для следующих условий: провода АС сечением 2 х 1167 мм2; опоры стальные, решетчатые; начальное тяжение на фазу 13,3 кН; периодическая составляющая тока КЗ =70кА; продолжительность КЗ 15 периодов.
Из кривых видно, что при расстоянии между проводами 330 мм максимум тяжения достигает 500 кН (против
начальною 13,3 кН), а время до наступления максимума составляет всего0,032 с. При уменьшении расстояния между проводами до 200 мм максимум тяжения может быть уменьшен вдвое.
При выборе расстояния между проводами пучка необходимо учитывать также: возможность смыкания проводов при рабочем токе в утяжеленном режиме, что должно быть исключено; образование гололеда в промежутках между проводами, что увеличивает нагрузку на провода, изоляторы и опоры; увеличение градиента напряжения на поверхности проводов и вызванные этим радиопомехи; последнее относится к ТП 500 кВ и выше.
Зависимость максимума тяжения от расстояния l, между дистанционными
распорками показана на рис. 7.16. Кривые построены для тех же условий, что и выше. Расстояние между проводами пучка составляет 330 мм. Пролет l между опорами принят равным 27,4; 35,7 и 57 м. Из рисунка видно (ей. правую часть кривой), что по мере увеличения расстояния l1 между дистанционными распорками максимум тяжения уменьшается независимо от пролета. Если увеличение расстояния l1 используется для уменьшения максимума тяжения, необходимо проверить, не смыкаются ли провода при рабочем токе.
Из рисунка также видно, что при очень малых расстояниях l1 (см. левую часть кривой) максимум тяжения увеличивается по мере увеличения l1 что объясняется влиянием дополнительной
нагрузки на провода от массы дистанционных распорок.
Смещение проводников и тяжения при многофазных коротких замыканиях. При
многофазных КЗ электродинамические силы стремятся увеличить расстояние между проводниками. При трехфазном КЗ крайние проводники отклоняются от нормального положения и удаляются друг от друга. Средний проводник отклоняется в одну или другую сторону в зависимости от фазы включения. При двухфазном КЗ в движение приходят два проводника соответствующих фаз.
Отклонение проводника от нормального положения связано с увеличением тяжения. Последнее достигает максимума при наибольшем отклонении проводника по горизонтали. Угол отклонения а (рис. 7.17) зависит от тока и может достигнуть 90°. Максимум тяжения наступает к моменту отключения цепи, приблизительно через 0,3 с после КЗ. Это второй максимум тяжения. Он отмечен на осциллограмме (рис. 7.14) буквой b. К моменту второго максимума колебания, вызванные смыканием проводов в пучках, успевают затухнуть. Поэтому первый и второй максимумы можно рассматривать порознь.
После отключения цепи проводники перемещаются навстречу друг другу. Возникают качания (наподобие маятников) с периодом 2 —4 с и затухающей амплитудой. Максимум тяжения при качаниях следует определять для условий, когда проводник имеет дополнительную нагрузку от льда и ветра, а также при отсутствии этой нагрузки. В качестве
расчетной следует принять наибольшее из этих двух значений. На рис. 7.18 показана зависимость максимума тяжения от действующего значения тока КЗ при различных начальных тя-женияхКривые построены для следующих условий: пролет 36,7 м; толщина гололеда 12,7 мм; давление ветра 0,38 кПа; температура воздуха —18 °С.
Из рисунка видно, что при отсутствии дополнительной нагрузки от льда и ветра начальное тяжение составляет 8,3 кН; максимум тяжения быстро увеличивается по мере увеличения тока (кривая 1). При наличии дополнительной нагрузки начальное тяжение составляет 14 кН; максимум тяжения увеличивается медленнее (кривая 2). Объясняется это значительной массой проводника и, следовательно, меньшим углом отклонения. Кривые 1 и 2 пересекаются. В рассматриваемом примере точка пересечения соответствует значению тока 54 кА. Максимум тяжения при отклонении проводников зависит от тока КЗ и его продолжительности, а также от расстояний между фазами, сечения проводников, пролета и стрелы провеса.
Зависимость максимума тяжения от расстояния между фазами а показана на рис. 7.19. Кривые построены для следующих условий: провода АС сечением 2х 1167 мм2; пролет 14,7 м; пери-
одическая составляющая тока КЗ = 70 кА; продолжительность КЗ 15 периодов; проводник нагружен, начальное тяжение 14 кН; проводник не нагружен, начальное тяжение 8,3 кН.
Из рисунка видно, что по мере увеличения расстояния между фазами тяже-ния заметно снижаются.
При уменьшении тяжения, принятого при проектировании для нормальных условий, стрела провеса увеличивается. При заданных значениях сечения прово-
дов, пролета и электродинамической силы увеличение провеса связано с уменьшением угла отклонения и, следовательно, с уменьшением максимума тяжения. Если увеличение стрелы провеса используется для уменьшения тяжения, необходимо проверить возможное сближение проводов при качании, как показано ниже.
На рис. 7.20 показана зависимость максимума тяжения проводов от
стрелы провеса, пролета и вида КЗ. Кривые построены для следующих условий: провода АС сечением 2 х х 1167 мм2; имеется дополнительная нагрузка от ветра и гололеда; пролеты 36,7 м (сплошные линии) и 57 м (пунктирные линии); расстояние между фазами 4,6 м; периодическая составляющая тока КЗ =70 кА; продолжительность КЗ 15 периодов.
Как видно из рисунка, при пролете 57 м тяжение проводов больше, чем при пролете 36,7 м, что объясняется большей массой проводов. При двухфазном КЗ тяжение больше, чем при трехфазном, что объясняется меньшим расстоянием между проводниками при одинаковом токе.
При принятом начальном тяжении .увеличение пролета связано с увеличением массы проводов и стрелы провеса. Следовательно, при увеличении пролета максимальное тяжение уменьшается. Зависимость максимального тяжения проводов от пролета при постоянном на- чальном тяжении показана на рис. 7.21.
Расчеты выполнены для следующих условий: провода АС сечением 2 х х 1167 мм2; начальное тяжение 13,3 кН на1 фазу; расстояние между фазами 4,6 м; периодическая составляющая тока трехфазного КЗ; продолжительность КЗ 15 периодов.
Из рис. 7.21 видно, что при увеличении пролета l от 25 до 125 м (см. правую часть кривой) максимальное тяжение уменьшается от 44 до 15 кН. Исключение составляют короткие пролеты до 25 м (см. левую часть кривой), поскольку при этом длина гирлянды составляет значительную часть длины пролета.
Сближение проводников при качании. После отключения КЗ проводники перемещаются навстречу друг другу. При этом возможно чрезмерное их сближение и перекрытие промежутка дугой, если напряжение не снято. Такое сближение возможно между проводниками сборных шин при КЗ на ответвлении. В этом случае при отключении ответвления проводники сборных шин остаются под напряжением и продолжают качаться, Расстояние между проводниками в пролете при сближении должно быть достаточным, чтобы избежать между-
фазных перекрытий. В качестве примера на рис. 7.22 показана зависимость расстояния между проводниками а при максимальном сближении от пролета I для одиночных и сдвоенных проводов при трехфазном и двухфазном КЗ. Кривые построены для следующих условий: провода АС сечением 1167 мм2; тяжение нагруженных проводов 13,3 кН на фазу; расстояние a1 = 330 мм; расстояния между фазами 4,6 м; ток КЗ продолжительность КЗ 5 периодов.
Из рис. 7.22 видно, что по мере увеличения пролета расстояния между проводниками при сближении уменьшаются. При двухфазном КЗ расстояния между проводниками при сближении меньше, чем при трехфазном. Расстояния между проводниками из двух проводов меньше, чем между одиночными лроводами, поскольку масса сдвоенных проводников больше.
Третий максимум гяжения. При значительном токе скорость проводника к моменту отключения КЗ (приблизительно 0,3 с) велика. Проводник продолжает свое движение по дуге и поднимается выше точки подвеса. Здесь он теряет скорость, после чего следует падение более или менее свободное в зависимости от исходного положения. При этом потенциальная энергия проводника преобразуется в кинетическую энер-
i ию движения. Тяжение увеличивается и достигает максимального значения при подходе проводника к низшей точке траектории. Это третий максимум тяжения, обозначенный на осциллограмме рис. 7.14 буквой с. Наибольшее значение его имеет место, если угол отклонения проводника достигает 180° и если скорость его в наивысшей точке равна нулю.
В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 7.23 показана траектория движения средней точки проводника в пролете (отклонение по горизонтали и по вертикали) при следующих условиях: сечение провода 537 мм2; пролет 15 м; начальное тяжение 1 кН; стрела провеса 53 см; продолжительность КЗ 0,3 с. Как видно из рис. 7.23, после отключения КЗ проводник перемещается по дуге, поднимается на высоту 80 см от начального положения, после чего следует падение. Проводник достигает низшей точки через 0,93 с. Здесь направление движения резко изменяется на противоположное: К моменту 2,2 с проводник достигает высоты 62 см, теряет скорость и падает.
Влияние неуспешного АПВ. Включение на короткое замыкание, когда проводники еще качаются вследствие пер-вого замыкания, может вызвать значительное увеличение отклонений проводников и соответствующих тяжений. В худшем случае углы отклонения могут удвоиться. При этом тяжения увеличиваются, а расстояния между проводниками уменьшаются. Тяжения, вызванные смыканием проводов в пучках, изменяются незначительно при АПВ, поскольку они кратковременны и зату-
хают до момента повторного включения.