ЭФФЕКТИВНЫЕ СИЛЬНОТОЧНЫЕ ЧАШЕОБРАЗНЫЕ ТРУБЧАТЫЕ ПРОВОДНИКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к системам шин, а именно к системе шин, которая включает в себя эффективные сильноточные чашеобразные трубчатые проводники.

Уровень техники

В электрораспределительном оборудовании, включая распределительные щиты, распределительные устройства и центры управления электродвигателями для подключения нагрузки к автоматическим выключателям и другому защитному оборудованию используют проводники электрошин. Обычно проводники электрошин включают в себя одну или несколько вертикальных электрошин, обычно называемых «стояками» и одну или несколько горизонтальных электрошин. Существующие проводники электрошин включают в себя один или несколько плоских проводников, в зависимости от предполагаемого номинала тока или силы тока. Другие стояки имеют L-образный или U-образный профиль, однако по мере увеличения длины подобных проводников температура окружающего их воздуха из-за естественной конвекции повышается, что приводит к ухудшению рассеяния тепла и распределения тока. При использовании плоских электрошин, для устранения нежелательного теплового эффекта, дополнительные плоские электрошины соединяют между собой, однако это приводит к увеличению количества используемой дорогостоящей меди.

Еще одна проблема, связанная с этим, т.н. «поверхностный эффект», заключается в том, что плотность тока у поверхности проводника выше, чем в его центре. В частности, плоские электрошины демонстрируют относительно плохое распределение тока из-за поверхностного эффекта, поскольку электрическому току приходится проходить через плоские поверхности и резкие сгибы. Кроме этого, в многофазных системах смежные электрошины подвержены другому нежелательному явлению, т.н. «эффекту близости», связанному с тем, что токи одной фазы взаимодействуют с токами, проходящими в смежной фазе. В результате эффекта близости токи, вместо того, чтобы равномерно распределяться по всему сечению проводника, стремятся сконцентрироваться на стороне, расположенной ближе всего к смежному фазовому проводу. В результате этого отдельные пластины сердечника фазового провода могут нагреваться сильнее других в одной и той же фазе, что в результате приводит к неравномерному распределению тока по пластинам сердечника, образующим проводящую фазу.

Профилированные электрошины обычно экструдируются в пресс-формах, что дорого, к тому же если потребуется изменить профиль электрошины, то изменение пресс-формы является трудной задачей. Таким образом, в области современных многофазных систем электрошин существует потребность, по меньшей мере, в усовершенствованной системе электрошин, усовершенствованном способе изготовления электрошин, а также в уменьшении последствий «эффекта близости». Раскрываемые в настоящем документе аспекты направлены на поиск решения или удовлетворение этих и других потребностей.

Раскрытие изобретения

Аспекты настоящего раскрытия изобретения направлены на систему шин, используемую в электрораспределительном оборудовании, которая включает в себя, в целом, чашеобразные проводники электрошин, которые устанавливаются как вертикально, так и горизонтально для подачи сильноточного (свыше 2000 ампер) переменного тока в электрораспределительную систему. По сравнению с электрошинами из предшествующего уровня техники, имеющими, например проводники L-образной или U-образной формы, в чашеобразных фазовых проводниках электрошин может использоваться меньшее количество меди, которая является дорогим материалом, обеспечивая при этом лучшее рассеяние тепла и распределение тока, что позволяет подавлять поверхностный эффект и следовательно снижать потери напряжения. Чашеобразные проводники электрошин также являются относительно более жесткими по сравнению с электрошинами из предшествующего уровня техники.

По особому аспекту настоящего изобретения также уменьшается влияние эффекта близости на проводящие фазы за счет установки вертикальных магнитных экранов из углеродистой стали между смежными парами вертикальных электрошин. Эффект близости связан с нежелательной тенденцией тока проходить по поверхности проводника, расположенной вблизи проводника смежной фазы, что в результате приводит к неровному распределению тока через фазовый провод и неравномерному нагреву проводников электрошины. Поверхностный эффект усиливает подобный эффект близости, поскольку электрический ток уже предпочтительно распространяется по поверхности проводника. Магнитный экран подавляет эффект близости и повышает общую эффективность электрошин за счет более равномерной и симметричной плотности тока в проводниках.

Пара оппозитно расположенных чашеобразных проводников, каждый из которых в сечении напоминает половину шестигранника или открытую трехстороннюю равнобедренную трапецию, разделена воздушным зазором, как при горизонтальной, так и при вертикальной компоновке, образуя в сечении восьмигранник, у которого воздушные зазоры образуют две стороны восьмигранника. Воздушный зазор усиливает эффективность охлаждения за счет естественной конвекции, увеличивая площадь поверхности проводников, непосредственно обдуваемую воздушным потоком в кожухе, внутри которого расположены электрошины. В результате этого общая температура системы шин снижается. Пара симметричных чашеобразных проводников наиболее приближена к круглому сечению форм из предшествующего уровня техники, образуя более плавные переходы между изгибами проводников, по которым проходит электрический ток. Подобные плавные переходы улучшают распределение тока по всему проводнику, уменьшая поверхностный эффект. В результате улучшается рассеяние тепла и ослабляются поверхностные эффекты, а общее количество меди и других токопроводящих материалов, используемых в электрошинах для обеспечения такого же номинала тока, как в и электрошинах из предшествующего уровня техники, существенно уменьшается.

Электрошины по настоящему изобретению легко изготавливаются путем осуществления двух сгибов на 60 градусов с боков плоского листа токопроводящего материала. Подобный способ изготовления может использоваться как для производства горизонтальных, так и вертикальных электрошин и позволяет избежать дорогостоящих и трудоемких технологий экструдирования.

Нахождение точного баланса между оптимальным рассеянием тепла и энергоснабжением - не простоя задача, на которую влияет множество конкурирующих факторов и соображений. Раскрытие настоящего изобретения позволяет сбалансировать данные факторы и соображения более оптимальным образом по сравнению с конструкциями электрошин из предшествующего уровня техники.

Вышеупомянутые и дополнительные аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области техники после ознакомления с подробным описанием различных вариантов осуществления и/или аспектами со ссылкой на чертежи, краткое описание которых предлагается ниже.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутые и другие преимущества изобретения станут очевидны после ознакомления со следующим подробным описанием и ссылками на чертежи.

На фиг.1 в изометрической проекции показана система электрошин, в которой примерно чашеобразные вертикальные и горизонтальные электрошины соединены переходными соединителями.

На фиг.2 представлен другой вид в изометрической проекции системы электрошин по фиг.1, интегрированной в подузел, который включает в себя возвратные линии (проводники) для сопряжения с возвратными линиями, соединенными с вертикальными электрошинами;

На фиг.3 показан вид сверху системы электрошин и подузла по фиг.2 вдоль линии А-А;

На фиг.4 показан вид сбоку системы электрошин и подузла по фиг.2 вдоль линии В-В;

На фиг.5 показан вид в изометрической проекции системы шин по другому аспекту, причем вертикальный магнитный экран расположен между каждой из смежных пар электрошин; и

На фиг.6 показан вид сверху системы электрошин по фиг.5 вдоль линии С-С.

Осуществление изобретения

Хотя изобретение будет описано со ссылкой на некоторые аспекты и/или варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено подобными конкретными аспектами и/или вариантами осуществления. Наоборот, изобретение ставит целью охватить любые альтернативные варианты, модификации, а также аналогичные компоновки, которые могут составлять объем и сущность изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Изометрический вид системы 100 электрошин для использования в электрораспределительном оборудовании, таком как распределительные устройства, распределительные щиты, а также центры управления электродвигателями показан на фигурах 1 и 2. На фиг.2 показана система 100 электрошин, интегрированная в подузел 200 в кожухе электрораспределительного оборудования. Система 100 электрошин включает в себя три вертикальные электрошины или стояки 102а, b, с, по одному для каждой из фаз многофазной цепи переменного тока электрораспределительного оборудования (не показано). Верхние части трех вертикальных электрошин 102а, b, c электрически связаны с основаниями трех горизонтальных электрошин 104а, b, с соответствующими переходными соединителями 106а, b, с. Электрошины 102, 104 изготовлены из проводящего материала, в том числе из меди. Основания трех вертикальных электрошин 102а, b, с соединены с соответствующими возвратными линиями 108а, b, с для соединения, например, с защитным оборудованием, таким как, автоматический выключатель. Первая возвратная линия 108а включает в себя первую и вторую возвратные секции 110а, 112а. Аналогичным образом, вторая возвратная линия 108b включает в себя первую и вторую возвратные секции 110b, 112b, а третья возвратная линия 108с включает в себя первую и вторую возвратные секции 110с, 112с. Первая вертикальная электрошина 102а включает в себя первый вертикальный проводник 120а, а также второй вертикальный проводник 122а. Аналогичным образом вторая вертикальная электрошина 102b включает в себя первый вертикальный проводник 120b, а также второй вертикальный проводник 122b, а третья вертикальная электрошина 102с включает в себя первый вертикальный проводник 120с, а также второй вертикальный проводник 122с. Первая горизонтальная электрошина 104а включает в себя первый горизонтальный проводник 130а, а также второй горизонтальный проводник 132а. Аналогичным образом вторая горизонтальная электрошина 104b включает в себя первый горизонтальный проводник 130b, а также второй горизонтальный проводник 132b, а третья горизонтальная электрошина 104 с включает в себя первый горизонтальный проводник 130с, а также второй горизонтальный проводник 132с.

Вертикальные электрошины 102а, b, с и горизонтальные электрошины 104а, b, с проходят в направлениях, которые, в целом, ортогональны по отношению друг к другу. Так на фиг.1 горизонтальные электрошины 104а, b, с проходят вдоль направления оси «x» (например, параллельно земной поверхности или поперечно направлению силы тяжести), тогда как вертикальные электрошины 102а, b, с проходят вдоль направления оси «z». Возвратные линии 108а, b, с проходят вдоль направления оси «y», ортогонально направлению оси «x», вдоль которого проходят горизонтальные электрошины 104а, b, с.

Первый переходный соединитель 106а включает в себя первую соединительную секцию 114а, а также вторую соединительную секцию 116а. Аналогичным образом второй переходный соединитель 106b включает в себя первую соединительную секцию 114b, a также вторую соединительную секцию 116b, а третий переходный соединитель 106с включает в себя первую соединительную секцию 114с, а также вторую соединительную секцию 116с. Другими словами каждый соединительный элемент 114, 116 включает в себя секцию для соединения с каждой из половинок 130, 132 проводника электрошины 104. Соединители 114, 116 предпочтительно соединены, с одной стороны с основанием или бухтами 134, 135 (являющимися плоскими, незагнутыми частями чашеобразных проводников 130, 132) половинок 130, 132 проводников горизонтальных электрошин 104, а с другой стороны с основанием или бухтами 144, 145 половинок 120, 122 проводников вертикальных электрошин 102. Например, как это показано, первая соединительная секция 114а соединена с бухтой 134а первого горизонтального проводника 130а первой горизонтальной электрошины 104а у торца 115а первого горизонтального проводника 130а, а также у торца 147а первого вертикального проводника 120а первой вертикальной электрошины 102а у бухты 144а первого вертикального проводника 120а. Аналогичным образом вторая соединительная секция 116а соединена с бухтой 135а второго горизонтального проводника 132а первой горизонтальной электрошины 104а у торца 117а второго горизонтального проводника 132а, а также с торцом 149а второго вертикального проводника 122а первой вертикальной электрошины 102а у бухты 145а второго вертикального проводника 122а. Другие первые соединительные секции 114b, c и вторые соединительные секции 116b, с соединены аналогичным образом с соответствующими бухтами 134b, c, 135b, c, 144b, c, 145b, c у соответствующих торцов 115b, c, 117b, c, 147b, c, 149b, с, как это показано на фигурах 1-4.

Каждый парный проводник, например первый горизонтальный проводник 130а, включает в себя бухту 134а и две боковые секции 136а, 138а, которые обе загнуты в стороны от бухты 134а под тупыми углами, предпочтительно в 120 градусов (обозначенным углом α на фигурах 3 и 4). Аналогичным образом первый вертикальный проводник 120а, включает в себя бухту 144а и две боковые секции 146а, 148а, которые обе загнуты в стороны от бухты 144а под тупыми углами, предпочтительно в 120 градусов (углом а на фигурах 3 и 4).

Другие проводники 120b, 120с, 122а, 122b, 122с, 130b, 130с, 132а, 132b, 132с также включают в себя соответствующие бухты, соединяющие две боковые проводящие секции у соответствующих торцов аналогично тому, как это описано выше для проводников 130а, 120а. Каждый из первых и вторых проводников вертикальных и горизонтальных электрошин 102, 104, в целом, имеет чашеобразную форму или напоминает половинку правильного шестигранника и является зеркальным отображением другой половинки, а совместно каждая пара, при разделении ее зазором, образует примерно восьмигранную фигуру (зазоры являются двумя «сторонами» восьмигранника). Формулируя другими словами, свободный объем между проводящими половинками электрошин 102, 104 имеет в сечении, в целом, форму восьмигранника. Каждая из пар первых и вторых проводников 120, 122, 130, 132 расположена оппозитно напротив друг друга. Важным аспектом настоящего изобретения является наличие воздушного зазора между проводящими парами описываемых здесь электрошин. Первая вертикальная электрошина 102а включает в себя зазоры 142а, 143а соответственно между первым вертикальным проводником 120а и вторым вертикальным проводником 122а. Зазоры 142а, 143а предпочтительно имеют одинаковые размеры. Другие вертикальные электрошины 102b, с включают в себя идентичные пары зазоров 142b, 143b и 142с, 143с, соответственно, между первыми и вторыми вертикальными проводниками 120b, 122b и 120с, 122с. Аналогичным образом первая горизонтальная электрошина 104а включает в себя зазоры 154а, 156а соответственно между первым горизонтальным проводником 130а и вторым горизонтальным проводником 132а. Другие горизонтальные электрошины 104b,с также включают в себя идентичные пары зазоров 154b, 156b и 154с, 156с, соответственно, между первыми и вторыми горизонтальными проводниками 130b, 132b и 130с, 132с.

Зазоры 142, 143, 154, 156 пропускают воздух для вентилирования внутренних поверхностей проводников 120, 122, 130, 132. Горячий воздух, поднимающийся в результате конвекции, вверх по вертикальным проводникам 120, 122 может выходить через зазоры 142, 143, обеспечивая воздухообмен между относительно горячими внутренними поверхностями вертикальных проводников 120, 122 и более прохладным воздухом снаружи вертикальных проводников 120, 122. Вид сверху вертикальных электрошин 102 показан на фиг.3. При увеличении длины вертикальных проводников 120, 122 тепло, выделяемое переменным током очень большого ампеража (свыше 2000 ампер) снижает общую эффективность. Зазоры 142, 143 существенно уменьшают количество данного тепла, что в результате приводит к лучшему рассеянию тепла по сравнению с предшествующим уровнем техники. Оптимальный размер подобных зазоров может быть рассчитан при помощи обычного уравнения граничного слоя. Аналогичным образом зазоры 154, 156 в горизонтальных проводниках 130, 132 обеспечивают воздухообмен между относительно горячими внутренними поверхностями горизонтальных проводников 130, 132 и более прохладным воздухом снаружи горизонтальных проводников 130, 132. На фиг.4 представлен вид сбоку системы 100 шин вдоль горизонтальных электрошин 104. Поскольку зазоры 154, 156 выровнены в вертикальном направлении, нагретый воздух, поднимающийся в результате конвекции, беспрепятственно проходит через нижний зазор 154 и выходит наружу через верхний зазор 156. Точно также подобная компоновка существенно улучшает рассеяние тепла и исключает необходимость в использовании дополнительной меди для компенсации повышения температуры. В результате этого можно обеспечить такой же номинал тока (называемый также «силой тока») для электрошин, без увеличения количества используемой меди. На самом деле общее уменьшение количества используемой меди достигается за счет использования зазоров и/или парных электрошин примерно шестигранной формы.

Непосредственный обдув потоком воздуха большего количества поверхностей вертикальных и горизонтальных проводников 102, 104 значительно повышает эффективность охлаждения электрошин 102, 104 с помощью естественной конвекции. Воздух может свободно циркулировать между зазорами и не запирается внутри вертикальных проводников 120, 122 или горизонтальных проводников 130, 132. Общая температура электрошин снижается, что повышает эффективность электрошин. Положительный эффект от использования чашеобразных пар проводников, разделенных зазорами, еще более усиливается при увеличении длины проводников.

Подузел 200, показанный на фиг.2, включает в себя пару нижних стояков 202, соединяющих четыре комплекта сквозных шин 204, 206, 208, 210 для соединения с нулевым проводом и каждой из трех фаз. Сквозные шины 206, 208, 210 соединены с соответствующими нижними возвратными линиями 212. Возвратные линии 108, 212 обычно сопряжены с устройством защиты, таким как автоматический выключатель. Трансформаторы напряжения (не показаны) расположены между парами секций возвратных линий 110а, 112а, а также 110b, 112b и 110с, 112с. Горизонтальные электрошины 104 сопряжены с трансформатором.

Горизонтальные и вертикальные проводники могут изготавливаться по одной и той же технологии путем сгибания противоположных сторон плоского элемента из проводящего материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, медь, в сторону от плоскости, в которой лежит материал, под углом в 60 градусов. Специалистам, обладающим рядовыми знаниями в области металлообработки, будет понятно, что сгибание под углом в 60 градусов осуществлять легче, чем сгибание под углом в 90 градусов или круглое экструдирование. Таким образом, за счет использования повторяющегося, надежного производственного способа формирования чашеобразных проводников удается избежать дорогостоящих и трудоемких способов экстру дирования. Каждая из сторон может быть образована путем сгибания материала на расстоянии примерно 25-33% от бокового края плоского материала.

Достигается существенное уменьшение количества используемой меди, необходимой для обеспечения такой же силы тока, проходящего по шине по сравнению с решениями из предшествующего уровня техники. Например, для проводников 120, 122, 130, 132, в целом, требуется на 25-30% меньше меди по сравнению с конструкцией электрошин из предшествующего уровня техники. По сравнению с L-образными электрошинами такого же номинала, в целом, достигается уменьшение количества используемой меди на 8-9%.

На фиг.5 в изометрической проекции показана такая же система шин, как и на фиг.1, с той лишь разницей, что между двумя парами смежных вертикальных электрошин установлены вертикальные магнитные экраны, таким образом, что магнитные экраны проходят параллельно вертикальным электрошинам. Магнитный экран 500а расположен вертикально в пространстве между первой вертикальной электрошиной 102а и второй вертикальной электрошиной 102b. Другой магнитный экран 500b расположен вертикально в пространстве между второй вертикальной электрошиной 102b и третьей вертикальной электрошиной 102 с. На фиг.6 показан вид сверху магнитных экранов 500а, b. Магнитные экраны изготовлены из магнитного материала, предпочтительно углеродистой стали, и могут быть толщиной от 70 до 96 тысячных дюйма (от 1,778 до 2,4384 мм). Магнитные поля 500а, b уменьшают влияние эффекта близости на вертикальные электрошины 102. Эффект близости связан с нежелательной тенденцией тока проходить по поверхности проводника, расположенной ближе к смежному проводнику, нарушая распределение тока в смежном фазовом проводе, что в результате приводит к неровному распределению тока в смежном фазовом проводе и неровному нагреванию проводников. Поверхностный эффект усиливает подобный эффект близости, поскольку электрический ток уже предпочтительно распространяется по поверхности проводника. Магнитные экраны 500а, b подавляет эффект близости и повышают общую эффективность электрошин 102 за счет более равномерной и симметричной плотности тока в проводниках 120, 122.

Хотя рассмотренные выше аспекты относятся к проводникам, имеющим в сечении форму примерно половинки шестигранника, таким образом, чтобы каждый тупой угол, образуемый между бухтами 134, 135, 144, 145 и соответствующими боковыми секциями 146, 148 проводников был равен 120 градусам (угол а, показанный на фигурах 3 и 4), по другим аспектам сечение может иметь форму трехсторонней равнобедренной трапеции с тупым углом между основанием и соответствующим боковыми секциями проводников отличным от 120 градусов. Система 100 электрошин, показанная на фигурах, предназначена для распределения трехфазного тока, однако по другим аспектам раскрываемые здесь проводники могут использоваться и в однофазных распределительных системах. В однофазных системах магнитные экраны, показанные на фигурах 5-6, не требуются, если рядом с проводниками не проходят другие находящиеся под напряжением проводники. Хотя показано, что переходные соединители 106 имеют сгибы под 90 градусов, по другим аспектам переходные соединители 106 могут быть согнуты под другими углами, по отдельности или совместно, в зависимости от расположения других компонентов электрораспределительного оборудования. Тупой угол обеспечивает более равномерную плотность тока в точке перехода по сравнению с прямым или острым углом, что в результате обеспечивает более эффективную передачу тока с вертикальных электрошин 102 на горизонтальные электрошины 104. Хотя в рассматриваемых выше проводниках для получения чашеобразной формы используется два сгиба, настоящее изобретение допускает использование более двух сгибов для большего приближения к полукруглой форме. В результате проводники, при размещении их оппозитно напротив друг друга и разделении их зазором, имеют приблизительно круглое сечение. Таким образом, считается, что, по меньшей мере, два сгиба образуют в сечении шестигранный воздушный проход между парами проводников, однако по другим аспектам для образования более круглого сечения могут использоваться более двух сгибов. Большее количество сгибов усложняет изготовление, поэтому использование двух сгибов для получения предпочтительной чашеобразной формы является компромиссным решением между приближением к, в целом, круглой форме и простотой изготовления, а также совместимостью с другими компонентами, используемыми в распределительном оборудовании. В заключение, хотя изображенные зазоры между проводниками показаны сквозными по всей длине проводников, по другим аспектам зазоры могут проходить не по всей длине проводников. Например, проводники могут быть соединены в нескольких точках по их длине, а один или несколько зазоров могут быть образованы там, где соединения между проводниками отсутствуют.

Несмотря на то, что были показаны и описаны конкретные аспекты, варианты осуществления и применяемость настоящего изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничено конкретной конструкцией и компоновками, раскрываемыми в настоящем документе, и что на основании представленного выше описания в нем возможны различные модификации, изменения и варианты не отходя от объема и сущности изобретения, определяемого в прилагаемой формуле изобретения.