03_Выбор оборудования

Пример схемы опорной тяговой подстанции постоянного тока с указанными мощностями и токами приведен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Упрощенная схема опорной тяговой подстанции постоянного тока (в числителе приведены Smax, а в знаменателе – IР max)

11

2Выбор токоведущих частей (проводников)

2.1Выбор проводников в ОРУ переменного тока

2.1.1 Выбор гибких проводников

На тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог распредустройства 220 кВ, 110 кВ, 35 кВ, 27,5 кВ, как правило, выполняют открытыми (ОРУ). В качестве токоведущих частей в них обычно используют гибкие сталеалюминевые провода круглого сечения (марки АС).

Фидеры контактной сети и рельсовый фидер РУ 27,5 и РУ-3,3 кВ выполняются гибкими алюминиевыми проводами марки А-150 или А-185 (таблица А1) [4, 5]. Число параллельных проводов в одном фидере не может превышать шести, а в рельсовом фидере — десяти [3].

Сечение проводов для ОРУ выбирается по условию [6]

IДОП IР max ,

(2.1)

где IДОП – максимально допустимый ток проводника выбранного сечения; IР max – максимальный рабочий ток данного элемента РУ.

Основные параметры сталеалюминевых и алюминиевых проводов приведены в таблице А.1. Более подробные данные о гибких проводниках можно получить в [3, 5, 6, 7].

2.1.2 Проверка гибких проводников

Провода ОРУ находятся на открытом воздухе и крепятся к опорным конструкциям при помощи гирлянд подвесных изоляторов, поэтому проверки на

электродинамическую и термическую стойкости для них не производятся.

Исключение составляют провода воздушных линий (ВЛ), ударный ток КЗ которых превышает 50 кА [5].

По условию механической прочности в зависимости от района по гололеду минимальное сечение проводов ОРУ выбирается из таблицы 2.1 [5].

Таблица 2.1 – Минимальное сечение проводов ОРУ по условию механической прочности

Район по гололеду	Нормативная толщина стенки	Минимальное сечение
	гололеда, мм	проводов, мм2
I и II	до 10	35
III и IV	до 20	50
V и выше	свыше 20	70

12

Если район по гололеду не задан, то сечение проводов ОРУ следует принимать не менее 50 мм2 .

Кроме этого, по условию коронирования сечение проводов при напряжении 110 кВ должно быть не менее 70 мм2 , а при напряжении 220 кВ – не менее 240 мм2 [5].

Выбранные сечения проводов вводов питающего напряжения подстанции и фидеров нетяговых потребителей (НТП) должны быть проверены по экономической плотности тока. Сечения проводов данных присоединений должны выбираться из следующего соотношения [5]

	S	IP max
		,		(2.2)
		jЭК

где jЭК – нормированное значение экономической плотности тока, определяемое по таблице 2.2 [5].

Таблица 2.2 – Экономическая плотность тока

	Экономическая плотность тока, А/мм2 ,
Проводники	при числе часов использования максиму-
	ма нагрузки в год
	1001 – 3000		3001 – 5000	более 5000
Неизолированные провода и шины:
медные	2,5		2,1	1,8
алюминиевые или сталеалюминевые	1,3		1,1	1,0
Кабели с бумажной, провода с резино-
вой и полихлорвиниловой изоляцией:
медные	3,0		2,5	2,0
алюминиевые	1,6		1,4	1,2
Кабели с резиновой и пластмассовой
изоляцией:
медные	3,5		3,1	2,7
алюминиевые	1,9		1,7	1,6

Если число часов использования максимума нагрузки не задано, то для тяговых подстанций его можно принять равным 3000 часов.

Рассчитанное по формуле (2.2) сечение провода необходимо округлить до ближайшего стандартного значения из таблицы А.1.

Пример 2.1

Задание. Выбрать гибкие сталеалюминевые провода для ввода РУ 110 кВ

на IР max = 112 А, для фидера ВЛ РУ 35 кВ на IР max= 53 А и для сборных шин РУ 27,5 кВ на IР max = 907 А.

Решение. Для ввода ОРУ 110 кВ по условию (2.1) из таблицы А.1 выбираем

13

провод АС-25 с IДОП = 142 А. Так как район по гололеду не указан, то по условию механической прочности мы должны выбрать провод АС-50, а по условию коронирования – АС-70. По экономической плотности тока, в соответствии с таблицей 2.2 сечение должно быть равно

S 112 86,15 мм2. 1,3

Ближайшим из стандартных сечений в соответствии с таблицей А.1 является сечение 95 мм2. Поэтому окончательно для участка присоединения транс-

форматора ОРУ 110 кВ принимаем провод АС-95 с IДОП = 330 А.

Для фидера ОРУ 35 кВ по условию (2.1) из таблицы А.1 выбираем провод

АС-10 с IДОП = 84 А. Так как район гололедности не указан, то по условию механической прочности мы должны выбрать провод АС-50. По условию коронирования провода ОРУ 35 кВ не проверяются. По экономической плотности тока в соответствии с таблицей 2.2 сечение должно быть равно

S 153,3 40,76 мм2.

Ближайшим из стандартных сечений в соответствии с таблицей А.1 является сечение 35 мм2. Поэтому окончательно для ввода ОРУ 35 кВ принимаем

провод АС-50 с IДОП = 210 А.

Для сборных шин ОРУ 27,5 кВ по условию (2.1) из таблицы А.1 выбира-

ем провод АС-500 с IДОП = 945 А. Так как сечение этого провода больше минимально допустимого по условиям механической прочности, а на коронирование и по экономической плотности тока его проверять не нужно, то окончательно для сборных шин РУ 27,5 кВ принимаем провод АС-500.

Результаты выбора гибких проводников ОРУ 220 кВ, 110 кВ, 35 кВ, 27,5 кВ необходимо свести в таблицу, аналогичную таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Результаты выбора гибких проводников (см. пример 2.1)

			По меха-	По ко-	По эконо-	Оконча-
			нической	рони-	мической
	Элемент РУ	По IР max				тельное
			прочно-	рова-	плотности
						сечение
			сти	нию	тока
	Ввод 110 кВ	АС-25	АС-50	АС-70	АС-95	АС-95
	Фидер РУ 35 кВ	АС-10	АС-50	—	АС-35	АС-50
	Сборные шины РУ 27,5	АС-500	АС-50	—	—	АС-500
	кВ

14

2.2 Выбор проводников в ЗРУ переменного тока

2.2.1 Выбор жестких проводников

На тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог распределительных устройств 10 кВ и 6 кВ, как правило, выполняют закрытыми (ЗРУ). В качестве токоведущих частей в них обычно используют однополосные или двухполосные жесткие алюминиевые проводники прямоугольного сечения (шины) марки АДО [4, 5].

Алюминиевые проводники прямоугольного сечения для ЗРУ выбираются по условию (2.1).

Основные параметры жестких проводников приведены в таблице А.2. Более подробные данные о них можно получить в литературе [3, 5, 6, 7].

При выборе сечения алюминиевых проводников прямоугольного сечения необходимо учитывать расположение их в РУ. Проводники могут быть расположены «на ребро» (рисунок 2.1, а ) или «плашмя» (рисунок 2.1, б). Если про-

водники расположены «плашмя», то их допустимый ток уменьшается: при h

60 мм – I’ДОП = 0,95IДОП ; при h 60 мм – I’ДОП = 0,92IДОП /5/.

Рисунок 2.1 – Расположение жестких проводников: а – «на ребро» и б – «плашмя»

Жесткие токоведущие части ЗРУ переменного тока проверяются на электродинамическую и электротермическую стойкость [5].

2.2.2Проверка жестких проводников на электродинамическую стойкость

Рассмотрим методику проверки на электродинамическую стойкость трехфазных однополосных жестких проводников (рисунок 2.2) [6].

В первую очередь находится наибольший изгибающий момент М, действующий на проводник, Н м,

15

	M		3 i2		l 2
				У		,	(2.3)
		100 a
где	iУ – ударный ток КЗ в данном РУ, кА;
	l = 1…1,3 м – расстояние между осями изоляторов (рисунок 2.2);

а = 0,25…0,3 м – расстояние между осями проводников разных фаз (рисунок

2.2).

Рисунок 2.2 – Расположение однополосных жестких проводников: а – вид сверху и б – вид с торца

Ведем расчет момента сопротивления сечения проводника W относительно оси инерции, перпендикулярной плоскости их расположения. При расположении проводников «на ребро» (рисунок 2.1, а), мм3,

	W =	b2	h	,	(2.4)
		6

а при расположении проводников «плашмя» (рисунок 2.1, б), мм3,

		b h2
	W =		,	(2.5)
		6

где b, h – соответственно толщина и высота прямоугольного проводника, мм.

После этого определяется наибольшее расчетное механическое напряжение в материале РАСЧ по следующей формуле, МПа,

16

РАСЧ =	M	103 .	(2.6)
	W
Проверка жестких проводников на электродинамическую устойчивость
заключается в том, чтобы соблюдалось неравенство
РАСЧ ,			(2.7)

где – допустимое механическое напряжение материала проводника: для алюминия =65 МПа, для меди – =130 МПа, для стали –

=160 МПа.

Пример 2.2

Задание. Выбрать жесткие алюминиевые проводники для ввода ЗРУ 10 кВ

на IР max = 350 А при ударном токе КЗ iУ = 11 кА.

Решение. Для ввода ЗРУ 10 кВ по условию (2.1) из таблицы П.А.2 выбираем однополосный алюминиевый проводник АДО-30х4 (h = 30 мм, b = 4 мм). При расположении «на ребро» IДОП = 365 А.

Примем, что l = 1 м, а а = 0,25 м. Тогда наибольший изгибающий момент М (2.3), действующий на проводник будет равен,

М = 3 112 12 = 8,383 Н м.

100 0,25

Для однополосного проводника АДО-30х4, расположенного «на ребро», момент сопротивления, согласно выражению (2.4) равен

W = 42 30 = 80 мм3 ,

6

а наибольшее расчетное напряжение в материале проводника составит

σРАСЧ 8,38380 103 104,8 МПа.

Для алюминиевых токоведущих частей =65 МПа. Поэтому согласно формуле (2.7) проводники выбранного сечения не проходят на электродинамическую устойчивость.

Располагаем эти проводники «плашмя». При этом их допустимый ток уменьшится и будет равен

I /ДОП = 0,95365 = 347 А.

Этот ток меньше, чем IР max. Следовательно, в данном случае проводники АДО-30х4 нельзя использовать и при расположении их «плашмя».

Из таблицы А.2 выбираем следующее сечение алюминиевого проводника

– АДО-40х4. При расположении его «на ребро» IДОП = 480 А.

17

Определяем для этого проводника момент сопротивления. Согласно выражению (2.4), он равен

W = 42 40 = 106,7 мм3.

6

Тогда наибольшее расчетное напряжение в материале проводника соста-

вит

σ 8,383 103 78,57 МПа.

РАСЧ	106,7

Для алюминиевых токоведущих частей = 65 МПа; проводники выбранного сечения не проходят на электродинамическую устойчивость.

При расположении проводников «плашмя», их допустимый ток уменьшится и будет равен

I /ДОП = 0,95 480 = 456 А.

Определяем для проводника АДО-40х4, расположенного «плашмя», момент сопротивления. Согласно формуле (2.5) он равен

W = 4 402 = 1067 мм3.

6

Тогда наибольшее расчетное напряжение в материале проводника соста-

вит

σРАСЧ 8,3831067 103 7,857 МПа.

Для алюминиевых токоведущих частей допустимое механическое на-

пряжения =65 МПа, то РАСЧ . Поэтому проводник АДО-40 х 4, расположенный «плашмя», проходит по электродинамической устойчивости для фидера ЗРУ 10 кВ.

Теперь рассмотрим методику проверки на электродинамическую стойкость трехфазных двухполосных жестких проводников (рисунок 2.3) [6].

а	б

Рисунок 2.3 – Расположение двухполосных жестких проводников: а – вид сверху, б – вид с торца

18

В двухполосных шинах динамические усилия возникают как между по-
лосами одного пакета, так и между пакетами разных фаз. Поэтому механиче-
ское напряжение в двухполосных шинах складывается из двух напряжений: от
взаимодействия полос в пакете одной фазы П и взаимодействия проводников
разноименных фаз Ф
РАСЧ = П + Ф .	(2.8)
Последовательность нахождения механического напряжения, возникаю-
щего от взаимодействия полос в пакете одной фазы П , следующая.
Для уменьшения усилия между полосами в пакете в середине пролета
устанавливают прокладки (рисунок 2.3, а). Если расстояние между опорным
изолятором и прокладкой lП = l/2 (рисунок 2.3, а) и расстояние между осями
полос одной фазы а П = 2b (рисунок 2.3, б), то наибольший изгибающий мо-
мент МП, действующий на проводники от взаимодействия полос одной фазы
равен, Н м,
i2	l 2 k
МП = У	Ф ,
1,92 b
(2.9)
где iУ – ударный ток КЗ в данном РУ, кА;
l = 1…1,3 м — расстояние между осями изоляторов (рисунок 2.3, а);
kФ – коэффициент формы тока двухполосных проводников (рисунок 2.4);
b – толщина прямоугольного проводника, мм (рисунок 2.3).
Рисунок 2.4 – Кривые для определения коэффициента формы тока
для двухполосных проводников при аП = 2b

19

Момент сопротивления двух полос одной фазы WП рассчитывается аналогично (2.4) или (2.5). Тогда наибольшее расчетное механическое напряжение

в материале от взаимодействия полос одной фазы будет равно, МПа
П =	M П	103	(2.10)
	W
	П

Наибольший изгибающий момент МФ, действующий на проводники от взаимодействия пакетов полос разных фаз, находится по выражению (2.3).

Момент сопротивления сечения пакетов разных фаз WФ можно определить по следующим формулам:

– при расположении проводников «на ребро»

WФ=1,44 b2 h;

(2.11)

– при расположении проводников «плашмя»

W =0,333 b h2.	(2.12)
Ф

Наибольшее расчетное механическое напряжение в материале от взаимодействия пакетов полос разных фаз будет равно, МПа

Ф =	M Ф	103 .	(2.13)
	WФ

Двухполосные жесткие проводники будут электродинамически устойчивы, если

РАСЧ = П + Ф ,

(2.14)

где – то же, что и в формуле (2.7).

Пример 2.3

Задание. Выбрать жесткие алюминиевые проводники для сборных шин

ЗРУ 6 кВ на IР max= 1300 А при ударном токе КЗ iУ = 20 кА.

Решение. Для сборных шин ЗРУ 6 кВ по условию (2.1) из таблицы А.2 выбираем двухполосный алюминиевый проводник 2хАДО — 60х6 (h = 60 мм, b = 6 мм). При расположении «на ребро» IДОП = 1350 А. По рисунку 2.4 при значении b/h = 0,1 находим, что kФ = 0,4.

20