Платы металлические
Платы металлические: конструкция, назначение и применение в электротехнике
Платы металлические, также известные как шины или шинопроводы, представляют собой токопроводящие элементы, изготовленные из металла (чаще всего меди или алюминия) в виде полос, пластин или профилей сложного сечения. Их основное функциональное назначение – распределение, ответвление и передача электрической энергии в электроустановках, сборка и соединение компонентов внутри распределительных устройств (РУ), шкафов, щитов и другой электротехнической аппаратуры. В отличие от гибких кабелей, металлические платы обеспечивают жесткую фиксацию, высокую электродинамическую стойкость и эффективный теплоотвод.
Материалы изготовления и их характеристики
Выбор материала для металлической платы является критически важным и определяется требованиями к проводимости, механической прочности, стоимости и условиям эксплуатации.
- Медь (Cu): Наиболее распространенный материал для ответственных соединений. Обладает наивысшей среди распространенных металлов электропроводностью (58 МСм/м), отличной пластичностью, коррозионной стойкостью и хорошей паяемостью. Медные платы часто подвергают лужению (покрытие оловом или сплавом олово-свинец) для предотвращения окисления и облегчения пайки. Недостаток – высокая стоимость и значительный вес.
- Алюминий (Al): Применяется в целях экономии и снижения массы конструкции. Удельная проводимость алюминия примерно в 1.6 раза ниже, чем у меди (36 МСм/м), поэтому для обеспечения той же пропускной способности сечение алюминиевой платы должно быть больше. Алюминий легче, но обладает склонностью к образованию на поверхности тугоплавкой оксидной пленки, ухудшающей контакт, и проявляет ползучесть (текучесть) под давлением, что требует специальных мер при монтаже (например, использование переходных шайб, контактной смазки, регулярной подтяжки болтовых соединений).
- Латунь и бронза: Используются реже, преимущественно для изготовления контактных групп, клеммников или в качестве биметаллических переходников. Обладают повышенной механической прочностью и упругостью по сравнению с чистой медью.
- Прямоугольное сечение (полоса, шина): Самый распространенный тип. Обладает большой поверхностью, что способствует хорошему теплоотводу. Соотношение сторон (ширина/толщина) варьируется. Широкие тонкие шины эффективны для работы на высоких частотах (скин-эффект), толстые – для больших токов.
- Круглое сечение (пруток, стержень): Используется в качестве сборных шин, токовводов, заземляющих проводников. Обладает симметричным полем, но при равной площади сечения имеет меньший периметр охлаждения по сравнению с прямоугольной шиной.
- Угловое и тавровое сечение (профиль): Применяются для увеличения жесткости конструкции при сохранении достаточного сечения. Часто используются в качестве несущих элементов каркасов РУ с одновременной функцией проводника.
- Коробчатое сечение: Полые профили сложной формы. Обеспечивают максимальную жесткость и механическую прочность при относительно небольшом весе и материалоемкости. Эффективны для монтажа длинных пролетов главных шин.
- (l / S), где ρ – удельное сопротивление материала, l – длина, S – площадь поперечного сечения. Для переменного тока на высоких частотах учитывается рост сопротивления из-за поверхностного эффекта (скин-эффекта). Падение напряжения на плате не должно превышать значений, установленных нормами для данного типа электроустановки.
- Термоусаживаемые трубки: Обеспечивают полную изоляцию, часто с цветовой маркировкой фаз.
- Лакокрасочные покрытия: Наносятся для защиты от коррозии (особенно для алюминия) или для цветовой маркировки (шины часто окрашиваются: желтый – фаза A, зеленый – фаза B, красный – фаза C, голубой – нейтраль, продольные полосы желто-зеленого цвета – защитный проводник).
- ПВХ или полиамидная изоляция: Используется для готовых шинных сборок (например, DIN-рейки).
- ГОСТ Р МЭК 62271-1, ГОСТ Р 52726: Общие требования к РУ и шинопроводам.
- ГОСТ 434-78: Изоляторы.
- Правила устройства электроустановок (ПУЭ), главы 1.7, 2.1, 3.4, 4.2: Основополагающий документ для проектирования и монтажа в РФ.
- МЭК 61439-1, МЭК 62271-200: Международные стандарты на сборные шины.
- Использовать специальные тарельчатые или зубчатые шайбы, предотвращающие ослабление контакта со временем.
- Применять контактную пасту (антиоксидантную смазку) для разрушения оксидной пленки и защиты поверхности.
- Периодически (согласно регламенту) подтягивать болтовые соединения.
- Избегать прямого контакта с медью во избежание электрохимической коррозии. Для соединения алюминия с медью необходимо использовать биметаллические переходные шайбы или накладки.
- Более высокая механическая жесткость и устойчивость к изгибу, что позволяет увеличивать пролеты между опорами.
- Лучшее соотношение массы и несущей способности.
- Более эффективное охлаждение за счет большей поверхности.
- Меньшее влияние скин-эффекта на высоких частотах, так как ток распределяется по периметру.
- Недостатки: более высокая стоимость изготовления и сложность монтажа ответвлений.
- Фазы переменного тока: Шины окрашиваются в цвета: Фаза A (L1) – желтый, Фаза B (L2) – зеленый, Фаза C (L3) – красный. Допускается нанесение цветных полос на концах шин или использование цветной термоусадки.
- Постоянный ток: Положительная шина (+) – коричневый, отрицательная (–) – серый.
- Нулевая рабочая шина (N): Голубой цвет.
- Шина защитного заземления (PE) и совмещенная нулевая (PEN): Чередующиеся продольные полосы желтого и зеленого цвета. Для PEN шины дополнительно на концах наносят голубые метки или после изоляции окрашивают в голубой цвет.
Конструктивные типы и сечения
Конфигурация поперечного сечения платы напрямую влияет на ее электрические и механические характеристики.
Основные технические параметры и расчет
При проектировании и выборе металлических плат инженеры оперируют рядом ключевых параметров.
Допустимый длительный ток (ДДТ)
Максимальный ток, который плата может проводить в продолжительном режиме без превышения допустимой температуры нагрева (обычно +70°C для изолированных шин, +90°C для голых в помещении). Зависит от материала, сечения, способа монтажа (открыто, в коробе, пучком), условий охлаждения и температуры окружающей среды. Определяется по таблицам ПУЭ или расчетным путем.
| Сечение, мм² (Ширина x Толщина) | Допустимый ток, А |
|---|---|
| 15 x 3 (45) | 340 |
| 20 x 3 (60) | 475 |
| 25 x 3 (75) | 590 |
| 30 x 4 (120) | 830 |
| 40 x 4 (160) | 1100 |
| 40 x 5 (200) | 1250 |
| 50 x 5 (250) | 1480 |
| 50 x 6 (300) | 1620 |
| 60 x 6 (360) | 1900 |
| 80 x 6 (480) | 2470 |
| 100 x 6 (600) | 3000 |
Электродинамическая стойкость
Способность платы и ее креплений выдерживать без повреждений и недопустимых деформаций механические усилия, возникающие при протекании токов короткого замыкания (КЗ). Эти силы пропорциональны квадрату ударного тока КЗ. Расчет включает определение механического напряжения в материале шины и сравнение его с допустимым для данного металла. Для повышения стойкости уменьшают расстояние между опорными изоляторами, используют профили повышенной жесткости или устанавливают распорки между фазами.
Термическая стойкость
Способность платы выдерживать кратковременный нагрев при протекании тока КЗ без недопустимых изменений свойств материала (отжиг, оплавление). Минимально допустимое сечение проверяется по формуле, учитывающей тепловой импульс тока КЗ. Для меди допустимая температура при КЗ обычно принимается +300°C, для алюминия – +200°C.
Сопротивление и падение напряжения
Активное сопротивление постоянному току рассчитывается по формуле R = ρ
Области применения и особенности монтажа
1. Распределительные устройства (РУ) и комплектные распределительные устройства (КРУ)
Платы металлические являются основой токопроводящей системы. Из них собирают главные и секционные сборные шины, отходящие линии, перемычки. Монтаж выполняется на опорных или проходных изоляторах. Критически важна фазировка и соблюдение расстояний (воздушных и по поверхности изоляции) между фазами и на землю. Все соединения (ответвления, изгибы) должны обеспечивать надежный электрический контакт и механическую прочность.
2. Щиты и шкафы управления
Внутри щитов платы меньшего сечения используются для организации цепей питания автоматических выключателей, рубильников, приборов учета, релейной защиты. Широко применяются изолированные медные шины (шинки) для сборки цепей постоянного оперативного тока (Цепи «+» и «–»).
3. Заземляющие устройства
Стальные или медные полосы используются в качестве главной заземляющей шины (ГЗШ) в вводных устройствах, контурах заземления и выравнивания потенциалов. Требования к сечению определяются ПУЭ и зависят от параметров сети защиты.
4. Гибкие токопроводы (шинопроводы)
Специализированные системы на основе металлических плат, заключенных в оболочку, для подвода питания к мощным потребителям (например, к печам, крупным станкам). Обеспечивают гибкость конфигурации и безопасность.
Изоляция и защитные покрытия
Для обеспечения безопасности и защиты от внешних воздействий металлические платы могут покрываться изоляционными материалами.
Контроль качества и стандарты
Производство и применение металлических плат регламентируется рядом национальных и международных стандартов.
Контроль включает проверку геометрических размеров, качества поверхности (отсутствие заусенцев, трещин), состава и состояния материала (электропроводность, твердость), качества защитных покрытий.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как правильно выбрать сечение медной платы для тока 1000А?
Выбор осуществляется по допустимому длительному току с учетом условий прокладки. Для открытой прокладки одиночной шины при +25°C подойдет сечение 40×5 мм (200 мм², ДДТ ~1250А) или 50×5 мм (250 мм², ДДТ ~1480А). Для установки в закрытом шкафу с плохой вентиляцией или при повышенной температуре окружающей среды необходимо выбирать сечение с запасом, использовать принудительное охлаждение или переходить на большее сечение, например, 60×6 мм (360 мм²). Обязательна проверка на электродинамическую и термическую стойкость при возможных токах КЗ в точке установки.
Чем отличается монтаж алюминиевых шин от медных?
Монтаж алюминиевых шин требует особого внимания из-за склонности материала к ползучести и окислению. Необходимо:
Как рассчитать необходимое количество болтов для соединения двух шин?
Количество и диаметр болтов определяются исходя из рабочего тока и требований к механической прочности соединения. Расчет ведется по допустимому давлению на смятие материала шины и срезу болта. Для ориентировки: на каждые 100-200А рабочего тока обычно устанавливается один болт М8-М10 из стали не ниже класса прочности 5.6. Для ответственных соединений на большие токи (свыше 1000А) используются специальные многоболтовые накладки или сварные соединения. Точный расчет должен быть приведен в проектной документации.
Что такое «шинный мост» и где он применяется?
Шинный мост (или шинная перемычка) – это конструкция из металлических плат, предназначенная для соединения двух или более распределительных устройств, секций шин или для обхода какого-либо аппарата. Он обеспечивает гибкость схемы, возможность секционирования и резервирования питания. Шинные мосты монтируются на изоляторах и могут быть как открытого, так и закрытого (в металлическом кожухе) типа. Их расчет включает проверку на механическую прочность при ветровых и гололедных нагрузках (для наружной установки), а также на электродинамическую стойкость.
Каковы преимущества использования шин коробчатого сечения?
Шины коробчатого (прямоугольного полого) сечения обладают рядом преимуществ перед сплошными прямоугольными шинами при равной площади поперечного сечения:
Как маркируются шины по фазам и назначению?
Маркировка осуществляется в соответствии с ПУЭ и ГОСТ 33542 (МЭК 60445).