ПОМЕХОЗАЩИЩЕННАЯ СИЛОВАЯ ШИНА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H02G5/06 H01R4/58 H02B1/20 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электропитанию постоянного и/или переменного напряжения с большими токами от одного и/или нескольких источников к одному и/или нескольким потребителям электроэнергии.

Из патента [Пат. US 20170098814 A1 МПК H01M 2/34, H01M 2/20. Busbar / A. Golubkov (AT) №15/278938; заявл. 28.09.2016; опубл. 06.04.2017] известна сборная силовая шина электропитания (СШЭП) для электрического соединения элементов в аккумуляторных модулях. Электрический разрыв элементов друг от друга при перегреве аккумуляторного модуля осуществляется электрическим разрывом, по меньшей мере, одного из элементов или при коротком замыкании. СШЭП содержит сердечник и оболочку, по меньшей мере, частично выполненную из первого материала, причем указанный материал является электропроводящим, а сердечник, по меньшей мере, частично выполнен из второго материала со значением коэффициента теплового расширения, значительно большим, чем у первого материала.

Из патента [Пат. US9601742B2 МПК H01M 2/20, H01M 2/10, H01M 10/48. Busbar module unit / Y. Furuya (JP), S. Ogasawara (JP), H. Inoue (JP) №14/068853; заявл. 31.10.2013; опубл. 21.03.2017] известен модуль СШЭП, включающий сборную СШЭП, содержащую эпоксидную смолу, множество активных проводников, два опорных проводника, проводники детектора напряжения, место размещения нагрузки, выводы силового кабеля и элемент корпуса. Схема прокладки проводников устроена так, чтобы обеспечить электрический контакт, по меньшей мере, с одной из соединительных клемм. Элемент корпуса содержит две противоположные грани, одна из которых расположена напротив активных и опорных проводников, при складывании корпуса посредством шарнирного соединения.

Из патента [Пат. US9705299B1 США, МПК H02G5/00. Electrical busway joint with external vise braces / W.P. Maurer (US), V.D. Nguyen (US), D.S. Gifford (US) №US14/990037; заявл. 07.01.2016; опубл. 11.07.2017] известна сборная СШЭП, включающая объединение двух секций в узел внешними скобами. Секции расположены с продольным смещением друг относительно друга. Соединительный узел включает в себя множество сборных шин и дополнительных пластин, соединенных с ними посредством плотного контакта. Пластины и сборные шины обеспечивают соединение секций электрических шин. Плотный контакт сборных шин обеспечивается при помощи вибрационной скобы с зажимным винтом.

Из патента [Пат. WO2013138853A1 ВОИС МПК H01B 17/62. Busbar / R.L. De Laeter (AU) № PCT/AU2013/000277; заявл. 19.03.2013; опубл. 26.09.2013] известна сборная СШЭП, включающая покрытые электропроводящим барьером проводники для ограничения образования оксидного слоя на ней и предотвращения нежелательных электрических соединений элементов шины. Сборной шине возможно придать форму без повреждения электроизоляционного покрытия.

Из патента [Пат. WO2013124966A1 ВОИС, МПК H01M 2/20, H01M 2/10, H01M 2/34. Bus bar module and power-supply unit / S. Ogasawara (JP), M. Ota (JP) №PCT/JP2012/054101; заявл. 21.02.2012; опубл. 29.08.2013] известна сборная СШЭП для блока питания, отличающаяся упрощённым изоляционным покрытием проводников. Изоляционное покрытие изготавливается в виде двух одинаковых по форме и размерам корпусов, покрывающих обе части конструкции шины, за счет чего части выравниваются в продольном направлении для соединения с блоком электропитания.

Из патента [Пат. US8436244 B2 МПК H02М7/003. Laminated bus bar / K. Takahashi (CN) US13/064046 заявл. 03.03.2011; опубл. 05.07.2013] известна слоеная СШЭП, применяемая в полупроводниковых преобразователях электроэнергии. Плоская слоеная шина электропитания включает соединенные вместе проводники и расположенные между ними изоляционные пластины. Каждый проводник включает соединительную секцию, выведенную для соединения с клеммой полупроводникового преобразователя. Предложенная конструкция шины обеспечивает низкий ток утечки между соединительными выводами, за счет их расположения.

Из патента [Пат. US20230109751 A1 МПК H02G5/10, МПК H02B1/20, МПК H02B5/02. Sinusoidal tubular conducting busbar / М. Francisquini (BR) US17/798756 заявл. 11.02.2021; опубл. 13.04.2023] известна сборная СШЭП, имеющая трубчатую форму, с синусоидальными изгибами, применяемая для распределения низкого и высокого напряжения в электрических шкафах. Сборная шина содержит в начале соединительный выступ для соединения первой трубчатой формы в виде дуги с выступом второй трубчатой формы в виде дуги, образуя трубчатую шину синусоидальной формы, соединяющуюся с соединителями.

Из патента [Пат. US 8859897 B2 МПК H01R 25/14, H02G 5/005. Flexible busbar / R. Hadi (US), J.C. Fuchs (FR), C. Douzet (FR), P. Godard (FR), J.P. Bincaz (FR) №13/471975; заявл. 15.05.2012; опубл. 14.10.2014] известна гибкая СШЭП, содержащая центральный проводник, как правило, прямоугольного сечения, состоящий из нескольких слоев тонкого алюминия, меди или других сплавов с высокой проводимостью, изоляционного материала для уменьшения адгезии между двумя проводниками и гибкую внутреннюю втулку, за счет которой увеличивается гибкость шины.

Из патента [Пат. US9425587 B2 МПК H02B 1/20, H02B 1/56. Busbars having different cross sections for a busbar system with a common protection or neutral conductor. / F. Alefelder (DE), F. Bertels (DE) №14/391815; заявл. 14.02.2013; опубл. 23.08.2016] известна сборная СШЭП с различными формами поперечного сечения, общей защитой и нейтральным проводником. Сборная шина включает два сегмента, которые электрически соединены друг с другом, через соединительную секцию, при этом один из проводников является опорным.

Из патента [Пат. US 20230083452 A1, МПК H02G 5/00, H02G 5/10, B64F 5/10. Busbar for an aircraft, method of manufacturing such busbar, and aircraft comprising such busbar / H. Benthien (DE), M. Hegenbart (DE), P. Linde (DE) №17/941638 заявл. 09.09.2021; опубл. 16.03.2023] известна сборная СШЭП для летательных аппаратов, включающая, по меньшей мере, 2 электропроводящих слоя, и, по меньшей мере, 3 изолирующих слоя. Проводящие и изолирующие слои поочередно укладываются друг на друга и проходят в продольном направлении. Проводящие и изолирующие слои имеют различные коэффициенты теплового расширения. Каждый из проводящих слоев включает пространственную структуру, каждая из которых соединена с соседней соединительным сегментом. Каждый проводящий слой расположен между двумя изолирующими слоями, что приводит к деформации боковых стенок пространственных структур под воздействием тепла, компенсируя тем самым продольное расширение проводящих слоев.

Из патента [Пат. US 20190305526 A1 МПК H02B 1/21. Multl-phase layered busbar for conducting electric energy wherein the layers are glued together, method of manufactoring the same and switchboard cabinet including such a busbar / R. Velthuis (DE), A. Krivda (CH), J. Rocks (CH) №16/443920; заявл. 18.01.2019; опубл. 03.10.2019] известна многофазная СШЭП для передачи электрической энергии внутри коммутационного шкафа, включающая: подложку из изоляционного материала; первый проводящий слой из листового металла; первый изолирующий слой из изоляционного материала, расположенный на первом проводящем слое; второй проводящий слой из листового металла, расположенный на изолирующем слое; и второй слой электроизоляционного материала, который расположен на втором проводящем слое. Первый и/или второй изолирующие слои включают прокладки, каждая из которых включает слой жесткого изолирующего материала. По меньшей мере, одна из прокладок приклеена к электроизоляционному покрытию первого и/или второго проводящего слоя, и/или, по меньшей мере, одна из прокладок приклеена к электропроводящей поверхности непокрытого первого и/или второго проводящего слоя с помощью клея.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство [Пат. US 20230163584 A1, МПК H02G5/06, МПК H02G5/10, МПК H01B7/1805. Busbar structure with metal body that protects against burning / V. Vedat (TR), C. Cagla (TR), G. Hidir (TR) US17/549249 заявл. 13.12.2021; опубл. 25.05.2023.]. Устройство сборной СШЭП с металлическим корпусом, обеспечивающее лучший отвод внутреннего тепла, выделяемого проводниками при нормальной эксплуатации, предотвращает горение и останавливает распространение горения в средах, в которых требуется защита линии электропередачи от воздействия воды по стандарту IP68, и содержит предварительно изолированные проводники, выполненные в виде пластин и обеспечивающие передачу электроэнергии, при этом проводники находятся внутри металлического корпуса, состоящего из верхнего, нижнего, левого и правого металлических барьеров, которые повышают устойчивость к внешним воздействиям, а между проводниками и внешним металлическим корпусом имеется смола на основе нефтепродуктов, устраняющая воздушные зазоры и скрепляющая проводники и барьеры вместе за счет её адгезивных свойств.

Недостатками устройства-прототипа являются низкая помехоустойчивость вследствие возможного появления зазоров между металлическими барьерами, образующими корпус, и проникновения излучаемой электромагнитной помехи внутрь корпуса, низкая помехоустойчивость к воздействию электростатического разряда, вследствие отсутствия покрытия единым электропроводящим слоем сборной СШЭП в целом, низкая механическая прочность, вследствие отсутствия полной целостности металлического корпуса, а также высокие значения погонных индуктивностей и низкие значения погонных емкостей, вследствие отсутствия чередования проводников с противоположными полюсами.

Достоинствами заявляемой помехозащищенной силовой шины электропитания являются малая масса и повышенные электрическая и механическая прочности, а также устойчивость к воздействию внешних излучаемых электромагнитных помех и электростатического разряда, с повышенным ослаблением кондуктивных синфазных и дифференциальных помех от источника/потребителя к потребителю/источнику.

Технический результат заключается в повышенной электрической и механической прочности силовой шины электропитания с низкими паразитными параметрами и повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех и электростатического разряда.

Технический результат достигается за счет П-образного в поперечном сечении основания и крышки в виде пластины, образующих токопроводящую шину для обратных токов и одновременно корпус, внутри которого располагается токопроводящая шина прямых токов, что позволяет в целом снизить паразитные параметры за счёт уменьшения погонной индуктивности и увеличения погонной ёмкости. Устойчивость к воздействию электростатического разряда обеспечивается за счет нанесения электромагнитного экрана из металлизированной ткани поверх корпуса силовой шины электропитания совместно с гибкими проводниками припаянными к токопроводящим шинам, а высокая электрическая прочность за счет размещения изоляторов из группы разнородных диэлектрических материалов между токопроводящими шинами и металлизированной тканью.

Помехозащищенная силовая шина электропитания, включающая корпус и расположенный внутри изолированный проводник в виде пластины, обеспечивающие передачу электроэнергии, отличающаяся тем, что основание из электропроводящего материала выполнено с П-образным поперечным сечением и пазом для плоской электропроводящей крышки, являющиеся одновременно токопроводящей шиной отрицательной полярности и корпусом, внутри которого размещена изолированная токопроводящая шина с прямоугольным поперечным сечением, являющаяся электрическим проводником положительной полярности, а для электрического подключения к источнику и/или потребителю электрической энергии токопроводящих шин в них имеются углубления, в которые запаяны гибкие электрические проводники, противоположные концы которых припаяны к лепесткам одного и/или группы электрических соединителей для подключения к одному и/или группе источников и/или потребителей электрической энергии, при этом сборная электрическая шина и гибкие проводники полностью покрыты металлизированной тканью, имеющей электрический контакт с кожухами электрических соединителей, между токопроводящими шинами и металлизированной тканью имеются изоляторы из группы разнородных материалов, включающие оксидную пленку, лак и клеевую пленку, а образованная при этом воздушная полость между токопроводящими шинами заполнена электроизоляционным материалом из стеклотекстолита и/или под давлением эпоксидным пенокомпаундом.

Помехозащищенная силовая шина электропитания поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного устройства, а являются иллюстрирующими материалами:

На фиг. 1 приведены изометрические виды П-образного основания с крышкой (а), образующих корпус для токопроводящей шины положительной полярности (б) и СШЭП без проводных отводов, закреплённой на панели кронштейнами совместно с дополнительным помехозащитным фильтром (в).

На фиг. 2 приведены поперечные сечения помехозащищенной СШЭП (а) и ее проводных отводов в разных местах (б–е).

На фиг. 3 представлена схема соединения проводных отводов с СШЭП и дополнительного помехозащитного фильтра.

На фиг. 4 приведены зависимости погонных ёмкости (С) и индуктивности (L) помехозащищенной СШЭП без проводных отводов.

На фиг. 5 приведена фотография помехозащищенной СШЭП с дополнительным помехозащитным фильтром и расположенными на панели и закрепленными кронштейнами с держателями и планками.

Помехозащищенная СШЭП содержит П-образное в поперечном сечении основание 1 с крышкой 2, образующие токопроводящую шину отрицательной полярности в виде корпуса (Фиг. 1а) для токопроводящей шины положительной полярности 3 (Фиг. 1б). Токопроводящие шины отрицательной и положительной полярности изготовлены из алюминия и по продольной составляющей имеют углубления 4 для пайки с двух противоположных сторон гибких проводных отводов, соответствующей полярности. В основании 1 имеются прорези 5 для вывода с двух сторон гибких проводных отводов от токопроводящей шины положительной полярности 3. Основание 1 имеет открытые с двух сторон стенки 6 необходимые для компенсации продольного расширения вследствие нагрева вложенной внутрь токопроводящей шины 3. Основание 1 с крышкой 2 образуют в поперечном сечении для токопроводящей шины 3 замкнутый электромагнитный экран и в целом СШЭП (Фиг. 1в), которая при необходимости может устанавливаться на панель 7 при помощи кронштейнов 8 с держателями 9 и планками 10. На кронштейны 8 с держателями 9 может быть установлен дополнительный помехозащитный фильтр 11 в собственном электромагнитном экране.

Основание 1 имеет паз с электропроводящим клеевым слоем 12 (Фиг. 2а) для крышки 2, образуя замкнутый корпус, внутри которого размещается токопроводящая шина положительной полярности 3 заданной ширины (w) и толщины (t). Токопроводящие шины покрыты изолятором из разнородных материалов, включающим оксидную пленку 13, слой лака 14 и клеевой пленки из электроизоляционного материала 15 с высокой стойкостью к температурным воздействиям и ионизирующему излучению например НИИКАМ-ПМ-ЛС, а также электроизоляционный материал из стеклотекстолита 16 и эпоксидный пенокомпаунд 17.

В углубления 4 токопроводящих шин припаяны гибкие проводные отводы положительной 18 и отрицательной 19 полярности, которые расположены таким образом, что сверху имеют положительную полярность, а снизу – отрицательную (Фиг. 2б). Проводные отводы располагаются на расстоянии w₁ и k₁ друг от друга для протекания лака и герметика в места между проводными отводами. Места пайки проводных отводов к токопроводящим шинам покрыты лаком, а вырезы 5 в основании 1 залиты герметиком. Силовая шина электропитания совместно с гибкими проводными отводами Фиг. 2 покрыта металлизированной тканью 20 для протекания токов электростатического разряда. Гибкие проводные отводы вдоль длины собираются в жгут Фиг. 2в и возле соединителей разветвляются по полюсам соответствующей полярности: положительной или отрицательной (Фиг. 2г). Это повышает взаимную электромагнитную связь между полюсами, а при разветвлении и подключении к проводным отводом соответствующего полюса повышает надежность СШЭП. Каждый полюс имеет собственный соединитель с поперечным сечением (Фиг. 2г). Также вдоль продольной составляющей СШЭП имеются проводные отводы положительной 18 и отрицательной 19 полярности (Фиг. 2д) для подключения к шине одного и/или группы потребителей, которые могут быть подключены через дополнительный помехозащитный фильтр 11. Выход помехозащитного фильтра имеет аналогичное в поперечном сечении расположение проводных отводов, которые собираются в жгут (Фиг. 2е) и возле соединителей разветвляются по полюсам соответствующей полярности: положительной или отрицательной (Фиг. 2г).

Гибкие проводные отводы с другого конца могут быть припаяны напрямую к источнику/потребителю и/или к соединителям 21, 22, образуя положительную и/или отрицательную клеммы для подключения источника/потребителя. При этом корпус каждого соединителя 21, 22 изнутри покрывается лаком и заливается компаундом. Снаружи корпус соединителя имеет электрический контакт с металлизированной тканью 20. Схема соединения СШЭП с проводными отводами и соединителями, а также дополнительным помехозащитным фильтром 11, в собственном электромагнитном экране 23 представлена на Фиг. 3. Проводные отводы 24–27 (Фиг. 3) аналогичны между собой и имеют соответствующее поперечное сечение (Фиг. 2б–г) вдоль их длины, с соединением, соответствующим проводному отводу 24 (Фиг. 3). Проводный отвод 28 аналогичен отводу 29 и необходим для подключения потребителя к СШЭП, при необходимости через дополнительный помехозащитный фильтр 11, в электромагнитном экране 23. Фильтр может быть выполнен на компонентах с сосредоточенными и распределенными параметрами и позволяет ослабить амплитуду кондуктивных помех от потребителя. Проводные отводы 28 и 29 представляют собой два провода разной полярности (Фиг. 2д), обмотанных совместно с СШЭП металлизированной тканью 20. Проводный отвод 30 (Фиг. 3) является выходом для дополнительного помехозащитного фильтра, который возле фильтра имеет поперечное сечение, представленное на Фиг. 2е, а возле соединителей разветвляется по полюсам положительной или отрицательной полярности и имеет поперечное сечение, представленное на Фиг. 2г.

Ширина (w) и толщина (t) токопроводящей шины положительной полярности 3 может быть вычислена относительно максимального протекающего тока в СШЭП. При этом максимальная индуктивность и минимальная емкость будут соответствовать заданному значению зависимости w/t, изображенной на кривой Фиг. 4.

Созданная конструкция помехозащищенной СШЭП 31 с гибкими проводными отводами 24–27, на каждом конце которых имеются соединители положительной и отрицательной полярности 21 для их подключения к источнику/потребителю электроэнергии (Фиг. 5). В центре к помехозащищенной СШЭП, через проводные отводы 28 и 29 подключен дополнительный помехозащитный фильтр 11, потребитель к которому подключается через собственные проводные отводы 30 с расположенными на концах соединителями 22. Помехозащищенная СШЭП 31 вместе с проводными отводами и помехозащитным фильтром 11 установлена на панель 7 посредствам кронштейнов 8 с держателями 9 и планками 10.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электропитанию постоянного и/или переменного напряжения с большими токами от одного и/или нескольких источников к одному и/или нескольким потребителям электроэнергии. Технический результат заключается в повышении электрической и механической прочности силовой шины электропитания с низкими паразитными параметрами и повышенной устойчивостью к воздействию внешних электромагнитных помех и электростатического разряда. Помехозащищенная силовая шина электропитания включает корпус и расположенный внутри изолированный проводник в виде пластины, обеспечивающие передачу электроэнергии. За счет П-образного в поперечном сечении основания и крышки в виде пластины, образующих токопроводящую шину для обратных токов и одновременно корпус, внутри которого располагается токопроводящая шина прямых токов, что позволяет в целом снизить паразитные параметры за счёт уменьшения погонной индуктивности и увеличения погонной ёмкости. Для электрического подключения к источнику и/или потребителю электрической энергии токопроводящих шин в них имеются углубления, в которые запаяны гибкие электрические проводники, противоположные концы которых припаяны к лепесткам одного и/или группы электрических соединителей для подключения к одному и/или группе источников и/или потребителей электрической энергии. Сборная электрическая шина и гибкие проводники полностью покрыты металлизированной тканью, имеющей электрический контакт с кожухами электрических соединителей, что обеспечивает устойчивость к воздействию электростатического разряда. Между токопроводящими шинами и металлизированной тканью имеются изоляторы из группы разнородных материалов, включающие оксидную пленку, лак и клеевую пленку, что обеспечивает высокую электрическую прочность. Образованная при этом воздушная полость между токопроводящими шинами заполнена электроизоляционным материалом из стеклотекстолита и/или под давлением эпоксидным пенокомпаундом. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Помехозащищенная силовая шина электропитания, включающая корпус и расположенный внутри изолированный проводник в виде пластины, обеспечивающие передачу электроэнергии, отличающаяся тем, что основание из электропроводящего материала выполнено с П-образным поперечным сечением и пазом для плоской электропроводящей крышки, являющиеся одновременно токопроводящей шиной отрицательной полярности и корпусом, внутри которого размещена изолированная токопроводящая шина с прямоугольным поперечным сечением, являющаяся электрическим проводником положительной полярности, а для электрического подключения к источнику и/или потребителю электрической энергии токопроводящих шин в них имеются углубления, в которые запаяны гибкие электрические проводники, противоположные концы которых припаяны к лепесткам одного и/или группы электрических соединителей для подключения к одному и/или группе источников и/или потребителей электрической энергии, при этом сборная электрическая шина и гибкие проводники полностью покрыты металлизированной тканью, имеющей электрический контакт с кожухами электрических соединителей, между токопроводящими шинами и металлизированной тканью имеются изоляторы из группы разнородных материалов, включающие оксидную пленку, лак и клеевую пленку, а образованная при этом воздушная полость между токопроводящими шинами заполнена электроизоляционным материалом из стеклотекстолита и/или под давлением эпоксидным пенокомпаундом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что токопроводящие шины прямых и обратных токов соединяют проводными отводами с источником и/или потребителем электроэнергии через дополнительный помехозащитный фильтр, необходимый для ослабления синфазных и дифференциальных помех, установленный в собственном электромагнитном экране в непосредственной близости к источнику и/или потребителю электроэнергии.