Сборные шины ГРЩ: выбор материала, конструктивные особенности и способы установки
Систему сборных шин можно определить как устройство, представляющее собой комплекс проводников, установленных на опорах изоляционного материала. К данному устройству подсоединяются контакты, через которые система получает питание и распределяет его к подключенным элементам.
К сборным шинам подключаются все источники электроэнергии со стороны ввода, а также потребители со стороны отходящих линий.
Повреждение или разрушение сборных шин приводит к прекращению подачи электроэнергии потребителям. Поэтому сборным шинам уделяется особое внимание на этапах проектирования, монтажа и эксплуатации электроустановок.
Сборные шины распределительных устройств представляют собой неизолированные, сравнительно массивные проводники, имеющие прямоугольное, круглое или профильное сечение. В пределах закрытых распределительных устройств все ответвления от шин и соединения с аппаратами выполняются также голыми проводниками, образующими ошиновку.
Материал сборных шин
Сборные шины являются центральной и наиболее ответственной частью распределительного устройства. В подавляющем количестве случаев для их устройства используют прямоугольные шины из алюминия или меди.
Элемент панели ГРЩ, собранного на медных шинах / Элемент панели ГРЩ, собранного на алюминиевых шинах
Медные шины отличаются наименьшими потерями на нагрев, однако они имеют высокую стоимость и вес. Это наиболее распространенный тип проводника в электрических щитах. Характерной особенностью медных шин является то, что их нельзя соединять с помощью сварки; для этого применяются механические соединения, в основном болтовые. Номинальный срок службы медной шины составляет 50 лет. Она медленнее нагревается и менее подвержена окислению при нагреве.
Алюминиевые шины, напротив, достаточно легкие и недорогие, но для достижения того же номинального тока они требуют большего сечения по сравнению с медными, что усложняет их производство. Кроме того, алюминиевые шины имеют высокий коэффициент потерь на нагрев. При необходимости алюминиевые шины могут свариваться друг с другом с использованием аргонно-дуговой сварки. Номинальный срок эксплуатации алюминиевой шины составляет 25 лет, что в два раза меньше по сравнению с медной из-за большей подверженности окислению при нагреве.
При проектировании ГРЩ от 1000 до 8000А, как правило, используют медную шину, так как она позволяет проводить большие токи при меньших сечениях. Для РУНН трансформаторных подстанций на токи 400А-2000А может использоваться алюминиевая шина.
Нет четких правил, определяющих выбор материала проводника, как правило это решает проектировщик устройства.
Есть ряд факторов, которые могут повлиять на его выбор:
- Использование медной шины делает устройство более компактным. Иногда при высоких номинальных токах распределительных устройств (от 3200А) их просто невозможно реализовать на алюминиевых шинах
- Алюминиевая шина сильно дешевле. Ошиновка на один и тот же номинальный ток будет стоит в разы дешевле, если ее изготовить из алюминия.
- Коэффициент потерь на нагрев медных шин гораздо меньше, чем у алюминиевых.
- Куски алюминиевой шины могут быть сварены между собой, что обеспечивает более качественное электрическое соединение. Медные шины соединяются между собой только болтами.
Следует отметить, что современная тенденция такова, что алюминиевые шины тоже стараются не варить, а собирать на болтах.
- Алюминиевая шина легче. Если важен вес распределительного устройства, то стараются использовать алюминиевую шину.
Как правило, применяемые размеры плоских медных и алюминиевых шин не превышают 120х10 мм, однако возможно применение сечений больших размеров.
Форма поперечного сечения сборных шин
Распространенной формой поперечного сечения шин является прямоугольник с соотношением сторон от 1/5 до 1/12. Такие шины называются плоскими и обеспечивают эффективный отвод тепла в окружающую среду благодаря большой поверхности охлаждения.
а — прямоугольник; б — пакет из двух полос; в — пакет из трех полос; г — коробчатые шины; д — трубчатые шины
При рабочих токах, превышающих 2000 А, сборные шины собираются из нескольких шин, образующих пакет шин. Пакет может состоять из двух или трех полос. При этом допустимый ток увеличивается до 3200 и 4100 А соответственно, что происходит не пропорционально числу полос из-за неравномерного распределения тока между ними и ухудшения условий охлаждения.
Пакет из двух медных шин / Пакет из пяти алюминиевых шин
Близость полос в одном пакете приводит к неравномерному распределению тока между ними: крайние полосы испытывают большую нагрузку, в то время как средние полосы получают меньшую. Например, в трехполосном пакете крайние полосы могут проводить по 40% от общего тока фазы, тогда как в средней полосе протекает лишь 20%. Это явление, схожее с эффектом поверхностного тока в одном проводнике, делает использование более трех полос шин при переменном токе нецелесообразным.
Недостатком пакета шин является также сложность монтажа и снижение механической устойчивости при коротком замыкании, поскольку полосы притягиваются друг к другу из-за протекающих по ним токов одного направления. Чтобы избежать смыкания полос при коротком замыкании, между ними устанавливаются дистанционные прокладки с соответствующим креплением. Расстояние между полосами в пакете при этом обычно проектируют равным толщине одной полосы.
Для больших рабочих токов применяются составные шины, состоящие из двух коробчатых шин большого сечения. Благодаря малому влиянию эффекта близости и хорошему охлаждению использование металла в коробчатых шинах оказывается значительно более эффективным по сравнению с пакетом прямоугольных шин того же общего сечения. Расчеты показывают, что трехполосные пакеты шин целесообразно заменять коробчатыми шинами.
Наиболее совершенной формой поперечного сечения шин является круглая кольцевая, характерная для трубчатых шин. При правильном выборе соотношения толщины стенки (t) и диаметра трубы (D) достигается хороший отвод тепла и достаточная механическая прочность. Вокруг трубчатой шины создается равномерное электрическое поле, что предотвращает возникновение короны. Однако данный вид сечения не используется в ГРЩ, так как его установка требует более сложных креплений и изоляции, что усложняет монтаж и увеличивает стоимость.
Выбор сечения шины обусловлен токовой нагрузкой. Принцип прост – чем больше нагрузка на шину по току, тем большего сечения должна быть шина.
Способов крепления сборной шины внутри распределительного устройства ГРЩ не так много: шины либо укладываются на опорных изоляторах, либо фиксируются с помощью шинодержателей.
Комплект держателя шины MetaEnergy компании «НПЦ Металлург» / Изолятор опорный ступенчатый компании «ИЭК»
Конструкция и типоразмер шинодержателей и опорных изоляторов зависят от конкретной ситуации, номинального тока шины и производителя, что приводит к разнообразию решений. Основная логика заключается в следующем: шина, устанавливаемая в корпусе на ребро, фиксируется в шинодержателе, тогда как шина, установленная плашмя, крепится на опорном изоляторе.
Крепление сборной шины при помощи шинодержателей / Крепление сборной шины при помощи опорных изоляторов
Способы установки шин внутри распределительного устройства
Существует несколько различных способов установки сборных шин, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. В зависимости от конкретных условий эксплуатации и проектных требований, могут применяться четыре основных метода установки сборных шин. Иногда эти способы комбинируются для разных секций.Сверху плашмя
Установка сборных шин по задней стенке (плашмя) имеет свои преимущества и недостатки. К основным недостаткам этого метода относится то, что он занимает значительно больше места в панели, что может быть критичным в ограниченных пространствах. Однако данная конфигурация становится более предпочтительной, если на ошиновке присутствует большое количество болтовых соединений. В этом случае доступ к шинам становится удобнее для обслуживания и ремонта, так как все соединения находятся на виду и легко доступны.

Сверху по крепежной планке (монтаж на ребро)
Установка шин на ребро с использованием крепежной планки обеспечивает более эффективное охлаждение. Условия теплоотдачи в этом случае на 10–15% лучше, чем при установке плашмя, что учитывается при определении допустимой токовой нагрузки согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ). При этом, способ монтажа на ребро сборных шин является технически более сложным.

Снизу плашмя
Нижнее расположение сборных шин может привести к дополнительному подогреву аппаратов, установленных в распределительном устройстве (ГРЩ), из-за тепла, выделяемого шинами. Также увеличивается вероятность попадания посторонних токопроводящих предметов на шины, что может привести к дуговому короткому замыканию.
Наиболее распространенные объекты, которые могут оказаться на шинах:
- Инструменты: Оставленные в процессе работы инструменты, такие как отвертки или ключи, могут случайно упасть на шины.
- Куски изоляции: Обломки изоляционных материалов могут отвалиться от проводов или других элементов.
- Пыль и грязь: Накопление пыли и грязи ухудшает теплоотведение и повышает риск короткого замыкания.
- Металлические предметы: Мелкие детали, такие как гайки или болты, могут вызвать электрические замыкания.
- Животные: Мелкие животные могут забраться в распределительное устройство и оказаться на токоведущих элементах.
- Снизу по нижней стенке (монтаж на ребро)
Установка шин, обращенных к соседним узкой стороной (ребром), обеспечивает большую механическую устойчивость и способствует лучшему теплоотведению. При этом для этого способа сохраняются все недостатки нижнего расположения шин: нагрев аппаратов, расположеных выше, а также риск попадания посторонних предметов.
Каждый из этих способов установки имеет свои особенности и должен выбираться с учетом конкретных условий эксплуатации, чтобы обеспечить надежную и безопасную работу электроустановок.