Genau Kupfer-Sammelschiene Die richtige Dimensionierung ist für einen sicheren, zuverlässigen und effizienten Stromfluss von entscheidender Bedeutung. Sammelschienen leiten hohe Ströme in Schaltanlagen und Verteilertafeln ab. Eine ungeeignete Dimensionierung führt zu extremer Wärmeentwicklung, Leistungsverlusten, Spannungsabfall und möglichen Ausfällen wie Isolationsschäden oder Bränden. Das Verständnis der Einflussfaktoren und Dimensionierungsmethoden ist unerlässlich.
Die Strombelastbarkeit einer Sammelschiene wird hauptsächlich durch die thermische Effizienz (Temperaturanstieg), die Strombelastbarkeit und den Spannungsabfall begrenzt. Der Temperaturanstieg ist in der Regel einer der wichtigsten Faktoren, insbesondere in Räumen. Die durch Verluste gemäß der Formel $I ^ 2R$ entstehende Wärme muss abgeführt werden, um die Temperatur innerhalb der Grenzwerte zu halten.
Eine vereinfachte ΔT-Formel ist symmetrisch zur Verlustleistung und umgekehrt proportional zur Wärmeabgabestelle. ΔT ≈ 1000 × Verlustleistung × 1,1 × Fläche in cm²; ΔT ≈ 1,1 × Fläche in cm² × 1000 × Verlustleistung. Dies ist ein Näherungswert und erfasst nicht die gesamte Wärmeübertragung.
Die Wärmeübertragung über Verbindungselemente verringert den Temperaturanstieg in Ihrem Bereich. Bei der „Warm Network“-Methode wird die Wärmeverteilung unter Berücksichtigung des Übertragungskoeffizienten (α), der Fläche (A), des Wärmewiderstands (R) und von ΔT bewertet. Ein hoher gemessener ΔT-Wert kann auf ein Eindringen von Außenwärme oder eine verminderte Wärmeabgabe hindeuten.
Bei Kurzschlüssen geht ΔT davon aus, dass die Wärme vom Leiter absorbiert wird, wobei die Wärmeübertragung während dieses kurzen Zeitraums vernachlässigbar ist. Die relevanten Variablen sind die Zeit (T), die Anfangs- (Θ1) und die maximal zulässige (Θ2) Temperatur, die Querschnittsfläche (A) sowie der Effektivwert des Stroms (I).
Umfassende Versionen bewerten das thermische Verhalten im stationären Zustand unter Berücksichtigung von Stromstärke, Querschnittsfläche, Länge, Schwankungen des spezifischen Widerstands des Produkts und Kontaktwiderstand. Wichtige Materialeigenschaften sind der spezifische Widerstand (ρa), die Wärmeleitfähigkeit (λ) und der Temperaturkoeffizient (α0). ΔT ist umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche.
Der Spannungsabfall hängt von der Strombeständigkeit und der Störfestigkeit der Sammelschienen ab. Die Wechselstromimpedanz ist aufgrund von Phänomenen wie der Skin-Effekt und dem Proximity-Effekt größer als die Gleichstromimpedanz.
Für eine genaue Dimensionierung sind entscheidende Angaben zu elektrischen und umgebungsbedingten Problemen erforderlich:
Verschiedene weitere Spezifikationen:
Diese Spezifikationen dienen als Leitfaden für die Wahl der Methode und die Leistungsreduzierung zur Ermittlung der erforderlichen Abmessungen.
Die baulichen Gegebenheiten und die Umgebungsbedingungen haben einen außerordentlich großen Einfluss auf die Strombelastbarkeit und den thermischen Wirkungsgrad.
Gehäuse/Belüftung: Geschlossene Sammelschienen weisen aufgrund der eingeschränkten Luftzirkulation eine geringere Strombelastbarkeit auf als solche im Außenbereich. Die Strombelastbarkeit in den jeweiligen Einheiten wird hauptsächlich durch Prüfungen des Temperaturanstiegs (UL, ANSI) ermittelt. Einfache Regeln zur Bestimmung der Strombelastbarkeit anhand der Querschnittsdicke sind bei geschlossenen Systemen unzuverlässig. Die Verlustleistung muss innerhalb der Kapazität des Gehäuses liegen. Eine Zwangskühlung erhöht die Leistungsfähigkeit gegenüber der natürlichen Konvektion.
Barren/Leistungsreduzierung: Identische Schienen erhöhen zwar die Kapazität, jedoch kommt es aufgrund von Toleranzen, Verbindungen und Reaktanz zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung. Dies erfordert eine Herabstufung der unten angegebenen Gesamtstrombelastbarkeit unter den Wert der einzelnen Schienen. Die Herabstufungsfaktoren nehmen mit der Anzahl identischer Schienen zu. Die Strombelastbarkeit bei $n$-Schienen ist deutlich geringer als das $n$-fache der Strombelastbarkeit einer einzelnen Schiene.
Abstand/Ausrichtung: Der Abstand beeinflusst die Wärmeübertragung, und die Anordnung wirkt sich ebenfalls aus. Ein größerer Abstand verbessert die Wärmeableitung und die Strombelastbarkeit. Bei einer Anordnung nebeneinander erfolgt die Kühlung weniger effektiv als bei einer gestapelten Anordnung. Durch die Maximierung des Rippenabstands bzw. der Perforationen wird die Wärmeübertragung verbessert. Die horizontale Belüftung über die Bodenfläche ist weniger zuverlässig.
Kompakt-/Sandwich-Anlagen: Durch die Kapselung sind kompakte Bauformen möglich. Enge Abstände verringern Induktivität, Widerstand, Spannungsabfall und Verlustleistung.
Verschiedene weitere Variablen: Metallgehäuse (Aluminium) verringern die Auswirkungen von Nahfeldstörungen und die Erwärmung der Geräte. Bei Höhenlagen ist eine Leistungsreduzierung erforderlich. Schlechte Verbindungen führen zu einer Erwärmung des Geräts; eine ausreichende Kontaktkraft ist unerlässlich.
Ein kombinierter Zustandsfaktor (K) berücksichtigt folgende Einflüsse: Stabart (k1), Oberfläche (k2), Lage (k3, k4), Luftströmung ($k5) und vorhandene Art (k6). Lack erhöht die Wärmeableitung (k2 = 1,15). Die Standortfaktoren variieren (beispielsweise k3 = 1 bei randseitiger Montage und k3 = 0,95 bei bodenseitiger Montage).
Die Stromart, insbesondere die Wechselstromfrequenz, beeinflusst die Stromzirkulation durch Haut- und Nahfeld-Effekte und erhöht dadurch den Wechselstromwiderstand und die Verluste.
Skin-Effekt: Die vorhandene Klimatisierung konzentriert sich in der Nähe der Oberfläche, wodurch sich die wirksame Fläche verringert. Dies wird bei höheren Frequenzen deutlicher. Die Hauttiefe (die Stromdichte nimmt bis auf ~ 37% ab) beträgt bei Kupfer und 50 Hz etwa 8,5 mm. Dies begrenzt die effiziente Sammelschienen-Dichte auf unter 10 mm. Faktoren (ys) und empirische Formeln dienen zur Abschätzung der zusätzlichen Verluste.
Auswirkungen der Nähe: Elektromagnetische Felder von nahegelegenen Leitern erzeugen Wirbelströme, die in bestimmten Bereichen auftreten. Dies erhöht den Wechselstromwiderstand und die Verluste, insbesondere bei geringen Abständen. Die Leistungsverluste können schneller ansteigen als an anderen Stellen.
Der Entfernungsfaktor (K = RAC/RDC) bewertet die Widerstandssteigerung. Ein geringerer Abstand führt zu einem höheren Entfernungswert und höheren Verlusten.
Integrierte Auswirkungen/Abmilderung: Beide Effekte verstärken den Widerstand der Klimaanlage, die I²R-Verluste und den Spannungsabfall. Dies ist bei hohen Strömen (> 2000 A) und langen Anlagen von Bedeutung.] Schon geringe Verluststeigerungen haben finanzielle Auswirkungen. Eine unsymmetrische Reaktanz führt zu Spannungsungleichgewichten und elektrodynamischen Kräften.
Reduktionstechniken:
Der gemischte Effekt wird durch einen Korrekturfaktor (S) = Hautaspekt (Sk) * Näheaspekt (Sp) berücksichtigt.
Die Dimensionierung erfolgt anhand von Methoden, die sich auf Normen für Sicherheit und Zuverlässigkeit stützen. Dabei wird die erforderliche Fläche auf der Grundlage des zulässigen Temperaturanstiegs bei Dauerstrom unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen und der Auswirkungen der Klimatisierung berechnet. Dies ist oft ein sich wiederholender Vorgang [15]
Wichtigste Kriterien:
Die Wahl der Technik hängt von der Komplexität des Systems, der erforderlichen Genauigkeit, dem Zeitplan für die Datenbereitstellung und den geltenden Normen ab. Anlagensysteme oder Systeme, die über die Grenzen der rechnerischen Möglichkeiten hinausgehen, erfordern eine physikalische Überprüfung.
Nachdem Sie die erforderliche Querschnittsfläche ermittelt haben, wählen Sie eine geeignete Größe und Dichte aus. Berücksichtigen Sie dabei die Grundabmessungen, die mechanische Festigkeit, die thermische Leistung und die Strömung.
Kupfer-Sammelschienen sind in standardmäßigen rechteckigen Abmessungen erhältlich. Wählen Sie die Maße entsprechend der berechneten Einbaustelle aus (z. B. können bei einer Länge von 500 mm zwei Einbaustellen 50 × 10 mm oder mehrere parallele Schienen sein).
Die vorhandene Dichte stellt eine harte Prüfung dar. Bei kleineren Stäben ist die zulässige Dicke größer. Eine grobe Schätzung für Kupfer in ruhender Luft liegt bei ~ 2 A/mm².
Bei der endgültigen Dimensionierung werden elektrische und thermische Effizienz, mechanische Anforderungen, Platzbedarf, Preis und Herstellbarkeit gegeneinander abgewogen.
Eine hochentwickelte Software ermöglicht eine umfassende Analyse und Optimierung von Gebäudetechnik, hohen Strömen und transienten Zuständen mithilfe von FEA und CFD.
CENOS BBH: Kombinierte elektromagnetische, thermische und konstruktionstechnische Analyse für AC/DC-Sammelschienen. Simuliert die bestehende Stromverteilung, Joule-Erwärmung, Hotspots, Spannungsabfall und thermische Spannungen. Ermöglicht Konstruktionsänderungen und -optimierungen. Unterstützt stationäre und transiente Analysen.
Ansys: Kombiniert elektromagnetische (Maxwell) und thermische (Icepak) Simulationen. Von Vorteil für Wechselrichter-Sammelschienen. Der Kurzzeit-Solver von Maxwell ermittelt die Zirkulation ohmscher Verluste (einschließlich der Auswirkungen der Klimatisierung), die zur thermischen Bewertung in Icepak abgebildet wird. .
EMWorks: Elektrothermische Simulation mit Schwerpunkt auf der Widerstandserwärmung. Der in die thermische Analyse integrierte Solver für den elektrischen Stromfluss simuliert Fläche, Stromdichte, Leistung, Temperatur und Wärmefluss. Erfordert Produktdaten, Eingabewerte (Konvektion, Umgebungstemperatur) und eine Netzgenerierung.
JMAG-Designer: Umfasst die thermische Belastungsanalyse von Sammelschienen. Prognostiziert den Temperaturanstieg und die Temperaturschwankungen auf der Grundlage der durch die Magnetfeldauswertung ermittelten Wärmeentwicklung.
Diese Geräte ermöglichen eine eingehende Analyse, die über manuelle Verfahren hinausgeht:
Sie erfordern zwar spezifisches Fachwissen, ermöglichen jedoch die Optimierung von Konstruktionen, gewährleisten die Einhaltung von Vorschriften und loten die Grenzen der Belastbarkeit aus. Mithilfe von CFD wird der Temperaturanstieg unter verschiedenen Bedingungen bewertet. Analytische Formeln automatisieren die Berechnung der Strombelastbarkeit und des Wärmeübergangskoeffizienten. Simulationen können physikalische Tests während der Konstruktionsphase ergänzen oder ersetzen.
