Комплектные распределительные устройства (КРУ) высокого напряжения 6–10 кВ и выше являются основой современной энергетической инфраструктуры. Именно в КРУ сосредоточена коммутационная и защитная аппаратура, обеспечивающая надежное электроснабжение промышленных предприятий, жилых массивов и социальных объектов. Одним из ключевых элементов КРУ являются токоведущие шины, соединяющие вводы, выключатели, трансформаторы тока и другие аппараты в единую электрическую схему. Традиционно для этих целей применялись жесткие медные или алюминиевые шины. Однако в последние годы все большее распространение получают гибкие медные шины, которые предлагают ряд существенных преимуществ при модернизации и новом строительстве распределительных устройств.
Особенности конструкции КРУ высокого напряжения
КРУ представляют собой металлические шкафы, внутри которых размещены вакуумные или элегазовые выключатели, разъединители, трансформаторы тока и напряжения, а также системы сборных шин и соединительных перемычек. Все эти элементы должны быть компактно размещены в ограниченном объеме шкафа, что создает высокие требования к гибкости монтажа и надежности электрических соединений.
Сборные шины в КРУ обычно располагаются в отдельном отсеке в верхней или средней части шкафа. От сборных шин через ответвления питаются вводные и секционные выключатели, а от них — отходящие линии. Каждое такое соединение представляет собой потенциальное место отказа: ослабление болтов, рост переходного сопротивления, перегрев и, в конечном счете, выход оборудования из строя.
Особую сложность представляют собой выкатные элементы КРУ — тележки с вакуумными выключателями или контакторами. При выкатывании тележки для ремонта или замены необходимо разорвать электрическую цепь, а при закатывании — восстановить надежный контакт. Традиционно для этого используются специальные разъемные контакты, но и они подвержены износу и требуют периодического обслуживания.
Недостатки жесткой ошиновки в КРУ
Применение жестких шин в КРУ связано с рядом проблем, особенно остро проявляющихся при эксплуатации в сложных условиях.
Во-первых, жесткие шины практически не компенсируют вибрационные нагрузки, возникающие при работе выключателей, трансформаторов и другого оборудования. Вибрации приводят к постепенному ослаблению болтовых соединений, росту переходного сопротивления и, как следствие, к локальному перегреву и даже возгоранию.
Во-вторых, в условиях циклических изменений нагрузки (а значит, и температуры) жесткие шины испытывают значительные механические напряжения. При частых нагревах и охлаждениях в местах пайки и сварки могут возникать микротрещины, которые со временем развиваются до полного разрушения шины.
В-третьих, жесткие шины требуют высокой точности изготовления и монтажа. Любое отклонение в расположении аппаратов или в длине шины делает невозможным качественное соединение. При модернизации КРУ, когда новое оборудование может иметь другие габариты и расположение выводов, проблема становится еще более острой.
Гибкие медные шины: конструкция и преимущества
Гибкая медная шина представляет собой пакет из множества тонких медных пластин (лент), спрессованных между собой. Для изоляции шина может быть помещена в оболочку из поливинилхлорида или другого изоляционного материала, стойкого к воздействию окружающей среды. Такая конструкция обладает рядом уникальных свойств, делающих ее идеальной для применения в КРУ.
Высокая гибкость. Шина может изгибаться в любом направлении, что позволяет легко укладывать ее по требуемой траектории даже в самых стесненных условиях. Это особенно важно для КРУ, где каждый сантиметр пространства на счету.
Устойчивость к вибрации. Благодаря наличию множества отдельных слоев, между которыми возникает внутреннее трение, гибкая шина эффективно гасит вибрации, не передавая их на контактные соединения.
Компенсация тепловых расширений. Гибкая конструкция свободно изменяет свою форму при нагреве и охлаждении, не создавая дополнительных напряжений в местах крепления.
Простота монтажа и замены. Установка гибкой шины не требует сложной подгонки по месту. Достаточно отрезать шину нужной длины, зачистить концы (если шина изолированная) и установить ее на место.
Снижение числа контактных соединений. Благодаря гибкости, одну шину можно использовать для соединения аппаратов, расположенных даже в разных плоскостях, без необходимости использования промежуточных контактных узлов.
Применение гибких шин в КРУ: основные узлы
В высоковольтных КРУ гибкие медные шины могут использоваться в нескольких ключевых узлах.
Соединение сборных шин с вводными выключателями. В этом узле гибкая шина соединяет неподвижные сборные шины с вводом выключателя. Гибкость позволяет компенсировать неизбежные погрешности монтажа и облегчает замену выключателя при ремонте.
Соединение выключателей с трансформаторами тока. Трансформаторы тока, как правило, устанавливаются на вводах выключателей. Гибкая шина позволяет выполнить это соединение с минимальными потерями и максимальной надежностью.
Соединение трансформаторов тока с отходящими линиями. В этом узле гибкая шина может быть использована для подключения к кабельным наконечникам или к проходным изоляторам.
Перемычки между секциями сборных шин. При секционировании сборных шин используются специальные перемычки, которые должны быть достаточно гибкими, чтобы компенсировать тепловые расширения и вибрации.
Подключение измерительных приборов (шунтов). Шунты для измерения больших токов крайне чувствительны к механическим напряжениям, которые могут искажать их сопротивление. Подключение шунта гибкой шиной обеспечивает высокую точность измерений.
Электродинамическая стойкость гибких шин в КРУ
Одним из наиболее критичных требований к токоведущим элементам КРУ является способность выдерживать токи короткого замыкания без механических разрушений. При коротком замыкании ток в шинах может возрасти в десятки раз, а возникающие при этом электродинамические силы стремятся развести проводники в стороны.
Методика проверки гибких проводников на электродинамическую стойкость при коротких замыканиях содержится в действующих нормативных документах по электроустановкам. Эти стандарты определяют методы расчета и проверки проводников и электрических аппаратов на электродинамическую и термическую стойкость при коротких замыканиях в трехфазных электроустановках промышленной частоты.
Согласно стандартам, при расчете электродинамической стойкости гибких шин необходимо учитывать:
-
электродинамические силы взаимодействия между параллельными проводниками, которые зависят от амплитуды тока короткого замыкания, расстояния между проводниками и длины пролета;
-
механические напряжения в материале проводника, которые для гибких многослойных шин распределяются более равномерно, чем для монолитных;
-
внутреннее трение между отдельными слоями гибкой шины, которое способствует рассеиванию энергии механических колебаний.
Исследования показывают, что важным способом повышения электродинамической стойкости шинных конструкций является установка междуфазных распорок и дополнительных опорных изоляторов. Для гибких шин эти решения также применимы и позволяют увеличить допустимые токи короткого замыкания.
Термическая стойкость гибких шин
Помимо механических нагрузок, при коротком замыкании проводники подвергаются интенсивному нагреву. Количество тепла, выделившегося в проводнике за время протекания аварийного тока, называется интегралом Джоуля. Действующие стандарты устанавливают методику расчета интеграла Джоуля и проверки проводников на термическую стойкость.
Для медных шин предельно допустимая температура нагрева при коротком замыкании составляет 300 градусов цельсия. Проверка термической стойкости заключается в расчете конечной температуры нагрева шины при протекании тока короткого замыкания и сравнении ее с допустимым значением.
Для гибких медных шин термическая стойкость определяется несколькими факторами. Во-первых, сечением шины: чем больше сечение, тем больше тепла может поглотить шина без достижения критической температуры. Во-вторых, длительностью короткого замыкания: чем дольше существует аварийный режим, тем больше тепла выделяется. Обычно расчетное время короткого замыкания составляет от 0,5 до 3 секунд в зависимости от параметров защитной аппаратуры. В-третьих, теплоемкостью материала: медь имеет высокую теплоемкость и относительно высокую допустимую температуру нагрева. В-четвертых, конструкцией шины: в многослойной гибкой шине теплоотвод более эффективен, чем в монолитном проводнике того же сечения, благодаря большей поверхности охлаждения.
Проверка проводников на термическую стойкость является обязательным требованием нормативных документов. Применение гибких шин, рассчитанных с учетом этих требований, гарантирует их работоспособность даже в самых тяжелых аварийных режимах.
Сравнение гибких и жестких шин для КРУ
Сравнение гибких и жестких шин для применения в высоковольтных КРУ показывает преимущества гибких конструкций по ряду параметров.
По устойчивости к вибрации жесткая шина имеет низкую стойкость, так как вибрации передаются на контактные соединения и выводы аппаратов. Гибкая шина, напротив, эффективно гасит вибрации и защищает оборудование.
По компенсации тепловых деформаций жесткая шина не обладает способностью к компенсации, что создает дополнительные нагрузки на выводы аппаратов. Гибкая шина естественным образом компенсирует тепловые расширения и сжатия.
По стойкости к токам короткого замыкания жесткая шина выдерживает кратковременные механические нагрузки, но при этом подвержена остаточным деформациям и разрушению в местах сварных швов. Гибкая шина выдерживает нагрузки без остаточной деформации благодаря способности к упругой деформации и внутреннему трению между слоями.
По сложности монтажа жесткая шина требует высокой точности подгонки по месту, в то время как гибкая шина легко адаптируется к реальному положению выводов, что упрощает монтаж и сокращает время установки.
По надежности контакта жесткая шина может страдать от ослабления болтовых соединений из-за вибраций и температурных циклов, тогда как гибкая шина сохраняет стабильное переходное сопротивление на протяжении всего срока службы.
По использованию пространства жесткая шина требует прямолинейных участков и достаточного пространства для изгибов и поворотов. Гибкая шина может быть проложена по любой траектории, что позволяет более эффективно использовать внутренний объем КРУ.
Нормативная база и технические требования
При модернизации КРУ с применением гибких шин необходимо руководствоваться действующей нормативно-технической документацией. Ключевые стандарты в этой области определяют методы расчета и проверки проводников и электрических аппаратов на электродинамическую и термическую стойкость при коротких замыканиях. Эти документы были разработаны ведущими научными и проектными организациями в области электроэнергетики, утверждены федеральным органом по техническому регулированию и метрологии и введены в действие с определенной даты.
В стандартах подробно регламентированы методики расчета электродинамических сил взаимодействия проводников, выбор расчетной механической схемы шинных конструкций и гибких проводников, определение механических напряжений в материале проводников и механических нагрузок на опоры при коротком замыкании, проверка шинных конструкций, гибких проводников и электрических аппаратов на электродинамическую стойкость при коротком замыкании.
В части термического действия тока короткого замыкания стандарты определяют методики вычисления интеграла Джоуля и термически эквивалентного тока короткого замыкания, проверки электрических аппаратов на термическую стойкость при коротком замыкании, проверки проводников на термическую стойкость, а также проверки силовых кабелей на невозгораемость при коротком замыкании.
Наличие в нормативной документации разделов, посвященных методике расчета гибких проводников на электродинамическую стойкость, подтверждает, что гибкие токоведущие системы рассматриваются разработчиками стандартов как полноценное и расчетное решение для ответственных узлов электроустановок.
Экономическая эффективность применения гибких шин в КРУ
Замена жесткой ошиновки на гибкие шины в КРУ дает существенный экономический эффект, складывающийся из нескольких составляющих.
Снижение аварийности. По оценкам, до 30 процентов аварий в КРУ связано с отказом контактных соединений жесткой ошиновки. Применение гибких шин практически исключает этот тип повреждений, так как вибрации не приводят к ослаблению контактов.
Сокращение времени ремонтов. Простои оборудования при замене вышедшего из строя элемента КРУ сокращаются с нескольких дней до нескольких часов благодаря простоте демонтажа и монтажа гибких шин. Вместо подгонки и сверления новой жесткой шины персонал просто укладывает гибкую шину по трассе с минимальным набором инструментов.
Увеличение межремонтных интервалов. За счет отсутствия вибрационного ослабления контактов периодичность планово-предупредительных ремонтов может быть увеличена на 30-50 процентов. Это напрямую снижает эксплуатационные затраты и высвобождает ремонтный персонал для других задач.
Оптимизация использования пространства. Возможность более компактного расположения шин и оборудования позволяет в ряде случаев смонтировать дополнительное оборудование в существующих ячейках без расширения распределительного устройства.
Перспективы развития
Рынок гибких медных шин для КРУ находится в стадии активного развития. Производители осваивают новые типоразмеры, совершенствуют изоляционные материалы. Ожидается, что в ближайшие годы появятся расширенные ассортиментные ряды гибких шин для различных классов напряжения.
Стандартизация методов расчета гибких проводников на действие токов короткого замыкания создает основу для более широкого применения таких решений в КРУ. Наличие в нормативной документации разделов, посвященных специально гибким проводникам, указывает на то, что разработчики стандартов рассматривают гибкие шины как полноценную альтернативу жестким конструкциям.
Дальнейшие исследования в области электродинамической стойкости гибких шин, включая вычислительные эксперименты и натурные испытания, позволят уточнить методики расчета и определить оптимальные конструкции гибких шин для различных условий применения.
Применение гибких медных шин в высоковольтных КРУ является технически обоснованным и экономически целесообразным решением. Гибкие шины обеспечивают надежную работу токоведущих соединений в условиях вибраций, температурных циклов и значительных электродинамических нагрузок при коротких замыканиях.
Действующие нормативные документы содержат методики расчета и проверки гибких проводников на электродинамическую и термическую стойкость, что позволяет проектировать надежные токоведущие системы с использованием гибких шин.
Для предприятий, эксплуатирующих КРУ, замена жестких шинных мостов на гибкие соединения является одним из способов повышения надежности работы оборудования, снижения аварийности и уменьшения затрат на техническое обслуживание. Правильно спроектированная и качественно изготовленная гибкая медная шина способна выдерживать самые тяжелые аварийные режимы, сохраняя при этом все свои эксплуатационные характеристики.