Комплектные токопроводы

Пофазно экранированные токопроводы

Комплектным токопроводом принято называть токопровод с жесткими неизолированными проводниками и металлическим кожухом, изготовленный специализированным заводом по техническим условиям, согласованным с заказчиком, и поставляемый к месту установки частями, размеры и масса которых удобны для транспорта. Изоляцией в комплектных токопроводах служит обычно воздух; при высоких напряжениях - элегаз.

Рис.1. Пофазно экранированный токопровод для генератора 500 МВт, 20 кВ, 18 кА
(поперечный разрез):
1 - шины; 2 - изолятор; 3 - кожухи; 4 - стальная балка

В пофазно экранированных токопроводах (рис.1) проводники каждой фазы вместе с опорными изоляторами охвачены проводящими заземленными экранами - кожухами, назначение которых заключается в следующем:

• обеспечить безопасность обслуживания;
• защитить проводники, изоляторы от пыли, влаги, случайного попадания посторонних предметов;
• исключить возможность междуфазных замыканий в пределах токопровода;
• уменьшить электродинамические силы взаимодействия между проводниками при внешних КЗ;
• устранить нагревание индуктированными токами стальных несущих конструкций, арматуры железобетонных стен и перекрытий.

Последние два требования могут быть выполнены, если внешнее магнитное поле (вне кожухов) будет возможно полнее компенсировано токами, индуктированными в кожухах. Это и имеет место в токопроводах с непрерывной замкнутой системой кожухов типа ТЭН (токопровод экранированный, непрерывный).

Рис.2. Схема непрерывной замкнутой системы кожухов токопровода:
1 - место сварки; 2 - алюминиевые перемычки; 3 - поперечные балки

Как видно из схемы рис.2, секции кожухов каждой фазы соединены между собой сваркой. По концам токопровода кожухи трех фаз соединены с помощью приваренных алюминиевых перемычек в виде плит или труб. Заземляют экраны в одной точке, для чего одну из перемычек присоединяют к контуру заземления электростанции.

Таким образом, кожухи образуют замкнутую трехфазную систему. В рабочем режиме в них индуктируются токи, приблизительно равные токам в проводниках, но направленные противоположно. Они проходят вдоль кожухов, распределяясь равномерно по периметру, и переходят из одного кожуха в два других по концам токопровода. Геометрическая сумма их равна нулю. Эти токи в дальнейшем называются циркулирующим и в отличие, от вихревых токов, замыкающихся в пределах кожуха каждой фазы. Циркулирующие токи уменьшают внешнее магнитное поле токопровода.

Если бы токи в кожухах в точности соответствовали токам в проводниках и находились с ними в фазе, то внешнее магнитное поле отсутствовало бы. Однако кожухи обладают активным сопротивлением. Вследствие этого токи в кожухах не точно совпадают по фазе с токами в проводниках и внешнее магнитное поле компенсируется не полностью. Однако в рабочем режиме индукция внешнего поля настолько мала, что опасность нагревания стальных конструкций индуктированными в них вихревыми токами практически отсутствует.

Рассмотрим экранирующее действие непрерывной системы кожухов на электродинамические силы, действующие на проводники и кожухи при КЗ. Известно, что электродинамическая сила, действующая на единицу длины проводника, равна произведению его тока и индукции магнитного поля (около рассматриваемого проводника), создаваемого токами соседних проводников. Следовательно, для определения сил, действующих на проводники токопровода, необходимо прежде всего определить магнитную индукцию внутри кожухов при КЗ. Токи, индуктируемые в кожухах, уменьшают магнитную индукцию. Это уменьшение не одинаково для магнитных потоков от периодической и апериодической составляющих тока КЗ.

Рис.3. Схема однофазного токопровода и направления циркулирующих и вихревых токов

Экранирующее действие непрерывной системы кожухов удобно проследить на примере однофазного (двухпроводного) токопровода. Допустим, что ток I_A в проводнике фазы А (рис.3) соответствует периодической составляющей тока КЗ с постоянной амплитудой. Требуется определить индукцию внутри кожуха фазы В. В кожухе фазы А индуктируется циркулирующий ток I'_A, близкий по значению к току I_A, но сдвинутый по фазе на некоторый угол вследствие влияния активного сопротивления кожуха. Этот угол невелик, поскольку активное сопротивление кожуха значительно меньше индуктивного сопротивления. Ток I_A замыкается через кожух фазы В (на рисунке не показано). Магнитный поток, охватывающий кожух фазы А, определяется геометрической суммой токов I_A и -I'_A, или так называемым остаточным током, не превышающим 0,1I_A. Следовательно, магнитная индукция вокруг кожуха фазы А от периодической составляющей тока КЗ не превышает 0,1 соответствующего значения при отсутствии кожуха.

Этот уменьшенный магнитный поток индуктирует в кожухе фазы В периодические вихревые токи, замыкающиеся у пределах кожуха. В одной половине кожуха они направлены так же, как в проводнике фазы А, в другой половине - в противоположную сторону. Вихревые токи значительно меньше циркулирующих токов, однако они достаточны, чтобы препятствовать проникновению магнитного поля в кожух. В результате магнитная индукция около проводника В не превышает 0,01 соответствующей индукции при отсутствии кожухов: она уменьшается в 10 раз циркулирующим током в кожухе фазы А и еще в 10 раз вихревыми токами в кожухе фазы В. Соответственно уменьшается (т.е. практически исчезает) электродинамическая сила на проводник В, обусловленная периодической составляющей тока КЗ.

В переходном режиме ток КЗ содержит не только периодическую, но и апериодическую составляющую, затухающую с постоянной времени Т_а. Поэтому при КЗ токи, индуктируемые в кожухах, также содержат апериодические составляющие, уменьшающие апериодическую составляющую индукции внешнего магнитного поля, а также поля в кожухах. Эти токи затухают с постоянными времени, значительно меньшими постоянной Т_а (значение последней принято здесь 0,4 с). В начальный момент апериодическая составляющая индукции вокруг кожуха А равна нулю, поскольку она полностью компенсируется апериодической составляющей циркулирующего тока, возникающего в кожухе. По мере затухания последнего составляющая магнитной индукции увеличивается, достигает максимального значения и затем уменьшается вследствие затухания апериодической составляющей тока КЗ (рис.4, кривая B_a).

Проникновению магнитного поля в кожух фазы В препятствуют апериодические вихревые токи, появляющиеся в этом кожухе. Максимальное значение индукции в кожухе фазы В от апериодической составляющей тока КЗ зависит от постоянной времени Т_a и постоянных времени контуров циркулирующих и вихревых токов. В ряде выполненных токопроводов максимальная индукция внутри кожухов приблизительно в 4 раза меньше соответствующего значения индукции при отсутствии кожухов. Соответственно уменьшается электродинамическая сила на проводники.

Поскольку ток в проводниках содержит периодическую и апериодическую составляющие, а магнитная индукция в кожухах только апериодическую составляющую (периодическая составляющая ничтожно мала), электродинамическая сила на проводники также содержит периодическую и апериодическую составляющие. Составляющая двойной частоты, характерная для неэкранированных токопроводов, здесь отсутствует.

Рис.4. Изменение пo времени апериодической составляющей тока КЗ i_a,
апериодической составляющей магнитной индукции В_a в кожухе фазы В и
огибающая по максимальным значениям электродинамической силы F на проводник фазы В

Кривая F на рис.4 представляет собой огибающую по максимальным значениям электродинамической силы. Максимальное значение электродинамической силы составляет приблизительно 0,25 соответствующего значения при отсутствии кожухов. Существенно важно, что этот максимум наступает спустя 8-9 периодов после момента замыкания, когда периодическая составляющая тока КЗ несколько уменьшается.

Электродинамические силы на кожухи при КЗ, отнесенные к единице длины, равны произведению тока в кожухах и индукции магнитного поля от соседних проводников с учетом экранирующего действия соответствующих кожухов. Как указано выше, при хорошо проводящих кожухах снижение периодической составляющей магнитного потока. вызванное влиянием кожуха, больше снижения апериодической составляющей. Электродинамическая сила на кожухи определяется в основном апериодической составляющей тока КЗ. Она несколько меньше силы на проводники, что объясняется относительно быстрым затуханием апериодической составляющей тока КЗ. В целом электродинамическая стойкость пофазно-экранированных токопроводов очень высока: ток электродинамической стойкости достигает 560-750 кА, несмотря на большие расстояния между опорами.

Из изложенного следует, что непрерывная замкнутая система кожухов, охватывающая проводники с током, обеспечивает в рабочем режиме почти полную компенсацию внешнего магнитного ноля токопровода. Следовательно, в окружающих стальных конструкциях не возникают сколько-нибудь заметные потери мощности от индуктированных токов и перемагничивания. При КЗ экранирующее действие кожухов также весьма заметно. Электродинамические силы на проводники обусловлены в основном апериодической составляющей тока КЗ. Они в несколько раз меньше электродинамических сил на проводники при отсутствии кожухов. Электродинамические силы на кожухи еще меньше. Эти положительные качества экранированных токопроводов приобретены за счет значительного увеличения расхода цветного металла, дополнительных потерь энергии в кожухах и ухудшенных условий теплоотдачи от проводников в окружающую среду. Последнее объясняется тем, что нагретый кожух представляет собой барьер, препятствующий передаче тепла от проводников в окружающую среду.

Чтобы обеспечить отвод тепла от проводников, температура их должна быть выше температуры кожухов. Номинальная температура для проводников в продолжительном режиме установлена равной 120°С, т.е. значительно выше соответствующей температуры для неэкранированных шин. Такая температура может быть допущена при условии, что большая часть электрических соединений выполнена сваркой, а контактные поверхности болтовых соединений покрыты слоем серебра. Номинальная температура для кожухов установлена равной 80°С при температуре воздуха 35°С.

В кожухах токопровода индуктируется ЭДС, равная произведению тока в проводниках и взаимного индуктивного сопротивления между проводником и кожухом. Эта ЭДС составляет приблизительно 3-4 мВ на 1 м длины кожуха и на 1000 А рабочего тока и не представляет опасности для обслуживающего персонала.

Конструкции пофазно экранированных токопроводов

В токопроводах этого типа в качестве проводников используют исключительно алюминиевые трубы кольцевого сечения. Диаметр трубы и толщину стенки определяют из теплового расчета, руководствуясь установленными максимальными температурами для проводников и кожухов. Кожухи токопровода изготовляют из листового алюминия толщиной 4-6 мм в виде секций длиной 10-12 м. Диаметр кожухов определяется диаметром проводников и двойной высотой изоляторов. Последние вводят в кожухи снаружи через отверстия в стенках и укрепляют болтами. В случае необходимости любой изолятор можно вынуть и заменить другим. Расстояние между изоляторами по длине токопровода составляет 4-5 м, т.е. значительно больше обычных расстояний в неэкранированных токопроводах сборного типа. Проводники плотно прилегают к головкам изоляторов.

Изготовленные таким образом секции собирают в трехфазную систему на месте установки и связывают поперечными двутавровыми балками. Продольная несущая конструкция для токопроводов с непрерывной системой кожухов не требуется, поскольку кожухи обладают значительной жесткостью и могут быть установлены на опорах с пролетом до 15-20 м. Как проводники, так и кожухи отдельных секций соединяют сваркой. Чтобы обеспечить свободную деформацию проводников и кожухов при изменении температуры, предусматривают тепловые компенсаторы. Во избежание проникновения в кожухи пыли и влаги их надежно герметизируют.

В токопроводы могут быть встроенные разъединители, заземлители, измерительные трансформаторы тока и напряжения. Токопроводы для блочных агрегатов генератор-трансформатор изготовляют с ответвлениями для присоединения трансформаторов собственных нужд.

Большая часть токопроводов с номинальным током вплоть до 15-20 кА работает с естественным воздушным охлаждением. Имеются токопроводы, выполненные с проточной вентиляцией и водяными охладителями. При этом размеры проводников и кожухов могут быть уменьшены. Целесообразность такой конструкции должна быть проверена соответствующим технико-экономическим расчетом с учетом местных условий.

Токопроводы для напряжений 6-10 кВ и рабочего тока до 3200 А

Токопроводы этого вида предназначены для распределения энергии на промышленных предприятиях и в системах собственных нужд электростанций. Их изготовляют на токи электродинамической стойкости и i_дин до 125 кА, со стальными и алюминиевыми кожухами, как правило, прямоугольного и круглого сечений с неразделенными и разделенными фазами.

Рис.5. Токопровод типа КЗШ-6:
а - без междуфазных перегородок;
б - с междуфазными перегородками

В качестве примера на рис.5 показано устройство токопроводов типа КЗШ-6 для номинального напряжения 6 кВ. При номинальном токе до 2000 А применяют стальные кожухи, а при больших токах - алюминиевые, чтобы уменьшить потери. В том и другом случае кожухи выполняют в двух вариантах: без междуфазных перегородок (рис.5,а) и с ними (рис.5,б). Междуфазные перегородки повышают надежность работы токопроводов и применяются, например, при наружной установке токопроводов, т.е. при неблагоприятных условиях внешней среды. Ток электродинамической стойкости токопроводов типа КЗШ составляет 64, 100 и 125 кА.

Рис.6. Пофазно-экранированный токопровод типа ТЭКН-6
с номинальным током до 3200 А:
1 - кожух; 2 - токопровод; 3 - изолятор

Токопроводы типа ТЭКН-6 для номинального напряжения 6 кВ и поминального тока 2000 и 3200 А снабжают пофазными алюминиевыми экранами (рис.6). Электродинамическая стойкость их составляет 125 кА.

В токопроводах всех типов применены проводники корытного сечения, укрепленные болтами на опорных изоляторах.

Токопроводы поставляют готовыми секциями длиной от 6 до 9 м и массой от 400 до 700 кг.

Токопроводы для напряжений до 1 кВ

Токопроводы этого вида должны иметь возможно малое индуктивное сопротивление, чтобы уменьшить потери напряжения при передаче энергии. Этим требованиям отвечают токопроводы со спаренными фазами. Такой токопровод состоит из шести плоских шин, сгруппированных в три пары так, что в каждой паре находятся шины разных фаз (рис.7).

Рис.7. Варианты расположения шин в токопроводах со спаренными фазами

Взаимное расположение пар и шин в парах не имеет значения, важно лишь, чтобы в каждой паре имелись шины разных фаз.

В любом варианте исполнения токопровод со спаренными фазами обладает тем замечательным свойством, что токи в шинах одноименных фаз а'а", b'b", с'с" сдвинуты между собой на угол, близкий к 60°, а токи в шинах каждой пары сдвинуты на угол, близкий к 1800 (рис.8). Следовательно, внешние поля каждой пары почти полностью компенсируются. Эта компенсация тем совершеннее, чем меньше расстояние между шинами в парах.

Рис.8. Векторная диаграмма токов:
а'a", b'b", с'с" - токи в шинах одноименных фаз;
а'b", с'а", b'c" - токи в шинах каждой пары;
a,b,c - фазные токи

Отсутствие внешнего магнитного поля вокруг нар шин благоприятно сказывается на свойствах токопровода, а именно:

• токи распределяются равномерно по сечению шин;
• уменьшаются индуктивное сопротивление и потери напряжения;
• уменьшаются потери в кожухе и стальных конструкциях, окружающих токопровод.

Чтобы по возможности уменьшить расстояние между шинами в парах, их изолируют стеклотканью и эмалью.

Толщина изоляции составляет 0,5 мм, пробивное напряжение при температуре 18°С - 8 кВ. Стальной кожух токопровода выполняют с отверстиями для вентиляции или сетчатым.

Токопроводы с элегазовой изоляцией

Токопроводы этого вида - сборные шины, токопроводы связи с трансформаторами и другие получили применение в комплектных РУ 110 кВ и выше с элегазовой изоляцией. Проводники в виде груб заключают в кожухи из алюминия, заполненные элегазом под некоторым давлением. Различают токопроводы с индивидуальной оболочкой для каждой фазы и обшей оболочкой для трех фаз.

В последнее время заметна тенденция к расширению области применения токопроводов с элегазовой изоляцией. Так, в 1987г. в США и Японии одновременно, но независимо друг от друга началось строительство токопроводов 1000-1100 кВ с элегазовой изоляцией протяженностью в несколько сотен километров каждый. Эти токопроводы должны заменить воздушные линии с опорами, размеры и масса которых очень велики, так как расстояние между фазами составляет 12 м. В США строятся линии Ханфорд-Вашингтон и Портленд-Орегон. В Японии строится кольцо вокруг Токио. Ниже приведены основные параметры токопроводов, строящихся в США:

• Номинальное линейное напряжение....1100 кВ
• Максимальное линейное напряжение....1200 кВ
• Испытательное напряжение фаза-земля....900 кВ
• Импульсная прочность (пиковое значение)....2175 кВ
• Ток электродинамической стойкости:
  • действующее значение....40 кА
  • максимальное мгновенное....98 кА
• Номинальный продолжительный ток....5000 А
• Пропускная мощность....10000 МВА
• Коэффициент мощности....0,75
• Давление элегаза....400-500 кПа
• Наружный диаметр трубчатых проводников....27,9 см
• Внутренний диаметр кожуха....76,2 см
• Толщина стенки кожуха....0,79 см
• Расстояние между опорными изоляторами по длине токопровода....6,1 м

Разработаны также конструкции элементов КРУ и подстанций, а именно: вводов элегаз-воздух; секций токопроводов с измерительными трансформаторами тока; емкостных делителей напряжения; силовых трансформаторов с элегазовой изоляцией; элегазовых выключателей с четырьмя разрывами на каждый полюс, с номинальным током отключения 48 кА: разрядников для КРУ с элегазовой изоляцией: шунтирующих реакторов. Перечисленные элементы электрического оборудования имеют весьма сжатые размеры.

Токопроводы должны были быть введены в эксплуатацию к 1990г. Таким образом, на смену воздушным линиям обычной конструкции приходят более экономичные линии-токопроводы с элегазовой изоляцией.