ОТКРЫТОЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО НА 500 кВ С ЖЕСТКОЙ ОШИНОВКОЙ Российский патент 2007 года по МПК H02B5/00 

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам, посредством которых осуществляется распределение и передача электроэнергии.

Известно открытое распределительное устройство (ОРУ) 400 кВ (Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.82-83), выполненное с жесткой ошиновкой первого и второго ярусов. В верхнем ярусе (связи между ячейками ОРУ) применены трубы из алюминиевого сплава, подвешенные на двух V-образных наклонно расположенных гирляндах изоляторов. Жесткие шины выполнены трубами диаметром 140/121 мм из алюминиевого сплава Е.91.Е (по британскому стандарту 2898). На опорах установлены шинодержатели с компенсаторами тепловых расширений, состоящие из алюминиевых пластин и проводов, на одном конце пролета шинодержатели обеспечивают фиксированное, на другом свободное крепление шины. Ответвления от сборных шин изготовлены из труб в виде Л-образных надставок. Гирлянды изоляторов укреплены на трех многопролетных арочных порталах.

Недостатком известной конструкции ОРУ 400 кВ является частичное (с одной стороны) использование подвесного варианта крепления жесткой шины. Такое крепление не позволяет в полной мере использовать преимущества жесткой ошиновки, установленной фиксированно непосредственно на опорах, т.е. данная конструкция имеет значительную высоту ОРУ и, следовательно, значительные расходы на металлоконструкции. Кроме того, в данной конструкции достаточно сложны схемы соединения жестких шин с элементами оборудования, с которыми они соединены. Сложность конструкции обусловливает ее ненадежность в процессе эксплуатации.

Кроме того, известное ОРУ с жесткой ошиновкой обоих ярусов рассчитана только на 400 кВ.

Известна конструкция ОРУ на 500 кВ (Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.68-74), компоновка которого предусматривает жесткую ошиновку только нижнего яруса (связи внутри ячеек). Для верхнего яруса, предусматривающего связи между ячейками, использована гибкая ошиновка. Жесткая ошиновка нижнего яруса выполнена трубами из алюминиевого сплава 1915Т диаметром до 150 мм при толщине стенки 10 мм. Ошиновка рассчитана на динамическое воздействие при токе короткого замыкания (ток КЗ) до 63 кА (действующего значения периодической составляющей), статические нагрузки от скоростного напора ветра для III климатического района и гололеда для IV района. Максимальный прогиб труб ошиновки - не более 1/80 длины пролета.

Жесткие сборные шины либо крепятся на шинных опорах типа ШО-500М (имеющих пирамидальную форму), либо подвешиваются на порталах с помощью V-образных сдвоенных гирлянд. Высота расположения шин определяется допустимыми изоляционными расстояниями между токоведущими частями.

Поскольку в данной конструкции для верхнего яруса использована гибкая ошиновка, она имеет значительные габариты по высоте ОРУ и, следовательно, значительные расходы на металлоконструкции. Кроме того, в данной конструкции достаточно сложны схемы соединения жестких шин с элементами оборудования, с которыми они соединены. Сложность конструкции обусловливает ее ненадежность в процессе эксплуатации.

Известна конструкция типового проекта ОРУ 500кВ (Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.93-94), разработанного в энергосистеме TVA (США, управление долины Теннесси), в которой использованы оригинальные жесткие шины. Конструкция шины имеет вид пространственной фермы квадратного сечения со стороной около 600 мм, состоящей из четырех продольных труб внешним диаметром 38 мм, связанных круглыми поперечными и диагональными стержнями диаметром 19 мм. Трубы и стержни выполнены из алюминиевого сплава 6061-Т6 (советский аналог АД33). Пролет шины установлен на опорных изоляторах с помощью двух пар зажимов: фиксированного и свободного креплений, обеспечивающих компенсацию тепловых расширений фермы. Для предупреждения образования короны вершины опорных изоляторов и крепежные пластины с зажимами размещены внутри фермы-шины. Кроме того, верхние и нижние продольные трубы шины вблизи опорных изоляторов изогнуты на 90° и сварены в вертикальной плоскости.

Нижний ярус ошиновки выполнен круглыми трубами, для связи сборных шин с ошиновкой ячеек использованы гибкие провода.

Данная конструкция ОРУ сложна и металлоемка.

Известна конструкция ОРУ 765 кВ (Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.95-96), разработанная в системе АЕР. Сборные шины выполнены трубами диаметром 152,4 мм из алюминиевого сплава. В пределах ячейки шина имеет фиксированное крепление только на одном изоляторе вблизи неподвижного контакта разъединителя; на остальных изоляторах предусмотрено свободное крепление. Компенсаторы тепловых расширений, связывающие неразрезанные участки, установлены на каждом третьем пролете шины (по одному на ячейку). Верхний ярус ошиновки, спуски к аппаратам и перемычки между аппаратами выполнены двумя алюминиевыми проводами.

В известной конструкции длина пролета шины составляет 15,25 м при шаге ячейки 45,75 м. Т.е. в пределах шага ячейки необходимо использование дополнительных опорных изоляторов для обеспечения удержания шины на шаге ячейки, что ведет к усложнению конструкции ОРУ, повышает материалоемкость конструкции и обусловливает ее дороговизну.

Использование гибкой ошиновки в верхнем ярусе ОРУ обусловливает значительную высоту ОРУ и, следовательно, значительные расходы на металлоконструкции. Наличие компенсаторов тепловых расширений, как отдельных конструктивных элементов ОРУ, усложняет и удорожает конструкцию ОРУ.

Известны выбранные за прототип проекты ОРУ 765 кВ (Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.86-88), разработанные объединенной группой представителей английского, французского и итальянского энергетических управлений, в которых использованы две системы сборных шин - для верхнего и нижнего ярусов. Сборные шины и ошиновка ячеек ОРУ выполнены одиночными трубами из алюминиевого сплава магниево-кремниевой группы (Al-Mg-Si). Диаметр труб, используемых для ошиновки составляет 300 мм.

Поскольку данное решение не реализовано на практике, а находится в стадии проекта, не решены вопросы с напряженностью электрического поля; по мнению проектировщиков, для решения этой проблемы могут понадобиться дополнительные экранирующие устройства с низким расположением оборудования.

Недостатком данного решения являются значительные габариты труб, используемых для ошиновки, что обусловливает необходимость применения более высоких и прочных опорных конструкций с учетом возможного прогиба ошиновки, а также обусловливает значительный расход материала, удорожающего конструкцию. Кроме того, известная конструкция ОРУ накладывает ограничения по максимальной высоте оборудования, возможного для использования в ней, а также обусловливает наличие специальных экранирующих устройств, усложняющих и, следовательно, удорожающих эту конструкцию.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - снижение габаритов и повышение надежности конструкции ОРУ 500 кВ.

Поставленная задача решается тем, что в открытом распределительном устройстве на 500 кВ с жесткой ошиновкой, состоящем из ячеек, жесткая ошиновка выполнена из алюминиевых труб как на верхнем ярусе устройства для связи между ячейками устройства, так и на нижнем ярусе для связи оборудования, установленного внутри ячейки, верхний и нижний ярус ошиновки связаны посредством гибких токопроводов, внутри труб ошиновки проложен демпферный трос, трубы ошиновки выполнены из сплава группы Al-Mg-Si диаметром не более 250 мм, толщина стенки трубы - не более 8 мм; длина пролета жесткой ошиновки соответствует шагу ячейки, при этом шаг ячейки составляет не более 18 м; оба конца трубы ошиновки установлены подвижно на опорных изоляторах с возможностью их продольного перемещения относительно торцевых поверхностей опорных изоляторов, при этом на опорных изоляторах, к которым подходят две трубы ошиновки, трубы установлены с зазором между их торцевыми поверхностями и электрически связаны между собой посредством гибкого токопровода.

В заявляемом устройстве трубы жесткой ошиновки могут быть связаны с опорным изолятором посредством соединительного хомута, охватывающего по наружному периметру трубу ошиновки и соединенного посредством разъемного соединения с крышкой опорного изолятора.

Для уменьшения амплитуды ветровых поперечных колебаний в заявляемой конструкции использованы демпферные тросы, свободно лежащие внутри труб ошиновки, при этом торцы труб закрыты заглушками, исключающими попадание внутрь трубы атмосферных осадков и иных загрязнений. Демпферные тросы внутри трубы ошиновки закреплены с одной или с двух сторон на заглушках. Заглушки выполнены из того же материала, что и трубы ошиновки. Выполнение заглушек из того же материала, что и трубы ошиновки целесообразно с точки зрения выравнивания напряженности электрического поля на концах труб.

Подвижная установка обоих концов труб на опорные изоляторы с возможностью их продольного перемещения относительно торцевых поверхностей опорных изоляторов позволяет обеспечить максимальную компенсацию возможных изменений габаритов жесткой ошиновки, вызванных влиянием температуры воздуха. Поскольку на изоляторах, к которым подходят две трубы ошиновки, последние установлены с зазором между их торцевыми поверхностями, следовательно обеспечивается возможность удлинения труб, вызванного температурным расширением материала, из которого они изготовлены. При этом величина зазора между трубами ошиновки рассчитывается в зависимости от возможного удлинения труб (температурного расширения). Подвижное крепление труб на изоляторах выполнено на обоих концах трубы, следовательно, влияние температур, вызывающих изменение габаритов трубы, не приведет к возникновению изгибающих нагрузок на опорные изоляторы, т.е. обеспечивается надежность конструкции ОРУ на 500 кВ при любых температурных изменениях. Кроме того, подвижное крепление обоих концов трубы ошиновки обеспечивает большую технологичность монтажа ОРУ, т.к. не требуется с большой тщательностью рассчитывать возможные изгибающие нагрузки, возникающие при температурных деформациях труб, как в случае их фиксированного (даже с одного конца трубы) закрепления на опорных изоляторах.

В заявляемом устройстве трубы жесткой ошиновки могут быть связаны с опорным изолятором посредством соединительного хомута, охватывающего по наружному периметру трубу ошиновки и соединенного посредством разъемного соединения с крышкой опорного изолятора. Хомут - известное средство соединения кабелей или труб с элементами базовой конструкции (например, патент РФ №2265265). Хомут свободно надевается на трубу (при этом хомут охватывает трубу по наружному диаметру), подлежащую соединению с элементом какой-либо конструкции и соединяется, как правило, посредством разъемного соединения с указанным элементом конструкции. Хомут - простое и надежное средство крепления трубы с элементом конструкции, предотвращающее поперечные перемещения трубы относительно элемента конструкции. Одновременно хомут не препятствует продольным (вдоль оси трубы) перемещениям трубы относительно элемента конструкции.

Установка труб ошиновки с помощью соединительных хомутов обеспечивает простое и надежное крепление шин с надежной компенсацией любых деформаций труб ошиновки, обусловленных температурными условиями, исключающих возникновение дополнительных изгибающих нагрузок на опорные изоляторы.

Минимизация габаритов ячеек ОРУ, простота и надежность конструкции ОРУ в целом достигнута в результате выбора труб, используемых в качестве жесткой ошиновки, и в способе их крепления на опорных изоляторах.

В результате проведенных испытаний были выбраны трубы из алюминиевого сплава группы Al-Mg-Si. Применение данного сплава для жесткой ошиновки известно (Долин А.П., Шонгин Г.Ф. Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.19-27). Указанные сплавы могут работать в обычных атмосферных условиях без специальной защиты от коррозии, они обладают высокой технологичностью при обработке, обладают высокой прочностью; электрическая проводимость данных сплавов близка к проводимости технического алюминия, который не обладает иными преимуществами этих сплавов, а также является дорогим материалом.

На основании известных данных о сплавах группы Al-Mg-Si в качестве материала для труб ошиновки был выбран именно этот сплав. Однако существовала проблема определения необходимых и достаточных размеров труб, обеспечивающих снижение габаритов конструкции ОРУ и одновременно обеспечивающих соблюдение всех необходимых требований с точки зрения соблюдения изоляционных промежутков при возможных прогибах труб, а также с точки зрения оптимизации размещения электрического оборудования.

По результатам проведенных исследований для выполнения жесткой ошиновки были выбраны трубы диаметром 250 мм, толщиной стенки трубы - 8 мм. Длина трубы соответствует шагу ячейки и составляет 18 м.

Высота расположения шин определяется допустимыми изоляционными расстояниями между токоведущими частями. Труба с вышеприведенными габаритами, установленная на двух концевых опорах при продольных деформациях (коэффициент деформации 77,9) имеет в средней части максимальный прогиб 49,90 мм (или 1/360 длины пролета), что на порядок меньше, чем в известных конструкциях.

При воздействии токов короткого замыкания (ток КЗ) трубы ошиновки также подвергаются деформациям - поперечным. При воздействии тока КЗ максимальный изгиб трубы ошиновки в средней части составляет 177,8 мм.

Ввиду незначительного прогиба трубы ошиновки высота расположения шин может быть выбрана минимально необходимой и достаточной с точки зрения обеспечения изоляционных промежутков между токоведущими частями ОРУ, т.е. незначительный прогиб трубы ошиновки с заявленными параметрами обеспечивает возможность минимизации высоты ОРУ при соблюдении всех требований по изоляционным промежуткам.

Помимо соблюдения требований к изоляционным промежуткам конструкция жесткой ошиновки в заявляемом ОРУ должна обеспечивать необходимую механическую прочность при ветровых и гололедных нагрузках, а также при воздействии токов КЗ.

Результаты исследований, проведенных специалистами фирмы SAG Energieversorgungslosungen показали, что сборная шина, изготовленная из трубы диаметром 250 мм, толщиной стенок трубы 8 мм, при длине пролета шины 18 м (расстояние между опорами, на которые установлена шина) соответствует по механической прочности в условиях гололедной и ветровой нагрузок требованиям СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия».

На основании проведенных исследований было установлено, что максимальные нагрузки на оборудование, шины и опорные конструкции по статике и динамике от жесткой ошиновки, деформации и напряжения для ОРУ 500 кВ составляют:

- максимальная нагрузка в изоляторах при ветре в направлении, перпендикулярном жесткой ошиновке с гололедом - 538 кг;

- максимальная деформация строительных конструкций с опорными изоляторами и жесткой ошиновкой - 159,85 мм;

- максимальное напряжение в металле опорных конструкций - 78,51 МН/м²;

- максимальное напряжение в металле жесткой ошиновки - 45,96 78,51 МН/м².

Нагрузка в опорной изоляции при остальных сочетаниях воздействий меньше вышеприведенной.

Максимальные деформации элементов жесткой ошиновки и строительных конструкций находятся в допустимых пределах.

Устойчивость шинной конструкции в заявляемом ОРУ позволяет сократить число опор на шину в пределах шага ячейки, а именно: не требуется установка дополнительных опорных изоляторов для поддержания трубы ошиновки в пределах шага ячейки, необходимое и достаточное количество опор - по одной на концах трубы. Исходя из механической прочности шинной конструкции в пределах 18 м обеспечена возможность выполнить шаг ячейки также равным 18 м без промежуточных опор. Это позволяет оптимальным образом компактно разместить внутри ячейки необходимое электрооборудование, обеспечить возможность подъезда и подхода к электрооборудованию для его замены или ремонта. Кроме того, исключение из конструкции ОРУ на 500 кВ промежуточных шинных опор в пределах шага ячейки позволяет значительно снизить материалоемкость заявляемой конструкции ОРУ и, соответственно, удешевить ее.

Жесткая ошиновка верхнего и нижнего ярусов ориентированы относительно друг друга, как правило, во взаимно перпендикулярных направлениях, однако не исключена возможность их однонаправленного ориентирования.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет на его основе создать простую и надежную конструкцию ОРУ на 500 кВ с минимальными габаритами. Уровень габаритов ОРУ (высота) определяется только с учетом требований по изоляционным промежуткам между токоведущими элементами ОРУ. Минимизация габаритов ОРУ (по ширине) достигнута также за счет того, что в пределах шага ячейки исключена необходимость использования дополнительных опорных изоляторов, поддерживающих шину, следовательно обеспечена возможность компактного размещения оборудования внутри ячейки ОРУ. Механическая прочность и незначительный прогиб трубы ошиновки в пределах шага ячейки позволяет размещать внутри ячейки ОРУ оборудование любой высоты, при этом минимально возможная высота расположения трубы ошиновки будет определяться также только с учетом изоляционных промежутков между токоведущими частями.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен вид ячейки ОРУ.

На фиг.2 показано подвижное крепление труб ошиновки на опорном изоляторе, в случае, когда к опорному изолятору подходят две трубы.

На фиг.3 показано подвижное соединение трубы ошиновки и опорного изолятора, в случае, когда к опорному изолятору подходит одна труба (на крайних участках крайних ячеек ОРУ).

На фиг.4 показано соединение ошиновки верхнего и нижнего ярусов посредством гибких токопроводов.

На фиг.5 показана эпюра распределения нагрузки на трубы ошиновки в пределах двух пролетов ячейки при продольных деформациях шин.

На фиг.6 показана эпюра распределения нагрузки на трубы ошиновки в пределах двух пролетов ячейки при поперечных деформациях шин.

Заявляемое ОРУ на 500 кВ состоит из ячеек, каждая из которых содержит (фиг.1) электротехническое оборудование 1, установленное на опорах 2, опорные изоляторы 3, на которых установлены трубы 4 и 5 жесткой ошиновки. Трубы 4 образуют верхний ярус жесткой ошиновки и предназначены для соединения между ячейками ОРУ, трубы 5 предназначены для связи оборудования 1 внутри ячейки ОРУ. Трубы 4 и 5 ошиновки связаны между собой посредством гибких токопроводов 6 (фиг.4). На опорном изоляторе 7 (фиг.1), к которому подходят две трубы 4 ошиновки, трубы 4 установлены с зазором между их торцевыми поверхностями 8 и электрически связаны посредством гибкого токопровода 9. Аналогичным образом (данная проекция не показана) установлены на опорных изоляторах трубы 5 нижнего яруса. Оба конца трубы жесткой ошиновки на каждом шаге ячейки установлены на соответствующих опорных изоляторах подвижно с возможностью их продольного (вдоль оси трубы) перемещения относительно торцевых поверхностей изоляторов. В случае, когда к опорному изолятору подходят две трубы 4 или 5 ошиновки (фиг.2), каждая из них соединена с указанным опорным изолятором 7 посредством соединительного хомута 10, охватывающего по наружному периметру трубу 4 или 5 ошиновки и соединенного посредством разъемного (например, болтового) соединения с крышкой 11 опорного изолятора. Когда к опорному изолятору 7 подходит одна труба 4 или 5 ошиновки (фиг.3), конец трубы 4 или 5 ошиновки также соединен с крышкой 12 опорного изолятора 7 посредством соединительного хомута 10. Принципиального различия указанные соединения (при подходе к опорному изолятору двух или одной трубы ошиновки) не имеют, только для организации соответствующих соединений между трубами ошиновки и опорным изолятором в случае, когда к опорному изолятору 7 подходят две трубы ошиновки, крышку 11 изолятора 7 выполняют большей площади по сравнению с крышкой 12 в случае, когда к опорному изолятору 7 подходит одна труба ошиновки. Внутри труб 4 и 5 ошиновки проложен демпферный трос (на чертеже не показан), соединенный одним или обоими концами с заглушкой 13 (заглушками), закрывающими торцы труб ошиновки. Уточнение конструкции демпферного троса и способ его соединения с заглушками не требуется, т.к. это стандартное решение, не являющееся принципиальным при раскрытии настоящего изобретения. Заглушки 13 выполнены из того же материала, что и трубы 4 и 5 ошиновки.

Трубы 4 и 5 жесткой ошиновки выполнены из алюминиевого сплава группы Al-Mg-Si.

Диаметр труб 4 и 5 составляет 250 мм, толщина стенок труб - 8 мм. Длина пролета жесткой ошиновки соответствует шагу ячейки, равному 18 м. Шаг ячейки - расстояние между двумя опорными изоляторами, соединенными жесткой шиной (трубой 4 или 5).

Подключение электротехнического оборудования осуществляется через гибкие токопроводы 6 от шин верхнего яруса, на которые питание подается от питающей линии по токопроводам 14.

Изобретение позволило (по сравнению с ОРУ на 500 кВ с гибкой ошиновкой):

- уменьшить размер занимаемой площади ОРУ 500 кВ на 16%;

- снизить расход металла на изготовление порталов на ОРУ 500 кВ на 65%;

- уменьшить расход железобетона на изготовление фундаментов ОРУ 500 кВ на 27%;

- снизить затраты при полном развитии подстанции на 15-20%.

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам, посредством которых осуществляется распределение и передача электроэнергии. В открытом распределительном устройстве на 500 кВ с жесткой ошиновкой, состоящем из ячеек, жесткая ошиновка выполнена из алюминиевых труб как на верхнем ярусе устройства для связи между ячейками устройства, так и на нижнем ярусе для связи оборудования, установленного внутри ячейки, верхний и нижний ярус ошиновки связаны посредством гибких токопроводов, внутри труб ошиновки проложен демпферный трос, трубы ошиновки выполнены из сплава группы Al-Mg-Si диаметром не более 250 мм, толщина стенки трубы не более 8 мм; длина пролета жесткой ошиновки соответствует шагу ячейки, при этом шаг ячейки составляет не более 18 м; оба конца трубы ошиновки установлены подвижно на опорных изоляторах с возможностью их продольного перемещения относительно торцевых поверхностей опорных изоляторов, при этом на опорных изоляторах, к которым подходят две трубы ошиновки, трубы установлены с зазором между их торцевыми поверхностями и электрически связаны между собой посредством гибкого токопровода. Техническим результатом является снижение габаритов и повышение надежности конструкции ОРУ 500 кВ. 6 ил.

1. Открытое распределительное устройство на 500 кВ с жесткой ошиновкой, состоящее из ячеек, жесткая ошиновка выполнена из алюминиевых труб как на верхнем ярусе устройства для связи между ячейками устройства, так и на нижнем ярусе для связи оборудования, установленного внутри ячейки, верхний и нижний ярус ошиновки связаны посредством гибких токопроводов, внутри труб ошиновки проложен демпферный трос, закрывающей концы труб ошиновки, трубы ошиновки выполнены из сплава группы Al-Mg-Si диаметром не более 250 мм, толщина стенки трубы - не более 8 мм; длина пролета жесткой ошиновки соответствует шагу ячейки, при этом шаг ячейки составляет не более 18 м; оба конца трубы ошиновки установлены подвижно на опорных изоляторах с возможностью их продольного перемещения относительно торцевых поверхностей опорных изоляторов, при этом на опорных изоляторах, к которым подходят две трубы ошиновки, трубы установлены с зазором между их торцевыми поверхностями и электрически связаны между собой посредством гибкого токопровода.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубы жесткой ошиновки связаны с опорным изолятором посредством соединительного хомута, охватывающего по наружному периметру трубу ошиновки и соединенного посредством разъемного соединения с крышкой опорного изолятора.