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管型母線的應(yīng)用淺析

發(fā)布日期：2023-11-08 作者：法騰電力 點(diǎn)擊：

摘要：隨著碳達(dá)峰、碳中和的發(fā)展，中壓開關(guān)柜的綠色、節(jié)能已成為發(fā)展的趨勢，其中的使用可以節(jié)省材料、減少有色金屬等，綜合效益顯著；

1 引言
母排也稱匯流排，在開關(guān)設(shè)備中擔(dān)負(fù)著傳導(dǎo)電流的重要作用，同時(shí)承受如果發(fā)生配電系統(tǒng)短路故障產(chǎn)生的短路電流，母排電流對母排工作狀態(tài)的影響涉及電磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)三種物理現(xiàn)象，其中最主要的是：1）導(dǎo)體中的電流分布和功率損耗；2）導(dǎo)體的散熱和溫升；3）短路時(shí)導(dǎo)體和絕緣子承受的電動(dòng)力和機(jī)械應(yīng)力；4）導(dǎo)體形狀、布置對電場的影響。

母線的材料主要有銅、鋁、鋼三種，除在特殊場合使用的母線外，一般采用銅母線比較多。母線的形狀有圓形、矩形（包括全圓角和直角）、管型、D型及其它眾多的異型銅排，矩形截面使用最多；
母線可用經(jīng)濟(jì)電流密度法確定截面。所謂經(jīng)濟(jì)電流密度是根據(jù)線路投資、年運(yùn)行費(fèi)用及節(jié)約有色金屬等因素綜合計(jì)算而出的。母線除滿足導(dǎo)電截面要求外，還需要按短路條件進(jìn)行動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)計(jì)算，在動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算中，母線在彎曲時(shí)所產(chǎn)生的計(jì)算應(yīng)力σjs 大于母線的許用應(yīng)力，就需要變更母線的設(shè)計(jì)方式、增加相間距離、減少絕緣子的跨距和增大母線截面等方法，來減小σjs。

2 管型母線的應(yīng)用
    2.1 高電壓開關(guān)柜的應(yīng)用
對于中壓金屬鎧裝開關(guān)柜，特別是40.5KV空氣絕緣開關(guān)柜由于額定電壓高，額定絕緣水平要求高，因此母排的選擇更應(yīng)該考慮開關(guān)柜整體絕緣要求，因此優(yōu)先選擇管型銅排。下圖是空氣中，不同形狀電極對板之間距離與雷電沖擊電壓之間的關(guān)系，棒電極相當(dāng)于矩形銅排的厚邊，40mm直徑球體相當(dāng)于圓管，可以看出在相同的距離下，圓管的耐雷電沖擊水平高得多，而直徑越大，越接近均勻電場，因此耐壓水平越高，圓銅管排更加適合作為40.5kV開關(guān)柜的母線。因此管型母線在40.5kV開關(guān)柜中廣泛使用。
施耐德電氣（以前AREVA）的PIX-40.5、GE的PV-40.5、TAMCO的VH3以及常州太平洋電氣集團(tuán)的KYN58-40.5都是采用圓銅管做為分支或主母排的，ABB的ZS2 IEC36kV的開關(guān)柜也是采用的管型母線，管型母線電場均勻，可以有效的減少相間和相對地的距離，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化。

    2.2   大電流情況下選擇
大電流的情況下，矩形母線需要采用多片導(dǎo)體，引起的附加損耗、集膚效應(yīng)系數(shù)大，電流分布不均勻，載流能力下降很大，在相同截面積的情況下，不同截面形狀的導(dǎo)體受集膚效應(yīng)影響的情況如下，銅排片數(shù)越多，同相母排間距增大等都可以降低集膚效應(yīng)影響。

隨著變電站主變?nèi)萘康募哟螅I(yè)用戶如石化、冶金等負(fù)荷增加，開關(guān)柜的額定電流也在持續(xù)增加，在以往的工程中采用多片矩形導(dǎo)體的做法已經(jīng)不適應(yīng)工作電流大的回路，而且矩形母線在技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上很難滿足母線發(fā)熱和電動(dòng)力的要求，由此引起附加損耗、集膚效應(yīng)系數(shù)的增大，造成載流能力的下降、電流分布不均勻。
當(dāng)單臺(tái)主變?nèi)萘繛?80MVA以上時(shí)，由于變壓器低壓側(cè)的額定電流、短路電流、以及單臺(tái)容量在系統(tǒng)中所占的比重增大，主變10kV出線側(cè)不僅有母線橋本身電動(dòng)力的問題、發(fā)熱問題，還有母線橋支柱絕緣子、鋼結(jié)構(gòu)以及母線橋附近混凝土柱、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋在交變強(qiáng)磁場中感應(yīng)渦流引起的發(fā)熱問題，一旦母線短路，敞露母線、支柱絕緣子、變壓器繞組都遭受損傷，影響變電站的安全運(yùn)行、供電的可靠性。

3 管型母線的好處
3.1 載流量大
銅管母線為空心導(dǎo)體，表面積大，導(dǎo)體表面電流密度分布均勻，銅管導(dǎo)體為Φ100X5mm ，截面積：1491mm2,  載流量：4000A ，電流密度：2.68 （A/mm2 ）; 銅管導(dǎo)體為Φ100X10mm, 截面積：2826mm2, 載流量：6000A ，電流密度：2.12 （A/mm2）。因此，銅管母線特別適合于工作電流大的回路。
3.2   集膚效應(yīng)低、功率損失小
絕緣銅管母線的集膚效應(yīng)系數(shù)低，Kf<1 ，交流電阻小，因而母線的功率損失小。若采用多片矩形導(dǎo)體，隨著片數(shù)的增加，集膚效應(yīng)系數(shù)不斷的增加，單位截面的有效載流量下降，片與片之間電流分布不均勻，附加損耗加大，散熱條件差。
3.3  母線絕緣好
銅管母線電場均勻，可以減少相間距離，耐壓值高，特別是40.5kV開關(guān)柜，電場均勻，有效減少柜體尺寸。
3.4  允許應(yīng)力大，機(jī)械強(qiáng)度高
絕緣銅管母線的允許應(yīng)力為矩形母線的4 倍，可承受的短路電流大，機(jī)械強(qiáng)度高，使得母線支撐跨距加大。
3.5 散熱條件好、溫升低
銅管母線為空心導(dǎo)體，母線內(nèi)徑風(fēng)道能自然形成熱空氣對流，( 室內(nèi)和室外的氣壓差，能自然形成熱空氣對流），散熱條件好。
3.6  終端連接頭和中間接頭接觸電阻小、溫升低
中間接頭均采用圓環(huán)抱箍式與銅管連接，圓與圓之間受力均勻，接觸表面積大，接觸表面大于導(dǎo)體截面的10 倍，接觸電阻小于導(dǎo)體電阻，連接部位溫升低于導(dǎo)體。
3.7   母線架構(gòu)簡明、布置清晰、安裝方便、維護(hù)工作量少。

4 開關(guān)柜管型母線的設(shè)計(jì)
管型母排優(yōu)點(diǎn)很多，尤其用在40.5KV開關(guān)柜上，困難之處主要在于銅排之間的連接上，主要有以下幾種方式：
a. 端面連接，利用銅管的端面進(jìn)行連接。
b. 壓扁連接，通過把銅管連接處壓扁，通過扁銅排過渡連接。
c. 圓面連接，通過圓管外圓面進(jìn)行連接。
管型母線由于最大限度降低了趨膚效應(yīng)，載流量大，電流密度可以達(dá)到2A/mm2以上，因此在當(dāng)前銅價(jià)居高不下的情況下，可以節(jié)省成本，也可以減少有色金屬資源的消耗，運(yùn)行中能源的損耗。

但管型母線母線的連接比矩形銅排困難，折彎圓角大，布置不便，因而一般都用于發(fā)電廠等傳輸大電流的母線系統(tǒng)，或是空間大的40.5kV開關(guān)柜，由于電場均勻，可縮小電氣間隙，提升絕緣性能，開關(guān)柜更可靠。
其實(shí)12kV或低壓柜也可以使用管型母線，特別是大電流開關(guān)柜，可以大幅度減少銅的用量，性能提高，母線的連接方式有很多，典型的端面連接，如中壓抽出式斷路器的一次觸臂連接就是靠端面。
抱箍形式連接，通過抱箍形式將兩段母線相連，以前說過，不是搭接面積越大越好，而是有效搭接，即搭接只在螺栓連接區(qū)域，通過一定的壓縮量實(shí)現(xiàn)壓縮，過小會(huì)增大電阻，而過大會(huì)產(chǎn)生冷流效應(yīng)，造成永久變形。
銅管壓扁方式，即到了需要連接的地方，采用壓機(jī)將銅管壓扁，就可以像矩形銅排一樣實(shí)現(xiàn)與平面連接。
焊接法蘭形式，連接處焊接圓盤法蘭，兩段銅管母線通過法蘭面連接。直徑大的管形母線，還可以采用銑平面的形式，通過矩形銅排或軟編織線實(shí)現(xiàn)連接。

上面這些都是螺栓連接，為實(shí)現(xiàn)快速連接，可以采用觸頭連接器形式連接，通過自力觸頭用外圓面連接。

或通過彈簧觸指連接器內(nèi)圓面連接，彈簧觸指在中壓氣體絕緣開關(guān)柜中廣泛使用，載流量大，抗電動(dòng)力，性能優(yōu)異，安全可靠。用于管型母線連接還有以下好處:
1.管對管連接，電場均勻;
2.不增加直徑，不占用空間;
3.快速連接，無需母排開孔，無需螺栓連接;
4.明確定義的電流傳輸，載流量大，載流穩(wěn)定，不受環(huán)境影響;
5.恒定的接觸壓力；
6.外部可以絕緣，連接不需要絕緣處理。
7.總成本低--較大的導(dǎo)體間裝配偏差范圍，簡單的槽設(shè)計(jì)，方便的裝配

管型母線的好處顯而易見，隨著銅價(jià)的增長，有色金屬資源的短缺，需要節(jié)能減排，通過新技術(shù)，新工藝的應(yīng)用，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如采用彈簧觸指母線連接器，載流量大，安裝方便，連接可靠，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級，不但降低成本，還可以提升產(chǎn)品性能，贏得客戶，創(chuàng)造利潤。

5 結(jié)語
銅排作為貴重有色金屬，減少銅排的使用量可以有效的節(jié)省資源，通過多片銅排設(shè)計(jì)，可以大量的節(jié)省銅排的使用，如SENPLUS柜6300A原設(shè)計(jì)采用7-100x10，經(jīng)過拆分多片設(shè)計(jì)提升后，銅排改為12-40x10，節(jié)省30%的銅排用量；通過使用薄銅排設(shè)計(jì)，并對ACB端頭增加散熱片，也可以實(shí)現(xiàn)6300A斷路器的自然風(fēng)冷，而不需要風(fēng)機(jī)來強(qiáng)制風(fēng)冷，增加了可靠性，降低了成本。由于40.5KV開關(guān)柜十分重要，因此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要盡量可靠。管型母排具有電場及導(dǎo)電好等特點(diǎn)，通過現(xiàn)在高水平的制造加工能力，完全可以更好的應(yīng)用在產(chǎn)品上，真正解決開關(guān)柜可靠性問題。更加安全可靠、低碳環(huán)保，為雙碳目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。

來源：網(wǎng)絡(luò)

本文網(wǎng)址：http://hylgz.cn/news/1699418328.html

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