Трансформаторно-реакторное оборудование

За последние годы литые токопроводы на напряжение до 35 кВ получили в России достаточно широкое распространение. Начиная с 2007 г. это оборудование было поставлено и введено в эксплуатацию на многих российских энергетических объектах.
Цель статьи Николая Гургеновича Даниеляна – обобщить опыт применения литых токопроводов и рассмотреть их преимущества и недостатки.

Николай Даниелян, к.т.н., РТК-ЭЛЕКТРО-М, г. Москва

ЛИТЫЕ ТОКОПРОВОДЫ ДО 35 кВ
Опыт применения в России

В общей сложности в России уже эксплуатируется более 40 километров литых токопроводов (примеры объектов – в табл. 1). Основные объемы поставок этого оборудования на российский рынок приходятся на компании из Германии, Бельгии, Швейцарии и других стран, а также на единственного отечественного изготовителя (РТК-ЭЛЕКТРО-М), освоившего выпуск всех видов литых токопроводов среднего напряжения.

Литые токопроводы до 35 кВ для внутренней и наружной установки делятся на два основных типа: токопроводы пофазноизолированные литые (ТПЛ) и токопроводы комплектные литые (ТКЛ). Сегодня накоплен достаточный практический опыт применения этого оборудования, чтобы сделать некоторые выводы.

Таблица 1. Объекты применения литых токопроводов

ТОКОПРОВОДЫ ТИПА ТПЛ

Каждая фаза ТПЛ состоит из секций различной конфигурации длиной не более 10 м, которые соединяются специальными муфтами. Конструкции секции и соединительной муфты показаны на рис. 1. При наружном исполнении секции и муфты изготавливаются заключенными в кожух из нержавеющей стали и алюминия.

Рис. 1. Токопровод пофазноизолированный литой:
а) конструкция секции ТПЛ;
б) конструкция муфты ТПЛ

1 – токоведущая шина; 2 – полупроводящие слои; 3 – литая изоляция; 4 – слой заземления; 5 – контакты; 6 – шинные компенсаторы.

Токоведущая шина 1 ТПЛ представляет собой алюминиевую (медную) трубу или пруток, на концах которого расположены контакты 5. Литая изоляция 3 – это эпоксидный компаунд, внутри которого находятся полупроводящие слои 2, а также слой заземления 4. Полупроводящие слои предназначены для выравнивания потенциала внутри изоляции.

В токопроводах ТПЛ на напряжение до 1 кВ полупроводящие слои в литой изоляции отсутствуют. Отдельные секции ТПЛ соединяются между собой шинными компенсаторами 6, которые позволяют скомпенсировать линейное расширение проводника при изменении температуры и строительные погрешности. Место соединения секций ТПЛ изолируется с помощью соединительных муфт.

ТОКОПРОВОДЫ ТИПА ТКЛ

Литой токопровод типа ТКЛ состоит из секций различной геометрической формы: прямые элементы, L-образные,T-образные, Z-образные и т.д. длиной не более 4 метров. В зависимости от номинального напряжения токопровода, секции ТКЛ могут содержать две (постоянный ток) или три токоведущие шины для средних напряжений и до пяти токоведущих шин для напряжений до 1 кВ (рис. 2).

Рис. 2. Токопровод комплектный литой:
а) конструкция ТКЛ до 1 кВ;
б) конструкция ТКЛ от 1 до 24 кВ

1, 2 – залитые эпоксидной смолой алюминиевые или медные шины; 3 – сквозные отверстия между соседними фазами.

Каждая секция ТКЛ представляет собой залитые эпоксидной смолой алюминиевые (или медные) шины 1, 2 соответствующих геометрических форм. Концы шин в секциях свободны и дают возможность соединять между собой две различные секции, причем место соединения секций впоследствии также заливается эпоксидным компаундом.

Конструкция секций ТКЛ для средних напряжений предусматривает дополнительное охлаждение шин за счет сквозных отверстий 3 между соседними фазами. С помощью специальных залитых эпоксидной смолой втулок на секциях средних напряжений предусмотрена также возможность крепления металлического кожуха токопровода. Для внутренней установки ТКЛ предусмотрен металлический кожух с отверстиями, а для наружной установки – сплошной.

Присоединение ТКЛ к электротехническому оборудованию осуществляется с помощью специальных терминальных элементов, которые изготавливаются в соответствии с типом оборудования и способом присоединения.

ВЫБОР ТИПА ТОКОПРОВОДА

Наличие двух типов литых токопроводов – ТПЛ и ТКЛ – вполне естественно ставит перед заказчиком вопрос: какой из этих типов предпочтительнее?

Область применения ТПЛ и ТКЛ одна и та же, однако предпочтение зависит от требований заказчика к условиям эксплуатации и номинальных параметров токопровода. Рассмотрим некоторые из них.

Например, если литой токопровод эксплуатируется во влажных условиях, то, хотя оба типа имеют возможность изготовления со степенью защиты IP68, предпочтительнее является тип ТКЛ. Это обусловлено тем, что место соединения двух секций в токопроводах типа ТКЛ заливается эпоксидной смолой и полностью исключает возможность попадания внутрь влаги.

Что касается ТПЛ, то место соединения двух секций в нем изолируется и защищается от влаги разборной муфтой и, следовательно, качество защиты будет в огромной степени зависеть от качества монтажных работ, что не всегда удается обеспечить. Есть ряд примеров, когда в результате плохого монтажа пофазноизолированных токопроводов в места соединений двух секций проникала влага, что в конечном счете приводило к разрушению секций токопровода.

Если же место установки литого токопровода располагается в непосредственной близости от рабочего персонала, то предпочтение лучше отдавать типу ТПЛ. Это обусловлено тем, что контур заземления в ТПЛ расположен внутри литой изоляции и практически исключает возможность попадания людей под высокое напряжение по всей трассе токопровода. ТКЛ закрываются с помощью заземляемого металлического кожуха и по степени своей безопасности они уступают токопроводам типа ТПЛ.

Следующий пример. Если заказчику требуются литые токопроводы на большие динамические токи при минимальных межфазных расстоянияx, то в данном случае предпочтение необходимо отдать ТКЛ. Это обусловлено тем, что в ТКЛ все три фазы залиты в один блок и, следовательно, такой токопровод будет очень устойчив к большим динамическим токам. Чтобы получить высокие значения токов динамической стойкости для пофазноизолированных литых токопроводов, необходимо использовать специальные сложные крепления.

Что касается механической прочности, огнестойкости и стойкости к агрессивным средам, то нужно учитывать, что токопроводы типа ТКЛ имеют предпочтение перед токопроводами ТПЛ. Это связано с тем, что изоляция ТПЛ состоит из электротехнической бумаги, пропитанной эпоксидной смолой, а изоляция ТКЛ состоит на 85–90% из кварцевого песка и лишь остальная его часть – это эпоксидная смола.

По уровням изоляции следует иметь в виду, что конструкция ТПЛ позволяет изготавливать токопроводы на номинальные напряжения до 35 кВ и выше, в то время как токопроводы типа ТКЛ возможно изготавливать лишь на напряжение до 24 кВ. Следовательно, по этому признаку ТПЛ имеют преимущества перед ТКЛ.

Также преимуществом ТПЛ является меньший удельный вес, то есть вес одного погонного метра, что снижает требования к прочности строительной части здания, а также позволяет упростить монтаж.

С другой стороны, для токопроводов низких напряжений до 1 кВ ТКЛ имеет преимущество перед ТПЛ за счет своей значительно меньшей стоимости и компактности.

Из вышесказанного ясно, что оптимальный выбор типа литого токопровода прежде всего зависит от требований заказчика к его номинальным параметрам, условиям эксплуатации токопровода и требует учета многих факторов.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Помимо литых токопроводов, на средние напряжения можно применять токопроводы с воздушной изоляцией, жесткую ошиновку, а также кабели. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому всегда необходимо проводить технико-экономическое обоснование при выборе типа токопровода.

Применение литых токопроводов экономически обосновано, по сравнению с кабелем с изоляцией из сшитого полиэтилена и токопроводом с воздушной изоляцией, в диапазоне номинальных токов от 1000 до 6500 А, а в случае двух параллельных литых токопроводов – до 12000 А.

Чтобы обеспечить пропускание кабелями таких токов, необходимо параллельно прокладывать большое их количество, что часто весьма затруднительно и затратно. Кроме того, срок службы кабелей почти в 3 раза меньше срока службы литых токопроводов.

Применение токопроводов с воздушной изоляцией на такие токи по сравнению с литым токопроводом может быть значительно дороже из-за необходимости изготовления специального фундамента для крепления токопровода и более сложного монтажа вследствие применения сварных работ.

Таким образом, использование литых токопроводов вполне обосновано и даже может быть необходимо, если место их расположения очень ограничено и имеется много поворотов, если требуется высокая безопасность для работающего персонала и т.д.

Максимальный экономический эффект при применении токопроводов с литой изоляцией с номинальным напряжением от 6 до 35 кВ достигается при строительстве новых компактных закрытых ПС на ограниченных площадях, при реконструкциях существующих закрытых ПС, на ГЭС с высокой плотностью установленного оборудования и большим числом отпаек у токопровода, а также на нефтеперерабатывающих заводах, морских газонефтедобывающих платформах, где требуются повышенные требования к степеням защиты, химической стойкости и крайне ограничено место для их монтажа и т.д.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЛИТЫХ ТОКОПРОВОДОВ

Основными преимуществами литых токопроводов являются:

1. компактные размеры токопроводов и недорогой монтаж;
2. любая геометрическая форма и малые радиусы изгиба;
3. высокая механическая прочность изоляции;
4. высокая пожаро- и взрывобезопасность;
5. высокая устойчивость к токам короткого замыкания;
6. высокие перегрузочные способности;
7. высокая устойчивость в сейсмических районах;
8. высокая химическая стойкость;
9. малые удельные потери мощности;
10. большой срок службы.

НЕДОСТАТКИ И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

К основным недостаткам литых токопроводов можно отнести:

1. относительно высокую стоимость;
2. наличие большого числа болтовых соединений;
3. специальные требования к хранению и такелажу;
4. высокие требования к качеству монтажа.

Первые два пункта из перечисленных в настоящее время уже нашли свое частичное решение.

По первому пункту: если учитывать в стоимости токопровода также стоимость его монтажа и эксплуатации, то цены на литые токопроводы будут сравнимы с ценами на кабель и другие виды токопроводов. Кроме того, стоимость литых токопроводов можно оптимизировать. Очень интересным является предложение комбинировать применение литых токопроводов ТПЛ с открытыми токопроводами (жесткая ошиновка). Там, где достаточно места для прохождения токопровода и нет обслуживающего персонала, можно применять открытые токопроводы, а при входе в помещение, где место ограничено и находится рабочий персонал, – устанавливать токопроводы ТПЛ. Это позволит значительно сократить расходы на применение токопровода, поскольку вместо дорогих литых токопроводов наружной установки можно использовать более дешевые открытые токопроводы.

По второму пункту: уже сейчас предлагаются литые токопроводы ТПЛ со сварными соединениями. Однако необходимо отметить, что применение сварных соединений значительно усложняет и удорожает процесс монтажа токопровода.

Что касается других недостатков, то нужно отметить следующее.

Нарушение требований завода-изготовителя по вопросу хранения и такелажа литых токопроводов может привести к серьезному повреждению изоляции токопровода и, как следствие, к электрическому пробою. Были отмечены случаи, когда токопроводы типа ТПЛ внутренней установки хранились под снегом и дождем без соответствующего укрытия; когда секции токопровода перетаскивались по рассыпанному гравию с места на место, повреждая его изоляцию, или бросались на землю; когда по смонтированному на объекте токопроводу ходил рабочий персонал и т.д. Понятно, что такие токопроводы не обеспечат безаварийную работу и поэтому поврежденные секции должны быть обязательно заменены. Чтобы обеспечить качественную работу литых токопроводов, необходимо точно выполнять все требования завода-изготовителя по хранению и такелажу, указанные в сопроводительной документации.

Проведение монтажных работ требует привлечения не только обученных шеф-инженеров, но и квалифицированных монтажников, с определенными специальными знаниями. К сожалению, основная масса заказчиков не придает этому большого значения и, как следствие, могут случаться экстренные остановки работы токопровода или даже его разрушение. Наиболее часто встречающиеся ошибки при монтаже литых токопроводов:

1. Некачественный монтаж муфт литых токопроводов, из–за которого внутрь муфт попадает влага, что в дальнейшем приводит к разрушению муфты или секции.
2. Неправильно выполненное заземление, которое вызывает электрические разряды в токопроводе.
3. Недостаточное усилие затяжки болтов при соединении контактов секций токопровода, из-за чего наблюдается их недопустимый разогрев.

Вопросы обеспечения качества монтажа литых токопроводов могут решаться, во-первых, путем обучения и обязательной аттестации монтажников, а во-вторых, посредством ведения шеф-инженером так называемого паспорта монтажа, в котором регистрируется каждый этап монтажа. Например, монтажник не имеет права закрывать муфту токопровода, пока шеф-инженер не проверит усилие затяжки болтов, заземление муфты и т.д. В паспорте указывается, какой именно монтажник проводил монтаж той или иной муфты, что позволяет повысить персональную ответственность как монтажников, так и шеф-инженеров.

Таким образом, что касается специальных требований к монтажу, хранению и такелажу литых токопроводов, то без них применение литых токопроводов просто невозможно. Анализ повреждений литых токопроводов показал, что более 90% возникло в результате некачественного монтажа и плохого хранения токопроводов.

Можно однозначно сказать, что качество работы литого токопровода в равной мере зависит как от качества изделия, так и от качества его монтажа.

ВЫВОДЫ

1. Литые токопроводы типа ТПЛ и ТКЛ имеют свою определенную нишу на рынке продукции для передачи и распределения электроэнергии и будут широко применяться в российской энергетике.
2. Правильный выбор типа литого токопровода зависит от предъявляемых требований к токопроводу и к условиям его применения.
3. Применение того или иного типа литого токопровода требует технико-экономического обоснования.
4. В решении определенных задач литые токопроводы имеют ряд преимуществ перед кабелем и другими типами токопроводов.
5. Чтобы обеспечить высокое качество литых токопроводов, нужно учитывать все требования завода-изготовителя по монтажу и хранению литых токопроводов.