Проверка шин по термической стойкости

Проверка на термическую стойкость шин при токах КЗ

Критерием термической стойкости является конечная температура, которая ограничивается механической прочностью металлов, деформациями частей аппаратов и шин. Для неизолированных медных проводников установлена максимальная температура 300 o C, для алюминиевых — 200 o C.

В практических расчетах для определения минимальной величины допустимого сечения по термической стойкости (S_Т), пользуются формулой:

(мм 2 ) (9.14)

где: тепловой импульс (интеграл Джоуля), тока КЗ, А,

с — коэффициент, соответствующий разности выделенного тепла в проводнике после КЗ и до него, (справочная величина).

Если расчетная величина минимального сечения допустимого по термической стойкости S_T меньше сечения проводника выбранного по допустимому току S, то считается, что шины термически стойкие, т.е. соблюдается условие:

(9.15)

Проверка на электродинамическую стойкость шин к токам КЗ

При КЗ по токоведущим частям проходят токи переходного режима, вызывая сложные динамические усилия в шинных конструкциях. Усилия, действующие на жесткие шины и изоляторы, рассчитываются по наибольшему мгновенному значению тока трехфазного КЗ ( ). Сила действующая на конструкцию определяется по (9.16).

Изгибающий момент, действующий на шину,

, (9.16)

где: f — наибольшее удельное усилие при трехфазном КЗ, Н/М,

l — длина пролета между опорными изоляторами, м,

— коэффициент, зависящий о способа крепления шин на опорных изоляторах (для реальных конструкций =10).

Напряжение в материале шины при воздействии изгибающего момента, МПа,

(9.17)

где: W — момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной действию момента, см 3 . Он зависит от размеров и расположения шин.

Шины механически прочны, если

(9.18)

где: допустимое механическое напряжение в материале шины. (справочная величина)

Примеры расчета шин

Однополосные шины

Наибольшее удельное усилие, Н/м,

(9.19)

где: — ударный ток трехфазного КЗ, А;

а — расстояние между фазами, м;

— коэффициент формы (находится по кривым [10]). Если расстояние между фазами значительно больше периметра шин то коэффициент формы .

Необходимо учитывать усилия как между фазами, так и между полосами.

Удельное усилие между фазами, Н/м:

(9.20)

Напряжение в материале от взаимодействия фаз, МПа,

, (9.21)

где: W — момент сопротивления пакета шин, см 3 .

Удельное усилие между полосами, Н/м:

, (9.22)

, (9.23)

где: величины, зависящие от коэффициентов формы;

Напряжение в материале от взаимодействия полос, МПа,

, (9.24)

где: — расстояние между прокладками, которые укладываются между шинами в пакете, м;

— момент сопротивления одной полосы, см 3 .

Шины механически прочны, если,

(9.25)

Максимальное расстояние между прокладками, м

(9.26)

Минимальное число прокладок в пролете

(9.27)

При жестком соединении швеллеров расчет такой же, как для однополостных

шин, .

При отсутствии жесткого соединения швеллеров расчет такой же, как для двухполостных шин, (при вертикальном расположении ).

Удельное усилие действующее между фазами при отсутствии жесткого соединения швеллеров:

, (9.28)

Формулы используются с учетом .

Шины, расположенные по вершинам треугольника

В этом случае силы, действующие на шину от других фаз, сдвинуты в пространстве. Результирующая сила меняется по величине и направлению, создавая растягивающие , изгибающие и сжимающие усилия на изоляторы.

В табл. 9.2 приведены расчетные формулы для определения и сил, действующих на изоляторы для круглых, полых и коробчатых шин, расположенных в вершинах треугольника.

Выбрать сборные шины 10кВ понизительной подстанции 110/10кВ. Номинальная мощность трансформатора МВА; ударный ток трехфазного КЗ на шинах , тепловой импульс . Предполагается, что шины расположены в горизонтальной плоскости, расстояние между фазами , длина пролета l = 1 м.

Сборные шины выбираем по длительно допустимому току. Так как распределение нагрузки по шинам неизвестно, выбор шин производим по току трансформатора:

Принимаем алюминиевые шины прямоугольного сечения (60×6)мм 2 = 360мм 2 .

Проверяем шины на термическую стойкость, принимая , справочная величина:

S_т = .

Согласно условию шины термически устойчивы.

Проверка на динамическую стойкость

Удельное усилие принимая

Н/м

Момент сопротивления сечения при расположении шин “плашмя”

Напряжение в материале шины:

МПа

Согласно условию шины динамически устойчивы.

Источник

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.

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

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%:

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]:

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]:

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

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;

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 мм 2 = 8 см 4 – 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, 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]:

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]:

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]:

l = 0,9 м – длина пролета, м;
W = 10,7 см 3 – 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.

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.

Как видно из результатов расчетов σрасч. = 2,91 МПа Вывод:

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

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

Поделиться в социальных сетях

Если вы нашли ответ на свой вопрос и у вас есть желание отблагодарить автора статьи за его труд, можете воспользоваться платформой для перевода средств «WebMoney Funding» и «PayPal» .

Данный проект поддерживается и развивается исключительно на средства от добровольных пожертвований.

Проявив лояльность к сайту, Вы можете перечислить любую сумму денег, тем самым вы поможете улучшить данный сайт, повысить регулярность появления новых интересных статей и оплатить регулярные расходы, такие как: оплата хостинга, доменного имени, SSL-сертификата, зарплата нашим авторам.

В данной статье будет рассматриваться выбор кабеля (провода) по нагреву при повторно-кратковременном.

В данном примере нужно выбрать сечение гибких шин для питания ЗРУ-10 кВ от силового трансформатора типа.

В данной статье будет рассматриваться пример расчета реактивной мощности воздушной линии напряжением 10.

Требуется определить потери активной и реактивной мощности в автотрансформаторе типа АТДЦТН-125000/220/110.

Требуется определить относительную величину потери напряжения автотрансформатора типа АТДЦТН-125000/220/110.

Отправляя сообщение, Вы разрешаете сбор и обработку персональных данных.
Политика конфиденциальности.

Источник