Выбор мощности, тока и сечения проводов и кабелей, а так же шин прямоугольного сечения.
В таблице сведены данные мощности, тока и сечения кабельно-проводниковых материалов, для расчетов и выбора защитных средств, кабельно-проводниковых материалов и электрооборудования.
Медные жилы, проводов и кабелей
Сечение токопроводящей жилы
Медные жилы, проводов и кабелей
Напряжение, 220 В
Напряжение, 380 В
ток, А
мощность, кВт
ток, А
мощность, кВт
1,5 мм²
19
4,1
16
10,5
2,5 мм²
27
5,9
25
16,5
4 мм²
38
8,3
30
19,8
6 мм²
46
10,1
40
26,4
10 мм²
70
15,4
50
33,0
16 мм²
85
18,7
75
49,5
25 мм²
115
25,3
90
59,4
35 мм²
135
29,7
115
75,9
50 мм²
175
38,5
145
95,7
70 мм²
215
47,3
180
118,8
95 мм²
260
57,2
220
145,2
120 мм²
300
66,0
260
171,6
Алюминивые жилы, проводов и кабелей
Сечение токопроводящей жилы
Алюминивые жилы, проводов и кабелей
Напряжение, 220 В
Напряжение, 380 В
ток, А
мощность, кВт
ток, А
мощность, кВт
2,5 мм²
20
4,4
19
12,5
4 мм²
28
6,1
23
15,1
6 мм²
36
7,9
30
19,8
10 мм²
50
11,0
39
25,7
16 мм²
60
13,2
55
36,3
25 мм²
85
18,7
70
46,2
35 мм²
100
22,0
85
56,1
50 мм²
135
29,7
110
72,6
70 мм²
165
36,3
140
92,4
95 мм²
200
44,0
170
112,2
120 мм²
230
50,6
200
132,0
150 мм²
–
–
–
–
В расчете применялись: данные таблиц ПУЭ; формулы активной мощности для однофазной и трехфазной симметричной нагрузки
Таблица шин прямоугольного сечения
Шины прямоугольного сечения медные, алюминиевые и стальные при одной полосе на фазу при переменном токе.
Голая шина прямоугольного сечения
(рис. 3.2). >Расчет этой шины начинаем так же, как и в случае расчета круглой шины, используя уравнение теплового баланса (2.6), но сечение (см 2 ) q = ab, а поверхность охлаждения шины (см 2 ) S = 2(а + Ь)1.
Рис. 3.2. Схема для расчета голой шины прямоугольного сечения
Подставляя значения R и S в уравнение теплового баланса, получаем
Поделив правую и левую части на значение q = ab, получим
Следовательно, или, задаваясь отношением а/b, ширина шины будет
Как видно из выражений (3.6) и (3.7), превышение температуры шины пропорционально квадрату плотности тока. Обычно величина плотности тока для медных шин принимается 3-5 А/мм 2 , а коэффициенты теплопередачи для круглого сечения к = (-13) КГ 4 Вт/(см 2 -град); для прямоугольного сечения к =(6–9)104 Вт/(см 2 трад).
Уравнения (3.6), (3.6, а), (3.7) и (3.7, а) справедливы и для катушек, намотанных из шины круглого или прямоугольного сечения. Однако в катушке соседние витки располагаются весьма близко друг от друга, и теплопередача от каждого отдельного витка затруднена, поэтому при расчете такой катушки плотность тока обычно принимается j = 1,5 -5-2,5 А/мм 2 , а
Очевидно, что расчет шин в прерывистом и повторно-кратко- временном режимах аналогичен рассмотренным расчетам. Исходные уравнения теплового баланса принимаются соответственно (2.18) или (2.22).
При расчете шины в кратковременном режиме в первую очередь определяется значение постоянной времени нагрева Т по исходному выражению (2.10), а затем если Т 0,5*аё, то по уравнениям (2.7) или (2.8). Так же, как и в рассмотренных случаях, значения R, S и G выражаются через удельные величины: R=ф/q; S = pi (где р — периметр шины); G = yql (у – плотность материала).
При расчете по уравнениям нагрева (2.7) или (2.8) предварительно определяется математическое значение т6й6 из уравнения теплового баланса (2.6).
Особенностью расчета изолированных шин и проводов является учет температурного перепада по толщине изоляции. Очевидно, максимальная температура, которая определяет величину пропускаемого тока, находится на поверхности токоведущей шины, а теплота рассеивается в окружающее пространство с поверхности изоляции (рис. 3.3). Тогда превышение температуры на поверхности шины определяется по выражению
Рис. 3.3. Схема для расчета круглой изолированной шины
где тн – превышение температуры на поверхности изоляции; А0 – температурный перепад по толщине изоляции. При этом выполняется условие тн 2 /4, то, подставив сюда эти значения и проведя преобразования, получим
Если шина имеет несколько слоев изоляции с разной теплопроводностью Х1; Х2; Х3 и соответственными диаметрами Dl; D2; D3, то
превышение температуры на поверхности провода
Рис. 3.4. Схема для расчета прямоугольной изолированной шины
Аналогичные рассуждения можно провести и для прямоугольной изолированной шины (рис. 3.4).
Перепад температуры по толщине 8 изоляции при прямоугольной шине
Тогда превышение температуры на поверхности токоведущей шины
Так как сопротивление шины R = pl/q, поверхность охлаждения S = 2(А + В)1, то, подставляя сюда значения R и S и проводя преобразования, получаем
Расчет на нагрев монтажных проводов, на которые есть ГОСТ, не производится; обычно имеются заранее рассчитанные таблицы токовой нагрузки проводов различного сечения. Допустимые значения токов (А) для медных проводов с резиновой или полихлорвиниловой изоляцией при температуре окружающей среды 40 °С приводятся в справочных данных. Если температура окружающей среды отличается от 40 °С на величину
±Д0, то допускаемая величина тока /2=IlyJl±(A0/65), где 1Х – значение тока по справочным данным.
ВЫБОР, РАСЧЕТ И ПРОВЕРКА ШИН, ОСНОВНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Выбор шин РУ
Выбор шин ОРУ-110 кВ
Шины ОРУ 110 кВ выполняются гибкими проводами АС, АСУ, АСО (сечением не менее 70 мм 2 ). Сечение сборных шин выбирают по условию
где Iдоп – длительно-допускаемый ток для шины данного сечения и материала, А;
Iраб.max. – максимальный длительный ток нагрузки, А.
Максимальный длительный ток нагрузки находится по формуле:
где Sн.тр –номинальная мощность трансформатора, Sн.тр=16000 кВА;
Выбраны шины марки АС-70 на допускаемый ток 265 (А).
Параметры шин представлены в табл.6
Наружный диаметр провода, мм.
Выбранные шины необходимо также проверить на термическую устойчивость воздействию тока к.з. Для этого вычисляем минимальное термически стойкое сечение, мм 2 :
где – тепловой импульс к.з., кА 2 с;
C – функция, зависящая от перегрева (принимаем C = 90).
Тепловой импульс короткого замыкания вычисляется по формуле:
где- постоянная времени отключения цепи (принимаем =0,05 с).
– начальный ток короткого замыкания в точке К-1;
-полное время отключения высоковольтного выключателя;
Время отключения высоковольтного выключателя определяется по формуле:
где- собственное время отключения выключателя; =0,05 с;
– время действия релейной защиты; =0,1 с.
Таким образом, значение теплового импульса равно:
Термическая устойчивость обеспечивается, если выполняется условие:
Условие термической стойкости в данном случае выполняется:
Выбор шин ЗРУ-10,5 кВ
Шины ЗРУ-10 кВ выполняются жесткими, из алюминия прямоугольного сечения. Сечение указанных шин выбирается аналогично шинам ОРУ, но проверка производится не только на термическую устойчивость, но и на электродинамическую стойкость.
Сечение сборных шин выбирается по условию: ,
где – дополнительно допускаемый ток для шин данного сечения и материала, А (определяется по [2]).
Максимальный длительный ток нагрузки для данных шин находится по формуле:
где Кпер – коэффициент допустимой перегрузки трансформатора, равный 0,7;
Sнтр – номинальная мощность понижающего трансформатора, кВА;
Uн2 – номинальное напряжение обмотки НН понижающего трансформатора, кВ.
Согласно условию, принимаем шины ЗРУ – 10 кВ алюминиевые, прямоугольного сечения, окрашенные, выполненные одной полосой, установленные на ребро марки А – 40х5 на ток .
Параметры шин представлены в табл.7
Сечение одной полосы, мм 2
Выбранные шины необходимо также проверить на термическую устойчивость воздействию тока к.з. Для этого вычисляем минимальное термически стойкое сечение, мм 2 :
Тепловой импульс к.з. определен по формуле:
Минимальное термически стойкое сечение вычислено по формуле:
Как видно, условие термической стойкости выполняется:
Проверка шин на электродинамическую стойкость:
Проверка на электродинамическую стойкость выполняется по условию: , где – допускаемое напряжение для материала шин, МПа; принято для алюминиевых проводов =65 (МПа);
– расчетное механическое напряжение в материале шины, МПа.
Расчетное механическое напряжение в материале шины определяется по формуле:
W – момент сопротивления, м 3 .
Изгибающий момент зависит от силы F, действующей на шину при коротком замыкании, и находится по следующей формуле:
где – максимальная сила, действующая на шины при коротком замыкании, Н;
– длина пролета, т. е. расстояние между соседними опорными изоляторами; принято =1 м.
Максимальная сила, действующая на шины при коротком замыкании определяется по формуле:
где – ударный ток короткого замыкания, кА;
а – расстояние между осями токоведущих частей, м; принято а=0,25 м.
Момент сопротивления определяется размером сечения и способом установки шины:
где – толщина шины, см (0,04 см);
Следовательно, подставляя в получаем:
Таким образом, условие электродинамической стойкости также выполняется: .
Выбор шин ЗРУ-3,3 кВ
Максимальный рабочий ток на главной плюсовой шине РУ – 3,3 кВ тяговой подстанции определяется по формуле
где -число преобразовательных агрегатов;
-номинальный выпрямленный ток преобразователя;
-коэффициент нагрузки на шинах, при
В связи с тем, что 2 выпрямителя никогда не работают на полную нагрузку принимаем шины алюминиевые, прямоугольного сечения, окрашенные, выполненные тремя полосами, установленные плашмя.
Параметры шин представлены в табл.8
Сечение одной полосы, мм 2
Выбранные шины необходимо также проверить на термическую устойчивость воздействию тока к.з. Для этого вычисляем минимальное термически стойкое сечение, мм 2 :
Тепловой импульс к.з. определен по формуле:
Минимальное термически стойкое сечение вычислено по формуле:
Как видно, условие термической стойкости выполняется:
Проверка шин на электродинамическую стойкость:
Проверка на электродинамическую стойкость выполняется по условию: ,
Таким образом, условие электродинамической стойкости также выполняется: .
В конце приведем сводную таблицу, в которой представлены все выбранные шины и их краткие характеристики (см. табл.9).
Расчет распределения тока по сечению шины с помощью 3D-модели в программе ELCUT
ООО “Тор” (Россия, Санкт-Петербург)
Аннотация. Произведен расчет распределения тока по сечению медной прямоугольной полой шины с размерами 110 мм х 30 мм , изогнутой под прямым углом. При моделировании поставлена 3D-задача растекания постоянного тока в программном пакете ELCUT .
Ключевые слова: шина, задача растекания постоянного тока, 3 D импорт, ELCUT
Calculation of current distribution over the bus bar cross-section using a 3D-model in program ELCUT
Abstract. Current distribution over the cross-section rectangular hollow copper busbar with dimensions 110 mm x 30 mm bended at right angle was conducted. The modeling is performed as a 3D-problem of direct current flow in ELCUT software.
Key words: busbar, direct current conduction problem, 3D import, ELCUT
Ссылка на статью
Чишко С. Расчет распределения тока по сечению шины с помощью 3 D -модели в программе ELCUT // Видеонаука: сетевой журн. 2017. №1(5). URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/102-raschet-raspredeleniya-toka-po-secheniyu-shiny-s-pomoshchyu-3d-modeli-v-programme-elcut (дата обращения 3.04.2017).
Расчет распределения тока по сечению шины с помощью 3 D -модели в программе ELCUT
Медные шины прямоугольного сечения [1] широко используются в электротехнике и электроэнергетике. Они применяются в качестве токопроводов для передачи и распределения электроэнергии, в конструкциях электрических аппаратов и различных электроустановках. Шинопроводы могут использоваться для распределения постоянного или переменного тока; могут быть открытого, защищенного или закрытого охлаждения; могут быть сплошными или полыми для интенсификации охлаждения.
На Рисунке 1 представлен пример шин разводки шин в электрическом устройстве.
Рисунок1– Пример разводки шин в электрическом шкафу
При проектировании шинопроводов могут возникать такие задачи как: расчет механических усилий на элементы конструкции, расчет теплового состояния в номинальных и анормальных режимах, расчет распределения тока по сечению шины, расчет магнитного поля шины и электромагнитное воздействие на соседние элементы. Для моделирования указанных задач при проектировании полезным инструментом являются программы на основе метода конечных элементов, в частности отечественная программа ELCUT . С ее помощью можно решить широчайший спектр исследовательских и инженерных задач в плоской постановке, а также некоторые задачи трехмерной постановки. Это позволяет ускорить проектирование и трассировку шин.
В качестве примера моделирования работы шины рассмотрим распределение тока по сечению шины, изогнутой под прямым углом. Такие перегибы необходимы для эффективного использования пространства электротехнического оборудования, однако, это вызывает локальное перераспределение плотности тока в месте сгиба. Такая задача является принципиально трехмерной, и она эффективно может быть решена в пакете ELCUT , поддерживающем функцию импорта 3 D модели.
Выберем полую прямоугольную шину [2] с размерами 110 мм х 30 мм. На Рисунке 2 указаны размеры модели, на Рисунке 3 показана 3 D модель данной шины, созданная по указанным размерам.
Рисунок2– Размеры исследуемой шины: а) поперечное сечение; б) вид сверху исследуемого участка
Рисунок3– 3Dмодель участка сгиба полой шины
Предварительно, для ускорения расчета при незначительной потери точности модели, заменим скругления углов на поперечном сечении шины (Рисунок 2а) прямыми стыками. После этого сохраним 3 D модель шины в формате STEP . Далее можем импортировать данную геометрию в пакет ELCUT для решения, как показано на Рисунке 4.
Рисунок4– Препроцессинг модели полой шины
После ряда простых операций по заданию свойств модели (электропроводность меди 56 МСм/м) и граничных условий (один торец является источником, в нем задается плотность тока 15 А/мм 2 ; второй торец является стоком, и на нем задается условие нулевого потенциала) можно построить сетку конечных элементов для решения задачи.
После решения задачи можно узнать плотность тока в любой точке шины. Как видно на Рисунке 5, плотность тока увеличивается к внутреннему радиусу сгиба и уменьшается к внешнему, причем изменение плотности тока может достигать 30%. Также путем анализа полученного решения можно найти точное значение активного сопротивления данного участка шинопровода, которое в данном случае равно 1,98 мкОм.
Информация, полученная из данного анализа, может использоваться в дальнейшем для уточнения теплового состояния шины при выбранной системе охлаждения, либо же для выбора максимально допустимой плотности тока через шину по условию нагревостойкости. Эти задачи можно также решить в пакете ELCUT .
Рисунок5– Распределение плотности тока м месте сгиба шины
или, задаваясь отношением а/b, ширина шины будет
