3 Выбор токоведущих элементов и коммутационных аппаратов

3.1 Расчет максимальных рабочих токов

Токоведущие части и аппараты РУ тяговых подстанций должны надежно работать при нормальных эксплутационных режимах, а также обладать термической и динамической стойкостью при возникновении коротких замыканий. Поэтому при их выборе необходимо проверять соответствие установленных параметров нормальным длительным нагрузочным и кратковременным аварийным режимам.

Одним из важнейших параметров, определяющим нормальный длительный режим, является максимальный рабочий ток.

Расчет максимальных рабочих токов цепей тяговой подстанции напряжением 110 кВ

Максимальный ток нагрузки в цепи ввода ЛЭП, А:

(3.1)

где – мощность одного понижающего трансформатора, к ;

– мощность транзита, принимается равной мощности двух понижающих трансформаторов, к ;

– номинальное напряжение в рассчитываемой цепи, кВ.

А,

Максимальный ток в цепи рабочей или ремонтной перемычки, А:

. (3.2)

где к_п – коэффициент допустимой перегрузки трансформатора (к_п = 1,5);

А,

Максимальный ток в цепи ввода высокого напряжения понижающего трансформатора, А:

, (3.3)

А,

Расчет максимальных рабочих токов цепей тяговой подстанции напряжением 10, 35 и 3,3 кВ

Максимальный рабочий ток в цепи ввода среднего (низкого) напряжения понижающего трансформатора, А:

(3.4)

где – номинальное напряжение обмоток среднего (низкого) напряжения понижающего трансформатора, кВ.

- для СН;

- для НН.

Максимальный рабочий ток в цепях ССШ среднего (низкого) напряжения ТП, а также в цепи секционного выключателя РУ 10 и 35 кВ, А:

, (3.5)

где к_р.н2 – коэффициент распределения нагрузки на шинах среднего (низкого) напряжения, равный 0,7, т. к. число присоединений потребителей меньше 5.

- для СН;

- для НН.

Максимальный рабочий ток в цепях фидеров районной нагрузки, линии продольного электроснабжения и ДПР, А:

(3.6)

где S_ном.ф – номинальная мощность потребителя районной нагрузки, кВА;

- номинальное напряжение той ступени, от которой питается фидер районной нагрузки, кВ.

Максимальный рабочий ток в цепи фидеров контактной сети для ТП постоянного тока принимается равным 3000 А.

Максимальный рабочий ток выпрямителя в цепи ввода преобразовательного агрегата, А:

(3.7)

где S_ном – номинальная мощность преобразовательного трансформатора, кВА;

- номинальное напряжение сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, кВ.

Максимальный рабочий ток на главной «плюсовой» и «минусовой» шинах РУ-3,3 кВ ТП постоянного тока, А:

(3.8)

где N – число преобразовательных агрегатов;

I_d.н - номинальный выпрямленный ток (в соответствии с номинальным током вентильной конструкции принимаем равным 3150 В);

к_р.н – коэффициент распределения нагрузки на шинах, при N = 2, к_р.н = 0,8.

А

Максимальный рабочий ток в цепи запасной шины ТП принимается равным максимальному рабочему току самого нагруженного фидера контактной сети.

Максимальный рабочий ток в цепи отсоса ТП постоянного тока, А:

(3.9)

А

Максимальный рабочий ток в цепи ввода трансформатора собственных нужд (ТСН), А:

(3.10)

где S_{ном ТСН} – номинальная мощность ТСН, кВА;

- номинальное напряжение первичной (вторичной) обмотки ТСН, кВ.

А – для ВН;

А – для НН.

Максимальный рабочий ток в цепи собственных нужд 0,4 кВ, А:

, (3.11)

3.2 Выбор шин закрытого распределительного устройства

Шины РУ 110, 35 кВ выполняются голыми гибкими проводами. Шины 10 кВ выполняются из алюминиевых полос.

Условие выбора шин

, (3.12)

где I_доп – длительно допускаемый ток, который выдерживает сечение токоведущей части выбранного материала, не перегреваясь выше нормы при расчетных условиях.

Выбранные провода приведены в таблице 4.

Шины 110, 35 и 10 кВ должны быть проверены на термическую стойкость. На динамическую стойкость проверяются только шины 10 кВ. Шины 110 кВ должны быть проверены на образование короны.

Таблица 4 – Провода системы сборных шин

Тип устанавливаемых шин	Место установки	Максимальный рабочий ток, А	Длительно допустимый ток, А
АС-150	Шины понижающего трансформатора на стороне 110 кВ	335,91	365
АС-240	Шины понижающего трансформатора на стороне 35 кВ	480,36	505
A 100х8	Шины понижающего трансформатора на стороне 10 кВ	1681,24	1690
А 30х4	Шины на стороне 0,4 кВ	323,32	370

Шины термически стойки, если выполняется условие:

(3.13)

где _доп – максимально допустимая температура нагрева шин при протекании по ним тока короткого замыкания (для алюминиевых шин: _кдоп = 200С);

_к – конечная температура нагрева токоведущей части шин, С:

Начальная температура нагрева токоведущей части шин, С:

(3.14)

где ₀ – температура окружающей среды ₀ = 25С.

В формуле (3.14) _доп – длительно допускаемая температура нагрева; принимается равным 70 ⁰ С. По данным _н в соответствии с [2, ч.2 стр. 11] принимаем значения А_н.

Удельный тепловой импульс определяется по выражению, А²с:

(3.15)

где I_п – сверхпереходной ток короткого замыкания на шинах, кА;

t_откл – время протекания этого тока, с;

Т_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, с (Т_а = 0,05 с).

(3.16)

где q – сечение выбранных шин, мм².

По данным А_н принимаем значения _к.

Проверка на динамическую стойкость выполняется по условию:

, (3.17)

где _доп – допустимое напряжение в материале шины, для алюминиевых шин _доп = 80 МПа;

_расч – напряжение в материале шины, возникающее при протекании тока к. з., МПа,

, (3.18)

где F – максимальное усилие, приходящееся на 1 м длины шины, Н/м;

l – шинный пролет, м, принимаем l = 1 м;

W – момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной направлению действия силы, м³.

, (3.19)

где b – толщина шины, м;

h – ширина шины, м.

При однополосной шине:

, (3.20)

где а = 130 мм для ЗРУ 10 кВ.

Выбор и проверка шин на термическую стойкость сведены в таблицу 5.

Проверка шин ОРУ-110 кВ:

^оС,

А_н = 0,51·10⁴ А²с/мм²,

τ_к = 133˚С ≤ τ_к.доп

Проверка шин ОРУ-35 кВ:

^оС,

А_н = 0,6·10⁴ А²с/мм²,

τ_к = 73˚С ≤ τ_к.доп

Проверка шин РУ-10 кВ:

^оС,

А_н = 0,65·10⁴ А²с/мм²,

τ_к = 70˚С ≤ τ_к.доп

Проверка шин РУ-0,4 кВ:

^оС,

А_н = 0,52·10⁴ А²с/мм²,

τ_к = 120˚С ≤ τ_к.доп

Все шины удовлетворяют условию термической стойкости.

Таблица 5 – Проверка шин на термическую стойкость

Шины	110 кВ	35 кВ	10 кВ
Iуд, кА	25,08	10,74	23,92
Iсвпер, кА	10,4	4,1	9,2
Iр.max, А	335,91	480,36	1681,24
Iдоп, А	380	510	1820
τдоп, °C	200	200	200
τн, °C	51,92	68, 20	69,50
Aн, А2.c/мм2	5100	6000	6500
tоткл, c	1,5	1,0	0,5
Bк · 104, А2c	14886	1852,2	4859,8
q, мм2	120	185	1000
Aк, А2 c/мм2	11760	6321	6575
τк, °C	133	73	70

Шины РУ-10 и РУ-0,4 кВ проверяются также на динамическую стойкость, при проверке должно выполняться условие:

σ_доп ≥ σ_расч, (3.18)

где σ_расч – напряжение в материале шины, возникающее при протекании тока короткого замыкания, МПа,

σ_доп – допустимое напряжение в материале шины, σ_доп = 75 МПа;

(3.19)

где F – максимальное усилие, приходящееся на один метр длины шины, Н/м;

l – длина шинного пролета (расстояние между осями опорных изоляторов), принимаем равной 1 м;

W – момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной направлению действия электродинамической силы, см³.

W = 0,167bh² , (3.20)

где b и h – геометрические размеры шин.

При однополюсной шине

(3.21)

где i_у – ударный ток трехфазного короткого замыкания, А;

а – расстояние между осями шин соседних фаз, м.

Проверка шин РУ-10 кВ:

Н/м

W = 0,167·10²·0,8 = 13,36 см³,

МПа

80 > 3,42, следовательно, шины удовлетворяют условию динамической стойкости.

Проверка шин РУ-0,4 кВ:

Н/м

W = 0,167·3²·0,4 =0,6 см³,

МПа

80 > 42,8, следовательно, шины удовлетворяют условию динамической стойкости.

Шины ОРУ-110 кВ проверяются на отсутствие разряда в виде короны.

Максимальное значение начальной критической напряженности электрического поля, при котором возникает разряд в виде короны, кВ/см,

(3.22)

где m – коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности провода, m = 0,82;

r_пр – радиус провода, см.

кВ/см

Напряженность электрического поля на поверхности провода, кВ/см,

(3.23)

где U – линейное напряжение, приложенное к шинам, кВ;

D_ср – среднее геометрическое расстояние между проводами фаз, см.

При горизонтальном расположении фаз

D_ср = 1,26 D, (3.24)

где D – расстояние между соседними фазами, D = 100 см.

кВ/см.

Так как 9,73 < 34,82 шины удовлетворяют условию отсутствия короны.