Busbaren en aansluitingen in HV en EHV-installaties

Busbars en connectors in binnen- en buiteninstallaties

Wat is een elektrische busbar?

Een elektrische busbar wordt gedefinieerd als één geleider of een groep geleiders die dienen om elektrische energie van inkomende voeders te verzamelen en deze te verdelen naar uitgaande voeders. In wezen fungeert het als een cruciale kruising waar de stroom van inkomende en uitgaande voeders samenkomt, waardoor elektrische energie effectief op één punt binnen een elektrisch systeem wordt geaggregeerd. Deze functie maakt busbars essentiële componenten voor het faciliteren van de efficiënte stroom en distributie van elektriciteit in verschillende energiegerelateerde installaties.

Busbars voor buiteninstallaties

In hoogspannings- (HV), extra-hoogspannings- (EHV) installaties, evenals in buitengelegen middelspannings- (MV) installaties, worden vaak blote busbars en connectors gebruikt. De geleiders die in deze scenario's worden gebruikt, kunnen van twee hoofdtypen zijn: buisvormig of gestrande draden.

Buisvormige busbars worden meestal ondersteund door kolomisolatoren, die meestal van keramiek zijn gemaakt. Deze isolatoren spelen een cruciale rol bij het handhaven van elektrische isolatie tussen de busbars en de dragende constructie, waardoor veilig en correct functioneren van het elektrische systeem wordt gewaarborgd. Aan de andere kant worden gestrande-draad busbars op hun plaats bevestigd met eindclamps, die de draden stevig vasthouden en elke beweging of loslaten die de elektrische verbinding kan verstoren, voorkomen.

Figuur 1 en 2 bieden visuele voorbeelden die de bovenstaande concepten illustreren, waarbij de typische uiterlijk en installatie van buitengelegen busbars en hun bijbehorende componenten worden getoond.

Busbars voor schakelaarinstallaties

Busbars die in schakelaarinstallaties worden gebruikt, worden meestal vervaardigd van koper, aluminium of aluminiumlegeringen zoals Al-Mg-Si (aluminium-magnesium-silicium) legeringen. Deze materialen worden gekozen vanwege hun elektrische geleidbaarheid, mechanische eigenschappen en kosteneffectiviteit, waardoor ze geschikt zijn voor het efficiënt distribueren van elektrische energie binnen schakelaarsystemen.

Belangrijkste kenmerken van blote busbars

• Fysieke afmetingen: Voor buisvormige geleiders is de diameter een cruciale parameter, terwijl voor gestrande-draad geleiders de doorsnede het belangrijkst is. Deze afmetingen beïnvloeden direct de stroomdraagcapaciteit en de elektrische weerstand van de busbar. Een grotere diameter of doorsnede stelt hogere stromen over met lagere verliezen toe.

• Mechanische eigenschappen: Blote busbars moeten voldoende mechanische sterkte hebben om verschillende krachten tijdens de bedrijfsvoering te weerstaan. Belangrijke mechanische parameters zijn treksterkte (het vermogen om tegen uitrekking te weerstaan), compressiesterkte (weerstand tegen indrukken), buigsterkte (vermogen om buigkrachten te weerstaan) en kniksterkte (weerstand tegen vervorming onder compressieve belasting). Daarnaast zijn momenten van weerstand en traagheid cruciaal voor het begrijpen hoe de busbar zal reageren op mechanische spanningen, waardoor de structuurintegriteit over de tijd wordt gewaarborgd.

• Gerateerde stroom: De gerateerde stroom van een busbar geeft de maximale continue stroom aan die veilig kan worden gedragen zonder overmatige verhitting of degradatie van de prestaties. Deze waarde wordt bepaald op basis van factoren zoals materiaaleigenschappen, doorsnede en omgevingsbedrijfsomstandigheden. Het selecteren van een busbar met een passende gerateerde stroom is essentieel om oververhitting en potentiële storingen in het elektrische systeem te voorkomen.

Het is belangrijk op te merken dat, omdat blote busbars niet geïsoleerd zijn, het concept van gerateerde spanning niet op dezelfde manier van toepassing is als voor geïsoleerde geleiders. Wanneer busbars worden verbonden met apparatuurterminals, moeten gespecialiseerde connectors worden gebruikt. Deze connectors, zoals weergegeven in Figuur 3, zorgen voor een veilige, laagohmige elektrische verbinding, waardoor de betrouwbare overdracht van elektrische energie tussen de busbars en andere componenten van het schakelaarsysteem wordt bevorderd.

Busbarverbindingen en geïsoleerde busbarsystemen

Busbarverbindingen

Wanneer het gaat om verbindingen maken tussen busbars, is de keuze van connectors cruciaal en hangt af van de materialen van de busbars die worden verbonden. Voor koper-naar-koper verbindingen worden meestal bronzen connectors gebruikt. Deze connectors bieden uitstekende elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte, waardoor een betrouwbare verbinding wordt gewaarborgd. Voor aluminium-naar-aluminium verbindingen zijn aluminiumlegeringconnectors de ideale keuze. Ze zijn speciaal ontworpen om de eigenschappen van aluminium busbars te matchen, waardoor een veilige en stabiele verbinding wordt gegarandeerd, terwijl het risico op corrosie wordt geminimaliseerd.

In het geval van koper-naar-aluminium verbindingen zijn bimetaalconnectors essentieel. Het gebruik van deze connectors is nodig om corrosie te voorkomen die kan optreden door het elektrolytische effect wanneer twee verschillende metalen in contact komen in aanwezigheid van een elektrolyt (zoals vocht in de lucht). De elektrolytische reactie tussen koper en aluminium kan leiden tot de degradatie van de verbinding over tijd, wat potentieel tot elektrische storingen kan leiden. Bimetaalconnectors zijn ontworpen om dit probleem te verhelpen, waardoor een langdurige en betrouwbare verbinding tussen koper en aluminium busbars wordt gewaarborgd.

Geïsoleerde busbars & trunkingsystemen

In binnengelegen middelspannings- (MV) en laagspannings- (LV) installaties, waar hoge stromen worden gebruikt en ruimte beperkt is, worden vaak geïsoleerde busbars en trunkingsystemen gebruikt. In deze opstellingen worden busbars omsloten door metalen behuizingen, die een dubbel doel dienen van het verschaffen van mechanische bescherming en elektrische isolatie. De behuizingen beschermen de busbars tegen fysieke schade, zoals onbedoelde impacten of contact met vreemde objecten, en voorkomen ook elektrische schokken door de levende geleiders te isoleren van de omringende omgeving.

Echter, deze behuizing komt met een compromis. De aanwezigheid van de behuizing vermindert de warmteafgifte van de busbars. Het beperkt de stroom van koelende lucht rond de busbars en vermindert de stralingverliezen, die belangrijk zijn voor het afvoeren van de hitte die tijdens de stroomstroom wordt gegenereerd. Als gevolg hiervan zijn de stroomratings van busbars binnen behuizingen vaak aanzienlijk lager vergeleken met busbars die blootgesteld zijn aan vrije lucht.

Om dit probleem aan te pakken en de vermindering van de stroomdraagcapaciteit te minimaliseren, kunnen ventilatiebehoudingen worden gebruikt. Deze behuizingen zijn ontworpen met openingen of ventilatieroosters die een betere luchtcirculatie mogelijk maken, waardoor de warmteafgifte efficiënter wordt. Dit helpt om hogere stroomratings te handhaven, terwijl nog steeds de noodzakelijke mechanische bescherming en isolatie wordt verschaft.

Figuur 4 biedt een illustratief voorbeeld van een omsloten busbar, waarbij de typische structuur en uiterlijk van zo'n systeem worden getoond en wordt benadrukt hoe de behuizing is geïntegreerd met de busbars om aan de eisen van binnengelegen elektrische installaties te voldoen.

Geïsoleerde busbars en trunkingsystemen

Geïsoleerde busbars

Geïsoleerde busbars worden meestal vervaardigd van platte staven van koper of aluminium. Het aantal staven per fase kan variëren, afhankelijk van de grootte van de stroom die ze moeten dragen. In deze opstelling wordt elke individuele fase of pool omsloten door een apart geaarde mantel. De einden van deze mantel worden verbonden door een staaf die is gerateerd voor volledige kortsluitstroom.

De primaire functie van de mantel is om het optreden van interfasenkortsluitstromen te voorkomen. Bovendien biedt het een belangrijk voordeel wat betreft magnetische velden. Wanneer stroom door de geleiders stroomt, worden sterke magnetische velden gegenereerd. Echter, een gelijke en tegengestelde stroom wordt in de behuizing of mantel geïnduceerd, die deze magnetische velden bijna volledig annuleert. Deze annulering van magnetische velden helpt om elektromagnetische interferentie te verminderen en het potentieel voor ongewenste effecten op nabijgelegen elektrische en elektronische apparatuur te minimaliseren.

Gemeenlijk gebruikte isolatiematerialen voor geïsoleerde busbars zijn lucht en zwavelhexafluoride (SF6). Lucht is een makkelijk verkrijgbaar en kosteneffectief alternatief, terwijl SF6 superieure isolatie-eigenschappen biedt, waardoor het geschikt is voor toepassingen waar hogere niveaus van isolatie en elektrische prestaties vereist zijn.

Trunkingsystemen

In laagspannings- (LV) installaties is een kosteneffectieve aanpak voor energiedistributie, evenals het leveren van energie aan meerdere stukken apparatuur en het faciliteren van verbindingen tussen schakelkasten of tussen een schakelkast en een transformatie, het gebruik van een trunkingsysteem. Zoals weergegeven in Figuur 5, bieden trunkingsystemen een gestructureerde en efficiënte manier om elektrische geleiders te routeren, ze te beschermen tegen fysieke schade en de installatie en onderhoud van elektrische systemen te vereenvoudigen.

Trunkingsystemen: Kenmerken en Voordelen

Een trunkingsysteem bestaat uit vooraf samengestelde platte staafgeleiders (inclusief fase- en neutrale geleiders) die binnen een enkele metalen behuizing zijn omsloten. Dit ontwerp biedt een gestroomlijnde en georganiseerde benadering voor elektrische energiedistributie.

In voedertrunkingsystemen wordt energieextractie van de busbar-trunking bereikt door het gebruik van aftakunits. Deze units worden verbonden op specifieke, vooraf gedefinieerde locaties langs de busbar-trunking. Ze stellen veilige en gecontroleerde verwijdering van energie uit het systeem in, meestal via passende beschermapparatuur zoals circuitbrekers of vlammen. Deze opstelling zorgt ervoor dat elektrische energie nauwkeurig kan worden verdeeld naar verschillende belastingen zoals vereist.

Trunkingsystemen bieden verschillende significante voordelen ten opzichte van traditionele kabelsystemen:

• Kosteneffectiviteit en Gemak van Installatie: Trunkingsystemen zijn goedkoper te implementeren en eenvoudiger te installeren, vooral bij hoge-stroomtoepassingen. In dergelijke scenario's is het vaak nodig om meerdere kabels te gebruiken om de benodigde stroomratings te bereiken, wat niet alleen de complexiteit en kosten van de kabelinstallatie verhoogt, maar ook het risico op oververhitting tussen kabels, wat potentieel kan leiden tot kortsluitingen. Daarentegen bieden trunkingsystemen een efficiëntere en betrouwbaardere oplossing voor hoge-stroomenergiedistributie.

• Mechanische Sterkte en Installatieefficiëntie: Ze vertonen superieure mechanische sterkte over lange afstanden met minimale behoefte aan bevestigingen. Dit kenmerk vermindert aanzienlijk de installatietijden, aangezien minder steunen en fasteners nodig zijn in vergelijking met kabelbanen. De robuustheid van trunkingsystemen garandeert ook grotere duurzaamheid en betrouwbaarheid tijdens de bedrijfsvoering.

• Ruimtesparend en Vereenvoudigd Ontwerp: Trunkingsystemen elimineren de behoefte aan meerdere kabelbanen samen met de bijbehorende metalen ondersteuning, waardoor de algehele elektrische infrastructuur wordt vereenvoudigd. Deze reductie in complexiteit bespaart niet alleen ruimte, maar maakt het systeem ook gemakkelijker te beheren en te onderhouden.

• Verlaagde Terminatievereisten: Ze vereisen minder terminatieruimte binnen schakelkasten. Dit is een cruciaal voordeel, vooral in schakelkastontwerpen waar ruimte beperkt is, waardoor compactere en efficiëntere elektrische paneelopstellingen mogelijk worden.

• Eliminatie van de Behoefte aan Kabelsamenvoegers: Aangezien trunkingsystemen vooraf samengesteld zijn en geen ter plaatse kabelsplicing vereisen, is de behoefte aan gespecialiseerde kabelsamenvoegers geëlimineerd. Dit vermindert niet alleen arbeidskosten, maar minimaliseert ook het potentieel voor fouten die gepaard gaan met kabelsamenvoegen, waardoor de algehele kwaliteit en betrouwbaarheid van de elektrische installatie wordt verhoogd.

• Flexibiliteit in Energieverdeling: Meerdere aftakuitgangen bieden flexibiliteit om na de initiële installatie aanpassingen aan de energiebehoeften te doen, afhankelijk van de rating van de busbar-trunking. Dit kenmerk stelt eenvoudige herconfiguratie van het elektrische systeem in staat om nieuwe belastingen of veranderingen in belastingsbehoeften te accommoderen, waardoor trunkingsystemen zeer aanpasbaar zijn aan evoluerende elektrische behoeften.

• Gemakkelijk Herpositioneren en Uitbreiding: Het herpositioneren van distributieuitgangen is een eenvoudig proces met trunkingsystemen. Bovendien kan het systeem eenvoudig worden uitgebreid naarmate de elektrische behoeften van een faciliteit groeien, waardoor een schaalbare oplossing voor energiedistributie wordt geboden.

• Esthetische Aantrekkelijkheid: In gebieden waar het elektrische systeem zichtbaar is, bieden trunkingsystemen een esthetisch aangename verschijning in vergelijking met bundels kabels. Hun slanke en uniforme ontwerp kan de visuele aantrekkelijkheid van de interieur van een gebouw versterken, waardoor ze een voorkeurskeuze zijn in commerciële en openbare ruimten.

• Herbruikbaarheid: Busbar-trunkingsystemen kunnen worden gedemonteerd en hergebruikt in andere gebieden, wat een kosteneffectieve oplossing biedt voor faciliteiten die renovatie of uitbreiding ondergaan. Dit herbruikbaarheidsaspect vermindert niet alleen afval, maar biedt ook aanzienlijke besparingen in termen van materiaal- en installatiekosten.

• Verbeterde Brandbestendigheid: Ze bieden betere weerstand tegen de verspreiding van brand in vergelijking met traditionele kabelsystemen. De metalen behuizing van de trunking helpt om brand te beperken en te voorkomen dat deze zich verspreidt door het elektrische systeem, waardoor de brandveiligheid in gebouwen wordt verbeterd.