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).

ПУЭ 7-издание пункты 1.3.9, 1.3.22 и 1.3.28

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

ПУЭ 7-издание пункт 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%:

Определяем ток нормального режима

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):

Определяем максимальный рабочий ток

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.

ПУЭ 7-издание таблица 1.3.31

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

Определяем длительно допустимый ток для прямоугольных шин сечением 80х8 мм

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.

ПУЭ 7-издание таблица 1.3.3

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]:

Определяем длительно допустимый ток для прямоугольных шин сечением 80х10 мм

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]:

Определяем тепловой импульс

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.
Таблица 3.8 - Значения постоянной времени затухания апериодической состовляющей тока КЗ

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.
Пункт 4.1.5 ГОСТ Р 52736-2007

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

Определяем минимальное сечение шин по термической стойкости при КЗ

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

С – функция, значения которой приведены в таблице 3.14.

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;
рис. 2а ГОСТ Р 52736-2007

Решение

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

Определяем момент инерции J и момент сопротивления W
таблицы 4 ГОСТ Р 52736-2007

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

Определяем частоту собственных колебаний для алюминиевой шины

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]:

Определяем частоту собственных колебаний для медной шины

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]:

Определяем наибольшее удельное усилие при трехфазном КЗ

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]:

Определяем максимальную силу, действующую на шинную конструкцию

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:
kп – поправочный коэффициент на высоту шины

где: Hиз. – высота изолятора.

Вертикальное расположение шин на изоляторе

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]:

Определяем максимальное напряжение в шинах при трехфазном КЗ

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.

Таблица 3 ГОСТ Р 52736-2007

Обращаю ваше внимание, что сравнивается максимальное напряжение в шинах с допустимым напряжением в материале жестких шин, а не с допустимым напряжением в области сварного соединения, согласно ГОСТ Р 52736-2008 пункт 5.3.1 и ПУЭ 7-издание пункт 1.4.15.

Допустимые напряжение материала ГОСТ Р 52736-2008 пункт 5.3.1 и ПУЭ 7-издание пункт 1.4.15

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.