Шинни системи

Шинните системи се използват в електрическите инсталации за разпределяне на електроенергията от точката на захранване към изходните вериги. Те могат да се използват в много различни конфигурации – от вертикални преносни линии до всеки етаж на многоетажна сграда, до шини, изцяло в рамките на разпределително табло или промишлен процес. Факторите, които трябва да се имат предвид при проектиране на шинни системи, включват повишаване на температурата вследствие на енергийни загуби; енергийна ефективност и разходи за експлоатационния живот; натоварвания в резултат на токове на късо съединение и защита; експлоатационни характеристики и методи на присъединяване и поддръжка.

Материали

По отношение на материалите за шини особено важно е наличието на свойства като на проводник, за да се постигне дълъг и надежден експлоатационен живот при най-ниски разходи. Това включва: ниско електрическо и топлинно съпротивление; висока механична якост на опън, натиск и срязване; висока устойчивост на повреда вследствие на умора на материала; ниско електрическо съпротивление на повърхностния слой; лесно производство; висока устойчивост на корозия и конкурентна първоначална цена и висока крайна стойност на възвръщаемост.

В резултат на това шинните системи се изработват предимно или от мед, или от алуминий. От гледна точка проводимост и якост, високопроводимата (HC) мед е много по-добра за целта от алуминия. Единственият й недостатък е свързан с нейната по-висока плътност, която води до по-голямо тегло.

По-високата твърдост на медта в сравнение с тази на алуминия я прави по-устойчива на механични повреди както по време на монтаж, така и в периода на експлоатация. Медните шини са също и по-малко податливи на проблеми във фиксиращите присъединявания, дължащи се на пластична деформация на метала под действието на продължително високо контактно налягане.

По-високият коефициент на еластичност на медта й дава по-голяма якост на огъване в сравнение с алуминиев проводник със същите размери. Температурните колебания, наблюдавани в условия на експлоатация, изискват при проектиране да бъде предвидена определена гъвкавост. По-ниският коефициент на линейно разширение на медта намалява необходимата степен на гъвкавост.

Съществуват обаче и проблеми с присъединяванията и корозията, свързани с контактите между различни метали: например между алуминиева шина и клеми и контакти на превключватели, които обикновено се произвеждат от мед или медна сплав. Проблемът се корени в това, че откритата алуминиева повърхност бързо формира твърд изолационен филм от алуминиев оксид. За разлика от това оксидният филм, който се формира по повърхността на медта, е проводим, което е друга причина като материал за шини да се използва по-скоро мед, отколкото алуминий.

Допустимо токово натоварване

Допустимото токово натоварване на шините е ограничено от максимално допустимата работна температура на системата. Шините се загряват от разсеяната енергия на токовия товар и се охлаждат посредством излъчване и конвекция към заобикалящата ги среда. При работната температура механизмите за отделяне и загуби на топлина, които силно зависят от температурата и формата, са балансирани.

Както беше споменато, топлината, генерирана в шините, може да се разсее чрез конвекция, излъчване и провеждане (кондукция). В повечето случаи топлинните загуби от конвекция и излъчване определят допустимото токово натоварване на шинната система. При една обикновена шина провеждането не играе никаква роля, тъй като няма топлинен поток по протежение на шина с равномерна температура. Тя се взема предвид само когато известно количество топлина може да се пренесе към охладител в шинната система или когато съседни части на системата имат различни възможности за охлаждане. Кондукцията може да бъде сред значимите фактори при приложение на шини в шкафове за електроапаратура.

В контекста на проектирането на електрически инсталации, за да се обоснове изборът на конфигурация, се използват разходите за експлоатационния живот (LCC). Това означава, че всички разходи, включително инвестиционните, оперативните и разходите в края на сервизния живот, се сравняват за различните възможности. Тъй като целта е да се сведат до минимум разходите за експлоатационния живот, а не те да се определят, всичко, което остава еднакво за всяка проектна възможност може да се игнорира, опростявайки анализа и позволявайки насочване на фокуса към разликите.

Проблемът при оценяване на разходите за експлоатационния живот е, че разходите за монтаж възникват в началото на проекта, докато тези, свързани с енергийните загуби, се наблюдават през продължителен период от време, т. е. се налага събирането на разходи, които се появяват и които трябва да се поемат в различни моменти. В тази ситуация в изчисленията трябва да се включи времевата стойност на финансовите средства.

Що се отнася до изчисленията на LCC на електрически инсталации, трябва да се отчетат фактори като разходи за проектиране и монтаж на инсталацията, нееднократни разходи, разходи за поддръжка, енергийни разходи и разходи в края на експлоатационния живот.

Ефекти от къси съединения

Подобно на всички електрически вериги, шинните системи е необходимо да бъдат защитени срещу въздействията на токове на късо съединение. Отворената конструкция на шинните системи увеличава риска от неизправности като например от навлизане на чужди тела във въздушните процепи. Вероятността за последваща повреда е голяма поради обикновено високите работни токове и наличното количество енергия.

Много високите токове водят до бързо и прекомерно прегряване на шините с последващо размекване на материала и повреда на опорната конструкция. В същото време генерираните електромагнитни сили ще изкривят размекнатите проводници, които могат да се освободят от опорите си. Наличието на резонансни ефекти може допълнително да влоши ситуацията.

На практика, важното е крайната температура на шината да остане по-ниска от граничната проектна температура през целия процес на късо съединение. Граничната температура на медните шини се определя от температурното съпротивление на опорните материали, но не трябва да надвишава ~200°C.

Важно е да се отбележи, че шините, които са подложени на късо съединение, трябва да се оставят да се охладят и да се проверят, преди да бъдат върнати в експлоатация, за да се гарантира, че всички присъединявания са плътни и че крепежните елементи са сигурни. Въпреки че времето на загряване, т. е. продължителността на късото съединение, е твърде кратко, температурата на шината може да остане висока за значителен период от време. Освен това, поради много високата топлопроводимост на медта части от шината извън обхвата на повредата също ще се загреят.

Шинни профили

Шинните профили все по-често се използват в разпределителните и комутационните табла, при които проектните съображения се различават съществено и дългите вертикални и хоризонтални шини не са подходящи. Това е разрастващ се пазар, тъй като шинните профили предлагат редица предимства като икономия на материал, по-кратко време за асемблиране и опростена експлоатация.

Трябва да се отбележи обаче, че производството на профили е по-трудно и с по-големи разходи, отколкото изработването на плоски шини поради технически ограничения, включително по-сложна конструкция, по-прецизни производствени процеси и настройка на машините, както и по-специфично опаковане. Тези ограничения вече до голяма степен са преодолени и към момента няколко компании на пазара произвеждат стотици и дори хиляди различни шинни профили за електрически приложения.

Има редица предимства, свързани с използването на профили, като намален скин ефект, редуцирани разходи и тегло, интегрирани крепежни и монтажни елементи, възможност за реализиране на икономически ползи и др. На практика, при производствения процес има няколко ключови проблеми, които трябва да се избягват като остри ръбове, дълбоки тесни канали и кухи камери.

Съществуват два вида присъединявания за медни шини – линейни, необходими за асемблиране на шини с определени дължини в инсталацията, и Т-образни за реализиране на отклонения. Присъединяванията трябва да са механично здрави, устойчиви на въздействието на околната среда и да са с ниско съпротивление, което да може да се поддържа през целия цикъл на натоварване и през целия експлоатационен живот. Ефективни присъединявания на медните шинни проводници могат да бъдат реализирани много просто чрез болтове, нитове, запояване или заваряване. Болтовите връзки и скобите се използват широко.

Механизмите на влошаване на състоянието също трябва да се имат предвид (окисляване, корозия, постепенно деформиране и освобождаване на напрежение, термично разширение и др.), тъй като качеството на присъединяванията е от критично значение за дългосрочната надеждност на шинната система. Затова е важно да се внимава за избора на дизайн на присъединяванията, въртящия момент на затягане, типовете болтове и влиянието на температурата, за да се гарантира нужното ниво на надеждност. Експлоатационната поддръжка в идеалния случай включва заснемане на присъединяванията с термокамера, така че всички проблеми да могат да бъдат открити, преди да възникне повреда.

Ползи за крайния потребител

Шинните системи не компрометират безопасността на работещите с или около тях служители. Всъщност няколко стандарта, регулиращи използването на шини в системите за управление, изискват изключително високо ниво на защита срещу опасност от контакт. С аксесоари като долни, странични и горни капаци, вероятността случайно отхлабени крепежни елементи, изпуснати инструменти или части от тялото да влязат в контакт с шинната система драстично се намалява. Връзките към компоненти като прекъсвачи или стопяеми предпазители се осъществяват под заключващи се капаци и прегради, което в много случаи прави шинните системи дори още по-безопасни.

Шинните системи ясно организират сложни конфигурации на електроразпределение, като по същество ги опростяват. Това ниво на организация осигурява подобрена гъвкавост, която води до по-лесно разширяване на системата, отстраняване на неизправности и поддръжка. От момента, в който е написана спецификация за една разпределителна енергийна система, до нейното въвеждане в експлоатация, е доста често срещано обхватът на тази система да бъде разширен. Бъдещото разширяване може да се опрости за крайния потребител чрез създаване на първоначални проекти с предвидена възможност за разрастване, например оставяне на свободни позиции на шината. Това позволява нови компоненти да бъдат свързани бързо към свободната шинна позиция, без да е необходимо допълнително опроводяване.

Поддръжката и отстраняването на неизправности също са по-лесни и по-ефективни при шинните системи, тъй като не е необходимо да се проследяват кабелни линии и поради възможността за бърза смяна на компонентите. Може би дори по-важно за крайния потребител от лекотата на подмяна на компонентите в една шинна система са леснодостъпните резервни части. Шинните системи, които се произвеждат от глобални компании, могат да предложат възможност за навременна подмяна на компоненти по целия свят.