Dobór szyn zbiorczych

dr inż. Mirosław Pawłot

Lublin – 2008/2009

S-13

Stacje elektroenergetyczne

Wiadomości ogólne

Rozróżnia się:
•

szyny giętkie (wykonane z linek)

•

szyny sztywne (wykonane z płaskowników, rur, ceowników
lub kształtników o profilach specjalnych)

Szyny sztywne najczęściej wykonuje się z aluminium oraz
miedzi (gdy jest wymagana duża gęstość prądu lub gdy
wymagana jest wysoka wytrzymałość mechaniczna albo gdy
zastosowanie aluminium jest niewskazane np. przy aktywnej
atmosferze chemicznej)
Dopuszczalne jest stosowanie innych materiałów
(odpowiednio uzasadnione własnościami materiału) takich
jak stop Al – Mg – Si.

S-13

Wiadomości ogólne

Szyny z płaskowników stosuje się w konfiguracji:
•

pojedynczych płaskowników(najczęściej w stacjach wnętrzowych
średnich napięć)

•

z dwóch lub trzech płaskowników (przy większych prądach)

•

z czterech i większej liczby płaskowników (raczej się nie stosuje ze
względu na występowanie w takim przypadku zjawiska zbliżenia i
naskórkowości)

Szyny z ceowników charakteryzują się dużą obciążalnością prądową
długotrwałą przy jednoczesnym dobrym wykorzystaniu materiału
przewodowego.

Szyny rurowe charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną,
a brak ostrych krawędzi zmniejsza możliwość występowania ulotu.
Stosowane są w stacjach wysokich i najwyższych napięć.

S-13

Wiadomości ogólne

Szyny giętkie instalowane w stacjach napowietrznych
wykonywane są najczęściej z linek stalowoaluminiowych.

Odmianą szyn giętkich są przewody wielolinkowe
(charakteryzują się one dużą obciążalnością długotrwałą). Ze
względu na dobre warunki chłodzenia i mały efekt
naskórkowości, dopuszczalne obciążenia długotrwałe
przewodów wielolinkowych jest większe niż dla szyny sztywnej
o tym samym przekroju. Zasadniczą zaletą przewodów
wielolinkowych jest zmniejszenie ulotu.

W stacjach spotykane są też szyny sztywne izolowane i
osłonięte. Buduje się je na duże prądy (np. do 20 kA). Szyny
ekranowane izolowane SF

6

przystosowane są do pracy przy

wysokich i najwyższych napięciach.

S-13

Dobór szyn giętkich

Przekrój szyn giętkich należy dobierać ze względu na:
 obciążalność długotrwałą
 działanie cieplne prądu zwarciowego
 występowanie ulotu

W przypadkach napięć 220 kV i 400 kV sprawdza się dodatkowo

naprężenia mechaniczne spowodowane działaniem
elektrodynamicznym prądu zwarciowego.

Obciążalność prądem ciągłym. Należy określić największy

spodziewany prąd w przewodzie I

nr

i następnie porównać go z

dopuszczalną długotrwałą obciążalnością wybranego przewodu I

dop

. Powinien być spełniony warunek:

I

dop

≥I

nr

S-13

Obciążalność długotrwała w A, przewodów gołych miedzianych (D i L),

aluminiowych (Al) i stalowoaluminiowych (AFL)

S-13

S

[mm

2

]0

Przewody

zawieszone

w

pomieszczeniach

o temperaturze

obliczeniowej

otoczenia +25ºC0

Przewody zawieszone na otwartym

powietrzu

W czasie od

kwietnia

do października

W czasie od

listopada

do marca

D, L

Al

AFL

D, L

Al

AFL

D, L

Al

AFL

4

6

10

16

25

35

50

70

95

120

150

185

240

400

35

45

65

90

120

150

190

240

300

350

400

470

570

-

-

-

-

75

95

120

155

195

240

280

330

380

455

-

-

-

-

75

100

125

160

200

250

300

350

405

480

695

55

75

100

135

175

220

275

340

415

480

545

640

755

-

-

-

-

110

140

175

220

275

340

385

445

510

605

-

-

-

-

90

120

145

170

290

350

410

470

530

645

880

65

80

110

150

200

250

315

390

480

555

630

740

880

-

-

-

-

125

160

200

255

315

390

445

415

505

705

-

-

-

-

105

140

175

220

325

395

475

550

630

735

1035

Dobór szyn giętkich

Działanie cieplne prądu zwarciowego. Wybrany przekrój należy

sprawdzić ze względu na dopuszczalne przyrosty temperatur. Gęstość
jednosekundową prądu zwarciowego I

c

w szynach należy obliczyć ze

wzoru:

gdzie: I

th

– prąd zwarciowy zastępczy I

th

=mk

c

I

k

”, m – współczynnik rodzaju

zwarcia (przy zwarciu trójfazowym m=1), k

c

– współczynnik

uwzględniający zmienność prądu zwarciowego w czasie, I

k

” –

składowa zgodna prądu początkowego, S – przekrój rzeczywisty szyny,
T

k

– czas trwania zwarcia.

Obciążalność zwarciowa jednosekundowa w A przeliczona na 1

mm

2

przekroju przewodu lub żyły kabla

S-13

S

T

I

I

k

th

c



Temperatura

przewodu

lub kabla w

chwili

wystąpienia

zwarcia w ºC

Rodzaj przewodu gołego, izolowanego, albo kabla i

temperatura graniczna dopuszczalna przy zwarciu

miedziany

aluminiowy lub stalowo-

aluminiowy

130

ºC

150

ºC

170

ºC

200

ºC

130

ºC

150

ºC

170

ºC

200

ºC

5

10

15

144

141

137

153

150

146

161

158

155

173

170

167

96

94

91

102

100

98

108

106

104

114

113

111

20

25

30

133

130

126

143

140

136

152

149

145

164

161

158

89

87

84

95

93

91

102

99

97

109

107

105

35

40

45

122

118

114

135

129

125

142

139

135

155

152

149

82

88

77

89

87

85

95

93

91

103

102

100

50

55

60

110

106

103

122

118

115

132

129

126

146

143

140

75

72

69

82

80

77

89

87

85

97

95

93

65

70

75

-

-

-

111

108

104

122

119

116

137

134

131

67

64

61

75

72

70

82

80

78

91

89

87

80

85

90

-

-

-

100

96

92

112

109

105

128

125

122

58

55

51

67

65

62

76

73

71

85

83

81

95

100

-

-

88

84

102

98

119

115

48

44

59

56

68

65

79

75

Dobór szyn giętkich

Występowanie ulotu. Krytyczne napięcie międzyprzewodowe, przy

którym w normalnych warunkach atmosferycznych wystąpi ulot,
można obliczyć ze wzoru:

gdzie: U

kr

– napięcie krytyczne w kV, m – współczynnik uwzględniający

stan powierzchni przewodu (0,83 ÷ 0,87 dla linek), r – promień
przewodu w cm,
a – odległość między przewodami w cm.

W stacjach elektroenergetycznych można przyjąć w przybliżeniu, że ulot

nie wystąpi jeśli średnica przewodu wyniesie:

gdzie: d – średnica przewodu w mm, U

n

– napięcie znamionowe sieci w kV

S-13

r

a

mr

U

kr

lg

84



8

n

U

d 

Dobór szyn sztywnych

Przekrój szyn sztywnych urządzeń prądu przemiennego o

częstotliwości zawartej w granicach 40 ÷ 60 Hz należy
dobierać ze względu na:

•

obciążalność długotrwałą

a ponadto:
•

działanie cieplne prądu zwarciowego

•

działanie cieplne prądu zwarciowego

•

działanie elektrodynamiczne prądu zwarciowego

•

występowanie ulotu

Przewody szynowe należy tak dobierać, aby częstotliwość drgań

własnych szyn nie była zbliżona do częstotliwości
rezonansowej.

S-13

Dobór szyn sztywnych

Obciążalność długotrwała. Ze względu na obciążalność

największym spodziewanym prądem ciągłym, przekrój szyny
powinien spełniać warunek:
I

dop

∙k ≥I

nc

w którym I

dop

– obciążalność długotrwała danego przekroju szyny

odczytana z tablic obciążalności, k – iloczyn współczynników
uwzględniających ewentualne zmiany obciążalności szyn, I

nc

–

największy spodziewany prąd ciągły w szynie.

Działanie cieplne prądu zwarciowego. Wybrany przekrój szyny

należy sprawdzić na dopuszczalne przyrosty temperatury, które
wystąpią przy przepływie prądu zwarciowego. Obciążalność
cieplna jednosekundowa przy wykorzystaniu granicznych
temperatur dopuszczalnych przy zwarciu (300 ºC dla szyn
miedzianych i 200 ºC dla szyn aluminiowych) nie powinna
przekraczać odpowiednich wartości.

S-13

Dobór szyn sztywnych

Obciążalność zwarciowa jednosekundowa przeliczona na 1 mm

2

przekroju szyny

S-13

Budowa szyny

Rodzaj

prądu

Obciążalność

zwarciowa

jednosekundowa , w

A/mm

2

miedź

aluminium

Przewody szynowe

jednopasmowe i

dwupasmowe

stały

przemienny

176

105

Przewody szynowe

trzypasmowe

stały

176

105

przemienny

147

86

Dobór szyn sztywnych

Działanie dynamiczne prądu zwarciowego. Sprawdzanie

wytrzymałości szyn na działanie elektrodynamiczne prądu
zwarciowego polega na sprawdzeniu, czy naprężenia
mechaniczne, które powstają w szynie przy zwarciu, nie
przekroczą wartości dopuszczalnych. Zazwyczaj w
obliczeniach warunek ten sprowadza się do porównania
wartości naprężeń obliczonych i dopuszczalnych,
odniesionych do jednostki powierzchni przekroju
poprzecznego szyny.

Dopuszczalne naprężenia mechaniczne szyn sztywnych

S-13

Materiał szyny

Rodzaj szyny

Dopuszczalne

naprężenie w N/cm

2

Miedź

Aluminium

Wszystkie rodzaje

Szyna płaska, okrągła

lub rurowa

Szyna ceownikowa

14000

7000

5000

Dobór szyn sztywnych

Szyny należy dobrać tak, aby ich częstotliwość drgań własnych f

f

w stosunku do częstotliwości prądu f spełniała jedną z dwóch
nierówności:

Częstotliwość drgań własnych przewodu szynowego

jednopasmowego wykonanego z szyny sztywnej płaskiej,
okrągłej i rurowej podano oblicza się wg odpowiednich
zależności.

Dla przewodu szynowego pojedynczego (jednopasmowego)

wykonanego z szyny sztywnej ceownikowej lub dla przewodów
z kilku szyn (wielopasmowych), częstotliwość drgań własnych
znajduje się poza niebezpiecznym przedziałem.

S-13

7

,

1



f

f

f

4

,

2



f

f

f

Dobór szyn sztywnych

Częstotliwość drgań własnych szyn

S-13

Materiał

szyny

Rodzaj szyny

Miedź

Aluminiu

m

l – odległość między punktami zamocowania szyny, w cm

b, d, d

z

, d

w

, h – wymiary, w cm

Oś obojętna szyny – prostopadła w kierunku działania szyny

5

2

10

62

,

3

l

h

f

f



5

2

10

62

,

3

l

b

f

f



5

2

10

13

,

3

l

d

f

f



5

2

2

2

10

13

,

3

l

d

d

f

w

z

f





5

2

10

17

,

5

l

h

f

f



5

2

10

17

,

5

l

b

f

f



5

2

10

48

,

4

l

d

f

f



5

2

2

2

10

48

,

4

l

d

d

f

w

z

f



