Замена меди на алюминиевые сплавы в токоведущих шинах распределительных шкафов, преобразователей частоты и комплектных трансформаторных подстанций позволяет снизить себестоимость изделия. Однако простая замена сечения «один к одному» недопустима из-за различий в физических свойствах материалов.

Корректировка поперечного сечения

Удельное электрическое сопротивление алюминия составляет 0,028 Ом·кв. мм/м, что в 1,65 раза выше, чем у меди (0,0172 Ом·кв. мм/м). Для сохранения эквивалентного активного сопротивления и допустимого нагрева током поперечное сечение алюминиевой шины должно быть увеличено примерно в 1,6–1,65 раза по сравнению с медной.

Отвод тепла и площадь рассеивания

Поскольку сечение алюминиевой шины увеличивается за счет ширины или толщины, площадь ее внешней поверхности рассеивания возрастает. Это улучшает условия охлаждения конвекцией, что в ряде случаев позволяет снизить расчетный коэффициент увеличения сечения алюминия до 1,4–1,5 без превышения предельной температуры нагрева в 85 градусов Цельсия.

Электрохимическая совместимость и узлы сопряжения

Основная сложность эксплуатации алюминиевых шинопроводов заключается в их соединении с медными выводами силовой аппаратуры (трансформаторов, автоматических выключателей, IGBT-модулей).

Гальваническая пара и использование медно-алюминиевых пластин (МАП)

При прямом болтовом контакте меди и алюминия во влажной среде происходит интенсивная электрохимическая коррозия. Алюминий разрушается, контактное сопротивление резко возрастает, что ведет к отгоранию ввода. Базируясь на критериях выбора меди, латуни и алюминия, проектировщик определяет целесообразность применения биметаллических адаптеров в местах подключения к силовым трансформаторам.

Переходные медно-алюминиевые пластины (МАП) или шайбы изготавливаются методом сварки взрывом или холодным деформированием под давлением, создавая монолитный неразъемный контакт без доступа воздуха к границе раздела металлов.

Хладотекучесть алюминия и расчет болтовых соединений

Алюминиевые сплавы обладают высоким коэффициентом линейного теплового расширения и склонны к пластической деформации под постоянным давлением (хладотекучести). При затяжке обычным болтом со временем упругое сжатие ослабевает. Для предотвращения ослабления контакта применяются следующие решения:

• Использование упругих тарельчатых шайб (шайб Бельвилля), компенсирующих температурное расширение и усадку.
• Применение стальных крепежных элементов класса прочности не ниже 8.8 с увеличенными плоскими шайбами для распределения давления.
• Контроль момента затяжки динамометрическим ключом в соответствии с регламентными нормами.

Экономический эффект и этапы модернизации

Переход на алюминиевые шины дает существенное снижение массы конструкции, несмотря на увеличение геометрических размеров.

1. Сбор данных по токовым нагрузкам, допустимым габаритам и конфигурации ошиновки в шкафу.
2. Перерасчет сечений с учетом коэффициента 1,6 и проверки по токам короткого замыкания на термическую и динамическую стойкость.
3. Выбор способа соединения шин (аргонодуговая сварка, применение биметаллических адаптеров).
4. Оценка суммарной экономии с учетом затрат на металл, износ инструмента при обработке и изменение габаритов корпуса.

Масса алюминиевой шинной системы аналогичной токопроводности оказывается примерно в два раза меньше медной, что снижает нагрузки на несущие металлоконструкции и упрощает процесс монтажа.