Система с двумя медными шинами
Шинопроводы, состоящие из плоских стержней
Конструкция сборной шины обычно выполняется путем объединения нескольких плоских стержней параллельно для каждой фазы. По практическим соображениям расстояние между стержнями составлено равным их толщине, что приводит к эффекту кожи и близости.
Рисунок 1 - Дополнительный коэффициент потерь в группах плоских баров
Если говорить о опубликованных результатах, то нет точных количественных оценок этих комбинированных эффектов. Порядка величины коэффициента дополнительной потери K приведен на рисунке 1 для 2 поперечных сечений меди: 100 x 5 и 100 x 10 мм.
Для каждой группы из 1, 2, 3 или 4 баров точки, соответствующие опубликованным результатам, окружают заштрихованную область, в которой должно располагаться вероятное значение K. При отсутствии каких-либо более точных результатов поиск значения K для набора стержней любого размера может быть выполнен с использованием кривых на рисунке 1 и приравнивания набора к одной полосе той же высоты, но ширины равной общей ширине всего набора. Сопротивление Rc эквивалентно сопротивлению всех стержней параллельно.
Коэффициент К здесь определяется избытком, но эта экстраполяция действительна только для стержней, которые не разделены больше, чем их толщина.
По сути, щедрое расстояние и разумное расположение стержней приводят к уменьшению коэффициента потерь; например, на рисунке 2 показаны коэффициенты К для групп из 3, 4, 6 и 8 брусков 100 х 6 мм; самые близкие штанги расположены на расстоянии 6 мм, самые дальние 60 мм. Относительная прибыль от потерь составляет 20% для 3 баров и 40% для 4 баров, в зависимости от того, находятся ли они в одной или двух партиях. Редко, что использование 5 баров, сгруппированных вместе, рассматривается из-за высокого коэффициента потерь, вызванного неадекватным использованием центрального бара.
Рисунок 2 - Дополнительный коэффициент потерь в группах от 3 до 8 плоских стержней в зависимости от их расположения
Было также предложено разместить 4 бара фазы вдоль краев квадрата, что дает преимущества трубчатого проводника, но опоры и отводы становятся довольно сложными здесь. Все эти признаки касаются скин-эффекта, действующего одновременно с эффектом близости, в группе из нескольких баров одной и той же фазы; для трех фаз, если расстояние между ближайшими брусками из двух разных фаз меньше, чем в два раза выше высоты этих стержней, эффект обратной близости действует в дополнение к двум предыдущим эффектам.
Чтобы получить значение коэффициента K, дающего увеличение соответствующих потерь, следует обратиться к нормам DIN no. 43.671 (23), которые дают коэффициент K4 для стержней толщиной 5 или 10 мм или для ссылки (24), в которой средние геометрические расстояния различных форм проводника позволяют провести соответствующий расчет.
Устройство, представляющее особый интерес для трехфазной системы, представляет собой так называемый сэндвич: сборные шины, соединенные друг с другом или переставляемые. Полосы каждой из фаз не помещаются в независимые группы для каждой фазы, а наоборот расположены между собой.
Рисунок 3 - Шина с 2 барами на фазу (J, R, V)
Шина, имеющая 2 бара на фазу (J, R, V), расположена таким образом, как на рисунке 3; эффекты близости устраняются, плотность тока в каждом баре почти одинакова, а коэффициент К немного больше 1.
Два недостатка ограничивают общее использование этого процесса: некоторые осложнения в соединении и соединениях, а также трудность получения изоляции фаз даже при низких напряжениях.
Дополнительным преимуществом является уменьшение электродинамических напряжений, к которым можно добавить уменьшение индуктивности на фазу в 10 раз; эта последняя характеристика шин сэндвич-типа благоприятно влияет на индуцированное падение напряжения при нормальной работе, но приводит к увеличению значения тока короткого замыкания.
верхний
Минимальное отопление или уменьшение дополнительных потерь?
До сих пор упомянутые эффекты были проанализированы только с точки зрения увеличения эффективного сопротивления переменного тока, то есть дополнительных потерь, вызванных эффектом Джоуля.
Нормальным следствием является увеличение нагрева проводников, но это иногда компенсируется принятием устройства, которое способствует охлаждению излучением или конвекцией. Теперь нагрев в настоящее время является единственным важным критерием, принятым во внимание при проектировании сильноточного проводника; однако минимальное нагревание не всегда встречается в сочетании с самым низким коэффициентом потерь; из рисунка 15 видно, что коэффициент К более или менее одинаковый для одного 100 х 10 бар или двух 100 х 5 бар, но из-за большей охлаждающей поверхности в последнем случае возможно при эквивалентных нагреваниях, для получения тока на 10% больше и, следовательно, потерь, которые на 20% больше.
Другим характерным примером является трубчатый проводник, оптимизированная форма которого гарантирует коэффициент К, близкий к 1; однако эта трубка имеет наименьшую охлаждающую поверхность (без какой-либо принудительной вентиляции внутри), и на рис. 4 видно, что она далека от того, что профиль имеет самый высокий ток для нагрева и поперечного сечения, другие конфигурации.
Рисунок 4 - Сравнение профилей с равным полным поперечным сечением
Дизайнеру высоковольтного проводника иногда рекомендуется выбирать технологию не только в соответствии с произведенным нагревом, но и в соответствии с суммарными потерями.
верхний
Сопротивление металла, меди или алюминия?
Предполагалось, что в предшествующем металле используется медь; теперь следует отметить, что эффекты кожи и близости становятся более заметными по мере уменьшения сопротивления.
Таким образом, медный проводник будет иметь более высокий коэффициент потерь, чем тот же проводник из алюминия, но последний, требующий поперечного сечения в 1, 6 раза больше, чтобы получить такое же сопротивление (для постоянного тока), утрачивает это преимущество над медным проводником, два проводника имеют одинаковый коэффициент K для той же формы и то же сопротивление Rc.
На практике замена меди на алюминий не производится на основе эквивалентного сопротивления или падения напряжения, а скорее на эквивалентном нагреве; это означает умножение поперечного сечения только на 1, 4-1, 5, чтобы учесть улучшение охлаждения большей поверхности.
Подводя итог, для равного нагрева алюминиевый проводник имеет лучший коэффициент потерь, чем эквивалентный медный проводник; не следует забывать, что это влечет за собой более высокие потери, которые должны быть эвакуированы и также оплачены.
Цена за килограмм и намного меньшая плотность алюминия являются определяющими факторами, которые приводят к тому, что металл выбирается для проводников с высокой интенсивностью тока.
верхний
Влияние частоты
В предыдущих расчетах учитывалась только промышленная частота 50 Гц; их точность, которая только относительна, делает их действительными для частот до 60 Гц. Дополнительный коэффициент потерь для скин-эффекта в цилиндрических проводниках (трубах и плоских стержнях) при 50 или 60 Гц может использоваться для любой другой частоты с указанными исправлениями.
Среди этих частот 25 Гц почти никогда не используется; так как для 16 2/3 Гц он может быть ассимилирован для постоянного тока. Серьезные проблемы скин-эффекта устанавливаются частотой 400 Гц, которая используется для специальных цепей (морской, авиационный и т. Д.), Как только ток достигает нескольких сотен ампер: «кожа» меди уменьшается до 3 мм на этой частоте.
В промышленных сетях гармонические токи, имеющие частоты, кратные 50 Гц (гармоники 3 и 11 вызывают наибольшую неприятность), могут быть наложены на основную частоту. Эти токи сталкиваются с эффективным увеличением сопротивления и значительными потерями и нагревом.
ИСТОЧНИК: Техника Schneider Electric Cahier no. 83 - Дополнительные потери, вызванные сильными токопроводящими проводниками при воздействии скинов и близости - Загрузить здесь