ПРОВОДНИК ТОКА
CURRENT CONDUCTOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к проводнику тока типа шины, набору различных проводников тока и компоновке проводников тока. Оно также относится к шкафу для размещения источника электрической энергии и/или распределительной установки, содержащей по меньшей мере один такой проводник тока.
Предшествующий уровень техники
В случае, когда ток является высоким, наиболее широко распространенное решение для обеспечения проводимости тока заключается в использовании плоских медных шин, имеющих поперечное сечение, которое определяется в соответствии с номинальным током. Эти шины могут быть очень тяжелыми и сложными для перемещения. Оптимизация заключается в опустошении центральной части шины или совмещении шин для образования шины трубчатого типа или изогнутого медного сечения.
Дополнительно, к поперечным сечениям шин применяются опоры для их закрепления на месте на задней стороне шкафов. Таким образом, документ EP0681355 описывает устройство, обеспечивающее возможность размещения нескольких проводников тока в виде шин или с удлиненными сечениями, обеспечивающее возможность точного позиционирования последних в вертикальном направлении. Это устройство подходит для проводников различных поперечных сечений, имеющих пределы изменения по номинальному току, подходящие для пропускания тока низкого напряжения до 1600 А. Это решение имеет преимущество, заключающееся в облегчении электрических соединений с устройствами со стороны линии сети или со стороны нагрузки.
В частности, для высоких номинальных мощностей оказывается, что количество меди, необходимой для этих конфигураций, является большим, что приводит к существенному весу проводников тока и, прежде всего, к высокой стоимости. Конечно, предусматривается возможность замены меди алюминием, но электрические технические ограничения этого решения, однако, не обеспечивают достаточно широкую линейку получающихся сборных шин, и требуют модификации крепежных опор в шкафах.
Краткое изложение существа изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложение улучшенного решения для обеспечения проводимости тока, которое лишено всех или части недостатков предшествующего уровня техники. Более конкретно, задачей настоящего изобретения является предложение оптимизированного решения для проведения тока, позволяющего обеспечить быструю сборку и электрическое соединение, которое является подходящим для высокоамперных токов и/или трехфазных токов. Использование этого типа профиля позволяет снизить потери, обусловленные эффектом Джоуля, для эквивалентного поперечного сечения.
С этой целью, изобретение относится к продольному электрическому проводнику, поперечное сечение которого вписывается в прямоугольник, причем проводник имеет контур в виде прямоугольного параллелепипеда. Проводник предпочтительно выполнен из алюминия, в частности анодированного алюминия, и образует единое целое. Проводник содержит выемки, внутренние по отношению к его контуру, которые проходят по всей длине проводника, контур которых позволяет определить криволинейную поверхность, проходящую по всей длине проводника. Пересечение, ортогональное длине, с полным поперечным сечением проводника, образует кривую линию, которая соединяет два смежных угла прямоугольника, образующего контур упомянутого поперечного сечения. Таким образом, проводник содержит первую основную часть и дополнительную вторую часть, которая включает в себя выемки и имеет менее 40% проводящего материала проводника тока так, что контур поперечного сечения первой части образован тремя сторонами прямоугольника и кривой линией, и контур поперечного сечения второй части образован четвертой стороной прямоугольника, предпочтительно, большей стороной, и упомянутой линией. Выемки, таким образом, размещены несимметрично внутри проводника.
Для механического укрепления проводника, предпочтительно, чтобы вторая часть была закрыта между двумя смежными углами с помощью, по существу, прямолинейной полосы, которая может быть соединена от своей центральной области к основной части проводника скобками. Внешняя поверхность проводника, образованная полосой, может содержать ребра для охлаждения последнего и плоскую поверхность, действующую как опорная поверхность для механического фрезерования противоположной поверхности проводника.
Предпочтительно, что поверхность, разделяющая первую и вторую части является вогнутой. Дополнительно, предпочтительно, что проводник должен быть непрерывным, т.е. что поперечное сечение проводника должно быть постоянным, с кривыми линиями совмещаемого пересечения, независимо от поперечного сечения привлеченного проводника.
Предпочтительно, что вне зависимости от привлеченного поперечного сечения, две противоположные поверхности, каждая из которых, содержит один из смежных углов прямоугольника, снабжены зубцами, спроектированными для закрепления в изолирующей опоре электрического шкафа. Для улучшения своего охлаждения, проводник может содержать ребра на своей внешней поверхности.
Электрический проводник, согласно настоящему изобретению, содержит контактные направляющие вокруг соединительного паза в его основной части. Если проводник выполнен из алюминия, контактные направляющие могут быть покрыты медью, в этом случае предпочтительно, чтобы проводник содержал пазы, размещенные вокруг контактных направляющих для обеспечения позиционирования шаблонов при выполнении операции осаждения меди на контактных направляющих.
Настоящее изобретение также относится к набору проводников, содержащему по меньшей мере несколько проводников различного поперечного сечения, каждый из которых, имеет идентичный соединительный паз.
Согласно другому признаку, настоящее изобретение относится к компоновке по меньшей мере из двух проводников механически и электрически соединенных с помощью по меньшей мере одного соединительного устройства, которое содержит отверстия, спроектированные с возможностью взаимодействия с пазом проводников для закрепления с помощью средства винтового или болтового типа. Соединительное устройство, содержащее упомянутое крепежное средство, может содержать позиционирующие штыри.
Наконец, настоящее изобретение относится к электрическому шкафу, содержащему множество проводников предпочтительно размещенных параллельно и со смещением, и, изолирующую опору удерживающую по меньшей мере один из упомянутых проводников.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает поперечное сечение проводника тока, согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.2А изображает распределение тока в пределах поперечного сечения проводника тока прямоугольного поперечного сечения;
Фиг.2В изображает поперечное сечение проводника тока, согласно варианту осуществления изобретения, в котором выделена основная часть.
Фиг.3А и 3В изображают поперечное сечение проводников тока набора проводников, согласно варианту осуществления изобретения, соответственно, для низкой амперной нагрузки и очень высокой амперной нагрузки.
Фиг.4А изображает соединение между двумя находящимися на одной линии проводниками тока, согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.4В изображает стыковую накладку для этого соединения.
Фиг.5А изображает соединение между двумя перпендикулярными проводниками тока, согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.5В изображает соответствующее средство.
Фиг.6А и 6В изображают альтернативный способ для закрепления соединительных устройств.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Для упрощения и ясности, в разных чертежах используются одинаковые ссылочные позиции для подобных частей.
Промышленно выпускаемые опоры для сборных шин и даже электрические шкафы, не подходят для непосредственной замены имеющихся медных сборных шин шинами, например, выполненными из алюминия, что требует значительного увеличения поперечных сечений проводников. Профиль проводника, согласно настоящему изобретению, изображенный, в частности, на фиг.1, позволяет удовлетворить это требование.
Проводник 1 тока, согласно настоящему изобретению, выполнен в виде шины, параллелепипедный контур которого проходит вдоль вводной длины, которая намного больше, чем его поперечное сечение (см. фиг.4А, 5А). Ортогонально своей длине, проводник 1 тока представляет поперечное сечение 10, в котором основная часть 12, выполняющая основную функцию проведения тока, может быть установлена с дополняющей смежной второй частью 14 (см. фиг.2В). Эта проводящая первая основная часть 12 представляет ортогональное поперечное сечение, ограниченное тремя сторонами контура прямоугольника поперечного сечения 10 проводника 1, и кривой линией 16. Кривая линия 16, или, в более общем смысле, криволинейная поверхность, полученная посредством этой линии 16 вдоль длины проводника 1, определяется набором продольных выемок 18, проходящих через контур проводника 1 по всей длине последнего. Предпочтительно, два края параллелепипеда разрезающего разделительную поверхность между первой и второй частью 12, 14, определяют большую грань упомянутого параллелепипеда.
Таким образом, проводник 1, согласно настоящему изобретению, содержит вогнутую поверхность, которая срезает прямоугольник, в который вписано действительное поперечное сечение 10 проводника 1. Она проходит между двумя смежными углами этого поперечного сечения 10 прямоугольника, и образует обращенную внутрь кривую так, что минимальная толщина в его центре составляет около одной трети ширины прямоугольного поперечного сечения 10. Разделительная поверхность предпочтительно имеет по существу правильную и симметричную форму между ее двумя концами, при этом кривая линия 16 образует дугу окружности или участок эллипса. Предпочтительно, что независимо от ее положения вдоль проводника 1, поперечное сечение 10 является идентичным и допускающим совмещение.
Авторы настоящего изобретения фактически установили, что ток, протекающий в проводнике 1 прямоугольной формы, не течет по всему поперечному сечению 10. Причиной этого являются два явления: поверхностный эффект, который проявляется в виде большего тока на периферии поперечного сечения 10, и близкое взаимодействие, возникающее в результате трехмерного влияния трехфазного тока, протекающего между тремя (или четырьмя) смежными шинами 1, которое проявляется в виде поляризации тока на одной стороне проводника 1. Фиг.2А иллюстрирует результат этих явлений, показывая распределение тока в поперечном сечении прямоугольного проводника, причем эта плотность тока является тем большей, чем светлее цвет. Очевидно, что ток, в основном, локализован на левой части этого прямоугольного поперечного сечения. Настоящее изобретение использует эту особенность для проектирования шины 1, в которой распределение формы и плотности проводящего материала является подобным распределению тока - см. фиг.2В.
Дополнительно, поперечное сечение 10 проводника 1 содержит по меньшей мере две контактные направляющие 20 (или даже четыре, в зависимости от номинала), которые действуют как контактная поверхность вокруг соединительного паза 22, размещенного на плоской поверхности основной части 12 проводника 1, напротив его криволинейной поверхности 16. Этот соединительный паз 22 имеет Т-образное поперечное сечение, которое действует как гнездо для винта или другого крепежного средства при осуществлении электрического соединения, как будет описано подробно далее. Два небольших паза 24, размещенные под углом около 45° и с шириной 2 мм, расположены на каждой стороне контактных направляющих 20. Они служат целью обеспечения возможности вставки шаблонов в виде механических металлических пластин, которые используются для защиты остальной части сечения, при выполнении операции осаждения меди, если она выполняется, на контактных направляющих 20, в то же время действуя как препятствия, останавливающие частицы меди.
Дополнительно, поперечное сечение 10 проводника 1 содержит зубцы 26 с углублениями с шириной, находящейся в интервале 5-10 мм, размещенные на двух противоположных параллельных поверхностях первой части 12, соответствующей ширине поперечного сечения 10 и, каждый, содержащий смежные углы. Эти зубцы 26 предназначены для облегчения фиксации и закрепления проводника 1 в электрическом шкафу. Они спроектированы с возможностью взаимодействия с соответствующими зубцами изолирующей опоры 100, спроектированной с возможностью размещения проводника 1. Форма и размер зубца 26 предпочтительно соответствует размерам изолирующих опор 100, обычно используемых в электрическом шкафу, выполненном с возможностью монтажа электрических проводников 1, согласно настоящему изобретению, вместо и на месте существующих медных проводников.
Вторая часть 14 поперечного сечения проводника 1 может предпочтительно, и в частности для высоких номиналах, содержать по существу прямолинейную тонкую полосу 30, которая закрывает прямоугольник, в который вписано поперечное сечение 10 проводника 1. Таким образом, она представляет собой противоположную поверхность по отношению к поверхности основной части 12, содержащей паз 22. Центральная часть полосы 30 соединена с кривой линией 16 основной части 12 с помощью скобок 32 в виде криволинейных полос малой толщины. Между этими элементами 30, 32, поперечное сечение второй части 14 проводника 1, в основном, является открытым, имеющим вырезы так, чтобы содержать небольшое количество материала. Таким образом, оно соответствует выемкам 18, проходящим продольно через проводник 1. Этот тип замкнутого полого профиля предполагает оптимальный момент инерции для этих нагрузок. Элементы, содержащие вторую часть 14, также обеспечивают необходимую прочность для выдерживания механических нагрузок при коротком замыкании.
Внешняя поверхность, образованная тонкой полосой 30 проводника 1, содержит ребра 34, выполняющие функцию увеличения поверхности теплообмена проводника 1 и улучшения охлаждения последнего. В качестве альтернативы (фиг.3А), ребра могут быть размещены непосредственно на кривой линии 16. Ребра также могут быть установлены на поверхности, противоположной полосе 30, на первой части 12. Предпочтительно, что плоская внешняя поверхность 36, в центральной области узкой полосы 30 проводника 1, действует как опорная поверхность для размещения и крепления проводника 1 при выполнении механических операций, таких как фрезерование или механическая обработка противоположной плоской поверхности основной части 12, примеры которых будут описаны далее. Скобки 32 выполняют дополнительную функцию обеспечения механической прочности всего проводника при выполнении этих механических операций.
Наконец, поперечное сечение 10 проводника содержит небольшие пазы 38 для целей визуальной идентификации. В самом деле, предпочтительно, независимо от номинала проводника 1, чтобы внешняя поверхность проводников была одинаковая для заданной высоты (в таком случае размер выемок 18 должен быть разным). Пазы 38 в этом случае дают возможность легче распознать номинал проводника 1, без каких-либо других дифференцирующих средств. Для этого, каждый тип проводника содержит разное число пазов. В качестве дополнения, проводник 1 может содержать маркировку, повторяющуюся несколько раз вдоль всей длины проводника 1 с некоторым шагом, выбранным таким образом, чтобы обеспечивать видимость даже при наименьшей длине отрезанного проводника 1, в частности на поверхности первой части. Эта маркировка предоставляет возможность указать номинальный ток сечения, и/или любое другое полезное указание, которое должно быть задано.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поперечное сечение 10 проводника 1 может быть включено в прямоугольник с высотой, находящейся в интервале 60-200 мм и шириной 20-30 мм, для обеспечения проводимости тока в 630-4000 А. Такой проводник 1, благодаря профилю, определенному в соответствии с настоящим изобретением, имеет достаточно хорошие характеристики для того, чтобы быть полностью или частично изготовленным из алюминия, что представляет преимущество в отношении легкого веса, удобства в перемещении и эргономии сборки, и низкой стоимости. В качестве варианта, проводник может содержать часть меди, или быть полностью выполнен из меди.
В том случае, когда выбран алюминий, поверхностная обработка с помощью анодирования, например, с толщиной 15 мкм, предпочтительно осуществляется для того, чтобы получить слой, предохраняющий от коррозии и для увеличения коэффициента теплового излучения. Кроме того, контактные направляющие 20 покрывают слоем меди небольшой толщины, например, находящейся в интервале 40-120 мкм, нанесенным с помощью термической проекции, после того как анодирование последних было удалено с помощью фрезерования, если анодирование было выполнено. Для выполнения этих операций предусматривается использование небольших пазов 24 и плоской поверхностной пластины 36, как упоминалось выше.
Настоящее изобретение, естественно, не ограничено представленной конфигурацией, и проводник может иметь другие поперечные сечения, чем те, которые описаны выше, однако, с использованием основной проводящей части 12, соединяющей большую часть, от 50 до 80%, проводящего материала сечения 10 проводника 1, и представляющей по меньшей мере одну криволинейную предпочтительно вогнутую, поверхность. В частности, форма и размер выемок 18, количество и наличие ребер 34, скобок 32 и т.д. может изменяться - см. фиг.3.
Настоящее изобретение также относится к набору проводников для того, чтобы покрыть распределение тока в широком диапазоне значений тока, от 630 до 4000 А. Для экстремальных значений этих токов, набор проводников может содержать элементы, которые не имеют форму, описанную в отношении варианта осуществления настоящего изобретения, причем упомянутый вариант осуществления используется при определенных величинах, покрывающих часть диапазона. Набор проводников может, таким образом, содержать проводник упрощенного поперечного сечения, как представлено на фиг.3А, для слабых токов, и проводник большого размера и большого поперечного сечения, как показано на фиг.3В, для токов наибольшей величины. Однако, все проводники 1 набора содержат соединительные пазы 22 и контактные направляющие 20 одинаковых размеров для выполнения стандартизированного соединения. Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления, все они содержат небольшие пазы 24, ребра 34 на противоположной поверхности, и соединительные зубцы 26 для сборки в электрическом шкафу.
Таким образом, проводник, описанный выше, является применимым для использования в электрическом шкафу для распределения токов, таким образом, как описано в документе EP 0681355, представленном выше. Такой шкаф может, таким образом, содержать несколько проводников в виде вытянутой в длину шины, размещенной в горизонтальном или вертикальном направлении. Следует заметить, что в горизонтальном направлении проводник может быть использован в двух различных направлениях, состоящих в позиционировании соединительного паза 22 обращенного вверх или вниз.
При их позиционировании в электрическом шкафу, зубцы 26 проводника 1 взаимодействуют с изолирующими зубцами 102 соответствующей изолирующей опоры 100, спроектированной с возможностью размещения проводников 1 различных форматов с помощью возможного добавления прокладок. В таком случае этот шкаф содержит несколько проводников 1, размещенных параллельно, в горизонтальном или вертикальном направлении, предпочтительно, со сдвигом, для образования ступенчатой структуры. Предпочтительно, проводник 1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, остается совместимым с установкой в стандартном шкафу, который также является пригодным для размещения плоских стандартных медных шин с шириной 5 или 10 мм.
Кроме того, проводник, согласно варианту осуществления, может быть легко присоединен к другому проводнику. С этой целью фиг.4А и 4В иллюстрируют соединение двух размещенных вдоль одной линии проводников 1, 1' с помощью механического или электрического соединительного устройства 200, в данном документе, стыковой накладки, выполненной по размерам с возможностью согласования диэлектрических, механических и тепловых нагрузок, прикладываемых к проводникам 1 в электрическом шкафу.
Два горизонтальных размещенных параллельно проводника 1, 1', как описано выше, присоединены друг к другу встык посредством стыковых накладок 200, которые имеют подходящий размер для данного проводника 1. Для набора проводников также предусматривается набор соответствующих стыковых накладок. Для улучшения точности позиционирования стыковых накладок 200 и для получения оптимального электрического контакта, каждая стыковая накладка 200 содержит позиционирующие выступы 202, в ее центральной части, обеспечивающие равномерное распределение контактных поверхностей стыковой накладки 200 с каждым проводником 1, 1', более точно с их контактными направляющими 20. Кроме того, фиксирование стыковой накладки 200 к каждому проводнику 1, 1' достигается дважды с помощью двух винтов 204, головки которых установлены в пазу 22 проводника 1 и предоставляют возможность его перемещения при смещении до достижения правильного окончательного положения. Каждый винт или болт 204 проходит через отверстие 206 стыковой накладки 200 таким образом, чтобы гайка могла взаимодействовать с резьбовой частью стержня, выступающего наружу для обеспечения фиксации стыковой накладки 200 на проводнике 1. Эти винты 204 осуществляют механическую фиксацию и в тоже время обеспечивают электрическое соединение между проводником 1 и стыковой накладкой 200. Каждая стыковая накладка 200 дополнительно содержит позиционирующие выступы 208 на ее торцах, при этом выступы обеспечивают содействие при сборке за счет облегчения позиционирования при совмещении отверстия 206 и соединительного паза 22.
Подобным образом, фиг.5А и 5В представляют соединение двух проводников 1, 1', размещенных в перпендикулярном направлении. Это соединение достигается с помощью другого соединительного устройства 210, содержащего с одной стороны по меньшей мере одно горизонтальное отверстие 212 для фиксирования горизонтального проводника 1 и с другой стороны по меньшей мере одно вертикальное отверстие 214 для фиксирования вертикального проводника 1'. Каждый проводник 1, 1' присоединен к соединительному устройству 210 с помощью двух винтов 204, как объяснено выше.
Следует заметить, что соединительное устройство 210, представленное на фиг.5В, содержит два горизонтальных отверстия 212, так как соединительный паз 22 проводника 1, может быть размещен сверху или снизу. В представленном примере он размещен снизу и для соединения используется нижнее горизонтальное отверстие 212. Оно также содержит два вертикальных отверстия 214 для приспособления к двум возможным ориентациям вертикального проводника 1'.
Следует отметить, что фиг.4А и 5А иллюстрируют часть электрического шкафа, изображая несколько параллельных проводников 1, соединенных с несколькими проводниками 1' с помощью стыковых накладок 200, 210, как описано выше, только одна из которых видна на фигурах. Верхняя и нижняя поверхности всех этих проводников 1, 1' дополнительно фиксированы с помощью изолирующих опор 100, содержащих зубец 102 соответствующей формы к зубцу 26 проводников, как упомянуто выше.
Два соединительных устройства 200, 210, как изложено выше, предпочтительно выполнены из меди и представляют достаточную контактную поверхность с проводниками 1, 1' для обеспечения протекания тока.
В качестве альтернативы, и, в частности, для высших номинальных значений тока, типично 1600, 2500, 3200 и 4000 А, соединения между шинами 1 (вертикальными или горизонтальными) и соединительными устройствами 200, 210 (медные части) выполнены посредством небольшой стальной пластины 220, на которой фиксированы два болта 222 соответствующей длины. Эти пластины 220 скользят по пазам 22 секции 1. В горизонтальных проводниках, пластина 220 может скользить по всей длине секции, но для вертикальных проводников предпочтительно скольжение пластины 220 к торцу секции и заклинивание посредством ограничителей 224 так, чтобы поддерживать наверху вертикальную секцию, где выполняется соединение звена.
Болты 222 проходят за пределы секции 1 и проходят через соединительные части 200, 210. Крепление осуществляется с помощью гайки, навинченной на болт 222. Пластина 220, действующая в качестве головки винта, тем самым, обеспечивает лучшее зажатие в пазу 22. Ее контактная поверхность намного больше, чем головка винта типа "головки молотка", с очень большой прочностью при возникновении электродинамических нагрузок, и тем самым улучшаются электромеханические характеристики соединения. Кроме того, работа сборщика выполняется легче за счет того, что болты 222 выступают из паза 22 на передней поверхности и действуют как захватывающая часть, способствующая регулированию положения пластины 220 перед установкой.
Таким образом, конструкция проводника 1, согласно настоящему изобретению, обеспечивает оптимизированное решение в отношении проводимости тока, позволяющее быструю установку и электрическое соединение, подходящее для высокоамперных и/или трехфазных токов. Использование профиля этого типа предоставляет возможность сократить потери, обусловленные эффектом Джоуля, для эквивалентного поперечного сечения. Этот признак позволяет использовать алюминий, например, вместо меди, при сохранении подобного поперечного сечения контура. Это изобретение предоставляет возможность проектирования системы распределения из таких проводников. В этом случае система содержит горизонтальные и вертикальные проводники и соединительные части. Таким образом, заявленные характеристики являются результатом комбинации этих различных элементов, образующих систему.