Распространенные типы жестких шин

В закрытых РУ 6-10 кВ ошиновка и сборные шины выполняются жесткими алюминиевыми шинами. Медные шины из-за высокой их стоимости не применяются даже при больших токовых нагрузках. При токах до 3000 А применяются одно- и двухполосные шины. При больших токах рекомендуются шины коробчатого сечения. Наиболее распространенные формы поперечного сечения шин приведены на рис. 1.2.

Простейшая форма поперечного сечения шины – прямоугольная с отношением сторон b/h от 1/8 до 1/12 (рис. 1.2, а). Это так называемые плоские шины. Они обеспечивают хороший отвод тепла в окружающую среду, поскольку отношение поверхности охлаждения к объему здесь больше, чем в шинах любой другой формы. Момент сопротивления изгибу относительно оси х во много раз больше, чем относительно оси y. Следовательно, при расположении проводников трех фаз в плоскости y – y плоские шины способны противостоять значительным электрическим силам при КЗ.

Плоские шины изготавливают с поперечным сечением до 120´10=1200 мм². Допустимый продолжительный ток таких шин из алюминия при нормированной температуре воздуха 25^оС равен 2070 А. При большем рабочем токе можно применить составные проводники из двух полос с зазорами между ними (рис. 1.2, б). Допустимый ток при этом увеличится соответственно до 3200 А, т.е. далеко не пропорционально числу полос. Это объясняется поверхностным эффектом – вытеснением переменного тока на поверхность составного проводника.

Недостаток составных проводников заключается также в сложности монтажа и недостаточной механической прочности. Последнее объясняется взаимодействием полос при КЗ. Поскольку токи в полосах направлены одинаково, они стремятся сблизиться. Чтобы исключить смыкание полос при КЗ, необходимы дистанционные прокладки между ними с соответствующим креплением. Проводники из трех и четырех полос безусловно нецелесообразны при переменном токе. Ограниченное применение имеют проводники из двух полос.

При больших рабочих токах применяются составные шины из двух корытных проводников (рис. 1.2, в). Здесь также необходимы дистанционные прокладки между корытами.

Наиболее совершенной формой поперечного сечения шины при рабочем токе свыше 2000 А является круглое кольцевое (рис. 1.2, г). При правильно выбранном отношении толщины стенки к диаметру трубы обеспечивается хороший отвод тепла, а также механическая прочность. Момент сопротивления изгибу одинаков в любом направлении. Применение получили трубы с наружным диаметром до 250 мм и толщиной стенки до 12 мм.

Поверхностный эффект

Активное сопротивление проводника при переменном токе равно:

R_a = K_п × K_б ×R = K_дп×R,

где K_п - коэффициент поверхностного эффекта;

K_б -коэффициент эффекта близости;

K_дп -коэффициент добавочных потерь;

R -омическое сопротивление, т. е. сопротивление проводника на постоянном токе.

Коэффициент поверхностного эффекта равен отношению активного сопротивления уединенного проводника кегоомическому сопротивлению:

Коэффициент эффекта близости равен отношению активного сопротивления проводника при наличии вблизи него других проводников с током к активному сопротивлению уединенного проводника:

В электроустановках расстояния между проводниками обычно значительно больше их геометрических размеров. При этом K_б=1.

Коэффициент поверхностного эффекта обратно пропорционален глубине проникновения Z₀ электромагнитного поля в проводник:

K_п ~

На глубине Z₀ напряженности электрического и магнитного полей, а также плотность тока в е раз меньше, чем на поверхности проводника.

Глубина проникновения определяется выражением

где w = 2pf - угловая частота;

m - относительная магнитная проницаемость проводника;

m₀ - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);

g -удельная проводимость материала проводника на постоянном токе;

поэтому

K_п ~

Зависимости K_п от этого параметра для шин приведены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Кривые для определения коэффициента поверхностного эффекта шин прямоугольного и трубчатого сечения

В электроустановках промышленной частоты в качестве проводниковых материалов обычно используют медь и алюминий, основные усредненные характеристики которых приведены в табл. 1.1

Форму и геометрические размеры проводников на большие токи выбирают с учетом того, что увеличение толщины сплошного проводника или толщины стенки полого проводника сверх так называемой критической толщины (t_кр »l,5Z₀) технически и экономически нецелесообразно, так как связано с увеличением расхода проводникового материала, но не приводит к существенному снижению активного сопротивления проводника.

Таблица 1.1

Материал	Параметры проводниковых материалов при 20 оС
r, Ом мм2/м	g, м/(0м×мм2)	d г/см3	Z0, мм
Медь	0,0175		8,93	9,5
Алюминий	0,029	34,5	2,7	12,2

	Рис. 1.4. Зависимость активного сопротивления алюминиевых труб от толщины стенки

Зависимость активного сопротивления алюминиевых труб диаметром от 50 до 500 мм от толщины стенки показана на рис. 1.4. По мере увеличения толщины стенки, начиная от очень малого значения, сечение трубы увеличивается, а сопротивление ее быстро уменьшается, пока не достигнет некоторого минимума. При дальнейшем увеличении толщины стенки сечение трубы продолжает увеличиваться, однако ее активное сопротивление не только не уменьшается, но даже несколько увеличивается вследствие быстрого увеличения коэффициента поверхностного эффекта. Критическая толщина стенки трубы, соответствующая минимуму активного сопротивления, зависит не от диаметра, а только от удельного сопротивления материала и частоты. Для алюминиевых труб круглого сечения при частоте 50 Гц критическая толщина стенки составляет около 20 мм, а для медных труб около 14 мм.

Пример1.1. Сравнить электрическое сопротивление переменному току алюминиевых шин.

Трубчатой D = 80 мм; d = 72 мм

Прямоугольной 100´10

Решение: