Пример выбора жестких шин 10 кВ

Для питания ЗРУ-10 кВ требуется выбрать и проверить сечение сборных шин 10 кВ от силового трансформатора мощностью 16 МВА.

Исходные данные:

• Максимальный трехфазный ток КЗ на шинах 10 кВ – Iк.з = 9,8 кА;
• Силовой трансформаторов типа ТДН-16000/110-У1 загружен на 60%.

Расчет

Согласно ПУЭ 7-издание п.1.3.28 проверку по экономической целесообразности не выполняют, поэтому выбор шин будет выполняться только по длительно допустимому току (ПУЭ 7-издание п.1.3.9 и п.1.3.22).

Проверку шин производят на термическую и электродинамическую стойкость к КЗ (ПУЭ 7-издание п.1.4.5).

1. Выбор шин по длительно допустимому току

Выбор шин по длительно допустимому току (по нагреву) учитывают не только нормальные, но и послеаварийные режимы, а также режимы в период ремонтов и возможного неравномерного распределения токов между секциями шин [Л2, с.220].

1.1 Определяем ток нормального режима, когда трансформатор загружен на 60%:

где:

• Sн.тр-ра = 16000 кВА – номинальная мощность трансформатора ТДН-16000/110-У1;
• Uн.=10,5 кВ – номинальное напряжение сети;

1.2. Определяем максимальный рабочий ток, когда один из трансформаторов перегружен на 1,4 от номинальной мощности (утяжеленный режим):

По таблице 1.3.31 (ПУЭ 7-издание) определяем допустимый ток для однополосных алюминиевых шин прямоугольного сечения 80х8 мм с допустимым током Iдоп.о = 1320 А.

1.3. Определяем длительно допустимый ток для прямоугольных шин сечением 80х8 мм с учетом поправочных коэффициентов по формуле 9.11 [Л1, с.170]:

где:

Iдоп.о =1320 А –длительно допустимый ток полосы при температуре шины θш = 70 °С, температуре окружающей среды θо.с = 25 °С и расположения шин вертикально (на ребро), определяемый по таблице 1.3.31 (ПУЭ 7-издание);

k1 — поправочный коэффициент при расположении шин горизонтально (плашмя), согласно ПУЭ 7-издание п. 1.3.23, должны быть уменьшены на 5% для шин с шириной полос до 60 мм и на 8% для шин с шириной полос более 60 мм. Принимаем k1 = 0,92 (так как шины будут расположены плашмя).

k2 – поправочный коэффициент для шин при температуре окружающей среды (воздуха) θо.с отличной от 25 °С, определяемый по ПУЭ 7-издание таблица 1.3.3. Принимаем k3 = 0,94 с учетом, что среднеемесячная температура наиболее жаркого месяца равна +30 °С.

Принимаем сечение шин 80х10 мм, с допустимым током Iдоп.о =1480 А.

1.4. Определяем длительно допустимый ток для прямоугольных шин сечением 80х10 мм с учетом поправочных коэффициентов по формуле 9.11 [Л1, с.170]:

Принимаем шины марки АД31Т1 сечением 80х10 мм.

2. Проверка шин на термическую устойчивость

2.1. Определяем тепловой импульс, который выделяется при токе короткого замыкания по выражению 3.85 [Л2, с.190]:

где:

• Iп.0 = 9,8 кА – начальное действующее значение тока КЗ на шинах 10 кВ.
• Та – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания. Для ориентировочных расчетов значение Та определяем по таблице 3.8 [Л2, с.150]. Для трансформатора мощность 16 МВА, принимаем Та = 0,04. Если же вы хотите более точно рассчитать значение Та, можете воспользоваться формулами, представленными в пункте 6.1.4 ГОСТ Р 52736-2007.

2.1.1. Определяем полное время отключения КЗ по выражению 3.88 [Л2, с.191] и согласно пункта 4.1.5 ГОСТ Р 52736-2007:

tоткл.= tр.з.+ tо.в=0,1+0,07=0,18 сек.

• tр.з. – время действия основной защиты трансформатора, равное 0,1 сек (АПВ – не предусмотрено).
• tо.в – полное время отключения выключателя выбирается из каталога, равное 0,07 сек.

2.2. Определяем минимальное сечение шин по термической стойкости при КЗ по выражению 3.90 [Л2, с.191]:

где: С – функция, значения которой приведены в таблице 3.14. Для алюминиевых шин С = 91.

Как мы видим ранее принята алюминиевая шина сечением 80х10 мм – термически устойчива.

3. Проверка шин на электродинамическую устойчивость

Исходные данные:

• Ударный ток трехфазного КЗ на шинах 10 кВ — iуд = 24,5 кА;
• Шины выполнены из алюминиевого сплава марки АД31Т1 сечением 80х10 мм, расположены горизонтально в одной плоскости (плашмя) и имеют восемь пролетов.
• Длина пролета — l = 0,9 м;
• Расстояние между осями проводников — а= 0,27 м (расположение шин см.рис. 2а ГОСТ Р 52736-2007);
• Толщина шины — b = 10 мм = 0,01 м;
• Высота шины — h = 80 мм = 0,08 м;

Решение

3.1. Определяем момент инерции J и момент сопротивления W по расчетным формулам согласно таблицы 4 ГОСТ Р 52736-2007:

3.2. Определяем частоту собственных колебаний для алюминиевой шины по выражению 4.18 [Л2, с.221]:

где: S = 800 мм² = 8 см⁴ – поперечное сечение шины 80х10 мм.

Если же у вас медные шины, то частоту собственных колебаний определяют по выражению 4.19 [Л2, с.221]:

В случае, если частота собственных колебаний больше 200 Гц, то механический резонанс не возникает. Если f0 < 200 Гц, то производиться специальный расчет с учетом дополнительных динамических усилий, возникающих при механических колебаниях шинной конструкции (см. ГОСТ Р 52736-2007).

В данном случае f0 >200 Гц, поэтому расчет можно вести без учета колебательного процесса в шинной конструкции [Л2, с.221].

3.3. Определяем наибольшее удельное усилие при трехфазном КЗ по выражению 3.74 [Л2, с.221]:

где:

• а = 0,27 м — расстояние между осями проводников (фазами), м;
• iуд. = 24,5*103 А – ударный ток трехфазного КЗ, А;
• Если расстояние между фазами а > 2*(b+h) > 2*(0,01+0,08); а = 0,27 м > 0,18 м, то в этом случае коэффициент формы kф = 1,0 [Л2, с.221];

3.4. Определяем максимальную силу, действующую на шинную конструкцию при трехфазном КЗ, данное значение нам понадобиться для проверки опорных изоляторов на механическую прочность [Л2, с.227]:

где:

• l = 0,9 м – длина пролета, м;
• kп – поправочный коэффициент на высоту шины, если она расположена на ребро см. рис.4.8. В данном примере шины расположены горизонтально (плашмя), поэтому kп = 1,0:

где: Hиз. – высота изолятора.

Дальнейший расчет шинной конструкции в части выбора опорных изоляторов представлен в статье: «Выбор опорных изоляторов для шинного моста 10 кВ».

3.5. Определяем максимальное напряжение в шинах при трехфазном КЗ, возникающее при воздействии изгибающего момента по выражению 4.20 [Л2, с.222]:

где:

• l = 0,9 м – длина пролета, м;
• W = 10,7 см³ – момент сопротивления поперечного сечения шины, определенный ранее.

3.6. Сравниваем полученное максимальное напряжение в шинах σрасч. = 2,91 МПа с допустимым напряжением материала σдоп. = 137 МПа из таблицы 3 ГОСТ Р 52736-2008.

Как видно из результатов расчетов σрасч. = 2,91 МПа < σдоп. = 0,7*196 = 137 МПа – условие электродинамической стойкости выполняется.

В случае, если Вам нужен более детальный расчет проверки шин на электродинамическую стойкость, посмотрите статью: «Пример проверки шин и изоляторов на электродинамическую стойкость по ГОСТ».

Вывод:

Выбранные шины марки АД31Т1 сечением 80х10 мм удовлетворяют условию электродинамической стойкости, с длиной пролета l = 0,9 м.

Литература:

1. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. Том I. А.А. Федоров, 1986 г.
2. Электрооборудование станций и подстанций. Второе издание. Л.Д. Рожкова, В.С. Козулин. 1980 г.
3. ГОСТ Р 52736-2008 – Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания.