Требования по жесткой ошиновке ОРУ и ЗРУ 110-500 кВ
В последние годы значительное количествоОРУ 110-500 кВ выполняется с жесткой ошиновкой, которая позволяет создать компактные и экономичные распределительные устройства, занимающие меньшую площадь, имеющие более низкое расположение шин, высоту порталов, чем вОРУ с гибкой ошиновкой. Благодаря этому сокращается длина контрольных и силовых кабелей, дорог, облегчается очистка изоляторов, ремонт шинных конструкций, улучшается обзор шин и аппаратов.
При использовании жесткой ошиновки снижается трудоемкость монтажных работ. На основе конструкций с жесткими шинами созданы конструкции высокой заводской готовности, в том числе, компактные модули и комплектные ПС.
Все это позволяет сократить сроки сооружения РУ. Жесткая ошиновка в нашей стране успешно применялась еще в 30-е годы прошлого века. Сборные шины изготовлялись из медных труб, внутриячейковые связи — из стальных (водопроводных) труб. В середине 50-х годов институт «Теплоэлектропроект» разработал проекты ЗРУ, а также ОРУ 110 и 220 кВ с жесткими сборными шинами из алюминиевых сплавов и однорядной установкой выключателей. В 1957 г. введено в эксплуатацию ЗРУ 150 кВ Каховской ГЭС, выполненное по схеме: одна рабочая секционированная и обходная системы шин, сборные шины которого изготовлены из медных труб. Широкое применение жесткая трубчатая ошиновка из алюминиевых сплавов получила в 60-е годы в ОРУ напряжением 110 кВ транзитных и тупиковых подстанций.
В 70-х годах институт «Энергосетьпроект» выполнил проекты ОРУ напряжением 220 кВ по упрощенным схемам (типа КТП 220 кВ), а также типовые проекты ОРУ 110 кВ и выше со сборными шинами. В эти же годы институтом «Укроргэнергострой» (в те годы Одесским филиалом «Оргэнергострой») разработаны проекты КТПБ 110 кВ, производство которых освоено Самарским (Куйбышевским) заводом «Электрощит». Эти же организации позднее разработали и освоили выпуск блочных комплектных распределительных устройств (КРУБ) 110 кВ для схем одна или две системы сборных шин с обходной шиной, а в конце 80-х годов изготовили экспериментальные пролеты ошиновки КРУБ 220 кВ. До 80-х годов жесткая ошиновка ОРУ 110 кВ, разработанная институтом «Энергосетьпроект» и его филиалами, изготовлялась в мастерских электромонтажных организаций; позднее, как правило, на заводах ВПО «Союзлектросетьизоляция» (рис.1, а).
Эти решения использовались при сооружении ОРУ 220 и 500 кВ с жесткими шинами (рис. 1, б). Кроме того, элементы жесткой ошиновки нашли применение в ОРУ 330 и 500 кВ с подвесными разъединителями (проекты института «Атомтеплоэлектропроект»).
В последние годы ЗАО «Завод электротехнического оборудования» (ЗЭТО), ЗАО «КЭС-ЭнергоСтройИнжиниринг», ЗАО «КТП-Урал» и другие организации выполнили разработку, и внедрение ошиновки ОРУ 110 – 500 кВ (рис. 2).
Следует отметить, что ряд шинных конструкций во многом копируют разработки 60-80 гг. прошлого столетия. Другие с аккумулировали наилучшие отечественные и зарубежные решения, а также используют новые оригинальные подходы.
В этих условиях своевременным оказалось подготовка и утверждение четырех новых нормативных документов [1-4], которые определяют требования к проектированию, выбору, расчетам и испытаниям жесткой ошиновки ОРУ и ЗРУ 110-500 кВ.
В документах [1-4] нашли отражение результаты расчетов и испытаний шинных конструкций в рабочих и аварийных режимах, многолетней научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы российских ученых и специалистов [5-8], а также отечественный и зарубежный опыт эксплуатации жесткой ошиновки. В частности, в качестве шин рекомендуется использовать трубы из алюминиевых сплавов прежде всего 1915, 1915Т, а также АВТ1. Ответвления от шин выполняются жесткими шинами (трубами) или гибкими (сталеалюминиевыми проводами). При монтаже шинных конструкций сварочные работы, как правило, не используются. Жесткие ответвления от шин, повороты и другие элементы, требующие сварочных работ, обычно поставляются специализированными предприятиями. Шинодержатели и другие крепежные элементы являются важнейшим звеном современных шинных конструкций.
В соответствии с [2, 3] рекомендуется (и впервые в отечественной практике допускается для сборных шин) использование шинодержателей и крепежных узлов — обжимного типа (рис. 3), которые не требуют выполнения сварочных работ или опрессовки для соединения жестких шин, а также жестких шин и гибких связей при монтаже ошиновки. Крепежные элементы позволяют проводить присоединение трубчатых шин к плоским аппаратным зажимам, выполнение различных типов ответвлений и соединений проводников. Шинодержатели и другие крепежные элементы обжимного типа обеспечивают: быстрый и качественный монтаж ошиновки, необходимую компенсацию температурных деформаций шин, компенсацию погрешностей при установке шинных опор, а также возможные просадки и наклоны опор. Кроме того, они выполняют роль экранов, устраняя возможность развития коронных разрядов и радиопомех.
Вместе с тем, они должны обеспечивать высокое качество электрического соединения, а также необходимый уровень рассеяния энергии при колебаниях шин, в том числе, при ветровых возбуждениях (ветровых резонансах). Крепление жесткой ошиновкой, как правило, выполняется на одноколонковые фарфоровые изоляторы (изоляционные опоры) типа С6, С8, С10 или С12. Допускается использование полимерных опорных изоляторов. В РУ с жесткой ошиновкой применяются разъединители всех современных конструктивных решений, в том числе, горизонтально-поворотные, полупантографические и пантографические. Следует отметить, что использование пантографических разъединителей в РУ с жесткими шинами позволяет создать наиболее компактные конструктивные решения, а в некоторых случаях упростить компоновку оборудования.
Жесткая ошиновка ОРУ и ЗРУ 110 кВ и выше отвечает нормативным требованиям и удовлетворяет требованиям эксплуатационной надежности, если выполнены проверки (испытания или расчеты), в том числе:
Современные крепежные узлы шин по допустимым прогибам от собственного веса (включая ответвления), а в ОРУ, кроме того, веса гололеда; изоляционных расстояний с учетом отклонений шин и опорных изоляторов при ветровых нагрузках (в ОРУ) и после воздействия токов КЗ; ошиновки по условиям короны и радиопомех; шин, шинодержателей и компенсаторов по допустимым температурным удлинениям; жесткой ошиновки по нагреву в рабочих режимах, при этом в ОРУ с учетом солнечной радиации, а также вынужденной (при ветре) и свободно-вынужденной (при штиле) конвективного теплообмена; термической стойкости шин; электродинамической стойкости изоляторов и шин, включая оценки при неуспешных АПВ; ветровой стойкости ошиновки ОРУ с учетом пульсирующей (переменной) составляющей ветровой нагрузки; эффективности отстройки шин ОРУ от ветровых резонансов; стойкости (прочности) изоляторов и шин при различных сочетаниях внешних нагрузок (ветровых, гололедных и электродинамических) с учетом собственного веса и веса ответвлений.
Рассмотрим некоторые условия выбора и расчетов жесткой ошиновки.
1. Наибольший прогиб шин от собственного веса и силы тяжести ответвлений уст.max по эстетико-психологическим требованиям не должен превышать допустимого статического прогиба у ст.доп = l0/100, а с учетом гололеда у ст.доп = l0/80, где l0 — длина шины между опорами (шинодержателями) [2-4].
В качестве примера на рис. 4 приводятся кривые зависимости внешних (D) и внутренних (d) диаметров шин кольцевого сечения, отвечающие условию
построенные на основе решения статической задачи для шин длиной 17,5 м (без ответвлений) из алюминиевого сплава 1915Т без учета гололеда. Допустимые размеры шин лежат в области, отмеченной серым цветом.
Как показывает опыт внедрения новых шинных конструкций 110 кВ и выше, при нарушении условия (1) по требованиям эксплуатационного персонала приходится устанавливать дополнительные промежуточные изоляционные опоры или заменять шины.
2. Монтажные расстояния от токоведущих частей до различных элементов РУ в свету должны быть больше наименьших значений, указанных в ПУЭ [9]. Кроме того, наименьшие изоляционные расстояния между токоведущими элементами аф-ф, а также проводниками и заземленными частями аф-з при колебаниях ошиновки под действием ветровых нагрузок (в ОРУ) и после отключения КЗ (в ОРУ и ЗРУ) должны оставаться больше наименьших допустимых расстояний Аф-ф и Аф-з , установленных в [9].
3. Шины должны проверяться по условиям короны и радиопомех. Общая корона на шинах не возникает, если выполняется неравенство
где Еmax — максимальная напряженность электрического поля на поверхности шин при среднем эксплутационном напряжении; Е0 — начальная напряженность электрического поля возникновения коронного разряда. Условие (5) выполняется, если внешний диаметр шин D больше или равен минимальному допустимому диаметру по условию короны Dдоп.
В табл. 1 приводятся расчетные допустимые диаметры трубчатых одиночных шин по условию короны при нормальных атмосферных условиях (давлении воздуха pв =1,013•105 Па = 760 мм рт. ст. и температуре воздуха Vв =20oС) и минимально допустимых расстояниях между фазами и землей.
Следует отметить, что диаметры шин, выбранные по другим условиям, как правило, значительно превосходят указанные в табл. 1 значения.
4. Температурные деформации шин не должны приводить к дополнительным усилиям, что обеспечивается свободным перемещением шин и установкой температурных компенсаторов. При этом длина неразрезного (цельного или сварного) участка шины должна отвечать неравенствам
где Lдоп. min и Lдоп. max — минимальные и максимальные допустимые длины неразрезного отрезка шины, определяемые конструкцией ошиновки, м; L — длина этого отрезка при минимальной температуре Vmin (которую оправданно принять равной абсолютной минимальной температуре воздуха региона) и максимальной температуре Vmax(равной температуре нагрева шины при КЗ, то есть не более 200оС) [4]. Невыполнение условий (3) может приводить к технологическим нарушениям и авариям.
На рис. 5 приведена фотография поврежденного пролета сборных шин ОРУ 220 кВ при температурных деформациях.
5. В рабочих режимах наибольшие температуры нагрева шин V и болтовых контактов Vк не должна превышать допустимых значений
Вместо условия (4) при практических расчетах удобно использовать неравенство
где Iраб. нб — наибольший рабочий ток (называемый также током утяжеленного режима), А; Iдоп — длительно допустимый (номинальный) ток шины или контакта ошиновки Iном, равный рабочему току при температуре нагрева соответственно V или Vк.
В качестве примера на рис. 6 приведены расчетные зависимости длительно допустимых токов трубчатых шин из сплава 1915Т в ОРУ при температуре воздуха Vв, равной 40oС, и длительно допустимой температуре шины Vдоп, равной допустимой температуре контактных соединений Vдоп к (например, шинодержателя обжимного типа) 90oС.
При расчете Iдоп шин ОРУ тепловой поток определялся при свободно-вынужденной конвекции, исходя из скорости ветра при штиле, равной 0,6 м/с. Кроме того, учитывался тепловой поток от солнечной радиации для средней полосы России.
6. Шины считаются термически стойкими, если их температура при КЗ VКЗ остается ниже допустимой температуры VКЗ.доп
Для алюминия и его сплавов допустимая температура VКЗ.доп установлена равной 200oС [1, 4] .
Кривые для определения температуры шины при КЗ приводятся на рис. 7.
Необходимый для определения VКЗ параметр А (А2с/мм4 ) при конечной температуре определяется по известной формуле 7:
где S — поперечное сечение шины, мм2; Вк — интеграл Джоуля, А2•с. Оценку термической стойкости (с некоторым запасом) удобно проводить, исходя из площади сечения проводника. Шина удовлетворяет условию термической стойкости (6), если площадь ее поперечного сечения отвечает неравенству
где Sт — минимальное сечение шины по условию термической стойкости, мм2; В — интеграл Джоуля, А2•с; СТ — параметр термической стойкости, А•с 1/2 /мм2 , значения которого для некоторых алюминиевых сплавов приведены в табл. 2.
7. Шинные конструкции отвечают условиям стойкости (прочности), если выполняются следующие неравенства
где Rmax и Rдоп — максимальная расчетная и допустимая силы (нагрузки) на изоляторы; Vmax и Vдоп — максимальное расчетное и допустимое напряжение в материале шин.
Допустимые нагрузки на изоляторы (одностоечных изоляционных опор) принимаются равными 60 % разрушающей нагрузки, допустимые напряжения в шине — 70 % временного сопротивления разрыву (предела прочности) материала σв.
Для шин, имеющих сварные соединения, помимо условия (9), должно выполняться неравенство
где σmax, св — максимальное расчетное напряжение в области сварного шва шины; σдоп, св — допустимое напряжение с учетом снижения прочности после сварки, которое можно принять равным 0,7 временного сопротивления материала шины в зоне сварного шва σв.св.
Временное сопротивление σв.св рекомендуется определять экспериментально для каждой партии труб (заготовок шин). Временное сопротивление разрыву в области сварного шва шин из сплава АВТ1 составляет не более 0,5 σв, а 1915Т — 0,9σв . Неверная оценка, прежде всего, Rmax и Rдоп может привести к повреждениям шинной конструкции. На рис. 8 приводится пример такого повреждения при испытаниях жесткой ошиновки ОРУ 110 кВ на электродинамическую стойкость. Значения максимальных нагрузок на изоляторы и напряжений в материале шин при КЗ могут быть приведены к виду
где α = √3•10-7 Н/А2 для параллельных шин, расположенных в одной плоскости при трехфазном КЗ; α — расстояние между фазами, м; i уд — ударный ток КЗ, А; η — динамический коэффициент; W — момент сопротивления поперечного сечения шины, м3; λ и β — коэффициенты, зависящие от условий опирания шин на опоры пролета (расчетной схемы пролета шины). Динамический коэффициент зависит от взаимного расположения шин, вида КЗ, частоты собственных колебаний шинной конструкции, которая равна
где r — параметр частоты собственных колебаний; E — модуль упругости, Па; J — момент инерции поперечного сечения шины, м4 ; m — масса шины на единицу длины, кг/м; l — длина пролета шины, м.
В качестве примера, на рис. 9 приводится одна из возможных расчетных схем (характерная для внутриячейковых связей) шины ОРУ 110-500 кВ и зависимость параметра частоты r от Cоп l3/EJ (здесь Cоп — жесткость средней опоры) при различных значениях отношения Mоп/(ml) (где Mоп — приведенная масса опоры) для данной расчетной схемы. Динамический коэффициент η для параллельных шин, расположенных в одной плоскости, в зависимости от частоты собственных колебаний приводятся, например, в [4]. Следует отметить, что обычно частота собственных колебаний шин менее 10 Гц, поэтому динамический коэффициент меньше 1.
Например, для сборных шин типовых ОРУ 330 и 500 кВ частота собственных колебаний ошиновки составляет примерно 1-2 Гц, а динамический коэффициент — 0,25-0,4 (при постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, равной 0,05-0,2 с).
8. В системах с быстродействующими АПВ следует проводить расчет электродинамической стойкости при повторных включениях на КЗ. При этом необходимо учитывать рассеяние энергии при колебаниях шинных конструкций, частоту собственных колебаний, время бестокой паузы и другие факторы.
Инженерные оценки Rmax и σmax при неуспешных АПВ проводятся при наиболее неблагоприятных по условиям электродинамической стойкости углах включения и отключения тока КЗ. Вместе с тем, наибольшие напряжения в шине, нагрузки на изоляторы, а также прогибы конструкций при повторных включениях на КЗ не превышают соответствующих значений при первом КЗ, если продолжительность бестоковой паузы, с, составляет
где δх — декремент затухания при горизонтальных колебаниях шин.
9. Расчет шин на ветровую скорость (прочность) учитывает как статическую (неизменную во времени) – V, так и динамическую (пульсирующую) v(t) составляющую скорости ветра
Динамические составляющие скорости v(t) и, следовательно, ветровой нагрузки рассматриваются как стационарные случайные процессы [8].
В результате расчета наибольшие нагрузки на опоры и напряжения в шине приводятся к виду
где qст.в= 0,5•ρвcxD V02 — статическая составляющая ветровой нагрузки, Н/м; ρв — плотность воздуха, кг/м3; cx— коэффициент лобового сопротивления шины; V0— нормативная скорость ветра на высоте шины, м/с; ηв— динамический коэффициент в ветровой нагрузки, зависящий от частоты собственных колебаний и декремента затухания ошиновки, скорости ветра, а также стандартов случайных функций R и σ и определяемый по формуле 
где ξв — параметр динамичности, (м/с) -1/3 . Параметр ξв в определяется по кривым (рис. 10).
При первой (основной) частоте собственных колебаний шинной конструкции в горизонтальной плоскости больше 5 Гц параметр динамичности принимается, равным 0,3(м/с) -1/3 . Изоляторы и шины отвечают ветровой стойкости, если выполняются неравенства (9) и (10).
10. Ошиновка ОРУ не должна быть подвержена устойчивым ветровым резонансным колебаниям, которые возбуждаются периодическими срывами вихрей при скорости ветра, лежащей в пределах
где Vs=df1y/Sh — струхалевская скорость ветра, м/с; Sh~0,2 — число Струхаля; f1y — первая частота собственных колебаний шины (12) в вертикальной плоскости, Гц; К1 и K2 — коэффициенты, определяющие область скоростей ветра при устойчивых резонансных колебаниях, примерно равные, соответственно, 0,7-1,0 и 1,0 -1,3. Устойчивые резонансные колебания не возбуждаются, если наибольший (расчетный) прогиб шины yр.макс при вихревых возбуждениях не достигает критических (допустимых) значений yр.доп, то есть
Допустимый прогиб при вихревых возбуждениях лежит в пределах 0,02-0,1 диаметра шины D, а наибольший прогиб зависит от коэффициента подъемной силы, жесткости и декремента затухания шины при колебаниях в вертикальной плоскости. Как показывают исследования и опыт эксплуатации, резонансная скорость ветра невелика и составляет не более 2-3 м/с. Напряжения в материале шины и нагрузки на изоляторы в этом режиме обычно существенно меньше допустимых значений.
Однако продолжительность ветровых резонансных колебаний может быть длительной (несколько часов), что оказывает отрицательное психологическое воздействие на персонал ОРУ, а также может приводить к ослаблению болтовых соединений и усталостным повреждениям элементов конструкций. Наиболее эффективный метод борьбы с ветровыми резонансами — это установка шинодержателей специальной конструкции и прокладка внутри трубчатых шин проводов (тросов) или металлических стержней, которые обеспечивают необходимый уровень рассеяния энергии при колебаниях шин.
11. Расчет на стойкость изоляторов и шин при сочетании ветровых qв, гололедных qг, электродинамических qэ нагрузок, а также нагрузок от собственного веса и веса ответвлений qш проводится при условии, что результирующее воздействие (в векторной форме) равно 
где γ1, γ2, γ3 — коэффициенты, принимаемые в соответствии с рекомендациями ПУЭ [9] и другими документами.
Расчет изоляторов и шин ОРУ на прочность должен проводиться при следующих сочетаниях внешних нагрузок:
1) вес ошиновки, нормативная гололедная нагрузка и ветровая нагрузка при нормативной скорости ветра;
2) вес ошиновки, ветровая нагрузка при нормативной скорости ветра и ЭДН, без учета АПВ, равная 65 % максимального расчетного значения (то есть при токе КЗ, равном 80 % от максимума);
3) вес ошиновки, максимальная электродинамическая нагрузка (без учета АПВ) и ветровая нагрузка, равная 60 % нормативного значения; 4) вес ошиновки и электродинамическая нагрузка при максимальном расчетном токе КЗ, в том числе при неуспешных АПВ (при повторных включениях на КЗ). Жесткая ошиновка и ее элементы должны подвергаться приемо-сдаточным испытаниям и проверкам, указанным в табл. 3.
Следует отметить, что испытания на электродинамическую стойкость требуется проводить на трехпролетных шинных конструкциях. Допускается испытывать двухпролетные конструкции. При этом контрольными являются изоляторы, установленные в середине опытной конструкции. Проводить испытания на электродинамическую стойкость однопролетных конструкций не допускается. Испытания проводятся при трехфазных КЗ. Для конструкций с шинами, расположенными в одной плоскости, допускается проводить испытания при двухфазных КЗ между фазами А-В и В-С. В этом случае трехфазный ток электродинамической стойкости пересчитывается по формуле
где i(2)дин — экспериментально установленное значение тока электродинамической стойкости при двухфазном КЗ; η(2) и η(3) — динамические коэффициенты при двухи трехфазном КЗ. Длительность КЗ устанавливается не менее половины периода собственных колебаний, то есть Т/2 = 1/(2f).
В этом случае будут достигнуты наибольшие значения нагрузок на изоляторы и напряжений в материале шин. Наибольшая продолжительность КЗ определяется требованиями термической стойкости и устанавливается не менее времени термической стойкости выключателя. Проверку ошиновки на ветровую стойкость и отстройку от ветровых резонансов при приемо-сдаточных испытаниях допускается проводить на основе экспериментально-аналитических результатов. Но этот вопрос выходит за рамки настоящей статьи.
ВЫВОДЫ
1. В РУ с жесткой ошиновкой целесообразно использовать прогрессивные крепежные элементы, исключающие выполнение сварочных работ при монтаже и обеспечивающие необходимый уровень надежности, а также компенсацию температурных деформаций, эффективное подавление ветровых резонансных колебаний и др.
2. Экономическая эффективность жесткой ошиновки в значительной мере определяется использованием современных компоновок ОРУ, применением быстромонтируемых компактных и комплектных модулей, использованием современных коммутационных аппаратов, в том числе, пантографических разъединителей.
3. Надежность жесткой ошиновки обеспечивается качеством ее изготовления, монтажа, а также строгим выполнением требований нормативных документов [1-4].
Автор: Долин А.П., канд. техн. наук, ОАО «ФСК ЕЭС», Козинова М.А., ООО НТЦ «ЭДС»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 50736-2007. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока КЗ (водится с 01.07.2008 взамен ГОСТ Р 50254 – 92).
2. СО 153-34.20.122-2006. «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ».
3. Руководящий документ по проектированию жесткой ошиновки ОРУ и ЗРУ 110-500 кВ (принят в качестве СтО 25.06.2007, приказ ОАО «ФСК ЕЭС» № 176).
4. Методические указания по расчету и испытаниям жесткой ошиновки ОРУ и ЗРУ 110-500 кВ (принят в качестве СтО 25.06.2007, приказ ОАО «ФСК ЕЭС» № 176).
5. Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Кудрявцев Е.П., Долин А.П. Расчет жесткой ошиновки распределительных устройств. — М.: Энергия, 1981.
7. Долин А.П., Кудрявцев Е.П., Козинова М.А. Расчет электродинамической стойкости и других параметров жесткой ошиновки ОРУ высоких и сверхвысоких напряжений. — Электрические станции, 2005, № 4.
8. Долин А.П. Исследование стойкости жесткой ошиновки при ветровых нагрузках. — Известия АН ССР. Энергетика и транспорт, 1990, № 4.
9. Правила устройства электроустановок. — 7-е изд.
Материал взят с сайта
