Problematyka obciążalności prądowej ciągłej przewodów szynowych wielkoprądowych SN
Analysis of current – carrying ampacity of mv heavy current busbars
Przewody szynowe wielkoprądowe (szynoprzewody) SN stosowane są przesyłania energii elektrycznej z generatorów w elektrowniach (elektrociepłowniach) do transformatorów blokowych, a także służą do przesyłania i rozdziału energii elektrycznej głównych obwodów zasilania w stacjach elektroenergetycznych i w dużych zakładach przemysłowych. Zapewniają przy tym dużą pewność dostawy energii elektrycznej o odpowiedniej jakości oraz tańszą eksploatację [5, 7, 8, 9].
Konstrukcje przewodów szynowych są wykonywane jako układy jedno- lub trójfazowe, przy czym poszczególne tory prądowe danych faz składają się z pojedynczych szyn bądź tworzone są z pakietów sztywnych szyn o różnych kształtach (rys. 1.).
Podczas przepływu prądów obciążeniowych ciągłych w przewodach szynowych występują straty energii elektrycznej, które w całości ulegają przemianie w energię cieplną, powodującą podwyższenie się temperatury, przede wszystkim torów prądowych, ale i sąsiadujących z nimi elementów izolacyjnych i konstrukcyjnych. Podstawowym składnikiem tego ciepła są straty energii (mocy) powodowane rezystancją toru prądowego (straty mocy Joule’a), która jest zależna od temperatury ϑ toru, a w przypadku przepływu w danym przewodzie prądu przemiennego, także współczynnika strat dodatkowych (wypierania prądu) kw. Przy tym intensywność odprowadzania ciepła z toru prądowego jest ważnym czynnikiem decydującym o przyrostach temperatury danego toru w stosunku do temperatury otoczenia [5, 7, 10]. Należy ponadto podkreślić, że w warunkach zwarciowych tory wielkoprądowe podlegają dodatkowemu nagrzewaniu, a także narażeniom elektrodynamicznym [1, 8], które nie są przedmiotem rozważań tego opracowania.
Analiza wyboru kształtu i konfiguracji przewodów szynowych wielkoprądowych SN
Zwiększone straty energii (mocy) przy prądzie przemiennym niż przy prądzie stałym o takiej samej wartości skutecznej, wynikają z nierównomiernego przepływu prądu w przewodniku, w wyniku występującego tam zjawiska naskórkowości oraz w pewnych układach torów prądowych prowadzonych blisko siebie również zjawiska zbliżenia [1, 5, 6, 7, 10, 11]. Miarą tych strat jest współczynnik strat dodatkowych (współczynnik wypierania prądu) kw.
Wartość strat mocy czynnej P, w watach, podczas przepływu prądu przemiennego I, w amperach, o stałej wartości przez tor prądowy o stałym przekroju na całej długości, o stałych wartościach rezystywności i przewodności cieplnej materiału przewodowego, wyznacza się ze wzoru [5, 7, 8, 9]:
gdzie:
kw – współczynnik strat dodatkowych, tzw. współczynnik wypierania prądu,
Rc – rezystancja przewodnika przy prądzie stałym, w [Ω].
Współczynnik strat dodatkowych kw, informujący o zwiększeniu rezystancji toru prądowego w zależności od kształtu jego przekroju i częstotliwości zmian prądu, określany jest z zależności:
gdzie:
k0 – współczynnik uwzględniający zjawisko naskórkowości,
kz – współczynnik uwzględniający zjawisko zbliżenia przewodników.
Literatura
- Au A., Maksymiuk J., Pochanke Z., Podstawy obliczeń aparatów elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 1982.
- Benato R., Dughiero F., Forzan M., Paolucci A.: Proximity Effect and Magnetic Field Calculation in GIL and in Isolated Phase Bus Ducts, IEEE Transactions on Magnetics, March 2002, vol. 38(2), pp. 781–784.
- Koch H., Schoeffner G.: Transmission Line (GIL) on Overview, Electra 2003, 211, pp. 8–17.
- Kiryk T., Zastosowanie analizy wielokryterialnej przy doborze kształtu toru prądowego, praca dyplomowa, PW, WE 2011.
- Kulas S., Tory prądowe i układy zestykowe, OWPW, Warszawa 2008.
- Kulas S., Analysis of Heavy Current Busbars Aim at Minimization of Thermal Losses, Proceedings of the International Scientific Conference „Energy Savings in Electrical Engineering”, Warsaw 2001, pp. 78–82.
- Maksymiuk J., Nowicki J.: Aparaty elektryczne i rozdzielnice, OWPW, Warszawa 2014.
- Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 2008.
- Nawrowski R.: Tory prądowe izolowane powietrzem lub SF6. WPP, 1998.
- Piątek Z., Baron B., Jabłoński P., Szczegielniak T., Kusiak D., Pasierbek A.: A Numerical Method for Current Density Determination in Three-Phase Bus-Bars of Rectangular Cross Section, Przegląd Elektrotechniczny, R.89, nr 8, s. 294–298, 2013.
- Sarajcev P. and Goic R., Power Loss Computation in High Current Generator Bus Ducts of Rectangular Cross Section, Electric Power Componets and Systems, No. 38, 2010, pp. 1469–1485.
StreszczenieW pracy przedstawiono analizę obciążalności prądowej ciągłej przewodów szynowych SN w kontekście ich wyboru. Dokonując wyboru wymiarów geometrycznych przewodów szynowych i ich kształtu, należy uwzględniać zarówno wartość strat dodatkowych w torze prądowym, jak i skuteczność odprowadzenia ciepła z toru szynoprzewodu, ale również czynniki takie jak koszty zakupu i montażu przewodów wielkoprądowych o określonych kształtach oraz przewidywany czas ich eksploatacji. Przedstawiono wnioski dotyczące wyboru kształtu i konfiguracji torów wielkoprądowych.AbstractThe paper presents an analysis of the continuous current carrying ampacity of MV heavy current busbars in the context of their selection. When choosing the geometrical dimensions of busbars conductors and their shape, both the value of additional losses in the current path and the efficiency of heat transmission from the busbars should be taken into account, but also factors such as costs of material purchase of selected profiles for busbars, their assembly and expected duration of their technical capabilities operational. |
