Thanh dẫn và Đầu nối trong hệ thống điện áp cao và siêu cao

Điều gì là thanh dẫn điện?

Thanh dẫn điện là dây dẫn hoặc bộ dây dẫn được thiết kế để thu điện từ các nguồn cấp và phân phối nó đến các đường dây ra. Về chức năng, nó hoạt động như một điểm giao nhau nơi dòng điện vào và ra hội tụ, đóng vai trò như một trung tâm tập trung và phân phối điện.

Các lắp đặt thanh dẫn điện ngoài trời

Trong các hệ thống điện áp cao (HV), điện áp cực cao (EHV) và hệ thống điện áp trung bình (MV) ngoài trời, thường sử dụng thanh dẫn điện trần và các kết nối, với dây dẫn có thể ở dạng ống hoặc dạng sợi:

• Thanh dẫn điện ống: Được hỗ trợ bởi cách điện cột (thường là gốm), chúng cung cấp độ bền cơ học cao và khả năng chống corona tốt.

• Thanh dẫn điện sợi: Được cố định bằng kẹp cuối, lý tưởng cho các lắp đặt yêu cầu tính linh hoạt trong khoảng cách lớn.

(Các cấu hình trên được minh họa trong Hình 1 và Hình 2.)

Thanh dẫn điện cho các lắp đặt tủ điện

Thanh dẫn điện cho tủ điện thường được chế tạo từ đồng, nhôm hoặc hợp kim nhôm (ví dụ: loạt Al-Mg-Si), với các đặc điểm chính của thanh dẫn điện trần bao gồm:

• Tham số hình học

• Dây dẫn ống: Đường kính ngoài và độ dày thành

• Dây dẫn sợi: Diện tích tiết diện danh nghĩa

• Tính chất cơ học

• Độ bền kéo/nén/uốn

• Khả năng chống nén

• Mô đun cắt và mô men quán tính

• Khả năng tải dòng điện

• Dòng điện định mức: Xác định bởi độ dẫn điện của vật liệu và điều kiện tản nhiệt. Do dây dẫn trần phụ thuộc vào cách điện không khí, điện áp định mức không phải là tiêu chí lựa chọn chính.

Công nghệ kết nối thanh dẫn điện

Các kết nối chuyên dụng là cần thiết để kết thúc thanh dẫn điện với thiết bị, như được minh họa trong Hình 3. Các cấu hình điển hình bao gồm:

• Kết nối vít: Mối nối cứng được cố định bằng vít có kiểm soát lực siết, yêu cầu quản lý điện trở tiếp xúc để ngăn quá nhiệt

• Mối nối giãn nở: Bù đắp sự giãn nở nhiệt, giảm thiểu sự tập trung ứng suất cơ cấu

• Đầu nối chuyển đổi: Giải quyết sự ăn mòn điện hóa giữa các vật liệu khác nhau (ví dụ: giao diện đồng-nhôm)

Thiết kế kết nối phải tuân thủ:

• Tiêu chuẩn diện tích tiếp xúc cho tăng nhiệt (ví dụ: IEC 61439)

• Xử lý tương thích vật liệu (ví dụ: mạ thiếc cho chuyển đổi đồng-nhôm)

• Độ ổn định cơ học dưới lực điện động ngắn mạch

Các cân nhắc kỹ thuật

Hệ thống thanh dẫn điện trung/bình cao áp yêu cầu thiết kế tích hợp cho:

• Quản lý nhiệt: Tối ưu hóa đối lưu không khí hoặc làm mát ép buộc để kiểm soát tăng nhiệt

• Độ ổn định động: Độ nguyên vẹn cấu trúc dưới lực điện động ngắn mạch

• Bảo vệ môi trường: Bảo vệ IP3X hoặc cao hơn phù hợp với môi trường hoạt động

Những biện pháp này cùng đảm bảo truyền tải điện đáng tin cậy và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Được sử dụng rộng rãi trong các trung tâm dữ liệu và nhà máy công nghiệp để phân phối điện dòng lớn, các hệ thống này cho phép bố trí linh hoạt và dễ mở rộng thông qua thiết kế mô-đun.
Đối với các kết nối đồng-đồng, sử dụng đầu nối đồng; đối với các kết nối nhôm-nhôm, nên sử dụng đầu nối hợp kim nhôm; và đối với các kết nối đồng-nhôm, bắt buộc phải sử dụng đầu nối hai kim loại để ngăn chặn sự ăn mòn do hiệu ứng điện phân.
Thanh dẫn điện cách điện & Hệ thống máng điện
Trong các lắp đặt điện áp trung bình (MV) và điện áp thấp (LV) trong nhà—đặc biệt là khi dòng điện lớn và không gian hạn chế tồn tại—thanh dẫn điện thường được bao bọc trong vỏ kim loại để bảo vệ cơ học và cách điện.Thiết kế này giảm nhiệt tỏa ra của thanh dẫn điện do luồng không khí bị hạn chế và mất nhiệt bức xạ, dẫn đến các định mức dòng điện thấp hơn đáng kể so với các lắp đặt tự do không khí. Có thể sử dụng vỏ thông gió để giảm thiểu việc hạ định mức dòng điện.

Phân tích chi tiết kỹ thuật

• Bảo vệ điện hóa học cho các kết nối vật liệu khác nhau

• Các mối nối đồng-đồng: Đầu nối đồng (đồng thiếc hoặc đồng nhôm) tăng cường độ tin cậy tiếp xúc thông qua gia cố dung dịch rắn, ngăn chặn sự giãn nở của đồng tinh khiết.

• Các mối nối nhôm-nhôm: Đầu nối hợp kim nhôm 6061-T6 trải qua xử lý lão hóa để đảm bảo độ ổn định của lớp oxit.

• Các mối nối đồng-nhôm: Đầu nối hai kim loại sử dụng hàn nổ hoặc hàn chì (ví dụ: thanh đồng-nhôm tổng hợp) để chặn các đường dẫn ăn mòn điện hóa.

• Thách thức quản lý nhiệt trong thanh dẫn điện bao bọc
  Phân tích điện trở nhiệt: Khoảng cách không khí do vỏ bọc tạo ra giảm điện trở nhiệt từ 30%-50%.
  Giải pháp bù đắp:
  

• Làm mát bằng không khí ép buộc: Quạt nội bộ tăng khả năng tải dòng điện từ 20%-30%.

• Cánh tản nhiệt vỏ: Tăng diện tích bề mặt cho đối lưu tự nhiên.

• Cách điện có điện trở nhiệt cao: Lớp phủ cao su silicone để giảm điện trở nhiệt.

• Các thông số kỹ thuật ứng dụng kỹ thuật
  

• Lớp bảo vệ: Thường là IP54 cho môi trường trong nhà, nâng cấp lên IP65 trong điều kiện ẩm ướt.

• Chịu đựng ngắn mạch: Tuân thủ yêu cầu ổn định động và nhiệt theo IEC 61439.

• Bù đắp giãn nở: Mối nối giãn nở mỗi 30-50 mét để thích ứng với biến dạng nhiệt.

Được sử dụng rộng rãi trong các trung tâm dữ liệu và nhà máy công nghiệp để phân phối điện dòng lớn, các hệ thống này cho phép bố trí linh hoạt và dễ mở rộng thông qua thiết kế mô-đun.

Thanh dẫn điện cách ly

Thanh dẫn điện cách ly thường bao gồm các thanh phẳng bằng đồng hoặc nhôm (một hoặc nhiều thanh cho mỗi pha, kích thước theo yêu cầu dòng điện), với mỗi pha được bao bọc trong một vỏ riêng biệt được nối đất. Các đầu vỏ được kết nối bằng thanh chịu ngắn mạch có khả năng truyền tải toàn bộ dòng điện lỗi.Vỏ chủ yếu ngăn ngừa ngắn mạch giữa các pha. Ngoài ra, nó triệt tiêu các trường từ do dòng điện trong dây dẫn: dòng điện ngược và bằng nhau được cảm ứng trong vỏ triệt tiêu hầu hết trường điện từ.Các phương tiện cách điện phổ biến bao gồm không khí và SF₆.

Hệ thống máng điện LV

Trong các lắp đặt điện áp thấp, hệ thống máng điện LV cung cấp giải pháp hiệu quả về chi phí để phân phối điện, cung cấp cho nhiều thiết bị và kết nối giữa các tủ điện hoặc biến thế, như được minh họa trong Hình 5.

Hệ thống máng điện

Hệ thống máng điện là một cấu hình được lắp ráp sẵn chứa các dây dẫn thanh phẳng (pha và trung tính) bên trong một vỏ kim loại duy nhất.Trong các hệ thống máng điện cấp nguồn, việc lấy điện được thực hiện thông qua các đơn vị rút điện tiêu chuẩn, kết nối tại các vị trí đã xác định dọc theo máng. Các đơn vị này cho phép lấy điện thông qua các thiết bị bảo vệ tương thích.

Ưu điểm so với hệ thống cáp:

• Hiệu quả chi phí & Hiệu quả lắp đặt

• Hiệu quả hơn cho các ứng dụng dòng điện lớn: Loại bỏ nhu cầu sử dụng các cáp đơn lõi song song để đáp ứng định mức dòng điện, giảm điện áp và yêu cầu chìm.

• Giảm nguy cơ quá nhiệt: Tránh sự tích tụ nhiệt trong bó cáp có thể dẫn đến ngắn mạch.

• Ưu điểm cơ học

• Độ ổn định trong các khoảng cách dài: Chỉ yêu cầu ít điểm cố định, giảm thời gian lắp đặt.

• Loại bỏ cấu trúc hỗ trợ cáp: Giảm thiểu yêu cầu kim loại.

• Lợi ích về không gian & Bảo trì

• Cho phép thay đổi công suất sau khi lắp đặt (trong phạm vi định mức của máng).

• Cho phép di chuyển dễ dàng các điểm phân phối.

• Hỗ trợ mở rộng hệ thống.

• Giảm không gian kết thúc tủ điện.

• Loại bỏ các mối nối cáp: Giảm điện trở tiếp xúc và điểm hỏng.

• Thiết kế rút điện linh hoạt:

• Lợi ích bổ sung

• Tính thẩm mỹ trong các khu vực nhìn thấy.

• Có thể tháo rời và tái sử dụng.

• Tăng cường khả năng chống cháy: Vỏ kim loại chứa sự lan truyền của lửa.