Шины

Шины: определение, назначение и классификация в электроустановках

Шина (шинопровод) – это проводник с низким активным сопротивлением, предназначенный для сбора и распределения электрической энергии заданного номинального тока в распределительных устройствах (РУ), комплектных распределительных устройствах (КРУ), комплектных токопроводах (КТП), а также для соединения между собой отдельных элементов электроустановки. В отличие от кабелей, шины представляют собой жесткие или гибкие неизолированные или изолированные проводники, открыто смонтированные на опорных изоляторах или заключенные в оболочку (шинопровод). Основная функция – обеспечение минимальных потерь мощности и надежного электрического контакта в узлах коммутации и распределения.

Материалы изготовления и их характеристики

Выбор материала шины определяется требованиями к электропроводности, механической прочности, стойкости к коррозии, технологичности и стоимости.

• Медь (Cu): Обладает наивысшей электропроводностью (удельное сопротивление ~0.0175 Ом·мм²/м) и стойкостью к атмосферной коррозии. Медные шины демонстрируют отличную паяемость и контактные свойства. Применяются в ответственных установках, где критичны минимальные потери и размеры (например, в генераторных цепях, мощных преобразовательных подстанциях). Недостаток – высокая стоимость и склонность к ползучести под давлением.
• Алюминий (Al): Наиболее распространенный материал благодаря оптимальному соотношению цены, проводимости (удельное сопротивление ~0.028 Ом·мм²/м) и малой плотности. Алюминиевые шины легче медных при одинаковой проводимости. Основные недостатки: низкая механическая прочность, склонность к образованию тугоплавкой оксидной пленки, требующей специальной обработки контактных поверхностей, и высокий коэффициент линейного расширения.
• Сталь алюминированная (АС): Биметаллический материал, где стальной сердечник покрыт слоем алюминия. Сталь обеспечивает высокую механическую прочность, алюминий – хорошую проводимость. Применяется для воздушных линий электропередачи и в условиях, где важна высокая механическая нагрузка.
• Сталь оцинкованная (Ст): Используется в качестве заземляющих и нулевых шин, где основное требование – механическая прочность и низкая стоимость, а не проводимость.

Конструктивное исполнение и типы шин

Конструкция шин выбирается исходя из номинального тока, условий электродинамической стойкости, способа охлаждения и компоновки РУ.

1. По форме поперечного сечения:

• Прямоугольные (полосовые): Наиболее распространены в РУ и КРУ до 35 кВ. Позволяют эффективно использовать пространство ячейки. При токах свыше 2000-3000 А могут применяться пакеты из двух или трех полос на фазу для улучшения теплоотвода.
• Круглые (сплошные и полые): Обладают лучшими условиями охлаждения (большая поверхность на единицу сечения) и повышенной электродинамической стойкостью к изгибу. Полые (трубчатые) шины применяются на высокие токи (более 3000 А) и напряжения (110 кВ и выше), так как при той же массе обладают большим моментом сопротивления и лучшим охлаждением.
• Уголковые и швеллерные: Применяются реже, в основном как несущие конструкции в токопроводах открытого типа или в условиях, требующих высокой жесткости.

2. По способу исполнения и монтажа:

• Жесткие шины: Закрепляются на опорных или проходных изоляторах. Рассчитываются на механический резонанс и электродинамические усилия при КЗ.
• Гибкие шины (токопроводы): Выполняются из многопроволочных проводов (например, АС, ПВЛ) и подвешиваются на гирляндах изоляторов. Применяются в открытых распределительных устройствах (ОРУ) на напряжение 35 кВ и выше. Лучше воспринимают механические нагрузки, не требуют жестких опор.
• Изолированные шины и шинопроводы: Шины, заключенные в изоляционную оболочку (например, из PVC, сшитого полиэтилена). Шинопроводы – это комплектные конструкции, содержащие изолированные шины, элементы соединения, ответвления и крепеж в защитном кожухе. Делятся на:
  • Магистральные (для питания протяженных линий).
  • Распределительные (для раздачи мощности на отдельные потребители внутри здания).
  • Осветительные.
  • Троллейные (для подвижных потребителей, например, кранов).

Основные технические параметры и расчет

При проектировании и выборе шин необходимо выполнить ряд проверочных расчетов.

1. Выбор по длительно допустимому току (I_доп)

Шина должна длительно работать без нагрева выше допустимой температуры (обычно +70°C для голых шин в помещении, +90°C для изолированных). I_доп зависит от материала, сечения, формы, способа монтажа и условий охлаждения. Данные приводятся в таблицах ПУЭ и каталогах производителей.

Пример: Допустимые токовые нагрузки на медные и алюминиевые шины прямоугольного сечения (одна полоса, температура +70°C)

Сечение, мм²	Медь, А	Алюминий, А
15×3	210	165
20×3	275	215
25×3	340	265
30×4	475	365
40×4	625	480
40×5	700	540
50×5	860	665
60×6	1125	870
80×6	1480	1150
100×8	2100	1620

2. Проверка на электродинамическую стойкость при КЗ

Осуществляется расчетом механического напряжения в материале шины σ_расч от взаимодействия токов КЗ и сравнением с допустимым σ_доп. Для прямоугольных шин, расположенных на ребро, максимальное усилие определяется по формуле:

F_max = √3 · 10^-7 · (i_уд)² · (l / a) [Н/м],

где i_уд – ударный ток трехфазного КЗ, l – расстояние между изоляторами, a – расстояние между осями фаз. Далее рассчитывается изгибающий момент и напряжение. Если σ_расч > σ_доп, необходимо уменьшить пролет l, увеличить расстояние между фазами a, применить шины большего сечения или перейти на шины коробчатого сечения.

3. Проверка на термическую стойкость при КЗ

Определяется минимальное термически стойкое сечение S_min, которое выдержит нагрев током КЗ без повреждения:

S_min = I_∞ · √(t_пр / C),

где I_∞ – установившийся ток КЗ, t_пр – приведенное время действия защиты, C – коэффициент, зависящий от материала (для меди 250-300, для алюминия 65-95). Фактическое сечение шины должно быть не менее S_min.

4. Выбор по условиям короны (для ВН и СВН)

Для открытых шин напряжением 110 кВ и выше необходимо обеспечить, чтобы максимальная напряженность электрического поля на поверхности шины E_max не превышала начальную критическую напряженность E₀. Это достигается увеличением радиуса кривизны (применением трубчатых шин или шин с круглым сечением).

Монтаж, соединения и маркировка

Качество контактных соединений – ключевой фактор надежности. Соединения выполняются сваркой, пайкой или болтовыми контактами.

• Сварка (контактная, аргонно-дуговая): Наиболее надежный метод, обеспечивающий переходное сопротивление близкое к целому участку шины.
• Болтовые соединения: Требуют тщательной подготовки поверхностей (зачистка, покрытие кварцевазелиновой пастой для алюминия), применения пружинных шайб и контроля момента затяжки. Для алюминиевых шин предпочтительны стальные оцинкованные болты.
• Ответвления: Выполняются с помощью специальных накладок или сжимов, обеспечивающих равномерное давление.

Маркировка шин по цвету или буквенно-цифровая обязательна согласно ПУЭ: желтый (А, L1), зеленый (В, L2), красный (С, L3), голубой или черный (N – нулевая), продольные полосы желто-зеленого цвета (PE – защитная). В шинопроводах применяется соответствующая маркировка изоляции.

Области применения

• Распределительные устройства подстанций (РУ и ОРУ): Сборные шины секций, обходные, системы шин.
• Главные токопроводы предприятий: Для передачи больших мощностей от ГПП к цеховым подстанциям.
• Внутрицеховое распределение (шинопроводы): Магистральные и распределительные шинопроводы в производственных зданиях, ЦОД, торговых центрах.
• Электротехнические шкафы (панели, КРУ, НКУ): Монтажные шины (главная заземляющая шина – ГЗШ, нулевая рабочая N, распределительные шины постоянного и переменного тока).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что лучше выбрать: медные или алюминиевые шины?

Выбор экономико-технический. Медь предпочтительна при высоких токах, ограниченном пространстве, требованиях к минимальным потерям и высокой коррозионной стойкости (агрессивные среды). Алюминий – стандартное решение для большинства проектов из-за значительно меньшей стоимости и массы. Переход с алюминия на медь требует применения биметаллических переходных шайб или сжимов во избежание электрохимической коррозии.

2. Как правильно выбрать сечение шины для проекта?

Алгоритм выбора: 1) По длительному расчетному току нагрузки из таблиц I_доп. 2) Проверка на термическую стойкость при КЗ (S_min). 3) Проверка на электродинамическую стойкость (σ_расч ≤ σ_доп). 4) Для ВН – проверка на коронирование. 5) Учет поправок на температуру окружающей среды и группировку.

3. Почему при больших токах используют несколько полос в пакете, и как их располагать?

Использование нескольких полос увеличивает поверхность охлаждения. Однако из-за эффекта близости и поверхностного эффекта ток распределяется между ними неравномерно, что снижает эффективность. Коэффициент эффективности k_эф для двух полос ~0.95, для трех ~0.9. Располагать полосы следует на ребро с зазором, равным толщине полосы, для улучшения охлаждения. Полосы в пакете необходимо раскреплять прокладками (дистанцирующими шайбами) для противодействия электродинамическим силам.

4. В чем разница между главной заземляющей шиной (ГЗШ) и нулевой рабочей (N)?

ГЗШ (PE) – часть системы уравнивания потенциалов, к которой присоединяются защитные проводники (PE), проводники основной системы уравнивания потенциалов и заземляющий проводник. Изготавливается, как правило, из меди. Нулевая рабочая шина (N) предназначена для подключения нейтральных проводников цепи. В системах TN-C-S и TN-S эти шины должны быть разделены после точки разделения PEN. Требования к сечению также различаются: для N – по фазному току, для PE – по условиям термической стойкости при КЗ.

5. Как бороться с вибрацией и резонансом шин?

Собственная частота колебаний шины не должна совпадать с частотой сети (50 Гц) и ее гармониками. Для предотвращения резонанса: уменьшают длину пролета между изоляторами, увеличивают момент инерции сечения (применяют шины коробчатого сечения), устанавливают демпфирующие прокладки (виброизоляторы) между шиной и изолятором, используют шины на гибкой подвеске.

6. Каковы особенности монтажа шин в сейсмоопасных районах?

Применяются гибкие токопроводы или жесткие шины с увеличенными пролетами между опорными изоляторами, которые крепятся через демпфирующие устройства. Усиливаются узлы крепления, используются шины с повышенным запасом механической прочности. Запрещается жесткое соединение шин с оборудованием без компенсирующих петель или гибких связей.

Заключение

Шины являются критически важным элементом любой электроэнергетической системы, определяющим ее надежность, экономичность и безопасность. Грамотный выбор материала, сечения и конструкции, а также качественный монтаж и обслуживание контактных соединений позволяют обеспечить бесперебойную работу электроустановок на протяжении всего срока службы. Современные тенденции включают широкое внедрение компактных изолированных шинопроводов, использование новых сплавов с улучшенными характеристиками и цифровизацию контроля температуры контактных соединений. Проектирование и монтаж шинных конструкций должны выполняться в строгом соответствии с требованиями ПУЭ, ГОСТ и технической документации производителей.