Magistrale i łączniki w instalacjach wysokiego i bardzo wysokiego napięcia

Szyny i połączenia w instalacjach wewnętrznych i zewnętrznych

Co to jest elektryczna szyna?

Elektryczna szyna definiuje się jako pojedynczy przewodnik lub grupa przewodników, które mają na celu zbieranie energii elektrycznej z napędów przychodzących i jej rozprowadzanie do wyjściowych napędów. W istocie, pełni ona kluczową rolę jako miejsce, w którym prądy z napędów przychodzących i wychodzących zbiegają, skutecznie agregując energię elektryczną w jednym punkcie systemu elektrycznego. Ta funkcja sprawia, że szyny są niezbędne do sprawnego przepływu i rozprowadzania energii elektrycznej w różnych instalacjach związanych z energią.

Szyny dla instalacji zewnętrznych

W wysokonapięciowych (WV) i nadwysokonapięciowych (NWV) instalacjach, a także w zewnętrznych instalacjach średniego napięcia (ŚN), powszechnie stosowane są nagie szyny i połączenia. Przewodniki używane w tych scenariuszach mogą być dwóch głównych typów: rurkowe lub drutowe.

Szyny rurkowe są zwykle wspierane przez izolatory kolumnowe, które są zazwyczaj wykonane z ceramiki. Te izolatory odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu elektrycznej izolacji między szynami a konstrukcją nośną, zapewniając bezpieczne i prawidłowe działanie systemu elektrycznego. Z drugiej strony, szyny drutowe są mocowane za pomocą zacisków końcowych, które solidnie trzymają druty i zapobiegają jakimkolwiek ruchom lub luźności, które mogłyby zakłócać połączenie elektryczne.

Rysunki 1 i 2 przedstawiają wizualne przykłady ilustrujące powyższe koncepcje, pokazując typowy wygląd i montaż zewnętrznych szyn i ich powiązanych komponentów.

Szyny dla instalacji przełączników

Szyny używane w instalacjach przełączników są często wykonane z miedzi, aluminium lub stopów aluminium, takich jak stopy Al-Mg-Si (aluminium-magnez-silicium). Te materiały są wybierane ze względu na ich przewodność elektryczną, właściwości mechaniczne i kosztowo-efektywność, co sprawia, że są odpowiednie do efektywnego rozprowadzania energii elektrycznej w systemach przełączników.

Główne cechy nagich szyn

• Wymiary fizyczne: Dla przewodników rurkowych, średnica jest kluczowym parametrem, podczas gdy dla przewodników drutowych, najważniejsza jest powierzchnia przekroju. Te wymiary bezpośrednio wpływają na zdolność przeprowadzania prądu i opór elektryczny szyny. Większa średnica lub przekrój umożliwia przesyłanie wyższych prądów z mniejszymi stratami.

• Właściwości mechaniczne: Nagie szyny muszą posiadać odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, aby wytrzymać różne siły napotykane podczas działania. Kluczowe parametry mechaniczne obejmują wytrzymałość na rozciąganie (zdolność do odporności na rozciąganie), wytrzymałość na ściskanie (oporność na uciskanie), wytrzymałość na zginanie (zdolność do wytrzymywania sił zginających) i wytrzymałość na zgniatanie (oporność na deformację pod obciążeniem ściskającym). Ponadto momenty oporu i bezwładności są kluczowe do zrozumienia, jak szyna będzie reagować na obciążenia mechaniczne, zapewniając jej integralność strukturalną w czasie.

• Mianowany prąd: Mianowany prąd szyny wskazuje maksymalny ciągły prąd, który można bezpiecznie przeprowadzić bez nadmiernego nagrzewania się lub degradacji jej wydajności. Ta wartość jest określana na podstawie czynników takich jak właściwości materiału, powierzchnia przekroju i warunki pracy otoczenia. Wybór szyny o odpowiednim mianowanym prądzie jest kluczowy, aby zapobiec nadgrzewaniu się i potencjalnym awariom w systemie elektrycznym.

Warto zauważyć, że ponieważ nagie szyny nie są izolowane, koncepcja mianowanego napięcia nie ma tego samego znaczenia, jak w przypadku izolowanych przewodników. Podczas łączenia szyn z terminalami urządzeń, należy używać specjalistycznych połączeń. Te połączenia, jak pokazano na Rysunku 3, zapewniają bezpieczne, nisko-oporne połączenie elektryczne, ułatwiające niezawodne przenoszenie energii elektrycznej między szynami a innymi elementami systemu przełączników.

Połączenie szyn i systemy szyn izolowanych

Połączenie szyn

Podczas tworzenia połączeń między szynami, wybór połączeń jest kluczowy i zależy od materiałów łączonej szyny. Dla połączeń miedź-miedź, zwykle stosowane są połączenia brązowe. Te połączenia oferują doskonałą przewodność elektryczną i wytrzymałość mechaniczną, zapewniając niezawodne połączenie. Dla połączeń aluminium-aluminium, idealnym wyborem są połączenia ze stopu aluminium. Są one specjalnie zaprojektowane, aby odpowiadały właściwościom szyn aluminiowych, zapewniając bezpieczne i stabilne połączenie, jednocześnie minimalizując ryzyko korozji.

W przypadku połączeń miedź-aluminium, niezbędne są połączenia dwumetalowe. Użycie tych połączeń jest konieczne, aby zapobiec korozji, która może wystąpić z powodu efektu elektrolitycznego, gdy dwa różne metale stykają się w obecności elektrolitu (np. wilgotności w powietrzu). Reakcja elektrolityczna między miedzią i aluminium może prowadzić do degradacji połączenia w czasie, potencjalnie powodując awarie elektryczne. Połączenia dwumetalowe są zaprojektowane, aby zminimalizować ten problem, zapewniając długotrwałe i niezawodne połączenie między szynami miedzianymi i aluminiowymi.

Izolowane szyny & systemy kablów

W wewnętrznych instalacjach średniego (ŚN) i niskiego napięcia (NN), gdzie występują wysokie prądy, a przestrzeń jest ograniczona, często wykorzystywane są izolowane szyny i systemy kablów. W tych układach, szyny są zamknięte w metalowych obudowach, które pełnią podwójną rolę: zapewniania ochrony mechanicznej i izolacji elektrycznej. Obudowy chronią szyny przed fizycznymi uszkodzeniami, takimi jak przypadkowe zderzenia lub kontakt z obcymi obiektami, oraz zapobiegają porażeniom elektrycznym, izolując żywe przewodniki od otoczenia.

Jednakże, ta obudowa wiąże się z pewnymi kompromisami. Obecność obudowy zmniejsza oddzielanie ciepła przez szyny. Ogranicza ona przepływ chłodzącego powietrza wokół szyn i zmniejsza straty promieniowania, które są ważne dla oddzielania ciepła generowanego podczas przepływu prądu. W rezultacie, mianowane prądy szyn w obudowach są często znacznie niższe w porównaniu do szyn narażonych na wolne powietrze.

Aby rozwiązać ten problem i zminimalizować zmniejszenie zdolności przeprowadzania prądu, można używać wentylowanych obudów. Te obudowy są zaprojektowane z otworami lub wentylacjami, które pozwalają na lepsze cyrkulowanie powietrza, ułatwiając bardziej efektywne oddzielanie ciepła. To pomaga utrzymać wyższe mianowane prądy, jednocześnie zapewniając niezbędną ochronę mechaniczną i izolację.

Rysunek 4 przedstawia ilustracyjny przykład zamkniętej szyny, pokazujący typową strukturę i wygląd takiego systemu oraz podkreślający, jak obudowa jest zintegrowana z szynami, aby spełniać wymagania wewnętrznych instalacji elektrycznych.

Izolowane szyny i systemy kablów

Izolowane szyny

Izolowane szyny są zazwyczaj konstruowane z płaskich belek miedzi lub aluminium. Liczba belek na fazę może się różnić, w zależności od wielkości prądu, który muszą przeprowadzać. W tym układzie, każda indywidualna faza lub biegun jest umieszczona w osobno zziemionej osłonie. Końce tej osłony są połączone poprzez belkę o mocy pełnego prądu krótkiego zwarcia.

Główna funkcja osłony polega na zapobieganiu wystąpieniu prądów krótkiego zwarcia między fazami. Dodatkowo, oferuje ważną zaletę dotyczącą pól magnetycznych. Gdy prąd płynie przez przewodniki, generuje silne pola magnetyczne. Jednak równy i przeciwny prąd indukowany w obudowie lub osłonie, niemal całkowicie anuluje te pola magnetyczne. Anulowanie pól magnetycznych pomaga zredukować interferencję elektromagnetyczną i zminimalizować potencjalne niepożądane efekty na pobliskie urządzenia elektryczne i elektroniczne.

Powszechnie stosowane materiały izolacyjne dla izolowanych szyn obejmują powietrze i sześcioktórfluoroan (SF6). Powietrze jest łatwo dostępny i tanim rozwiązaniem, podczas gdy SF6 oferuje wyższe właściwości izolacyjne, co sprawia, że jest odpowiedni dla zastosowań, gdzie wymagane są wyższe poziomy izolacji i wydajności elektrycznej.

Systemy kablowe

W instalacjach niskiego napięcia (NN), kosztowym podejściem do dystrybucji energii, a także do zasilania wielu urządzeń i ułatwiania połączeń między przełącznikami lub między przełącznikiem a transformatorem, jest użycie systemu kablowego. Jak pokazano na Rysunku 5, systemy kablowe zapewniają strukturalny i efektywny sposób routingu przewodników elektrycznych, chroniąc je przed fizycznymi uszkodzeniami i upraszczając instalację i konserwację systemów elektrycznych.

Systemy kablowe: cechy i zalety

System kablowy składa się z prefabrykowanych płaskich belek przewodników (w tym przewodników fazowych i neutralnych) zamkniętych w jednej metalowej obudowie. Ten projekt oferuje uproszczony i zorganizowany sposób dystrybucji energii elektrycznej.

W systemach kablowych pasma zasilające, pobieranie energii z szyn kablowych jest realizowane za pomocą jednostek odgałęźczych. Te jednostki są podłączone w określonych, wstępnie zdefiniowanych miejscach wzdłuż szyn kablowych. Umożliwiają one bezpieczne i kontrolowane pobieranie energii z systemu, zazwyczaj za pomocą odpowiednich urządzeń ochronnych, takich jak przekaźniki lub bezpieczniki. Ten układ zapewnia, że energia elektryczna może być dystrybuowana dokładnie do różnych obciążeń, jak wymagane.

Systemy kablowe prezentują kilka istotnych zalet w porównaniu do tradycyjnych systemów kablów:

• Kosztowo-efektywność i łatwość instalacji: Systemy kablowe są bardziej ekonomiczne w implementacji i łatwiejsze do zainstalowania, szczególnie w przypadku zastosowań z wysokimi prądami. W takich scenariuszach, osiągnięcie wymaganych mianowanych prądów za pomocą pojedynczych kabeli monofazowych często wymaga użycia wielu kabli, aby spełnić wymagania dotyczące spadków napięcia i zagłębienia napięcia. To nie tylko zwiększa złożoność i koszty instalacji kabli, ale również zwiększa ryzyko nadgrzewania się między kablami, co potencjalnie może prowadzić do krótkich zwarcia. W przeciwieństwie do tego, systemy kablowe oferują bardziej efektywne i niezawodne rozwiązanie do dystrybucji energii elektrycznej o wysokich prądach.

• Wytrzymałość mechaniczna i efektywność instalacji: Wykazują one wyższą wytrzymałość mechaniczną na długich dystansach z minimalną potrzebą mocowań. Ta charakterystyka znacznie redukuje czasy instalacji, ponieważ wymagane jest mniej podpór i fastenerów w porównaniu z biegami kabli. Wytrzymałość systemów kablowych zapewnia również większą trwałość i niezawodność podczas działania.

• Oszczędność przestrzeni i uproszczenie projektu: Systemy kablowe eliminują potrzebę wielu biegów kabli wraz z ich powiązanymi metalowymi wspornikami, upraszczając całą infrastrukturę elektryczną. To zmniejszenie złożoności nie tylko oszczędza przestrzeń, ale również ułatwia zarządzanie i konserwację systemu.

• Zmniejszenie wymogów końcówek: Wymagają mniej przestrzeni do końcówek w przełącznikach. Jest to kluczowa zaleta, zwłaszcza w projektach przełączników, gdzie przestrzeń jest ograniczona, umożliwiając bardziej kompaktowe i efektywne układy paneli elektrycznych.

• Eliminacja potrzeby spawaczy kabli: Ponieważ systemy kablowe są prefabrykowane i nie wymagają spawania kabli na miejscu, eliminuje się potrzebę specjalistów do spawania kabli. To nie tylko zmniejsza koszty pracy, ale również minimalizuje potencjalne błędy związane z łączeniem kabli, zwiększając ogólną jakość i niezawodność instalacji elektrycznej.

• Elastyczność w dystrybucji energii: Wiele jednostek odgałęźczych zapewnia elastyczność dostosowania do zmian w wymaganiach energetycznych po początkowej instalacji, podlegającej mianowanemu prądowi szyn kablowych. Ta funkcja pozwala na łatwe ponowne konfigurowanie systemu elektrycznego, aby uwzględnić nowe obciążenia lub zmiany w wymaganiach obciążenia, sprawiając, że systemy kablowe są bardzo elastyczne w dostosowywaniu się do ewoluujących potrzeb energetycznych.

• Łatwość przepositionowania i rozszerzania: Przepositionowanie punktów dystrybucji jest prostym procesem w systemach kablowych. Ponadto, system może być łatwo rozszerzany, gdy rosną wymagania energetyczne obiektu, oferując skalowalne rozwiązanie do dystrybucji energii.

• Estetyka: W obszarach, gdzie system elektryczny jest widoczny, systemy kablowe oferują estetycznie atrakcyjny wygląd w porównaniu do wiązek kabli. Ich elegancki i jednolity design może wzmacniać wizualną atrakcyjność wnętrza budynku, sprawiając, że są preferowanym wyborem w obiektach handlowych i publicznych.

• Możliwość ponownego użycia: Systemy kablowe można rozmontować i ponownie użyć w innych obszarach, oferując kosztowo-efektywne rozwiązanie dla obiektów podlegających modernizacji lub rozszerzeniu. Ta możliwość ponownego użycia nie tylko zmniejsza odpady, ale również oferuje znaczne oszczędności w zakresie materiałów i kosztów instalacji.

• Zwiększona odporność na pożar: Zapewniają lepszą odporność na rozprzestrzenianie się pożaru w porównaniu do tradycyjnych systemów kablowych. Metalowa obudowa systemu kablowego pomaga zawierać pożar i zapobiega jego rozprzestrzenianiu się przez system elektryczny, przyczyniając się do poprawy bezpieczeństwa pożarowego w budynkach.