Giãn nở nhiệt của thanh cái: tính toán chuyển vị và mối nối giãn nở

Một thanh cái lắp vừa khít giữa hai đầu cực khi nguội có thể dài thêm vài milimét dưới tải. Nếu cả hai đầu đều bị giữ, chuyển vị đó không biến mất. Nó trở thành tải trọng tác động lên dây dẫn, các mối nối, gối đỡ và thiết bị kết nối.

Vì vậy, điểm khởi đầu đúng cho một mối nối giãn nở thanh cái là bài tính chuyển vị và bản phác thảo các điểm ràng buộc. Chọn đầu nối mềm trước tiên có thể bỏ ngỏ những câu hỏi quan trọng nhất: nó phải dịch chuyển theo hướng nào, bao xa, bao lâu một lần và chống lại lực phản tác dụng nào?

Bức ảnh trạm biến áp minh họa dây dẫn và gối đỡ, không phải một thiết kế mối nối giãn nở được quy định sẵn. Thanh cái hạ áp, kết nối máng thanh dẫn (busduct) và dây dẫn ngoài trời đều cần những giải pháp riêng đã được kiểm chứng.

Tính chuyển vị trước khi chọn đầu nối

Với một thanh cái được gia nhiệt đều và giãn nở tự do, ước tính đầu tiên là:

ΔL = α × L × ΔT

Trong đó, ΔL là độ thay đổi chiều dài, α là hệ số giãn nở dài, L là chiều dài tham chiếu và ΔT là độ thay đổi nhiệt độ dây dẫn. Dùng đơn vị nhất quán. Chênh lệch nhiệt độ 60°C là chênh lệch 60 K; đó không phải nhiệt độ tuyệt đối 60 K.

Hồ sơ vật liệu CDA C11000 đưa ra độ giãn nở nhiệt theo các khoảng nhiệt độ xác định. Hệ số 9,4 × 10⁻⁶ trên mỗi °F trong khoảng 68–212°F tương ứng xấp xỉ 16,92 × 10⁻⁶ trên mỗi K. Giá trị làm tròn 17 × 10⁻⁶/K được dùng trong phép tính minh họa dưới đây, không phải như một thông số kỹ thuật cho mọi hợp kim đồng và mọi dải nhiệt độ.

Với một thanh cái dài 3.000 mm với giả thiết tăng 60 K:

ΔL = 17 × 10⁻⁶ × 3.000 × 60 = 3,06 mm

Đó là độ dài thêm tự do của thanh cái theo các giả thiết đã nêu. Nó không tự động là hành trình yêu cầu của đầu nối. Vẫn phải tính đến dung sai lắp ráp, chuyển vị của kết cấu đỡ, chuyển vị của đầu cực và các điểm cố định đã chọn.

Nếu nhiệt độ biến thiên mạnh dọc theo tuyến, hãy chia thành các đoạn phù hợp hoặc dùng mô hình mô tả được phân bố. Áp nhiệt độ cục bộ cao nhất cho toàn tuyến có thể thiên về an toàn cho độ giãn dài, nhưng có thể mô tả sai vị trí phát sinh chuyển vị và ứng suất.

Vẽ các điểm cố định và các hướng được phép

Đánh dấu từng gối đỡ là cố định, trượt hay cho phép chuyển vị theo cách khác, đúng theo thiết kế đã kiểm chứng. Sau đó đánh dấu các đầu cực và mọi giao diện với công trình hoặc thiết bị. Ký hiệu trên bản vẽ chỉ hữu ích khi gối đỡ thực tế thật sự cho phép chuyển vị đã nêu sau khi lắp đặt.

Khi một đầu cố định và đầu kia tự do, độ giãn lý tưởng xuất hiện tại đầu tự do. Khi có một điểm cố định ở giữa và hai nửa đối xứng trượt tự do, mỗi đầu dịch chuyển ra xa tâm. Khi cả hai đầu cố định, kết quả giãn nở tự do đơn giản mô tả chuyển vị đang bị ràng buộc; nó không tính trực tiếp ứng suất phát sinh.

Kết cấu đỡ cũng chuyển vị. Để so sánh đơn giản hóa dọc theo cùng một trục, độ giãn tương đối là độ giãn của dây dẫn trừ đi độ giãn kết cấu liên quan. Hai thành phần có thể khác nhau về chiều dài, hệ số và nhiệt độ. Đừng chỉ trừ hệ số của đồng và thép trong khi giả định khung đạt tới nhiệt độ dây dẫn.

Có những cụm phần cứng chuyển vị chuyên dụng cho từng hệ thống. Ví dụ, khớp nối đỡ thanh cái giãn nở của PLP là một linh kiện trạm biến áp dành riêng cho ứng dụng. Sự tồn tại của nó cho thấy vì sao chuyển vị là một chức năng được thiết kế; điều đó không làm cho kích thước hay quy tắc tải của nó có thể áp dụng cho một tủ điện.

Mối nối giãn nở không phải là mối nối bulong lỏng

Một mối nối điện bằng bulong thông thường dựa vào tình trạng siết chặt đã quy định. Để bề mặt đó trượt một cách khó lường có thể làm xáo trộn áp lực tiếp xúc và tình trạng bề mặt. Nới lỏng bulong để chịu chuyển vị nhiệt làm thay đổi mối nối điện cũng như hành vi cơ học của nó.

Phần thảo luận về giãn nở nhiệt trong Copper for Busbars cảnh báo rằng chuyển vị dọc có thể gây trượt và lỏng, đồng thời mô tả cách tạo độ mềm dẻo ở chỗ khác trên một tuyến dài. Sự phân biệt này là cốt lõi: giữ nguyên tiếp xúc điện đã định trong khi tiếp nhận chuyển vị bằng một phần tử phù hợp.

Các giải pháp khả thi gồm liên kết mềm đã đủ tiêu chuẩn, đoạn dây dẫn được tạo hình, hoặc cụm trượt hay giãn nở chuyên dụng cho hệ thống. Tính phù hợp phụ thuộc vào dòng điện, nhiệt độ, tải cơ học và chuyển vị được phép. Hướng dẫn chọn thanh cái mềm so sánh các kết cấu đầu nối; tài liệu này phải đi sau chứ không thay thế việc đánh giá chuyển vị.

Giữ lực siết sơ bộ thông thường của đầu cực và việc xử lý bề mặt trong phạm vi các kiểm soát điện trở tiếp xúc mối nối. Một giải pháp chuyển vị không được âm thầm làm suy yếu chúng.

Chuyển chuyển vị thành thông số kỹ thuật của đầu nối

Yêu cầu «một liên kết mềm cho độ giãn nở 3 mm» là chưa đầy đủ. Hãy xác định phạm vi vận hành và chỉ rõ vị trí lắp đặt tham chiếu.

Hãy yêu cầu nhà cung cấp đầu nối nêu rõ những tổ hợp nào được phép. Hành trình dọc trục tối đa và độ lệch ngang tối đa được liệt kê riêng có thể không được phép đồng thời. Tương tự, một độ lệch lắp đặt tĩnh không nhất thiết là hành trình vận hành lặp lại chấp nhận được.

Với giao diện máy biến áp hoặc máng thanh dẫn, hãy thống nhất nơi trách nhiệm cơ khí chuyển giao giữa các nhà cung cấp. Không bên nào nên mặc định rằng bên kia đã đáp ứng toàn bộ khả năng tiếp nhận chuyển vị cần thiết.

Kiểm tra chuyển vị qua lắp ráp, vận hành và sự cố

Việc kiểm tra lắp đặt phải xác nhận hướng của gối đỡ, hành trình khả dụng, độ thẳng hàng của đầu cực và khe hở trên toàn bộ chuyển vị được phép. Người lắp đặt không nên phải ép thanh cái vào vị trí và tiêu hết dự trữ giãn nở dự định trước khi thiết bị được đóng điện.

Trong quá trình xác nhận thiết kế, hãy xét cả cực nóng lẫn cực nguội. Kiểm tra rằng dây dẫn không thể chạm vào các pha lân cận, vách ngăn hoặc kết cấu nối đất khi dịch chuyển. Bao gồm ảnh hưởng của hình học liên kết mềm và của bất kỳ lớp cách điện nào có thể cọ xát hoặc bị kẹt.

Chuyển vị nhiệt thông thường và tải sự cố là hai trường hợp tải riêng biệt. Một bố trí gối đỡ trượt đúng trong quá trình giãn nở chậm vẫn cần bằng chứng cho chế độ ngắn mạch. Việc thử nghiệm và đánh giá thuộc trách nhiệm của đội kỹ thuật điện và cơ khí phụ trách; điều chỉnh gối đỡ khi đang mang điện không phải là cách xử lý sự cố.

Ghi lại vị trí lắp đặt đã được phê duyệt và các kích thước mà xưởng phải giữ nguyên. Bản vẽ cuối cùng phải thể hiện nơi dự kiến có chuyển vị, nơi bị ràng buộc và những đặc điểm không được thay đổi. Điều đó biến giãn nở nhiệt thành một phần được kiểm soát của cụm lắp ráp, thay vì một vấn đề phát hiện tại các đầu cực.