Алюминиевые шины широко применяются в распределительных устройствах, на подстанциях и в промышленных цехах. Они лёгкие, недорогие и хорошо проводят ток. Но у алюминия есть особенность: он расширяется при нагреве почти в полтора раза сильнее, чем медь. Коэффициент линейного расширения алюминия составляет 0,000024 на градус цельсия, а меди — 0,000017. Это значит, что длинная алюминиевая шина при нагреве может удлиниться на несколько сантиметров. Если не дать ей этого сделать, возникнут огромные механические напряжения, которые сломают изоляторы и разрушат контакты. Для компенсации теплового расширения используют алюминиевые шинные компенсаторы. Но как подобрать компенсатор под длину шины и её тепловое расширение? Об этом мы и поговорим в этой статье.
Что такое алюминиевый шинный компенсатор
Алюминиевый шинный компенсатор — это гибкое соединительное устройство, которое устанавливается в разрыв алюминиевой шины. Он состоит из пакета тонких алюминиевых пластин (лент), сплавленных с обоих концов в монолитные контактные площадки. Толщина каждой ленты составляет около 0,3-0,5 миллиметра. Пластины могут изгибаться и скользить друг относительно друга, что позволяет компенсатору растягиваться и сжиматься при тепловом расширении шины.
Назначение компенсатора — «принять на себя» тепловое удлинение шины, не создавая разрушительных усилий на опорных изоляторах и контактных соединениях. Кроме того, компенсаторы гасят вибрацию, возникающую при работе трансформаторов, электродвигателей и другого оборудования.
Алюминиевые компенсаторы маркируются по типоразмеру. Основные серии — для плоских шин и для коробчатых шин. В обозначении, например, для плоской шины 100х10, буквы означают: компенсатор шинный алюминиевый, сечение шины 100 на 10 миллиметров, присоединение болтовое, климатическое исполнение у2 (умеренный климат, категория 2). Климатическое исполнение у2 означает работу в диапазоне температур от -50 до +45 градусов цельсия.
Почему тепловое расширение так важно для алюминиевых шин
При прохождении электрического тока шина нагревается. Кроме того, она может нагреваться от окружающей среды (солнце, близко расположенное горячее оборудование). При нагреве любой материал расширяется. У алюминия коэффициент линейного расширения составляет 0,000024 на градус цельсия. Это означает, что алюминиевая шина длиной 10 метров при нагреве на 100 градусов удлинится на 24 миллиметра (расчёт: 10 000 миллиметров умножить на 0,000024 умножить на 100 равно 24 миллиметра). Если шина длиннее (например, 50 метров), удлинение может достигать 120 миллиметров и более.
Что произойдёт, если шине не дать расширяться? В ней возникнут механические напряжения — так называемые температурные напряжения. Эти напряжения могут быть огромными. При жёсткой заделке концов шины они вызовут изгиб самой шины (она выгнется дугой), разрушение опорных изоляторов или разрыв контактных соединений. Избежать этого можно, установив в шинопровод компенсаторы, которые делят длинную шину на отдельные участки и позволяют каждому участку свободно расширяться.
Как рассчитать тепловое расширение шины
Чтобы подобрать компенсатор, нужно сначала рассчитать, насколько удлинится шина на участке между двумя компенсаторами (или между компенсатором и свободным концом). Формула расчёта удлинения выглядит так: удлинение в миллиметрах равно длине участка между компенсаторами в миллиметрах, умноженной на коэффициент линейного расширения материала (для алюминия 0,000024) и на разность между максимальной и минимальной температурой шины в градусах цельсия.
Важно правильно оценить разность температур. Это не просто разница между летней и зимней температурой воздуха. Шина может нагреваться от тока до 70-90 градусов даже зимой. Минимальная температура — это зимняя температура воздуха (например, -30 градусов). Максимальная — это температура шины при максимальной нагрузке в самый жаркий летний день. Для ответственных расчётов разность температур можно принимать 100-120 градусов. Например, от -30 зимой (отключённая шина) до +90 летом под нагрузкой.
Пример расчёта. Участок шинопровода длиной 12 метров (12 000 миллиметров). Разность температур 100 градусов. Удлинение составит: 12 000 умножить на 0,000024 умножить на 100 = 28,8 миллиметра. Значит, компенсатор должен иметь ход (способность растягиваться или сжиматься) не менее 29 миллиметров в каждую сторону.
Характеристики алюминиевых компенсаторов: ход и размеры
Стандартные алюминиевые шинные компенсаторы имеют определённый ход — максимальную величину растяжения и сжатия. Для серий, соответствующих кша, установлены следующие параметры: ход на растяжение — 18 миллиметров, ход на сжатие — 100 миллиметров. Допустимая температура нагрева компенсатора — до +95 градусов цельсия.
Обратите внимание: 100 миллиметров на сжатие — это очень много, но 18 миллиметров на растяжение — значительно меньше. Поэтому при монтаже компенсатор должен быть установлен таким образом, чтобы основное тепловое расширение шины происходило в сторону сжатия. То есть в холодном состоянии компенсатор должен быть слегка растянут (на половину расчётного удлинения), а при нагреве он будет сжиматься. Или, что проще, компенсатор монтируют с небольшим «провисом» в холодном состоянии, который при нагреве распрямляется, обеспечивая ход на растяжение.
Для большинства шинопроводов одного компенсатора хватает на участок длиной 10-15 метров. Если расчётное удлинение превышает 18 миллиметров, нужно либо уменьшать длину участка (ставить больше компенсаторов), либо использовать компенсаторы нестандартной конструкции с увеличенным ходом.
Типоразмеры компенсаторов для плоских шин
Компенсаторы для плоских алюминиевых шин выпускаются для шин толщиной 5 и 10 миллиметров и шириной от 50 до 120 миллиметров. Основные типоразмеры и их характеристики приведены ниже.
Для шины сечением 50х5 миллиметров (ширина 50 миллиметров, толщина 5 миллиметров) выпускаются компенсаторы. Номинальный ток — 630 ампер. Длина сварного компенсатора составляет 250 миллиметров. Длина болтового компенсатора — 310 миллиметров.
Для шины 60х10 миллиметров выпускается компенсатор. Номинальный ток — 1000 ампер. Длина сварного — 300 миллиметров. Длина болтового — 370 миллиметров.
Для шины 80х10 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 1250 ампер. Длина сварного — 300 миллиметров. Длина болтового — 370 миллиметров.
Для шины 100х10 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 1600 ампер. Длина сварного — 300 миллиметров. Длина болтового — 410 миллиметров.
Для шины 120х10 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 2000 ампер. Длина сварного — 300 миллиметров. Длина болтового — 450 миллиметров.
Обратите внимание: сварные компенсаторы значительно короче болтовых (300 миллиметров против 370-450 миллиметров). Это важно, если пространство для установки ограничено. Однако болтовые компенсаторы удобнее в монтаже и замене — не нужна сварка. Ход компенсаторов (растяжение 18 миллиметров, сжатие 100 миллиметров) одинаков для всех типоразмеров.
Типоразмеры компенсаторов для коробчатых шин
Для мощных коробчатых алюминиевых шин (шины сложного профиля, часто используемые в главных токопроводах) выпускаются компенсаторы специальной серии. Они имеют большую длину и рассчитаны на значительно большие токи.
Для коробчатой шины 100х100 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 2500 ампер. Длина компенсатора — 120 миллиметров.
Для шины 125х125 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 4000 ампер. Длина — 145 миллиметров.
Для шины 150х150 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 5000 ампер. Длина — 170 миллиметров.
Для шины 175х175 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 6300 ампер. Длина — 195 миллиметров.
Для шины 200х200 миллиметров — компенсатор. Номинальный ток — 8000 ампер. Длина — 220 миллиметров.
Все компенсаторы для коробчатых шин выпускаются только для сварного присоединения. Ход у них, как правило, больше, чем у компенсаторов для плоских шин, но его следует уточнять в документации.
Как определить длину участка между компенсаторами
Зная ход компенсатора, можно рассчитать максимальную длину участка шины, который может обслужить один компенсатор. Для этого нужно преобразовать формулу теплового расширения.
Максимальная длина участка равна ходу компенсатора, делённому на произведение коэффициента расширения и разности температур. Для алюминия коэффициент 0,000024. При разности температур 100 градусов и ходе на растяжение 18 миллиметров: максимальная длина = 18 / (0,000024 × 100) = 18 / 0,0024 = 7500 миллиметров = 7,5 метра.
Это означает, что если шина может расширяться только в сторону растяжения компенсатора, расстояние между двумя жёсткими точками не должно превышать 7,5 метра. Однако на практике за счёт того, что компенсатор может работать и на сжатие (ход 100 миллиметров), и за счёт выбора точки установки компенсатора в середине участка, расстояние между компенсаторами можно увеличить.
Наиболее распространённая практика: расстояние между компенсаторами (или между компенсатором и концом шины) принимают 10-15 метров. При разности температур 100 градусов это даст удлинение 24-36 миллиметров, что укладывается в суммарный ход компенсатора (18+100=118 миллиметров) при правильном выборе начальной установки (смещение в холодную сторону).
Выбор способа присоединения: сварное или болтовое
Алюминиевые компенсаторы выпускаются в двух исполнениях: для сварки и для болтового соединения. Выбор зависит от условий монтажа и обслуживания.
Сварное соединение предпочтительнее для новых объектов. Оно обеспечивает минимальное переходное сопротивление, не требует обслуживания, и сварной компенсатор короче (250-300 миллиметров). Сварка выполняется аргонодуговой сваркой. Однако сварка требует квалифицированного сварщика и специального оборудования, и при повреждении компенсатора его сложно заменить.
Болтовое соединение удобно для ремонта и модернизации. Компенсатор можно заменить, не демонтируя всю шину. Болтовое соединение не требует сварки, что важно во взрывоопасных зонах или на уже работающих объектах. Недостаток — большая длина (310-450 миллиметров) и необходимость периодически проверять и подтягивать болты, так как алюминий «течёт» под давлением, и контакт может ослабнуть.
Важное правило: при болтовом соединении необходимо использовать специальные шайбы (пружинные или тарельчатые) и смазывать контактные поверхности токопроводящей пастой для защиты от окисления алюминия.
Допустимая токовая нагрузка компенсаторов
Выбирая компенсатор, нельзя забывать о его токовой нагрузке. Номинальный ток компенсатора должен быть не меньше максимального длительного тока шины.
Для компенсатора на шину 50х5 — 630 ампер. Для шины 60х10 — 1000 ампер. Для шины 80х10 — 1250 ампер. Для шины 100х10 — 1600 ампер. Для шины 120х10 — 2000 ампер.
Для коробчатых шин: от 2500 до 8000 ампер в зависимости от типоразмера.
При выборе компенсатора всегда берите запас по току 10-20 процентов. Если расчётный ток шины 1100 ампер, компенсатор для шины 80х10 на 1250 ампер подойдёт, а компенсатор для шины 100х10 на 1600 ампер будет ещё лучше.
Примеры из практики
Первый пример. Распределительное устройство с алюминиевой шиной 80х10 миллиметров. Длина участка между двумя опорными изоляторами — 14 метров. Максимальная температура шины под нагрузкой — +80 градусов, минимальная зимняя — -30 градусов. Разность температур = 110 градусов. Удлинение: 14 000 × 0,000024 × 110 = 37 миллиметров. Выбираем компенсатор для шины 80х10. Ход компенсатора на растяжение 18 миллиметров, на сжатие 100 миллиметров. Устанавливаем компенсатор в середине участка со смещением в холодную сторону, чтобы при нагреве он сжимался. Компенсатор справится. Тип присоединения — сварной, так как объект новый.
Второй пример. Реконструкция цеха. Старая алюминиевая шина 100х10 уже смонтирована. Нужно установить компенсатор без сварки. Выбираем болтовой компенсатор для шины 100х10. Ток шины — 1500 ампер, компенсатор рассчитан на 1600 ампер — подходит. Длина болтового компенсатора 410 миллиметров. Проверяем, хватает ли места в существующем проёме. Ход компенсатора стандартный — 18 миллиметров на растяжение, 100 миллиметров на сжатие.
Третий пример. Главный токопровод на подстанции с коробчатой шиной 150х150. Ток до 5000 ампер. Выбираем компенсатор для коробчатой шины 150х150 сварного исполнения. Длина участка между компенсаторами — 12 метров. Удлинение при разности температур 100 градусов — 28,8 миллиметра. Компенсатор для коробчатой шины имеет увеличенный ход, поэтому проблем не будет.
Типовые ошибки при подборе
Ошибка первая — неправильный расчёт теплового расширения. Берут разность температур только по воздуху, забывая про нагрев шины током. Реальное удлинение оказывается больше, и компенсатора не хватает.
Ошибка вторая — игнорирование хода компенсатора. Ставят компенсатор, не рассчитав, какое удлинение ему придётся компенсировать. При длинных участках (более 15 метров) стандартного хода 18 миллиметров на растяжение может не хватить.
Ошибка третья — неправильная установка компенсатора. Монтируют его в холодном состоянии без запаса на растяжение или, наоборот, в сильно растянутом виде. В первом случае при нагреве он может порваться, во втором — не скомпенсировать расширение.
Ошибка четвёртая — несоответствие токовой нагрузки. Ставят компенсатор меньшего сечения, чем шина. Компенсатор перегревается и выходит из строя.
Ошибка пятая — использование медного компенсатора с алюминиевой шиной. Гальваническая коррозия разрушит контакт. Только алюминий к алюминию.
Подбор алюминиевого шинного компенсатора под длину и тепловое расширение — задача, решаемая в несколько шагов.
Первый шаг — рассчитайте тепловое удлинение шины на участке между предполагаемыми точками установки компенсаторов по формуле: удлинение равно длине участка, умноженной на 0,000024 и на разность температур (разность температур принимают 80-120 градусов в зависимости от климата и нагрева шины).
Второй шаг — определите необходимый ход компенсатора. Стандартные компенсаторы имеют ход на растяжение 18 миллиметров и на сжатие 100 миллиметров. Если расчётное удлинение превышает 18 миллиметров, уменьшайте длину участка (ставьте больше компенсаторов).
Третий шаг — выберите типоразмер компенсатора по сечению шины и току. Для плоских шин — типоразмеры от 50х5 до 120х10. Для коробчатых шин — специальная серия.
Четвёртый шаг — выберите способ присоединения: сварной для новых объектов (компактнее и надёжнее) или болтовой для ремонта и мест без сварки.
Пятый шаг — проверьте, что номинальный ток компенсатора не ниже тока шины. Берите с запасом 10-20 процентов.
Правильно подобранный компенсатор защитит алюминиевый шинопровод от разрушающих температурных напряжений и обеспечит долгую и надёжную работу оборудования. Не пренебрегайте расчётами — и ваша система прослужит десятилетия.