ВЫБОР ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Выбор электрических аппаратов

 

Электрическое оборудование надежно и долговечно выполняет свое функциональное назначение, если оно правильно выбрано применительно к конкретным условиям эксплуатации. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) разделяют все электроустановки на две группы: электроустановки напряжением до 1кВ и электроустановки напряжением выше 1 кВ. Такое разделение обусловлено различием конструкции и условиями их эксплуатации. Для низковольтных электроустановок применяются следующие номинальные напряжения (в числителе указаны линейные напряжения, в знаменателе – фазные):

0, 22/0, 127; 0, 38/0, 22; 0, 66/0, 38 кВ,

а для высоковольтных (линейные напряжения):

3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1 150 кВ.

Высоковольтные электрические аппараты (напряжение свыше 1000 В) выбирают по условиям длительного режима работы и проверяют по условиям КЗ. Для большинства электрических аппаратов производится:

1) выбор по напряжению;

2) выбор по нагреву при длительных токах;

3) проверка на электродинамическую стойкость;

4) проверка на термическую стойкость;

5) выбор по форме исполнения.

Продолжительным (длительным) режимом работы электротехнического устройства называется режим, продолжающийся не менее чем необходимо для достижения установившейся температуры его частей, при неизменной температуре окружающей среды. Продолжительный режим подразделяется на нормальный, ремонтный и послеаварийный.

В нормальном режиме участвуют в работе все элементы любой электроустановки без вынужденных отключений и без перегрузок. В зависимости от изменения нагрузки (потребности в электроэнергии подключенных потребителей) ток, протекающий через электроустановку (ток нагрузки), может изменяться. Однако при выборе аппаратов, токоведущих частей и другого электротехнического оборудования следует исходить из наибольшего тока нормального режима Iнорм.

Ремонтный режим – это режим работы электроустановки в случае плановых, профилактических и капитальных ремонтов. Характерной особенностью данного режима является то, что часть элементов электроустановки отключена, а на оставшиеся в работе элементы ложится повышенная нагрузка Iрем.max.

Послеаварийным называется режим, при котором часть элементов электроустановки вследствие аварии вышла из строя, а продолжающие работать элементы несут повышенную нагрузку Iпав.max.

Таким образом, при выборе электрооборудования по условиям продолжительного режима следует исходить из максимальных значений расчетных токов Iрас: Iнорм– наибольшего тока нормального режима; Imax– наибольшего тока ремонтного и послеаварийного режимов (режимов с перегрузками и утяжеленных режимов), причем Imax ³ Iнорм.

Основными параметрами электрических аппаратов, которые должны соответствовать условиям длительного режима, являются номинальное напряжение Uном и ток Iном.

Номинальное напряжение – напряжение, на которое рассчитан электрический аппарат (либо другое электротехническое оборудование) для работы в номинальном режиме. Для трехфазных цепей Uном – номинальное линейное напряжение трехфазной сети.

Номинальный ток – это ток (действующее значение), протекающий через электрический аппарат в номинальном режиме, при заданных напряжении, частоте и других параметрах.

Номинальным режимом электротехнического оборудования называется режим, для эксплуатации в котором оно предназначено заводом-изготовителем. Рекомендуется также учитывать род установки электрооборудования, которое по этому признаку подразделяется на оборудование для закрытых (ЗРУ) и открытых (ОРУ) распределительных устройств. Род установки электротехнического оборудования дается в маркировке. Из экономических соображений принято применять ЗРУ до 35 кВ включительно, а также для агрессивных сред до 220 кВ. Распределительные устройства 110 кВ и выше, как правило, открытого типа. Для ОРУ необходимо использовать оборудование, предназначенное для наружной установки.

При выборе аппаратов по номинальному напряжению Uном должно выполняться условие

Uном ³ Uуст, (3.1)

где Uуст – номинальное напряжение электротехнического оборудования (установки), для которого выбирается электрический аппарат.

Напряжение Uуст можно трактовать и как линейное напряжение участка сети, где предусмотрена установка аппарата. Номинальный ток электрического аппарата должен быть не ниже тока продолжительного режима оборудования, для которого он предназначен, а сам аппарат не должен отключаться при предусмотренных эксплуатационных (технологических) перегрузках.

Таким образом, расчетный ток Iрас продолжительного режима цепи, для которой предусмотрен электрический аппарат должен удовлетворять условию

Iрас £ Iнорм, (3.2)

где Iном – длительный номинальный ток электрического аппарата.

Величина Iрас определяется из наиболее тяжелых (неблагоприятных) условий эксплуатации и его можно трактовать как рабочий максимальный ток цепи, где предусмотрена установка аппарата, т.е. Iрас=Iрм=Imax. Например, в том случае, если система электроснабжения включает две параллельных линии, то при выходе из строя одной из них, Iрас определится из условия, что оставшаяся линия должна обеспечить надежное электроснабжение всех приемников, т.е.

Iрас=2·Iраб=2·Iнорм,

где Iраб - длительный рабочий ток одной линии, в нормальном режиме.

Вынужденный (утяжеленный) режим эксплуатации может также возникать и в цепях трансформаторов - для подстанций с двумя трансформаторами при отключении одного из низ (авария, ремонт) и работе оставшегося трансформатора с допустимой эксплуатационной перегрузкой. Как правило, эта возможная перегрузка составляет 50 %, т.е. Iрас=1, 5·Iраб, где Iраб – длительный рабочий ток, протекающий через один трансформатор при нормальной работе подстанции с двумя действующими трансформаторами.

Указанная перегрузка трансформатора на 50 % принята для приближенных расчетов. При более точном определении возможной перегрузки трансформатора необходимо учитывать целый ряд факторов (среднегодовую температуру, первоначальную нагрузку трансформатора, длительные перегрузки, вид системы охлаждения и т. д.).

Для цепей секционных и многосоединительных выключателей, а также сборных шин с учетом ремонтных условий ток Iрас принимается равным длительному рабочему току самого генератора или трансформатора, подключенного к этим шинам.

 

3.2. Выбор силовых трансформаторов систем электроснабжения

 

При выборе силовых трансформаторов необходимо, чтобы выполнялись условия:

Uв.ном ³ Uуст.в, (3.3)

Uн.ном ³ Uуст.н, (3.4)

Sном.тр ³ Sуст.max, (3.5)

где Uв.ном – номинальное напряжение обмотки высокого напряжения трансформатора;

Uн.ном – номинальное напряжение обмотки низкого напряжения трансформатора;

Sном.тр – номинальная полная мощность трансформатора (мощность, для работы с которой предназначен трансформатор заводом-изготовителем в номинальном режиме работы);

Uуст.в – высокое и низкое напряжение сети в месте установки трансформатора;

Sуст.max – полная мощность, протекающая по сети через трансформатор в рабочем максимальном режиме.

 

Если в послеаварийном режиме выполняется условие Sном.а > Sном.тр, то необходимо проверить трансформатор по перегрузочной способности, что обеспечивается при справедливости неравенства:

Sном.а /Sном.тр £ 1, 5, (3.6)

где Sном.а /Sном.тр = kп – коэффициент допустимой перегрузки,

Sном.а - полная мощность, передаваемая по сети через трансформатор в послеаварийном режиме. В том случае, когда kп > 1, 5, следует по справочнику выбрать другой трансформатор ближайшей большей мощности.

 

3.3. Выбор кабелей

 

Под действием протекающего тока провода и кабели нагреваются. По закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделенной током в проводнике, определяется по формуле:

Q=r·I²·t, (3.7)

где r– активное сопротивление проводника, I – действующее значение переменного тока, t – время прохождения тока.

Часть выделенной теплоты идет на повышение температуры кабеля, а часть рассеивается в окружающую среду. Тепловое действие тока при определенных условиях может привести к негативным последствиям:

1) обрыву цепи за счет расплавления проводов или нарушению контакта от окисления в местах соединений;

2) пожару при загорании изоляции;

3) уменьшению срока службы кабелей, обусловленному старением их изоляции, которая от чрезмерного повышения температуры теряет электрические и механические свойства, возникновению коротких замыканий из-за теплового нарушения изоляции.

Наибольшая температура, при которой проводник или кабель сохраняет свои электрические и механические свойства, называется допустимой температурой. Значения допустимой температуры зависят от материала проводника, вида изоляции, номинального напряжения и ряда других факторов, но, как правило, не превышают 60–80^oС.

Электрический ток, при котором кабель нагревается до допустимой температуры, называется допустимым током Iдоп. Номинальные значения допустимых токов Iном.доп, для различных видов кабелей в зависимости от их сечения приведены в справочнике.

В связи с тем, что сопротивление проводника r обратно пропорционально его сечению, то правильный выбор проводов и кабелей сводится, прежде всего, к определению таких сечений, которые должны обеспечить:

– нагрев, не превышающий допустимой температуры;

– потерю напряжения не более 5% для силовых и 2, 5% для осветительных цепей.

Кроме этого, рациональный выбор сечений проводов и кабелей должен удовлетворять достаточной механической прочности линии и надежной безопасности обслуживающего персонала.

Выбранное сечение кабелей должно быть проверено по экономической плотности тока Jэк. Экономически целесообразная площадь сечения кабелей q_э, определяется из соотношения:

q_э = I/Jэк_, (3.8)

где I =Iрас – расчетный (рабочий) ток нормального режима без учета увеличения тока в послеаварийных и ремонтных режимах работы, Jэк – нормированная плотность тока, А/мм² (табл. 3.1). Сечение q_э, найденное по (3.8) округляется до ближайшего значения из стандартного ряда.

Таблица 3.1.

Проводники	Экономическая плотность тока, А/мм2, при числе использования максимума нагрузки в год, Tmax , ч
	более 1000 до 3000	более 3000 до 5000	более 5000
Неизолированные провода и шины: медные алюминевые	2, 5 1, 3	2, 1 1, 1	1, 8 1, 0
Кабели с бумажной и провода с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с жилами: медными алюминевыми	3, 0 1, 6	2, 5 1, 4	2, 0 1, 2
Кабели с резиновой и пласт-массовой изоляцией с жилами: медными алюминевыми	3, 5 1, 9	3, 1 1, 7	2, 7 1, 6

Для нормального режима работы выбор кабелей заключается в выполнении следующих условий:

Uуст £ Uном, (3.9)

Imax £ Iдоп, (3.10)

q_эc » q_э , (3.11)

где Uном – номинальное напряжение кабеля;

Uуст– номинальное напряжение участка цепи, на котором необходимо проложить кабель;

q_эс – ближайшее к q_э сечение из стандартного ряда сечений;

Imax=Iрем – максимальное значение тока при эксплуатации кабеля (ток утяжеленного режима – послеаварийного или ремонтного).

 

 

Значение Iдоп можно определить по формуле:

Iдоп=k₁·k₂·Iдоп.ном, (3.12)

где Iдоп – длительно допустимый ток с учетом поправки на число рядом проложенных кабелей k₁ и температуру окружающей среды k₂, Iдоп.ном – длительно допустимый ток на один кабель при номинальной разности температур между кабелем и окружающей средой.

Поправочные коэффициенты k₁ и k₂ могут быть определены по справочнику или ПУЭ применительно к конкретным условиям эксплуатации кабеля. Однако с целью упрощения выполнения индивидуальных заданий (см. приложение П3) k₁ и k₂ приняты равными единице. Следовательно, расчет Iдоп следует проводить по формуле:

Iдоп = Iдоп.ном. (3.13)

Выбранные по нормальному режиму кабели необходимо проверить на термическое действие тока КЗ. Однако эта проверка здесь не проводится.

Рекомендуется следующая последовательность действий при выборе сечения кабеля:

1) определить Imax и Iнорм, считая, что все потребители подключены и работают в нормальном режиме;

2) выбрать марку кабеля, учитывая номинальное напряжение, характеристику окружающей среды и способ прокладки;

3) найти Jэк (с учетом типа изоляции материала жилы кабеля);

4) по уравнению (3.8) найти q _э и по справочнику выбрать q_эc, а также Iдоп;

5) проверить для найденного значения Iдоп выполнение условия (3.11).

Если Iмах не превышает Iдоп, то искомое сечение равно q_эc. В противном случае, т. е. при справедливости неравенства Imax > Iдоп, необходимо по справочнику выбрать сечение кабеля q¢ _c > q_cэ , длительно допустимый ток которого I¢ доп > Iдоп, удовлетворял бы условию

Imax £ I¢ доп. (3.15)