Шины соединительные

Шины соединительные: назначение, конструкция, стандарты и применение

Соединительные шины (шинные мосты, перемычки) представляют собой жесткие проводники прямоугольного, круглого или иного сечения, предназначенные для электрического соединения двух или более точек в электроустановках. Они являются ключевым компонентом в системах распределения электроэнергии, обеспечивая надежное и безопасное соединение между аппаратами, секциями шин, выводами трансформаторов, вводами и выводами распределительных устройств (РУ). Основная функция – передача и распределение электрического тока в пределах одного потенциала, с минимальным переходным сопротивлением и оптимальным теплоотводом.

Классификация и конструктивные особенности

Соединительные шины классифицируются по ряду ключевых признаков, определяющих их область применения и технические характеристики.

1. По материалу проводника:

• Медные (Cu): Обладают высокой электропроводностью (58-60 МСм/м), отличной коррозионной стойкостью и удобством монтажа (пайка, сварка). Применяются в ответственных узлах с высокими токами нагрузки, в условиях агрессивной среды, а также там, где критичны габариты соединения. Требуют защиты от электрохимической коррозии при контакте с алюминием.
• Алюминиевые (Al): Имеют меньшую электропроводность (около 36-37 МСм/м) и механическую прочность по сравнению с медью, но значительно дешевле и легче. Широко используются в распределительных устройствах среднего и низкого напряжения, в сборных шинах щитового оборудования. Обязательно покрываются защитными составами или анодируются для предотвращения окисления.
• Алюмомедные (биметаллические): Комбинированные шины, где алюминиевая основа с двух сторон плакирована медью. Позволяют совместить преимущества алюминия (легкость, стоимость) и меди (высокая контактная способность). Критически важны для создания надежного неразъемного соединения между медными и алюминиевыми элементами без использования переходных биметаллических шайб, исключая гальваническую пару.

2. По форме поперечного сечения:

• Прямоугольные (плоские): Наиболее распространенный тип. Обладают большей поверхностью охлаждения при том же сечении, что и круглые, и удобны для крепления. Соотношение сторон обычно не превышает 1:5-1:12 для предотвращения эффекта близости и вытеснения тока к краям.
• Круглые (круглые шины, трубчатые): Используются в высоковольтных установках (110 кВ и выше) как гибкие или жесткие токопроводы. Трубчатая форма обеспечивает оптимальное соотношение механической прочности, тока и короны.
• Угловые, тавровые, двутавровые: Применяются реже, в основном как несущие конструктивные элементы с токопроводящей функцией.

3. По типу изоляции и исполнению:

• Голые шины: Без изоляционного покрытия. Монтируются на опорных изоляторах с соблюдением воздушных изоляционных расстояний. Применяются в КРУ, ячейках КСО.
• Изолированные шины: Покрыты слоем поливинилхлорида (ПВХ), сшитого полиэтилена (XLPE) или иного диэлектрика. Используются в панелях распределительных щитов (например, главные шины в щитах), для безопасного монтажа в ограниченном пространстве.
• Шинопроводы (магистральные, распределительные, троллейные): Представляют собой комплектные системы, состоящие из шин, заключенных в общий защитный кожух (оболочку) с элементами крепления, соединения и ответвления.

Основные технические параметры и расчет

Выбор соединительной шины осуществляется на основе строгого расчета и соответствия нормативным документам.

1. Номинальный длительный допустимый ток (I_доп)

Это максимальный ток, который шина может проводить длительно без превышения допустимой температуры нагрева (обычно +70°C для голых шин при температуре окружающей среды +25°C). Зависит от материала, сечения, формы, способа монтажа и условий охлаждения. Данные приведены в ПУЭ (Глава 1.3) и ГОСТах.

Примерные значения I_доп для одиночных прямоугольных медных шин, установленных на ребро

Сечение, мм² (ширина x толщина)	Допустимый ток, А
15 x 3	210
20 x 3	275
25 x 3	340
30 x 4	475
40 x 4	625
40 x 5	700
50 x 5	860
60 x 6	1125
80 x 6	1480
100 x 8	2080

Для алюминиевых шин токи примерно в 1.3 раза меньше при том же сечении. При групповой установке (несколько шин в фазе) вводится понижающий коэффициент.

2. Электродинамическая стойкость

Способность шины выдерживать механические нагрузки от электродинамических сил, возникающих при коротком замыкании (КЗ). Проверяется расчетом механического напряжения в материале шины σ_расч от ударного тока КЗ. Это напряжение не должно превышать допустимого σ_доп (для меди ~ 1300 кгс/см², для алюминия ~ 700 кгс/см²). Для увеличения стойкости уменьшают расстояние между опорными изоляторами (пролет) или используют шины большего сечения и жесткости.

3. Термическая стойкость

Проверка, что шина выдержит нагрев от протекания тока КЗ за время его действия без недопустимого разупрочнения или оплавления. Минимально допустимое сечение определяется по формуле: S_min = (I_терм / A)

• √t, где I_терм – ток термической стойкости, t – время его действия, A – коэффициент, зависящий от материала (медь – 171, алюминий – 88).

4. Номинальное напряжение

Определяет уровень изоляции и конструктивное исполнение. Соединительные шины как элемент главных цепей должны соответствовать номинальному напряжению электроустановки (0.4 кВ, 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ и т.д.).

Конструкция узлов соединения и монтаж

Надежность шинного соединения определяется качеством контактного узла.

1. Типы соединений:

• Болтовое (сжатие): Наиболее распространено. Включает шину, контактные площадки аппаратов, болты, гайки, шайбы (пружинные, стопорные). Критически важно правильное усилие затяжки, указанное в ТУ аппарата, для обеспечения необходимого контактного давления и предотвращения «пожара контактов».
• Сварное (контактная сварка, аргонодуговая): Обеспечивает неразъемное соединение с минимальным переходным сопротивлением и высокой механической прочностью. Применяется для неразборных соединений в шинных сборках.
• Опрессовка (с помощью специальных наконечников): Используется для оконцевания гибких связей или соединения шин с кабелями.

2. Подготовка контактных поверхностей:

• Медь: Зачистка до металлического блеска, обезжиривание, часто покрытие нейтральной контактной смазкой на основе технического вазелина или соединений меди.
• Алюминий: Зачистка от оксидной пленки (которая имеет высокое сопротивление) непосредственно перед сборкой, немедленное покрытие кварцевазелиновой или цинк-вазелиновой пастой для предотвращения повторного окисления.
• Алюмомедь: Соединение допускается как с медной, так и с алюминиевой стороны, подготовка соответствующей поверхности.

3. Гальваническая совместимость:

Прямой контакт меди и алюминия запрещен ПУЭ из-за образования гальванической пары в присутствии электролита (влаги). Это приводит к интенсивной электрохимической коррозии алюминия. Для соединения используются:

• Биметаллические переходные шайбы или накладки (сталь оцинкованная + медь, алюминий + медь).
• Покрытие медной части контакта лужением (оловянно-свинцовым припоем).
• Использование специальных переходных клемм.

Стандарты и нормативная база

Проектирование, изготовление и монтаж соединительных шин регламентируется следующими основными документами:

• ПУЭ (7-е издание): Главы 1.3 (Выбор проводников по нагреву, ЭДС и термической стойкости), 2.1 (Электропроводки), 3.4 (Распределительные устройства).
• ГОСТ Р 52736-2007: Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета.
• ГОСТ 10434-82 (заменен на ГОСТ Р 50043.1-2020): Соединения контактные электрические. Общие технические требования.
• Стандарты МЭК (IEC) серий 61439 (НКУ), 62271 (РУ ВН): Определяют требования к шинным сборкам внутри комплектного оборудования.
• СНиП 3.05.06-85: Электротехнические устройства. Правила монтажа.

Области применения и особенности

• Распределительные щиты низкого напряжения (НКУ): Главные и распределительные шины, межсекционные и межпанельные перемычки. Активно используются изолированные шины.
• Комплектные распределительные устройства (КРУ, КРУН) 6-35 кВ: Сборные шины, обходные, секционные и соединительные шины между аппаратами (выключателями, разъединителями, трансформаторами тока).
• Силовые трансформаторы: Соединение выводов НН и ВН трансформатора с шинами РУ.
• Системы заземления: Главная заземляющая шина (ГЗШ), соединительные проводники системы уравнивания потенциалов.
• Шинопроводы: Магистральные и распределительные системы для питания технологического оборудования в промышленности.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как правильно выбрать сечение соединительной шины?

Выбор осуществляется в три этапа: 1) По длительно допустимому току нагрузки (I_доп ≥ I_{раб.макс}). 2) Проверка на электродинамическую стойкость при КЗ. 3) Проверка на термическую стойкость при КЗ. Окончательное сечение принимается по наибольшему из полученных значений с округлением до стандартного ряда.

2. Почему при групповой установке шин (две и более в фазе) их допустимый ток снижается?

Из-за взаимного нагрева и ухудшения условий охлаждения средних шин в пакете. Точный понижающий коэффициент зависит от количества шин в фазе, расстояния между ними, способа расположения (плашмя/на ребро) и указывается в таблицах ПУЭ.

3. Можно ли использовать алюминиевые шины для реконструкции щитов с медными шинами?

Да, но с обязательным применением биметаллических переходников (алюмомедных накладок или шайб) в местах контакта. Прямой болтовой контакт Al-Cu недопустим. Также необходимо пересчитать сечение на пропускную способность и механическую прочность.

4. Каковы последствия недостаточного момента затяжки болтовых соединений шин?

Недостаточное давление приводит к увеличению переходного сопротивления контакта, его локальному перегреву, дальнейшему окислению и «проваливанию» контакта, вплоть до расплавления и пожара. Превышение момента затяжки может привести к срезу болтов или деформации шины.

5. В чем преимущество трубчатых шин перед прямоугольными на высоком напряжении?

Трубчатые шины имеют лучшее отношение поверхности к сечению, что улучшает охлаждение. При одинаковом сечении они обладают большим моментом сопротивления, т.е. механически прочнее. Напряженность электрического поля на их поверхности распределена более равномерно, что снижает вероятность возникновения коронирования (частичных разрядов) на линиях 110 кВ и выше.

6. Как маркируются шины по фазам и направлению?

Согласно ПУЭ и ГОСТ 33542-2015 (МЭК 60446), для идентификации проводников в электроустановках до 1000 В и выше применяется цветовая и буквенно-цифровая маркировка:

• Фаза A (L1): Желтый цвет / маркировка «А».
• Фаза B (L2): Зеленый цвет / маркировка «В».
• Фаза C (L3): Красный цвет / маркировка «С».
• Нулевой рабочий (N): Синий цвет / маркировка «N».
• Защитный (PE): Желто-зеленый полосатый / маркировка «PE».
• Шины постоянного тока: Положительный (+) – коричневый, отрицательный (-) – синий, средняя (M) – голубой.

Маркировка наносится на концах шин и в местах присоединения ответвлений.

7. Что такое «эффект близости» и как он влияет на выбор шин?

Эффект близости – это перераспределение плотности тока в соседних проводниках (шинах одной фазы или разных фаз), вызванное их взаимным электромагнитным влиянием. Ток вытесняется к удаленным краям шин, что приводит к увеличению активного сопротивления и дополнительным потерям. Для снижения влияния эффекта рекомендуется: увеличивать расстояние между шинами разных фаз, использовать шины с оптимальным соотношением сторон (тонкие и широкие), а на больших токах (свыше 2-3 кА) применять расщепление фазы на несколько проводников.