Токопроводы и шинопроводы. Вводный раздел - Шинопроводы и токопроводы

В этом вводном разделе:

Количество нормативных документов по электротехнике в России (как и во всём мире) огромно. Но, начав с документов, приведенных здесь, можно найти требуемые.

В России одним из основных регламентирующих документов в области электротехники являются «Правила устройства электроустановок», ПУЭ. Сейчас действует седьмая редакция этого документа.

Ввиду объёмности ПУЭ редакции 7 утверждается Министерством энергетики России по частям. Так, например, Раздел 1 «Общие правила» утверждены Приказом Минэнерго от 08.07.2002 № 204, глава 1.8. «Нормы приемо-сдаточных испытаний» — Приказом Минэнерго От 09.04.2003 № 150 и т.д.

Глава 2.2 ПУЭ «Токопроводы напряжением до 35 кВ. Область применения, определения» вводит основные определения для токопроводов и шинопроводов.

Раздел 2.2.2 этой главы определяет, что:

«Токопроводом называется устройство, предназначенное для передачи и распределения электроэнергии, состоящее из неизолированных или изолированных проводников и относящихся к ним изоляторов, защитных оболочек, ответвительных устройств, поддерживающих и опорных конструкций».

Раздел 2.2.3. ПУЭ определяет, что:

«В зависимости от вида проводников токопроводы подразделяются на гибкие (при использовании проводов) и жесткие (при использовании жестких шин).

Основные типы токопроводов рассматриваются в разделе „Токопроводы“.

Жесткий токопровод до 1 кВ заводского изготовления, поставляемый комплектными секциями, называется шинопроводом.

Упрощенно шинопровод — это жесткие проводники — шины, как правило, прямоугольной формы, используемые для передачи электроэнергии.

Так что шинопровод — это тоже токопровод.

Во избежание путаницы, следуя ПУЭ, токопроводами будем называть устройства распределения электроэнергии для работы с напряжениями свыше 1 кВ.

Наиболее распространены токопроводы для работы с напряжениями до 35 кВ. Основные требования к ним приведены в ПУЭ.».

ПУЭ, в зависимости от назначения, подразделяют шинопроводы на (рисунок Ш-1):

Требования к магистральным и распределительным шинопроводам заданы ГОСТ 6815-79 (2003). «Шинопроводы магистральные и распределительные переменного тока на напряжение до 1000 В. Общие технические условия, Mains and distribution busways up to 1000 V a. c. General specifications».

Ограничение срока действия снято по протоколу № 5-94 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС №№ 11-12-94). В разделах цитируется по изданию 2003 г.

Стандарт распространяется на шинопроводы климатических исполнений У, ХЛ и Т, категорий размещения 2 и 3 и климатических исполнений УХЛ, О, категории размещения 4 по ГОСТ 15150, предназначенные для электрических сетей переменного трехфазного тока частоты 50 и 60 Гц на напряжение до 1000 В для систем с глухозаземленной нейтралью.

Требования к троллейным шинопроводам заданы ГОСТ 24752-81 «Шинопроводы троллейные напряжением до 1000 В. Общие технические условия, Trolley bus bars of voltage to 1000 V. General specifications». Стандарт распространяется на троллейные шинопроводы, предназначенные для выполнения троллейных линий напряжением до 1000 В, питающих электрооборудование мостовых кранов, талей, передаточных тележек, подвижного состава однорельсовых дорог (в том числе с адресованием грузов), а также электрические ручные машины.

Дата последнего изменения — 18.10.2016.

Требования к осветительным шинопроводам заданы ГОСТ 26346-84 «Шинопроводы осветительные напряжением до 660 В переменного тока». В 1984 году Государственным комитетом СССР срок действия стандарта установлен 01.07.1985 до 01.07.1990.

В 1994 году ограничение срока действия снято по протоколу N 4-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС N 4, 1994 год), т.е. стандарт является действующим.

Конечно, за это время произошли серьёзные изменения в технологиях комплектных электротехнических устройств. В частности, разработан европейский стандарт IEC 61439 на комплектные электротехнические устройства. Стандарт объемный и сложный, состоит из шести частей. В РФ его решено принять в полном объёме. Сейчас на русском доступна первая часть стандарта IEC 61439.

Шестая часть, IEC 61439 −6 «Аппаратура коммутационная и механизмы управления низковольтные комплектные. Часть 6. Системы сборных шин (шинопроводов)», на языке оригинала — «Low-voltage switchgear and controlgear assemblies — Part 6: Busbar trunking systems (busways)», официально на русском ещё недоступна.

Тем не менее, компаниям, занятым производством, поставками, монтажом шинопроводов целесообразно ориентироваться на действующие главы ПУЭ редакции 7, ГОСТ 6815-79 (2003), ГОСТ 26346-84, ГОСТ 24752‑81 и IEC 61439 в составе всех шести частей, а в случае расхождения между этими нормативными документами следовать наиболее строгим требованиям, заданным в одном из них.

Следует иметь в виду, что производители шинопроводов используют иногда термин «шинопровод» для описания всей конструкции, включая элементы крепежа. Внутри термина «шинопровод» они иногда используют термин «токопровод» для обозначения части шинопровода, предназначенной именно для передачи электричества. Например, осветительный шинопровод на ток до 16 А с однофазным токопроводом.

На рисунке Ш-1 в качестве примеров магистральных, распределительных и осветительных шинопроводов (поз. 1 ‑ 6) показаны шинопроводы компании Siemens, в качестве троллейного шинопровода (поз. 7) ‑ шинопровод компании Vahle.

Рисунок Ш-1. Примеры шинопроводов. 1 — Осветительный шинопровод для токов до 40 А, 2 ‑ распределительный шинопровод для токов 160 А, 3 — распределительный шинопровод для токов до 1250 А, 4 — магистральный шинопровод для токов до 5000 А, 5 — магистральный шинопровод для токов до 6300 А, 6 — распределительный шинопровод с возможностью передачи данных, совместим с протоколами EIB, AS-Interface. PROFIBUS, 7 — троллейный шинопровод.

Степень защиты от проникновения

Для описания защищенности шин токопроводов и шинопроводов от прикосновения к ним твёрдыми предметами и проникновения к ним пыли и воды используется классификация Ingress Protection Rating (степень защиты от проникновения), определяющая степени защиты оболочки, обеспечиваемые ею для электрооборудования и других устройств. Эта классификация задана в международном стандарте IEC 60529 и в тождественном ему российском ГОСТ 14254 — «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками, код IP».

Защита от доступа к опасным токоведущим (или механическим) частям, обеспечиваемая оболочкой, проверяется стандартными методами испытаний, и обозначается IPХХ, где на позициях Х находятся цифры.

Первая цифра — защита от проникновения посторонних предметов.

Если стоит Х, то параметр не определён.

Если стоит цифра, то уровень защищённости определяется по таблице 1.

Таблица 1. Уровень защиты от проникновения посторонних предметов, обеспечиваемый оболочкой.

Если стоит Х, то параметр не определён.

Если стоит цифра, то уровень защищённости определяется по таблице 2.

Таблица 2. Уровень защиты от проникновения воды, обеспечиваемый оболочкой.

В ряде случаев защита от попадания жидкостей автоматически обеспечивает определённый уровень защиты от проникновения. Например, оболочка, обеспечивающая защиту от жидкости уровня 4 (брызги, падающие в любом направлении) автоматически обеспечит защиту от попадания посторонних предметов на уровне 5.

Буква обозначает степень защиты людей от доступа к опасным частям и указывается, если:

Буква «A» указывает, что оболочка обеспечивает защиту от доступа к опасным частям тыльной стороной руки, «B» — пальцем, «C» — инструментом, «D» — проволокой, таблица 3.

Таблица 3. Значения дополнительных букв A — D.

Буква «H» обозначает высоковольтное электрооборудование. буквы «M» и «S» указывают на то, что оборудование с движущимися частями во время испытаний на соответствие степени защиты от воздействий, связанных с проникновением воды, находится в состоянии движения или неподвижности, соответственно, таблица 4.

Таблица 4. Значения дополнительных букв H — W.

Степень защиты оболочки может быть обозначена дополнительной буквой только в случае, если она удовлетворяет всем более низким по уровню степеням защиты, например, IP1XB, IP1XC, IP1XD, IP2XC, IP2XD, IP3XD.

Стандарт DIN 40050-9 расширяет IEC 60529 до степени защиты IP69K. Этот уровень применяется для обозначения изделий, пригодных к мойке горячей водой под давлением.

Развитие шинопроводов связывают с:

Для передачи электроэнергии применили жесткие проводники. Начались интенсивные исследования, направленные на снижение потерь электрической энергии и увеличение компактности таких систем.

Но то время ещё не было изоляционных материалов с высокими электротехническими свойствами.

При использовании переменного тока частотой 50Гц и выше существенное влияние на технические характеристики систем передачи электроэнергии оказывает электромагнитная индукция, и, как следствие -форма проводников, их расположение относительно друг друга и схемы соединения.

Потери при передаче энергии переменным током связаны с поверхностным эффектом (skin effect) и с эффектом близости.

Поверхностный эффект возникает при протекании переменного тока в проводнике. Он уменьшает эффективную площадь проводимости проводника до наружной кольцевой части поперечного сечения, рисунок Ш-2, А).

В пределе, если удельное сопротивление проводника δ равно 0, весь ток сконцентрируется по поверхности проводника в бесконечно тонком слое. По этой причине использование проводников круглого сечения больших диаметров для передачи больших переменных токов неэффективно. Ток концентрируется у поверхности проводника, а внутренняя его часть в передаче тока не участвует.

На практике при частоте переменного тока 50 Гц в медных проводниках круглого сечения с диаметром до 10 мм поверхностным эффектом можно пренебречь.

При больших сечениях поверхностный эффект заметно увеличивает потери электроэнергии и приводит к нагреву проводника.

Эффект близости, proximity effect, проявляет себя в близкорасположенных проводниках. На распределение плотности переменного тока по сечению проводника оказывают влияние токи, протекающие в соседних проводниках.

Если токи в проводах текут в одном направлении, то наибольшая плотность тока будет в самых удаленных друг от друга частях сечений. При противоположном направлении токов наибольшая плотность тока будет в самых близких друг к другу частях сечений проводников, рисунок Ш-2, Б).

Эффект близости приводит к неравномерности распределения тока по сечению, и как следствие, к увеличению потерь энергии.

Расчеты распределения тока по сечению проводника с учетом формы его сечения, физических параметров (удельное сопротивление, магнитная проницаемость и пр.), поверхностного эффекта и эффекта близости относятся к задачам теории поля.

Больше ста лет продолжается поиск решений, минимизирующих влияние поверхностного эффекта и эффекта близости на передачу энергии с помощью переменного тока. Теоретические и экспериментальные исследования доказали, что снижение влияния этих двух эффектов необходимо или увеличивать число кабелей, или использовать токопроводящие шины прямоугольного сечения с большим отношением высоты к ширине, Н >> B, рисунок Ш-2, В) и Г).

Другим важным фактором, влияющим на снижение потерь, является количество и взаимное расположение проводников и расстояние между ними.

Увеличение передаваемых мощностей потребовало увеличить количество шин на фазу до двух, трех и более.

Такая система называлась системой расщепленных фаз, рисунок Ш-3, А) и Б). Она состояла из группы фазных шин, закрепленных через изоляторы на металлическом основании и помещенных в защитный кожух из металлической сетки. Шины каждой фазы размещались рядом. Степень защиты такой системы — IP20. Назвать шинопроводом эту конструкцию ещё нельзя, но она — его прототип.

Об эффективности системы передачи электроэнергии можно судить по коэффициенту добавочных потерь системы (Кд), равному отношению сопротивления на переменном токе к сопротивлению на постоянном токе (Кд > 1). Величина Кд для системы расщепленных фаз составляет 1,4 и более, что и поддерживало желание искать более совершенные системы транспортировки электроэнергии.

Рисунок Ш-2. А) — распределение плотности переменного тока в случае проводника с круглым сечением, Б) — распределение плотности переменного тока в двух рядом проложенных проводниках, В) — эпюра плотности переменного тока δ, А/мм2 в проводнике круглого сечения радиуса r, Г) — эпюра плотности переменного тока δ, А/мм2 в плоском проводнике B * H.

Для передачи больших мощностей потребовалось учитывать эффект близости. Магистральные шинопроводы, разработанные в США к 1943 году, использовали «спаренные фазы», рисунок 3, В) и Г).

На каждую фазу использовалось две шины, но в отличие от конструкции с расщепленными фазами, шины разных фаз располагались по схеме спаренных полуфаз, разделённых изоляционными перегородками между полуфазными шинами. При таком расположении шин коэффициент Кд удалось уменьшить до 1,33, за счёт снижения импеданса, в результате того, что токи в шинах каждой пары находятся в противофазе.

Первые коммерчески доступные магистральные шинопроводы со спаренными фазами появились в 1950 г. Это связано с задержкой, вызванной Второй мировой войной.

Рисунок Ш-3. Взаимное расположение проводников в шинопроводах: А), Б) -система расщеплённых фаз, В), Г) — «спаренные» фазы, Д), Е) — «шихтованные» фазы, Ж), З), И) — расположение шин шинопроводов без воздушных зазоров между шинами, К) — разрез прямой секции шинопровода KLM-S компании KLM.

Первые коммерчески доступные магистральные шинопроводы со спаренными фазами появились в 1950 г. Это связано с задержкой, вызванной Второй мировой войной.

Разработка конструкций, снижающих потери электроэнергии, в 1970-е годы привела к появлению шинопроводов с шихтованными фазами, рисунок Ш-3, Д) и Е). В таких шинопроводах шины чередуются, расстояния между шинами одинаковы. В этой системе коэффициент добавочных потерь Кд составлял 1,2 ‑ 1,25. Шинопроводы с шихтованными фазами, разработанные во Франции и Германии преобладали в Европе до 2000-х годов.

Степень защиты, обеспечиваемую оболочкой шинопроводов со спаренными и шихтованными фазами, составляет IP20. Это связано с тем, что для охлаждения шин необходим конвективный теплообмен. Поэтому верхняя и нижняя крышки защитного кожуха выполнялись из сетки или из перфорированных металлических листов. Необходимость установки соединительных перемычек между одноименными фазными шинами при соединении секций шинопроводов усложняла выполнение монтажных работ.

Появление электроизоляционных материалов с высокими прочностными, электрическими, термическими характеристиками, рисунок Ш-3, Ж), З), И), позволило в начале восьмидесятых годов прошлого века разработать шинопроводы, в которых отсутствуют воздушные зазоры между шинами.

В таких шинопроводах:

В настоящее время широко используются шинопроводы с литой изоляцией, выполненные из композитных материалов на основе эпоксидных смол и наполнителей. После соединения шин стыки секций заливаются термостойкой полимерной изоляцией. В результате получается герметичная, прочная оболочка (класс защиты ‑ IP68, допускающая прокладку шинопровода в воде или земле без дополнительных защитных ограждений.

Форма шины — прямоугольник с большим отношением высоты к ширине, рисунок Ш-3, К). Это обеспечивает равномерность распределения тока по сечениям шин. Выбор подходящего сечения шин и их сближение позволяет для шинопроводов с плотно сжатыми шинами уменьшить коэффициент добавочных потерь Кд до значения 1,1 и обеспечить требуемый теплоотвод.

На рисунке Ш-4 показано устройство изоляции шин на примере секции магистрального шинопровода компании KLM.

Рисунок Ш-4. Пленочная и эпоксидная изоляция на примере шинопровода

На рисунке Ш-5 показаны секции и их соединение магистрального шинопровода с литой изоляцией компании РТК-ЭЛЕКТРО-М.

Рисунок Ш-5. Секция магистрального шинопровода с литой изоляцией компании РТК-ЭЛЕКТРО-М.

В СССР был налажен выпуск магистральных и распределительных шинопроводов с шинами, разделенными воздушными зазорами. Шинопровод практически не горюч, т.к. в нём используются только металлические детали. На рисунке Ш-6 представлен распределительный шинопровод ШРА, разработанный в 1973 году.

Рисунок Ш-6. Распределительный шинопровод переменного тока ШРА: а — общий вид прямой секции ШРА-73, б — шинопровод ШРА-73В для вертикальной прокладки, в — элементы шинопровода ШРА-73; 1 — шина, 2 — короб, 3 — изолятор, 4 — универсальная секция, 5 — прямая секция, 6 — кронштейн, 7 — ответвительная коробка, 8 — крышка, 9 — секция с изгибом шин на плоскость; 10, 13, 18 — конструкции для установки и крепления токопроводов, 11, 14, 15 — ответвительная коробка с автоматом (11), с предохранителем (14) и с пусковым аппаратом (15); 12 — секция с изгибом шин на ребро; 16 — прямая секция; 17 коробка с указателем наличия напряжения; 19 — вводная коробка; 20 — заглушка торцевая.

Выпуск шинопроводов такого типа продолжается и в настоящее время.

Существуют три основные группы причин, по которым шинопроводы повсеместно вытесняют кабельные системы распределения электроэнергии на стороне низкого напряжения.

Первая группа — физические особенности передачи электроэнергии. Использование плоских «сжатых» в пакет шин с большим отношением высоты к толщине позволяет заметно снизить потери электроэнергии при её доставке к потребителям на низкой стороне трансформатора;

Вторая группа — требования по организации работ — начиная от проектирования и заканчивая сборкой шинопровода на объекте.

Объект стремятся комплектовать изделиями, изготовленными в заводских условиях, так, чтобы на строительной площадке выполнялись простейшие, технологически выверенные процедуры по установке и сборке.

Современные системы 3D проектирования, например, Intergraph, http://www.intergraph.com/global/ru/, позволяют создать трёхмерную модель здания и его подсистем в электронном виде, предусмотреть заранее места размещения оборудования, трассы прокладки коммуникаций, избежать ошибок, таких, как пересечение трубопровода и линии электроснабжения в одной точке. Системы 3D проектирования позволяют подключать специализированные модули для прочностных, электротехнических и других расчётов и библиотеки стандартных объектов — элементов. В результате проект — это не только чертежи внешнего вида, но и весь комплект документации, обосновывающей принятые решения по прочностным, теплофизическим, электротехническим и другим характеристикам.

Ведущие компании-производители шинопроводов предоставляют системы проектирования шинопроводных систем, в том числе — совместимые с программами комплексного 3D проектирования.

Здание собирается из готовых объектов-модулей — строительных, производственных, электрических, вентиляционных и др.

Поэтому при сооружении современных систем электроснабжения востребован комплектный подход.

Комплектный подход по IEC 61439 предполагает, что:

Полученная в результате такой «игры» спецификация превращается в комплектную поставку оборудования на строящийся объект.

Шинопроводы лучше подходят для «превращения» в конструктор, чем системы на основе кабелей — секции шинопроводов легче унифицировать, чем элементы кабельных линий.

Третья группа — требования по компактности и надёжности трактов передачи электроэнергии, малой зависимости качества монтажных работ от квалификации персонала. Компактность связана с уменьшением количества элементов в системе электроснабжения, см. рисунок Ш-7.

Рисунок Ш-7. Энергоснабжение с использованием кабелей А), и с использованием шинопровода Б).

Качество работ повышается за счёт уменьшения количества типов сборочных операций, их упрощения и регламентации, обеспечения возможности их выполнения при использовании небольшого количества инструментов с четко определёнными свойствами.

Примером такого инструмента может быть динамометрический ключ, позволяющий производить установку болтов так, чтобы шины были сжаты с заданным усилием. Некоторые производители идут дальше. Секции их шинопроводов собираются в линии с использованием болтов или гаек со срывными головками, рисунок Ш-8.

Всё, что требуется от монтажника — закрутить винт (гайку) так, чтобы его (её) головка срезалась. Тщательно продуманные технологические решения по монтажу и стыковке узлов позволяют в кратчайшие сроки реализовать на объекте замысел инженера силами персонала средней квалификации. Для сборки узлов в единое целое этот персонал должен: (а) быть аккуратным; (б) владеть простыми приёмами сборки, подробно описанными в детальных инструкциях, разработанных производителем «конструктора».

Поэтому при современном автоматизированном проектировании сооружений, жестких требованиях к качеству и срокам строительства, повсеместному вниманию к экономии ресурсов, шинопроводы вытесняют кабельные системы распределения электроэнергии.