Неизолированные жесткие проводники

Электрические шины

Неизолированные жесткие проводники - проводники этого вида принято называть шинами. По соображениям экономического порядка применяют исключительно шины из алюминия и его сплавов с различными электрическими и механическими характеристиками. Форму и размеры поперечного сечения шины выбирают в соответствии с рабочим током, учитывая явление поверхностного эффекта, а также требования термической и динамической стойкости при КЗ.

Поверхностный эффект. Как известно, переменный ток вытесняется к поверхности проводника, при этом потери мощности увеличиваются, что равносильно увеличению сопротивления. Отношение активного сопротивления R_a уединенного проводника при переменном токе к сопротивлению R при постоянном токе и той же температуре называют коэффициентом поверхностного эффекта К_п=R_a/R. Он зависит от формы и размеров поперечного сечения проводника, а также от частоты тока.

Рис.1. Коэффициент поверхностного эффекта в шинах прямоугольного сечения

Рис.2. Коэффициент поверхностного эффекта в трубах круглого сечения

На рис.1, рис.2 приведены кривые для определения коэффициента поверхностного эффекта в проводниках прямоугольного и круглого сечения. По оси абсцисс отложена величина √f/R, где f - частота; R - сопротивление проводника длиной 1000 м при постоянном токе. Отношения b/h и t/D приняты в качестве параметров. Как видно из рисунков, по мере увеличения √f/R коэффициент поверхностного эффекта быстро увеличивается. Так как сопротивление R обратно пропорционально сечению S проводника, можно утверждать, что по мере увеличения сечения коэффициент поверхностного эффекта увеличивается. Чем меньше отношение b/h или t/D. тем меньше коэффициент поверхностного эффекта.

Для проводников сплошного сечения он значительно больше, чем для труб того же сечения. Так, например, сечение круглого алюминиевого проводника диаметром 60 мм и сечение алюминиевой трубы диаметром 100 мм при отношении t/D = 0,1 одинаковы и равны 28,3 см². Следовательно, сопротивление их постоянному току и отношение √f/R также одинаковы (R=0,01225 Ом и √f/R=63,8 Гц^1/2/Ом^1/2). Однако коэффициент поверхностного эффекта в первом случае равен 1,375, а во втором - 1,025. Следовательно, активное сопротивление трубы с указанными размерами на25 % меньше сопротивления круглого проводника сплошного сечения.

Рис.3. Зависимость активного сопротивления алюминиевых труб от толщины стенки

Зависимость активного сопротивления алюминиевых труб диаметром от 50 до 150 мм от толщины стенки показана на рис.3. 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. Ясно, что применение труб с толщиной стенки, превышающей критическую, нецелесообразно.

Распространенные формы поперечного сечения шин

Рис.4. Распространенные виды шин

Простейшая форма поперечною сечения шины - прямоугольная с отношением сторон b/h от 1/8 до 1/12 (рис.4,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 z во много раз больше, чем относительно оси у. Следовательно, при расположении проводников трех фаз в плоскости у-у плоские шины способны противостоять значительным электродинамическим силам при КЗ.

Плоские шины изготовляют с поперечным сечением до 120х10=1200 мм². Допустимый продолжительный ток таких шин из алюминия при нормированной температуре воздуха 25°С равен 2070 А. При большем рабочем токе можно применить составные проводники из двух или трех полос с зазорами между ними (рис.4,б,в). Допустимый ток при этом увеличится соответственно до 3200 и 4100 А, т.е. далеко не пропорционально числу полос. Это объясняется поверхностным эффектом - вытеснением переменного тока на поверхность составного проводника. Распределение тока между полосами составного проводника неравномерно, потери мощности заметно увеличиваются.

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.4,г). Здесь также необходимы дистанционные прокладки между корытами.

Наиболее совершенной формой поперечного сечения шины при рабочем токе свыше 2000 А является круглое кольцевое (рис.4,д). 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.