Detaillierte Erläuterung der Auswahl von Kupfersammelschienen, der Berechnung der Strombelastbarkeit und des Biegeprozesses für Hochspannungsschaltanlagen

Die Strombelastbarkeit einer elektrischen Kupfersammelschiene bezieht sich auf den maximalen Strom, den sie unter bestimmten Bedingungen kontinuierlich führen kann, ohne ihre zulässige Temperatur zu überschreiten. In der praktischen Technik ist die Strombelastbarkeit einer Biegekupfersammelschiene kein fester Wert, sondern ein dynamischer Parameter, der von verschiedenen Faktoren wie Installationsmethode, Umgebungstemperatur, Querschnittsform und Anzahl der Schichten beeinflusst wird.

Erstens hat die Installationsmethode einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeableitung. Die Installationsmethoden innerhalb des Schranks werden hauptsächlich in horizontale und vertikale Platzierung unterteilt. Da bei vertikaler Platzierung die Wärmeableitungsfläche besser ausgenutzt wird und eine bessere Luftkonvektion erreicht wird, ist die Stromtragfähigkeit bei vertikaler Platzierung in der Regel etwas größer als bei horizontaler Platzierung. Aus diesem Grund werden Hauptsammelschienen in großen Verteilerschränken meist vertikal verlegt.

Zweitens ist die Umgebungstemperatur eine entscheidende Variable, die berücksichtigt werden muss. Die Design-Referenzumgebungstemperatur beträgt normalerweise 35 Grad oder 40 Grad. Wenn die tatsächliche Umgebungstemperatur höher als dieser Referenzwert ist, verringert sich die Strombelastbarkeit der Chatsworth-Erdungsschiene und muss mit dem entsprechenden Temperaturkorrekturfaktor multipliziert werden. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Temperatur, desto mehr kann die Strombelastbarkeit entsprechend erhöht werden.

Bei der technischen Schätzung können wir empirische Formeln für eine schnelle Berechnung verwenden. Bei einer einzelnen gebogenen Kupfersammelschiene entspricht die Stromtragfähigkeit ungefähr der Sammelschienenbreite (mm) multipliziert mit einem Dickenkoeffizienten. Der Dickenkoeffizient hängt von der Dicke der Kupfer-Erdungssammelschiene ab. Beispielsweise hat eine 10 mm dicke Sammelschiene einen Koeffizienten von etwa 18 und eine 12 mm dicke Sammelschiene einen Koeffizienten von etwa 20.

Bei mehrschichtigen Strukturen ist die Stromtragfähigkeit aufgrund der schlechteren Wärmeableitung keine einfache Mehrfachaddition. Die Stromtragfähigkeit einer zweischichtigen Sammelschiene beträgt typischerweise etwa das 1,56- bis 1,58-fache der einer einschichtigen Sammelschiene, bei drei Schichten etwa das Zweifache und bei vier Schichten etwa das 2,45-fache. Es ist jedoch zu beachten, dass vier Schichten und mehr für technische Anwendungen aufgrund von Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung und einem erheblichen Skin-Effekt nicht empfohlen werden; Es wird empfohlen, stattdessen unregelmäßig geformte Stromschienen oder einschichtige Stromschienen mit größeren Querschnitten zu verwenden.

Bei der Konstruktion von Hochspannungsschaltanlagen reicht es bei weitem nicht aus, lediglich die Anforderungen an die Nennstrombelastbarkeit zu erfüllen. Die elektrische Erdungsschiene muss in der Lage sein, den Auswirkungen des Kurzschlussstroms des Systems standzuhalten, d. h. die Anforderung „Kurzschlussstromfestigkeit“ zu erfüllen. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Elektrolytkupfer-Sammelschiene im Falle eines Kurzschlussfehlers nicht durch Überhitzung schmilzt oder Geräteschäden verursacht.

Gemäß der Formel in Anhang D der Norm GB3906 können wir die minimale Querschnittsfläche der isolierten Erdungsschiene basierend auf den thermischen Stabilitätsbedingungen berechnen. Die Formel lautet: S=(I / a) × √(t / Δθ). Dabei ist S die Querschnittsfläche des Leiters, I der Nennkurzzeitstrom (Kurzschlussstrom), a der Materialkoeffizient (13 für Kupfer), t die Kurzschlussdauer (normalerweise 4 Sekunden für Hochspannungssysteme) und Δθ der Temperaturanstieg (normalerweise 215 K für blanke Leiter).

Diese Formel kann verwendet werden, um die Mindestquerschnittsflächenanforderungen für verschiedene Kurzschluss-Nennwerte abzuleiten. Beispielsweise muss für ein 25-kA/4S-System die Mindestquerschnittsfläche der Telekommunikations-Erdungsschiene 260 mm² betragen; für ein 31,5kA/4S-System muss die Mindestquerschnittsfläche 330mm² betragen; und für ein 63kA/4S-System müssen es 660mm² sein. Bei der eigentlichen Auswahl müssen Konstrukteure die für den Nennstrom erforderliche Querschnittsfläche und die für die Kurzschlussfestigkeit erforderliche Querschnittsfläche berechnen und den Maximalwert der beiden als endgültige Auswahlbasis verwenden. Beispielsweise erfordert ein Stromkreis mit einem Nennstrom von 630 A nur einen Querschnitt von 40 × 6 mm. Wenn der Systemkurzschlussstrom jedoch 31,5 kA beträgt, muss ein Querschnitt von mindestens 330 mm² (z. B. 60 × 6) ausgewählt werden, um die Systemsicherheit zu gewährleisten.

Die Bearbeitungsgenauigkeit der BusBar für Siemens wirkt sich direkt auf die einfache Installation im Schaltschrank und die Einhaltung elektrischer Abstände aus. Während des Biege- und Stanzvorgangs muss die „Materiallänge“, also die ungefaltete Länge, genau berechnet werden. Da die BusBar für Weidmüller am Biegepunkt eine plastische Verformung erfährt-wird die Außenseite gedehnt und verlängert, während die Innenseite gestaucht und verkürzt wird-muss ein Kompensationskoeffizient in die Berechnung einbezogen werden.

Für gängige flache Biegungen (rechtwinklige Biegungen) wird im Ingenieurwesen üblicherweise entweder die „externe Berechnungsmethode“ oder die „interne Berechnungsmethode“ verwendet. Die allgemeine Formel für die externe Berechnungsmethode lautet: Gesamtlänge=Summe der Außenabmessungen jedes Segments + Kompensationswert - Koeffizient × Anzahl der rechten -Winkelbiegungen. Der spezifische Kompensationskoeffizient hängt von der Dicke des Sammelschienenisolators ab. Beispielsweise kann bei 3 mm dicken Materialien für jede rechtwinklige Biegung ein zusätzliches Aufmaß von ca. 0,3 mm erforderlich sein, bei 10 mm dicken Materialien sogar noch mehr. Bei der Verarbeitung von mehrschichtigen Biegungen oder komplexen Formen müssen auch die Auswirkungen des Biegeradius und des Rückfederungswinkels berücksichtigt werden.

Darüber hinaus müssen die Sammelschienen für Mersen Ferraz in der Hochspannungsschaltanlage normalerweise abgeschrägt oder abgerundet sein, um eine Spitzenentladung zu verhindern. Dadurch wird nicht nur die elektrische Feldverteilung verbessert, sondern auch die Isolationsleistung verbessert. Bei der Herstellung müssen Biegewinkel und Maßtoleranzen streng kontrolliert werden, um eine minimale Belastung bei der Installation der Kupfer-Erdungsschiene zu gewährleisten und Schäden an Isolationskomponenten oder ungleichmäßige Belastungen der Kontaktflächen aufgrund einer erzwungenen Installation zu verhindern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl und Konstruktion von Verteilungssammelschienen ein komplexes Systemtechnikprojekt ist, das elektrische Berechnungen und mechanische Prozesse integriert. Nur unter umfassender Berücksichtigung der Strombelastbarkeit, der thermischen Stabilität sowie der tatsächlichen Herstellungs- und Installationsbedingungen kann ein wirtschaftliches und sicheres Stromverteilungssystem konzipiert werden.