Sammelschienenkonstruktionen von Schaltanlagen
Sammelschienen sind blanke, relativ massive stromführende Leiter mit rechteckigem, rundem oder profiliertem Querschnitt. In den Räumlichkeiten einer geschlossenen Schaltanlage werden alle Abzweigungen von den Sammelschienen und Verbindungen zu den Geräten ebenfalls mit blanken Leitern ausgeführt, die eine Sammelschiene bilden.
Shinny sind der zentrale und kritischste Teil der Schaltanlage, da sie Strom von allen Stationsgeneratoren (oder Umspannwerkstransformatoren) erhalten und alle abgehenden Leitungen an sie angeschlossen sind.
In geschlossenen Schaltanlagen bis einschließlich 35 kV bestehen die Sammelschienen aus rechteckigen Aluminiumbändern. Stahlreifen werden in Elektroinstallationen mit geringer Leistung bei Lastströmen verwendet, die 300–400 A nicht überschreiten.
Es ist zu beachten, dass rechteckige (flache) Drähte wirtschaftlicher sind als runde Drähte. Bei gleicher Querschnittsfläche hat ein rechteckiger Reifen eine größere seitliche Kühlfläche als ein runder Reifen.
Im Verteilerraum werden die Reifen auf speziellen Busgestellen oder Gerätekäfigrahmen montiert. Auf die tragenden Porzellanisolatoren werden Sammelschienen hochkant oder flach aufgelegt und mit Sammelschienenhaltern fixiert.
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Reifen zu montieren. Jeder von ihnen hat seine Vor- und Nachteile.
Die Kühlbedingungen sind bei gerippten Reifen besser als bei platten Reifen. Im ersten Fall ist der Wärmedurchgangskoeffizient um 10-15 % höher als im zweiten, was bei der Ermittlung der zulässigen Strombelastung (PUE) berücksichtigt wird. Reifen, die mit ihrer Schmalseite (Rippe) ihren Nachbarn zugewandt sind, weisen eine höhere mechanische Stabilität auf.
Damit sich die Reifen bei steigenden Temperaturen entlang ihres kleinen Musters bewegen können, wird der Reifen in der Mitte des Abschnitts fest und im Abstand locker befestigt. Darüber hinaus werden bei großen Buslängen Kompensatoren eingebaut, um die Temperaturausdehnung auszugleichen. Die beiden Stromschienen sind über ein flexibles Bündel dünner Kupfer- oder Aluminiumbänder miteinander verbunden. Die Enden der Stromschienenstreifen sind nicht fest mit dem Stützisolator verbunden, sondern eine verschiebbare Befestigung durch die längsovalen Löcher.
Um Temperaturspannungen zu vermeiden, werden die Sammelschienen in einigen Fällen mit festen Vorrichtungen (Klemmen) verbunden, indem flexible Pakete verwendet werden, die an den Enden starrer Sammelschienen angebracht sind.
Die größten verwendeten Einzelstreifen-Sammelschienengrößen aus Kupfer und Aluminium sind 120×10 mm.
Für hohe Strombelastungen (für Kupferschienen über 2650 A und für Aluminium - 2070 A) werden Mehrband-Sammelschienen verwendet – Pakete mit zwei oder seltener drei Bändern pro Phase; Der normale Abstand zwischen den Streifen in der Verpackung wird gleich der Dicke eines Streifens (b) angenommen.
Die Nähe der Streifen desselben Pakets zueinander führt zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung zwischen ihnen: Eine große Last fällt auf die Endstreifen des Pakets und weniger auf die mittleren. Beispielsweise fließen in einem Drei-Streifen-Paket jeweils 40 % in den äußeren Streifen und nur 20 % des gesamten Phasenstroms in der Mitte. Dieses Phänomen, das dem Peeling-Phänomen in einem einzelnen Leiter ähnelt, macht es unpraktisch, mehr als drei AC-Busse zu verwenden.
Bei Betriebsströmen, die über die zulässigen Werte für zweispurige Busse hinausgehen, empfiehlt sich vor allem der Einsatz von Reifen mit einem Profil (Channels), das eine bessere Ausnutzung des leitfähigen Materials ermöglicht und eine hohe mechanische Festigkeit erreicht.
Strominstallationen verwenden derzeit ein Paket von zwei Kanälen pro Phase, das in Form und Kp einem hohlen Quadrat nahe kommt. Die größte Kanalgröße mit einer Wandstärke von 250 mm und einer Dicke von 12,5 mm bei zwei Kanälen im Gehäuse ermöglicht die Übertragung eines Stroms von 12.500 A für Kupfer und 10.800 A für Aluminium.
Die Reifen und alle Sammelschienen einer geschlossenen Schaltanlage sind mit Emaillefarben in Erkennungsfarben lackiert, sodass das Servicepersonal spannungsführende Teile, die an bestimmte Phasen und Stromkreise angeschlossen sind, leicht erkennen kann.
Darüber hinaus schützt der Lack die Reifen vor Oxidation und verbessert die Wärmeübertragung von der Oberfläche. Die Erhöhung des zulässigen Stroms je nach Sammelschienenfarbe beträgt 15–17 % für Kupfer-Sammelschienen und 25–28 % für Aluminium-Sammelschienen.
Für Busse mit unterschiedlichen Phasen werden folgende Farben verwendet: Drehstrom: Phase A – gelb, Phase B – grün, Phase C – rot; Null-Sammelschienen: mit ungeerdetem Neutralleiter – weiß, mit geerdetem Neutralleiter sowie Erdungsdrähten – schwarz; Gleichstrom: positive Schiene ist rot, negative Schiene ist blau.
Die Sammelschiene der offenen Schaltanlagen kann mit flexiblen Drähten oder starren Gummis ausgeführt werden. Bei Spannungen von 35, 110 kV und mehr werden zur Erhöhung der Koronaspannung und Reduzierung der Koronaverluste ausschließlich Runddrähte eingesetzt.
In den meisten offenen Schaltanlagen besteht die Sammelschiene aus mehrdrähtigen Stahl-Aluminium-Leitern im gleichen Design wie Stromleitungen.
Sammelschienenleiter aus Kupfer werden nur dann verwendet, wenn sich die offene Schaltanlage in der Nähe (ca. 1,5 km) der Küste von Salzmeeren oder Chemiefabriken befindet, deren aktive Dämpfe und Mitnahme eine schnelle Korrosion von Aluminiumleitern verursachen können. In einigen Fällen verwenden offene Schaltanlagen eine starre Sammelschiene aus Stahl- oder Aluminiumrohren, die auf Stützisolatoren befestigt sind.
Die Querschnitte von Reifen und anderen stromführenden Leitern können anhand der Werte der Betriebsströme und der zulässigen Temperaturen berechnet werden Heizbedingungen.
Für die in Schaltanlagen verwendeten Sammelschienen sind deren Querschnitte genormt und es wurden Tabellen mit zulässigen Dauerstrombelastungen erstellt. Daher besteht in der Praxis keine Notwendigkeit, nach Formeln zu rechnen, sondern es reicht aus, eine Auswahl anhand der Tabellen zu treffen.
Tabellen der zulässigen Dauerstrombelastungen auf blanken Sammelschienen und Leitern werden experimentell berechnet und überprüft; Bei der Zusammenstellung wurde von einer zulässigen Heiztemperatur von 70 °C bei einer Umgebungstemperatur von + 25 °C ausgegangen.
Solche Tabellen für Standardquerschnitte von Reifen und Drähten aus leitenden Grundmaterialien und bestimmten Profilen (rechteckig, rohrförmig, Kanal, Hohlquadrat usw.) sind in PUE und Nachschlagewerken enthalten.
Bei rechteckigen Sammelschienen ergeben sich die tabellarischen Strombelastungen bei Randverlegung; Daher sollten bei platten Reifen die Belastungen bei Reifen mit einer Profilbreite bis zu 60 mm um 5 % und bei Reifen über 60 mm um 8 % reduziert werden. In Fällen, in denen die durchschnittliche Umgebungstemperatur von der Norm abweicht (+ 25 ° C), müssen die aus den Tabellen ermittelten zulässigen Reifenlasten nach folgender Näherungsformel neu berechnet werden:
wobei IN die zulässige Last aus den Tabellen ist.
Der Querschnitt der Leitungen muss anhand der wirtschaftlichen Stromdichte überprüft werden.
Der wirtschaftliche Querschnitt von Leitungen oder Bussen qEC wird als solcher Querschnitt bezeichnet, bei dem die jährlichen Gesamtkosten, bestimmt durch Kapitalkosten und Betriebskosten, am kleinsten ausfallen.
Der wirtschaftliche Querschnitt von Leitungen und Stromschienen ergibt sich aus der Division des maximalen Laststroms im Normalbetrieb durch die elektrische Stromdichte:
Der sich entsprechend der wirtschaftlichen Bedingung ergebende Querschnitt wird auf die nächstliegende Norm gerundet und auf den langfristig zulässigen Laststrom überprüft. Dabei ist zu beachten, dass die RU-Sammelschienen für alle Spannungen nicht nach der wirtschaftlichen Stromdichte ausgewählt werden, da die Die wirtschaftlichen Abschnitte bei hohen Strömen sind gleich oder kleiner als die zum Heizen ausgewählten Abschnitte.
Darüber hinaus werden RU-Reifen auf thermische und elektrodynamische Stabilität im Kurzschlussfall und ab 110 kV auch auf Korona geprüft.
Daher müssen Drähte jeglichen Zwecks die Anforderungen an die maximal zulässige Erwärmung erfüllen, wobei nicht nur der Normal-, sondern auch der Notbetrieb berücksichtigt werden.
Wenn der durch wirtschaftliche und Dauerlastbedingungen bestimmte Leiterquerschnitt nicht dem für andere Notfallbedingungen (thermische und dynamische Stabilität bei Kurzschluss) erforderlichen Querschnitt entspricht, sollte ein größerer Querschnitt angenommen werden, um alle Anforderungen zu erfüllen Bedingungen.
Es ist außerdem zu beachten, dass bei der Montage von Reifen mit großen Querschnitten auf möglichst geringe Zusatzverluste durch den Oberflächeneffekt und den Proximity-Effekt sowie auf beste Kühlbedingungen geachtet werden muss. Dies kann durch Reduzierung der Anzahl der Streifen im Paket und deren korrekte räumliche und gegenseitige Anordnung, rationelle Gestaltung des Pakets, Verwendung von Profilreifen – Mulde, Hohlprofil usw. – erreicht werden.
Bei der Verwendung von Stahlreifen erfolgt die Ermittlung des zulässigen Stromwertes etwas anders.
Bei Stahlreifen kommt es aufgrund des Oberflächeneffekts zu einer deutlichen Stromverlagerung auf die Oberfläche des Leiters, die Eindringtiefe überschreitet 1,5-1,8 mm nicht.
Studien haben ergeben, dass die zulässige Belastung von Wechselstrom-Stahlsammelschienen praktisch vom Querschnittsumfang der Sammelschiene abhängt und nicht von der Fläche dieses Querschnitts.
Basierend auf diesen Untersuchungen wurde die folgende Methode zur Berechnung von AC-Stahlstromschienen übernommen:
1. Bestimmen Sie zunächst den Buslaststrom (für einen Bus mit einer Seite von nicht mehr als 300–400 A) und ermitteln Sie die lineare Stromdichte:
wobei In – Laststrom, A; p ist der Querschnittsumfang des Reifens, mm.
Die lineare Stromdichte hängt von der zulässigen Überhitzungstemperatur des Stahlbusses über der Umgebungstemperatur ab. Diese Abhängigkeit wird durch den folgenden Ausdruck definiert:
Es wurde festgestellt, dass bei Schraubverbindungen von Stahlreifen der Wert von Θ 40 °C nicht überschreiten sollte und bei Schweißverbindungen auf 55 °C erhöht werden kann.
Wenn wir die Umgebungstemperatur v0 — 35 ° annehmen, dann ist die lineare Stromdichte für Schraubverbindungen gleich
und für Schweißverbindungen
2. Basierend auf diesen Daten ermitteln wir den Wert des erforderlichen Umfangs des Reifenquerschnitts:
Am Umfang der Reifen können Sie bei einem Reifensatz ganz einfach die erforderliche Größe von Standard-Stahlstreifen auswählen und dabei den Zustand beobachten
wobei h die Höhe des Reifens in mm ist; b – Reifendicke, mm.
Die obige Berechnung für Stahlreifen gilt für Einzelprofilreifen.
Für hohe Lastströme können Bündel aus mehreren Stahlschienen verwendet werden. In diesem Fall wird der Umfang des Querschnitts eines im Paket enthaltenen Reifenstreifens unter folgenden Bedingungen ausgewählt:
• für Zwei-Wege-Busse
• für Drei-Wege-Busse
Um die Berechnungen zu vereinfachen, können Sie das Diagramm der Abhängigkeit des Umfangs p des Schienenquerschnitts vom Laststrom IN verwenden.