Шины внутренние

Шины внутренние: конструкция, материалы, применение и монтаж

Шины внутренние (шинопроводы) представляют собой жесткие токопроводящие элементы, предназначенные для распределения и передачи электрической энергии внутри распределительных устройств (РУ), комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных трансформаторных подстанций (КТП), главных распределительных щитов (ГРЩ) и других электротехнических конструкций. Они являются альтернативой гибким кабельным соединениям и применяются там, где требуются высокая механическая прочность, надежность контакта, способность выдерживать большие токи короткого замыкания и удобство организации сложных схем коммутации.

Классификация и конструктивное исполнение

Внутренние шины классифицируются по нескольким ключевым признакам.

По форме поперечного сечения:

• Прямоугольные (плоские): Наиболее распространенный тип. Обладают большой поверхностью охлаждения, удобны для крепления и подключения ответвлений. Широко применяются в РУ и щитах на токи от 250 до 6300 А.
• Круглые (сплошные или полые): Используются реже, обычно в качестве сборных шин на вводах высокого напряжения или в специальных конструкциях. Полые шины обладают лучшим соотношением массы к проводимости.
• Коробчатые: Имеют сложное сечение (квадратное или прямоугольное с внутренними перегородками). Обладают высокой механической жесткостью и эффективным теплоотводом при больших токах (свыше 4000 А).
• Угловые (равнополочные и неравнополочные): Применяются в качестве шин заземления или в конструкциях, где требуется особая жесткость на изгиб.

По количеству полос (фаз) и расположению:

• Однополюсные: Отдельные шины для каждой фазы и нулевой/заземляющей шины.
• Сборные (шинные комплекты): Предварительно собранные в заводских условиях пакеты, включающие фазные шины на заданное межосевое расстояние, изоляционные опоры и часто крепежные элементы. Гарантируют точность и скорость монтажа.
• Расположение в ячейке: горизонтальное, вертикальное, смешанное. Расположение влияет на электродинамическую стойкость и условия охлаждения.

По типу изоляции:

• Голые (неизолированные): Шины без покрытия. Требуют строгого соблюдения расстояний по воздуху и поверхностям, регламентированных ПУЭ. Применяются в закрытых электроустановках, недоступных для неквалифицированного персонала.
• Изолированные: Шины с нанесенным слоем изоляции (обычно термоусаживаемая трубка, лакоткань или полимерное покрытие). Позволяют уменьшить межфазные расстояния, повысить безопасность и защиту от случайного прикосновения, пыли и конденсата.
• Шинопроводы в оболочке: Полностью изолированные и заключенные в оболочку (например, троллейные системы для питания передвижного оборудования).

Материалы для изготовления шин

Выбор материала определяет электрические, механические и экономические параметры шины.

Сравнительная таблица материалов для внутренних шин

Материал	Удельное сопротивление, Ом*мм²/м (при 20°C)	Преимущества	Недостатки	Основные области применения
Медь (Cu)	0.0172	Высокая электропроводность, коррозионная стойкость, хорошая паяемость и свариваемость, пластичность.	Высокая стоимость, склонность к ползучести под давлением винтового соединения, большая плотность (вес).	Ответственные узлы с высокими токами нагрузки и КЗ, установки с ограниченным сечением по условиям нагрева, взрывоопасные среды.
Алюминий (Al)	0.028	Меньшая стоимость и плотность (легче меди в 3.3 раза), достаточная проводимость, естественная оксидная пленка защищает от дальнейшей коррозии.	Меньшая электропроводность (требует сечения ~ на 60% больше, чем у меди для того же тока), хрупкость, склонность к ползучести, сложность пайки, образование непроводящей оксидной пленки требует специальной обработки контактных поверхностей.	Основная масса распределительных устройств на токи до 4000 А, где допустимы большие габариты шин.
Сталь оцинкованная (St)	~0.13	Высокая механическая прочность, низкая стоимость.	Очень высокое удельное сопротивление, большие потери энергии, низкая стойкость к коррозии без покрытия.	Шины заземления (нулевые защитные PE), где не требуется проводимость для рабочего тока, а нужна механическая прочность.
Биметаллические (Al-Cu)	Комбинированное	Оптимальное сочетание: алюминиевая основа обеспечивает проводимость и легкость, медные накладки в контактных зонах – надежное соединение без гальванической коррозии.	Более высокая стоимость по сравнению с алюминиевыми, сложность производства.	Критически важные соединения между алюминиевыми шинами и медными выводами аппаратов, где необходим надежный переходной контакт.

Расчет и выбор сечения внутренних шин

Выбор сечения является комплексной задачей и проводится по нескольким критериям, указанным в ПУЭ (Правила устройства электроустановок) и ГОСТ.

1. По длительно допустимому току (нагреву)

Основной критерий. Сечение выбирается так, чтобы температура нагрева шины при протекании рабочего тока не превышала допустимую для данного материала и состояния поверхности. Допустимые токи зависят от:

• Материала шины.
• Размера и формы поперечного сечения.
• Количества шин в фазе (одна, две, три).
• Способа установки (вертикально, горизонтально, ребром или плашмя).
• Условий охлаждения (в закрытом помещении, в ячейке КРУ, на открытом воздухе).
• Коэффициента поглощения солнечной радиации (для наружных установок).
• Высоты над уровнем моря (снижение плотности воздуха ухудшает охлаждение).

Для предварительных расчетов используются таблицы из ПУЭ, глава 1.3. Для точных расчетов, особенно при нестандартных условиях, применяют методики, учитывающие все теплотехнические параметры.

2. По электродинамической стойкости к токам короткого замыкания (КЗ)

Шина должна выдерживать механические усилия от электродинамического взаимодействия фаз при протекании ударного тока КЗ (iуд). Проверка заключается в определении механического напряжения в материале шины (σрасч) и сравнении его с допустимым (σдоп). Напряжение зависит от:

• Длины пролета между изоляторами (L).
• Межосевого расстояния между шинами (a).
• Формы и расположения шин.
• Величины ударного тока.

Чем меньше пролет и больше межосевое расстояние, тем меньше механическое напряжение. При недостаточной стойкости увеличивают сечение, уменьшают пролет, меняют расположение шин или применяют шины коробчатого сечения.

3. По термической стойкости к токам КЗ

Проверяется, чтобы за время действия КЗ (tоткл) температура шины не превысила допустимую для материала (для меди +300°C, для алюминия +200°C, для стали +400°C). Минимально допустимое по термической стойкости сечение (Smin) рассчитывается по формуле:
Smin = (I∞

• √t) / C, где I∞ – действующее значение тока КЗ, t – время его протекания, C – коэффициент, зависящий от материала.

4. По условиям короны (для ВН)

Для электроустановок напряжением 110 кВ и выше проверяется отсутствие возникновения коронного разряда, который приводит к потерям энергии и радиопомехам. Критическое напряжение короны зависит от радиуса закругления шины и состояния поверхности.

Монтаж, соединения и защита

Надежность шинной системы на 80% определяется качеством монтажа и соединений.

Крепление шин:

• Опорные изоляторы: Фиксируют шину, обеспечивают изоляцию от земли и между фазами. Выбираются по номинальному напряжению, механической прочности (изгибающей и разрушающей нагрузке) и климатическому исполнению.
• Проходные изоляторы: Используются для вывода шины через стенку или перегородку ячейки КРУ.
• Крепежные элементы: Стальные оцинкованные или нержавеющие шпильки, гайки, шайбы. Для алюминиевых шин обязательны пружинные шайбы (гроверы) и усиленные шайбы для предотвращения «расползания» материала.

Соединения шин:

• Внахлест (с помощью накладок): Самый распространенный тип. Длина перекрытия и количество болтов регламентированы. Контактные поверхности должны быть зачищены (для алюминия – зачистка и покрытие кварцевазилиновой или цинк-вазелиновой пастой), обезжирены.
• Сварка (контактная, аргонодуговая): Обеспечивает наилучшее электрическое соединение, монолитность и коррозионную стойкость. Применяется для неразъемных соединений большой длины.
• Паяные соединения: Используются реже, в основном для медных шин в специальных установках.
• Ответвления: Выполняются с помощью специальных накладок, болтовых зажимов или сварных шпилек. Место ответвления не должно создавать дополнительного механического напряжения в шине.

Маркировка и защита:

• Цветовая маркировка фаз: Согласно ПУЭ и ГОСТ 33542-2015 (МЭК 60445:2010): Фаза A (L1) – желтый, Фаза B (L2) – зеленый, Фаза C (L3) – красный. Нулевая рабочая (N) – голубой, защитная (PE) и совмещенный (PEN) проводник – желто-зеленый полосатый. Маркировка наносится краской, цветной изолентой или термоусаживаемыми трубками.
• Защита кромок и поверхностей: Острые кромки должны быть притуплены. В агрессивных средах применяются шины с гальваническими или лакокрасочными покрытиями.

Контроль качества и испытания

После монтажа проводятся:

• Визуальный осмотр: Проверка соответствия проекту, качества зачистки контактов, правильности маркировки, надежности креплений.
• Измерение сопротивления изоляции: Мегаомметром на 1000-2500 В проверяется сопротивление изоляции между фазами и каждой фазы относительно земли. Значение должно быть не менее 1 МОм для РУ до 1 кВ и 10 МОм для РУ выше 1 кВ (нормы уточняются по проекту).
• Измерение сопротивления контактных соединений (переходных сопротивлений): Выполняется микроомметром. Сопротивление болтового соединения не должно превышать сопротивление участка целой шины той же длины, что и соединение.
• Испытание повышенным напряжением промышленной частоты: Проводится для вновь смонтированных шин в соответствии с нормами ПУЭ (например, для РУ 10 кВ – испытательное напряжение 36 кВ в течение 1 минуты).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что лучше для внутренней установки: медь или алюминий?

Однозначного ответа нет. Медь предпочтительна при высоких токах нагрузки и КЗ, ограниченном пространстве (меньшее сечение), агрессивной среде, требованиях к минимальным потерям и максимальной надежности. Алюминий экономически выгоден для большинства стандартных распределительных устройств на токи до 2500-4000 А, где его большие габариты не являются критичными. Решающим фактором часто является стоимость проекта.

2. Как правильно выбрать сечение нулевой (N) и защитной (PE) шины?

Нулевая рабочая шина (N): Ее сечение выбирается по фазному току, но для 3-фазных 4-проводных систем с неравномерной нагрузкой (например, с большим количеством однофазных потребителей) ПУЭ (п. 1.3.183) требует сечения не менее 50% от сечения фазной шины. На практике часто принимают равным фазному.
Нулевая защитная шина (PE): Ее сечение выбирается по условиям термической стойкости при однофазном КЗ. ПУЭ (табл. 1.7.5) устанавливает минимальные соотношения к сечению фазной шины (Sф): если Sф ≤ 16 мм² (Cu) / 25 мм² (Al), то S(PE) = Sф; если Sф > 35 мм² (Cu) / 50 мм² (Al), то S(PE) ≥ Sф / 2.

3. Почему при монтаже алюминиевых шин необходимо использовать специальную контактную пасту?

Алюминий на воздухе мгновенно покрывается тонкой, но очень прочной и тугоплавкой оксидной пленкой (Al2O3), которая является плохим проводником. Механическая зачистка удаляет ее, но при контакте с воздухом пленка быстро образуется вновь. Контактная паста (антиоксидантная) содержит мелкие металлические частицы (цинк), которые разрушают оксидный слой, и ингибиторы, предотвращающие его повторное образование. Она также создает барьер для влаги и воздуха, снижая электрохимическую коррозию в гальванической паре алюминий-стальной крепеж.

4. Каково допустимое расстояние (пролет) между опорными изоляторами на шинах?

Пролет (L) не является произвольным и рассчитывается на электродинамическую стойкость. Для предварительных оценок в РУ 0.4-10 кВ можно ориентироваться на значения 800-1200 мм для главных шин и 400-600 мм для ответвлений. Точный расчет ведется по формуле L = √(10 σдоп W / iуд²), где W – момент сопротивления сечения шины. Увеличение пролета в 2 раза увеличивает механическое напряжение в 4 раза.

5. Как маркировать шины, если используется изоляция (термоусадка) одного цвета?

В этом случае цветная маркировка наносится несмываемой краской или маркером на саму изоляцию в нескольких видимых местах (у концов, у ответвлений, на опорных изоляторах). Допускается также применение цветных кембриков или бирок с буквенно-цифровым обозначением (L1, L2, L3, N, PE).

6. Можно ли использовать одну шину в качестве и N, и PE (PEN-проводник)?

Да, но только в системах заземления TN-C. В этом случае применяется специальное обозначение (желто-зеленый цвет с голубыми метками на концах или наоборот). Сечение PEN-проводника должно быть не менее 10 мм² по меди или 16 мм² по алюминию. В месте разделения PEN на N и PE (в системах TN-C-S) устанавливаются две отдельные шины, которые соединяются перемычкой. Далее их объединение недопустимо.

7. Каковы основные причины перегрева шинных соединений?

• Недостаточное усилие затяжки болтов (ослабление контакта).
• Превышение допустимого усилия затяжки (деформация, «ползучесть» алюминия).
• Отсутствие или неправильное применение контактной пасты для алюминия.
• Загрязнение контактных поверхностей (пыль, окислы, краска).
• Несоответствие фактического тока нагрузки расчетному (перегрузка).
• Механические напряжения в шине, передающиеся на контактный узел.

Заключение

Внутренние шины являются критически важным элементом любой электроустановки, определяющим ее надежность, безопасность и долговечность. Правильный выбор материала, сечения и конструктивного исполнения, выполненный на основе точных расчетов по критериям нагрева, электродинамической и термической стойкости, является фундаментом проекта. Однако не менее важен квалифицированный монтаж, включающий подготовку поверхностей, применение правильного крепежа и паст, соблюдение геометрии и норм маркировки. Регулярный визуальный и тепловизионный контроль шинных соединений в процессе эксплуатации позволяет своевременно выявлять и устранять дефекты, предотвращая развитие аварийных ситуаций. Современные тенденции направлены на использование сборных изолированных шинных комплектов, которые минимизируют человеческий фактор при монтаже и повышают общую надежность системы распределения электроэнергии.