Dobór szyn zbiorczych
dr inż. Mirosław Pawłot
Lublin – 2008/2009
S-13
Stacje elektroenergetyczne
Dobór szyn zbiorczych
dr inż. Mirosław Pawłot
Lublin – 2008/2009
S-13
Stacje elektroenergetyczne
Wiadomości ogólne
Rozróżnia się:
•
szyny giętkie (wykonane z linek)
•
szyny sztywne (wykonane z płaskowników, rur, ceowników
lub kształtników o profilach specjalnych)
Szyny sztywne najczęściej wykonuje się z aluminium oraz
miedzi (gdy jest wymagana duża gęstość prądu lub gdy
wymagana jest wysoka wytrzymałość mechaniczna albo gdy
zastosowanie aluminium jest niewskazane np. przy aktywnej
atmosferze chemicznej)
Dopuszczalne jest stosowanie innych materiałów
(odpowiednio uzasadnione własnościami materiału) takich
jak stop Al – Mg – Si.
S-13
Wiadomości ogólne
Szyny z płaskowników stosuje się w konfiguracji:
•
pojedynczych płaskowników(najczęściej w stacjach wnętrzowych
średnich napięć)
•
z dwóch lub trzech płaskowników (przy większych prądach)
•
z czterech i większej liczby płaskowników (raczej się nie stosuje ze
względu na występowanie w takim przypadku zjawiska zbliżenia i
naskórkowości)
Szyny z ceowników charakteryzują się dużą obciążalnością prądową
długotrwałą przy jednoczesnym dobrym wykorzystaniu materiału
przewodowego.
Szyny rurowe charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną,
a brak ostrych krawędzi zmniejsza możliwość występowania ulotu.
Stosowane są w stacjach wysokich i najwyższych napięć.
S-13
Wiadomości ogólne
Szyny giętkie instalowane w stacjach napowietrznych
wykonywane są najczęściej z linek stalowoaluminiowych.
Odmianą szyn giętkich są przewody wielolinkowe
(charakteryzują się one dużą obciążalnością długotrwałą). Ze
względu na dobre warunki chłodzenia i mały efekt
naskórkowości, dopuszczalne obciążenia długotrwałe
przewodów wielolinkowych jest większe niż dla szyny sztywnej
o tym samym przekroju. Zasadniczą zaletą przewodów
wielolinkowych jest zmniejszenie ulotu.
W stacjach spotykane są też szyny sztywne izolowane i
osłonięte. Buduje się je na duże prądy (np. do 20 kA). Szyny
ekranowane izolowane SF
6
przystosowane są do pracy przy
wysokich i najwyższych napięciach.
S-13
Dobór szyn giętkich
Przekrój szyn giętkich należy dobierać ze względu na:
obciążalność długotrwałą
działanie cieplne prądu zwarciowego
występowanie ulotu
W przypadkach napięć 220 kV i 400 kV sprawdza się dodatkowo
naprężenia mechaniczne spowodowane działaniem
elektrodynamicznym prądu zwarciowego.
Obciążalność prądem ciągłym. Należy określić największy
spodziewany prąd w przewodzie I
nr
i następnie porównać go z
dopuszczalną długotrwałą obciążalnością wybranego przewodu I
dop
. Powinien być spełniony warunek:
I
dop
≥I
nr
S-13
Obciążalność długotrwała w A, przewodów gołych miedzianych (D i L),
aluminiowych (Al) i stalowoaluminiowych (AFL)
S-13
S
[mm
2
]0
Przewody
zawieszone
w
pomieszczeniach
o temperaturze
obliczeniowej
otoczenia +25ºC0
Przewody zawieszone na otwartym
powietrzu
W czasie od
kwietnia
do października
W czasie od
listopada
do marca
D, L
Al
AFL
D, L
Al
AFL
D, L
Al
AFL
4
6
10
16
25
35
50
70
95
120
150
185
240
400
35
45
65
90
120
150
190
240
300
350
400
470
570
-
-
-
-
75
95
120
155
195
240
280
330
380
455
-
-
-
-
75
100
125
160
200
250
300
350
405
480
695
55
75
100
135
175
220
275
340
415
480
545
640
755
-
-
-
-
110
140
175
220
275
340
385
445
510
605
-
-
-
-
90
120
145
170
290
350
410
470
530
645
880
65
80
110
150
200
250
315
390
480
555
630
740
880
-
-
-
-
125
160
200
255
315
390
445
415
505
705
-
-
-
-
105
140
175
220
325
395
475
550
630
735
1035
Dobór szyn giętkich
Działanie cieplne prądu zwarciowego. Wybrany przekrój należy
sprawdzić ze względu na dopuszczalne przyrosty temperatur. Gęstość
jednosekundową prądu zwarciowego I
c
w szynach należy obliczyć ze
wzoru:
gdzie: I
th
– prąd zwarciowy zastępczy I
th
=mk
c
I
k
”, m – współczynnik rodzaju
zwarcia (przy zwarciu trójfazowym m=1), k
c
– współczynnik
uwzględniający zmienność prądu zwarciowego w czasie, I
k
” –
składowa zgodna prądu początkowego, S – przekrój rzeczywisty szyny,
T
k
– czas trwania zwarcia.
Obciążalność zwarciowa jednosekundowa w A przeliczona na 1
mm
2
przekroju przewodu lub żyły kabla
S-13
S
T
I
I
k
th
c
Temperatura
przewodu
lub kabla w
chwili
wystąpienia
zwarcia w ºC
Rodzaj przewodu gołego, izolowanego, albo kabla i
temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu
miedziany
aluminiowy lub stalowo-
aluminiowy
130
ºC
150
ºC
170
ºC
200
ºC
130
ºC
150
ºC
170
ºC
200
ºC
5
10
15
144
141
137
153
150
146
161
158
155
173
170
167
96
94
91
102
100
98
108
106
104
114
113
111
20
25
30
133
130
126
143
140
136
152
149
145
164
161
158
89
87
84
95
93
91
102
99
97
109
107
105
35
40
45
122
118
114
135
129
125
142
139
135
155
152
149
82
88
77
89
87
85
95
93
91
103
102
100
50
55
60
110
106
103
122
118
115
132
129
126
146
143
140
75
72
69
82
80
77
89
87
85
97
95
93
65
70
75
-
-
-
111
108
104
122
119
116
137
134
131
67
64
61
75
72
70
82
80
78
91
89
87
80
85
90
-
-
-
100
96
92
112
109
105
128
125
122
58
55
51
67
65
62
76
73
71
85
83
81
95
100
-
-
88
84
102
98
119
115
48
44
59
56
68
65
79
75
Dobór szyn giętkich
Występowanie ulotu. Krytyczne napięcie międzyprzewodowe, przy
którym w normalnych warunkach atmosferycznych wystąpi ulot,
można obliczyć ze wzoru:
gdzie: U
kr
– napięcie krytyczne w kV, m – współczynnik uwzględniający
stan powierzchni przewodu (0,83 ÷ 0,87 dla linek), r – promień
przewodu w cm,
a – odległość między przewodami w cm.
W stacjach elektroenergetycznych można przyjąć w przybliżeniu, że ulot
nie wystąpi jeśli średnica przewodu wyniesie:
gdzie: d – średnica przewodu w mm, U
n
– napięcie znamionowe sieci w kV
S-13
r
a
mr
U
kr
lg
84
8
n
U
d
Dobór szyn sztywnych
Przekrój szyn sztywnych urządzeń prądu przemiennego o
częstotliwości zawartej w granicach 40 ÷ 60 Hz należy
dobierać ze względu na:
•
obciążalność długotrwałą
a ponadto:
•
działanie cieplne prądu zwarciowego
•
działanie cieplne prądu zwarciowego
•
działanie elektrodynamiczne prądu zwarciowego
•
występowanie ulotu
Przewody szynowe należy tak dobierać, aby częstotliwość drgań
własnych szyn nie była zbliżona do częstotliwości
rezonansowej.
S-13
Dobór szyn sztywnych
Obciążalność długotrwała. Ze względu na obciążalność
największym spodziewanym prądem ciągłym, przekrój szyny
powinien spełniać warunek:
I
dop
∙k ≥I
nc
w którym I
dop
– obciążalność długotrwała danego przekroju szyny
odczytana z tablic obciążalności, k – iloczyn współczynników
uwzględniających ewentualne zmiany obciążalności szyn, I
nc
–
największy spodziewany prąd ciągły w szynie.
Działanie cieplne prądu zwarciowego. Wybrany przekrój szyny
należy sprawdzić na dopuszczalne przyrosty temperatury, które
wystąpią przy przepływie prądu zwarciowego. Obciążalność
cieplna jednosekundowa przy wykorzystaniu granicznych
temperatur dopuszczalnych przy zwarciu (300 ºC dla szyn
miedzianych i 200 ºC dla szyn aluminiowych) nie powinna
przekraczać odpowiednich wartości.
S-13
Dobór szyn sztywnych
Obciążalność zwarciowa jednosekundowa przeliczona na 1 mm
2
przekroju szyny
S-13
Budowa szyny
Rodzaj
prądu
Obciążalność
zwarciowa
jednosekundowa , w
A/mm
2
miedź
aluminium
Przewody szynowe
jednopasmowe i
dwupasmowe
stały
przemienny
176
105
Przewody szynowe
trzypasmowe
stały
176
105
przemienny
147
86
Dobór szyn sztywnych
Działanie dynamiczne prądu zwarciowego. Sprawdzanie
wytrzymałości szyn na działanie elektrodynamiczne prądu
zwarciowego polega na sprawdzeniu, czy naprężenia
mechaniczne, które powstają w szynie przy zwarciu, nie
przekroczą wartości dopuszczalnych. Zazwyczaj w
obliczeniach warunek ten sprowadza się do porównania
wartości naprężeń obliczonych i dopuszczalnych,
odniesionych do jednostki powierzchni przekroju
poprzecznego szyny.
Dopuszczalne naprężenia mechaniczne szyn sztywnych
S-13
Materiał szyny
Rodzaj szyny
Dopuszczalne
naprężenie w N/cm
2
Miedź
Aluminium
Wszystkie rodzaje
Szyna płaska, okrągła
lub rurowa
Szyna ceownikowa
14000
7000
5000
Dobór szyn sztywnych
Szyny należy dobrać tak, aby ich częstotliwość drgań własnych f
f
w stosunku do częstotliwości prądu f spełniała jedną z dwóch
nierówności:
Częstotliwość drgań własnych przewodu szynowego
jednopasmowego wykonanego z szyny sztywnej płaskiej,
okrągłej i rurowej podano oblicza się wg odpowiednich
zależności.
Dla przewodu szynowego pojedynczego (jednopasmowego)
wykonanego z szyny sztywnej ceownikowej lub dla przewodów
z kilku szyn (wielopasmowych), częstotliwość drgań własnych
znajduje się poza niebezpiecznym przedziałem.
S-13
7
,
1
f
f
f
4
,
2
f
f
f
Dobór szyn sztywnych
Częstotliwość drgań własnych szyn
S-13
Materiał
szyny
Rodzaj szyny
Miedź
Aluminiu
m
l – odległość między punktami zamocowania szyny, w cm
b, d, d
z
, d
w
, h – wymiary, w cm
Oś obojętna szyny – prostopadła w kierunku działania szyny
5
2
10
62
,
3
l
h
f
f
5
2
10
62
,
3
l
b
f
f
5
2
10
13
,
3
l
d
f
f
5
2
2
2
10
13
,
3
l
d
d
f
w
z
f
5
2
10
17
,
5
l
h
f
f
5
2
10
17
,
5
l
b
f
f
5
2
10
48
,
4
l
d
f
f
5
2
2
2
10
48
,
4
l
d
d
f
w
z
f