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.

Поведение ТП с гибкими проводни­ками при КЗ было изучено экспери­ментально [7.4 — 7.6]. Были разработа­ны методы расчета. Они достаточно сложны и здесь не изложены. Мы огра­ничиваемся рассмотрением графиков, определяющих зависимости отклонений и тяжений проводников от параметров ТП, тока КЗ и других условий. Эти графики могут быть использованы при проектировании для правильного выбо­ра основных размеров ТП в целях по­вышения их электродинамической стой­кости.

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.