Надежный путь для электрического тока. И не только…
У слова «шина» немало значений. В эпоху всеобщей автомобилизации каждому известно, что шина - это выполненная из прорезиненной ткани часть автомобильного (мотоциклетного, велосипедного и проч.) колеса, служащая для уменьшения вибрации транспортного средства и его лучшего сцепления с дорогой. Кстати, такая шина была изобретена более полутора веков назад, когда автомобилей не было еще и в помине!
Некоторым пришлось узнать, что шина - это приспособление для обездвиживания поврежденных частей тела.
«Шина» - электротехнический термин. Так называют проводник с низким сопротивлением, используемый для подсоединения отдельных электрических цепей.
А еще слово «шина» употребляют в металлургии. В «ГОСТ 25501-82 Заготовки и полуфабрикаты из цветных металлов и сплавов. Термины и определения» шиной называют изготавливаемый прессованием или волочением пруток прямоугольного сечения, применяемый в электротехнике в качестве проводника тока.
Два последних значения слова «шина» и послужили поводом для появления этой статьи.
Алюминиевые шины в электротехнике
Нормативно-технические документы определяют электротехническую шину как проводник с низким сопротивлением, к которому могут быть присоединены несколько электрических цепей. При этом подчеркивается, что термин «шина» не предполагает геометрическую форму, габариты или размеры проводника. Такое примечание, например, содержится в принятом совсем недавно «ГОСТ IEC 61439-1-2013 Устройства комплектные низковольтные распределения и управления. Часть 1. Общие требования».
Но форма у шин, конечно, есть. И она может быть разной: шины - коробчатые, трубчатые и т. д. Распространенная форма поперечного сечения шины - прямоугольник. Плоские шины – а именно так называют шины с поперечным сечением в виде прямоугольника – используют для монтажа магистральных и распределительных шинопроводов, электрораспределительных устройств и шинных сборок.
В магистральных шинопроводах, служащих для передачи электрической энергии от источника к месту распределения, плоские шины обычно устанавливаются на ребро. Такое расположение создает лучшие условия для их охлаждения и стыковки: одноболтовой сжим для разъемных соединений или сварка в один прием всех стыкуемых шин – для неразъемных.
Распределительные шинопроводы наряду c кабелями получили широкое распространение в сетях внутреннего электроснабжения.
К сборным шинам распределительных устройств поступает электроэнергия от генераторов станции (или трансформаторов подстанции); к ним же присоединяются все отходящие линии.
Преимущество плоских шин - эффективный отвод тепла. При одинаковых площадях сечения у прямоугольной шины поверхность охлаждения больше, чем у круглой.
... и в других отраслях
Шина электротехническая алюминиевая отличается высокой электропроводностью. Но это не единственное ее достоинство, а электротехника – не единственная область применения. Даже освободившись от прилагательного «электротехническая», алюминиевая шина остается востребованной.
Алюминиевая шина обладает полным набором свойственных алюминиевым полуфабрикатам полезных функций и прекрасным внешним видом. Ее функциональность определяют высокая коррозионная устойчивость, долгий срок службы, хорошая теплопроводность, технологичность, оптимальные магнитные свойства (в отсутствии магнитного поля алюминий немагнитен) и, пожалуй, самая сильная сторона этого металла - небольшой вес (плотность алюминия - 2,7-2,8 г/см3) при достойных механических свойствах.
Декоративные качества алюминиевой шины включают высокий коэффициент светоотражения, широкую цветовую гамму, разнообразные варианты отделки поверхности: анодирование, оксидирование, лакокрасочные покрытия, включая порошковые. И весь этот набор положительных качеств еще больше выигрывает на фоне довольно низкой стоимости алюминиевых шин.
Алюминиевые шины применяются как упаковочный материал. В т. ч., в пищевой промышленности, ведь алюминий - в особенности первичный и технический - абсолютно нетоксичный металл.
В машиностроении из алюминиевых шин изготавливают элементы отделки самолетов и автомобилей, фурнитуру различного назначения, каркасы электробытовых приборов.
В строительстве алюминиевые шины используют в отделке интерьеров (подвесные потолки, перегородки), при устройстве фасадов и инженерных коммуникаций (для герметизации швов труб и воздуховодов), в конструкциях наружной рекламы.
Алюминий, медь, сталь. Или несколько слов о технологической конкуренции металлов
К металлу, используемому для изготовления шин, предъявляется комплекс разнообразных требований.
Во-первых, он должен обладать высокой электрической проводимостью. Очень важна прочность, ведь конструкция шинопровода является самонесущей, а ее жесткость определяют главным образом шины.
Металл для шин не имеет права быть неустойчивым к действию порой весьма агрессивных компонентов окружающей среды. И, конечно, должен иметь небольшую массу и приемлемую стоимость.
Естественный отбор по вышеперечисленным критериям выдержали три металла: алюминий, медь и сталь. Медь выделяется самой высокой проводимостью. Допустимая нагрузка на плоские медные шины на несколько десятков процентов выше, чем на алюминиевые шины такого же сечения, не говоря уже о стальных.
Высокую проводимость меди можно проиллюстрировать на следующих примерах.
Шина алюминиевая 50х5 имеет активное сопротивление при постоянном токе 0,142 мОм/м (или Ом/км) и 0,162 мОм/м – при переменном. Показатели плоской медной шины с такими же размерами поперечного сечения – 0,087 и 0,106 мОм/м. Шина алюминиевая 100х10: активное сопротивление при постоянном токе – 0,0357, при переменном – 0,0462 мОм/м; медная таких же размеров: 0,02 и 0,03 мОм/м соответственно.
Шинопровод из медных шин обеспечит высокую стойкость к токам короткого замыкания, позволит минимизировать потери энергии при передаче.
Свои козыри есть у стали – прекрасные механические свойства и низкая цена.
Алюминий - самый легкий в тройке металлов-конкурентов. А это значит, что проводимость на единицу массы у плоских алюминиевых шин в два раза выше, чем у аналогичных медных. И пусть удельное сопротивление алюминия в полтора раза больше, чем меди, зато он в три раза легче. Поэтому использование алюминиевых шин дает существенный выигрыш и в массе, и в стоимости.
Еще одно важное качество алюминия - коррозионная устойчивость. Алюминиевая шина не боится влажности, переносит длительный контакт с паром, может использоваться в условиях резких колебаний температур. Поэтому алюминиевые шины полностью уместны на химических предприятиях, в воздухе которых присутствуют коррозионно-активные вещества.
За алюминий «голосует» и его технологичность – он легко поддается обработке, в т. ч. резке и сварке.
В определении результатов технологического противостояния алюминия и меди свое слово сказали глобальные тенденции развития мировой экономики. Алюминия в мире производится примерно в два с половиной раза больше, чем меди. Его стоимость растет медленнее. Во многом потому, что сырьевая база для производства алюминия неуклонно расширяется, а медной руды начинает не хватать.
Поэтому использование медных шин оправданно для особо ответственных объектов при соответствующем технико-экономическом обосновании.
Что касается стали, то, превосходя алюминий в «абсолютном первенстве», в отдельной дисциплине под названием «шины электротехнические» составить ему реальную конкуренцию она не способна. Стальные шины применяются в маломощных электроустановках с рабочим током до 200-300 А.
В результате лавры победителя оказалась у алюминия, и сегодня большинство шин в электротехнике изготавливают из алюминия и алюминиевых сплавов.
Несмотря на «сложные» конкурентные взаимоотношения меди и алюминия, им порой приходится объединять свои усилия в самом прямом смысле слова.
Медно-алюминиевые шины (в данном случае лучше сказать – пластины) применяют для изготовления контактов плоских алюминиевых шин с медными стержневыми выводами аппаратов при больших токах и в помещениях, воздух которых содержит большое количество влаги и химически активных газов.
