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-

ревыми токами практически отсутствует. Рассмотрим экранирующее действие непрерывной системы кожухов на элект­родинамические силы, действующие на проводники и кожухи при КЗ. Известно, что электродинамическая сила, действу­ющая на единицу длины проводника, равна произведению его тока и индук­ции магнитного поля (около рассматри-" ваемого проводника), создаваемого то­ками соседних проводников. Следова­тельно, для определения сил, действую­щих на проводники токопровода, необ­ходимо прежде всего определить маг­нитную индукцию внутри кожухов при КЗ. Токи, индуктируемые в кожухах, уменьшают магнитную индукцию. Это уменьшение не одинаково для магнит­ных потоков от периодической и апе­риодической составляющих тока КЗ.

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.