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面向中压开关设备母线设计研究

作者：周佳佳日期：2015-02-28 09:44 来源：《电子制作》

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【文章摘要】
分析了母线的类型、耐受动力以及截流能力，系统对比各种类型母线的优缺点，从而为母线的搭接技术提供了交流借鉴。
【关键词】
中压开关设备；母线；搭接技术；设计
0 前言
开关设备中，用于连接各种电气设备，以及实现电能传输的媒介，可称之母线，亦可称为母排或截流排。其主要分为两个部分，一是主母线，多用于中压柜和中压柜。二则是分支母线，多用于连接垂直方向的电器元件。一旦母线运行过程中出现了故障，极其容易引起电器设备的故障，甚至会降低整个主回路供电系统的可靠性。因而，在开关设备产品的设计中要重视母线的选择和设计，从而提高母线系统运行的稳定性和降低母线用电量。
1 母线的类型
母线的类型多种多样，但是按照形状和用途可以分矩形母线、槽型母线等，在选择母线时可以从以下几个方面入手：电流分布均匀与否、机械强度能够满足运行的热稳定、散热功能强大、制造过程简单易行等等。
1.1 母线的耐受动力分析
母线需要承受的电动力比较大，尤其是在母线出现短路故障时。《材料力学》中母线的应力计算可以以梁的计算方式来计算。检验梁的机械强度，弯曲正应力计算方式为α=M/W，校验方法为Mmax ≤ [α]W。截面的形状发现变化也会影响抗弯截面模量。其截面形状的经济性、合理性用耐受电动力W/A（A 表示为截面积）表示。其W/A 比值越大，截面形状的抗弯性就越合理。其主要是因为弯曲时，梁截面距离中性轴较远，从而产生较大的正应力。因而，在采用的利用上，实现材料利用的充分性，在材料的放置位置上可以选择距离中性轴较远的地方，如把实心母线改为管形母线。选择合适的截面形状，从而更好的节省母线的耗电量。如表1 所示：
表1 各种材料W/A 的比值
a1 表示矩形母线宽度；a=d/D，d 表示管型母线内径，D 表示管型母线外径； a2 表示槽型母线宽度。
可见，各种材料的耐受电动力各有不同。其中槽型截面的耐受电动力强于圆形截面；圆形截面耐受电动力强于矩形截面。
1.2 母线的截流能力分析
针对矩形母线、管形母线、槽型母线等材料的适宜性，从而选取最为合适的母线材料，现对其进行截流能力的比较。选取截流量为5600A 左右的对应母线节流面积进行比较，其结果如表2 所示：
表2 各种母线的截留量与截面积参数表
注： 25。C、35。c、40。c 表示在温度状态下。
表2 结果显示，在截流量保持同一水平时，其母线材料耗费分别是矩形母线为最，其余依次为管形母线、槽型母线，耗费最少的是菱形母线。如果用管形母线、槽型母线、菱形母线替代矩形母线的位置，则能够节省的材料依次为，24%，26.8% 以及36%。
2 母线搭接技术
母线搭接是一门比较复杂的技术，其与开关设备的机构形式、设计制造习惯、产品设计精度等方面有着直接的联系。母线搭接技术主要分为焊接以及接触搭接。其中，接触搭接有主要有螺栓搭接及压接搭接，当前用的比较多的搭接方式为螺栓搭接，螺栓和螺母的主要材料为碳钢，性能等级的取值一般控制在4.8 和8.8。螺栓的加应力集中分布于垫圈的覆盖范围内，垫圈外部接触电阻增加，螺栓直径的选择对铜母线接触面积提出的要求是9.8MPa，铝母线的要求为4.9 MPa，处于相同金属或不同金属接触面积之间的电流密度（A/ mm2）如表3 所示。
母线的固定死点要设置在支柱绝缘上，最好的方法是每隔一段距离设置一个，并位于母线全程或者是伸缩节的中点上。母线伸缩节点的设置应当与母线接头的距离保持在30m 左右。软连接的设置应当设置在硬母线与发电机端子、主变压器端子等穿墙套管处。
此外，接触电阻是体现母线搭接结果的重要指标。新加工的母线在经过酸洗、碱洗之后会在表面形成比较稳定的结构。但是，如过长期处于潮湿的环境中，也会造成表面结构的氧化，从而形成一层氧化膜，最终影响接触电阻。母线长时间的超负荷运行，造成表面结构与周围介质发生化学反应，从而增加接触的电阻。因而，提高母线工作运行的可靠性，有必要保持母线接触电阻阻值的稳定。影响母线搭线面腐蚀情况的主要影响因素为化学腐蚀、氧化作用。电化学腐蚀等。其氧化膜影响作用比较明显，如CuO 氧化膜的最高电阻率为2*108Ω·m ；Al2O3 氧化膜的最高电阻值为1*1010Ω·m。由此可知，母线搭接面的保护有着重要的意义，其在实际生产过程中，搭接处电阻值应当控制在相同道题长度的5%-10% 的范围内。此外，母线材料的物理性质直接影响接触电阻的大小。即，材料越软，导电率越高，压花、镀银等物理作用可以挤破氧化膜的可靠接触，从而防止氧化。对于接触面的温度来说，温度越高，电化学腐蚀的情况就越眼中，氧分子的运动就越激烈，在高温的状态下，氧分子能够深入的氧化金属内部，从而加深母线材料的氧化程度。因而，母线接触面的允许温度要控制在一定的范围以内。
2.1 于矩形母线的搭接
矩形母线的优点：散热表面积较大，横截面相同的情况下，矩形母线的周长长于圆形母线的周长，散热效果明显，且集肤效应小，安装过程简单易行。
矩形母线的缺点：当用于输送大电流时，多根矩形母线并列的母线组降低了散热效果。母线组的采用不宜超过2 ～ 3 根；采用 4 根矩形母线进行分组安装时，可以增大载流量。母线组的集肤效应系数比单根的大，其附加损耗也会增大。但载流量并不是随母线根数的增加而成倍增
表3 相同金属间和不同金属件接触面的允许电流密度 A/mm2
加，尤其在 3 根以上时，母线的集肤效应系数显著增大。
矩形母线的适用范围：主回路供电电2000A-3000A 回路中，一般情况下可用于小于4000A 的回路中。
矩形母线的搭接形式：柜内母线的设置应当一致，尽量减少搭接点。搭接的过程中要尽量的满足母线的发热要求，以及有色金属的节约。
2.2 管形母线的搭接
管形母线的优点：集肤效应系数小，载流量较大。占用空间小，线路布置图清晰明显。
管形母线的缺点：散热表面积小，管腔内部的热量不易排除；连接复杂程度高，制作不易，设计和制造的要求精良。电厂强度在端头与支柱绝缘子的分布不均匀，降低端部工频电晕电压的起始电压，尤其是在有雷电作用时，终端绝缘子加大放电频率，母线终端不具备任何优势。解决方案：可在端部安装屏蔽块，平均端头和支柱绝缘子的电场，也可适当增加母线端部的长度，方便日后的并柜连接。
管形母线的适用范围；可用于4000 以下的大量流。
管型母线的搭接形式：可以采用管形母线与矩形母线转接金具进行连接，具体规格要根据实际的需要搭接的母线来决定。当分支母线电流较小时，管形母线的连接可以转连接螺栓进行连接，螺栓的规格取决于需要搭接的母线。
2.3 双D 形母线的搭接
双D 形母线的采用，主要是基于解决管形母线的散热问题，因其双母线近似于圆形母线，且其母线的截面是D 字状，故称之为D 型母线。其母线的电场分布明显优于矩形母线，散热条件、载流量等能力都强于矩形母线。双D 型母线的应用可以减轻电场分布不均匀引起的电晕放电对绝缘体的损害，并满足热稳定、动稳定等性能指标的要求，降低了母线的制造成本。
2.4 槽型母线的搭接
槽型母线的优点：电流分布均匀，其散热条件较同截面的矩形母校好，安装也比较简单方便。当柜体的通风口处于垂直状态上时，其载流能力较不开通风口时增大约9%-10% ；较同截面的矩形母线增大约35%。较多条矩形母线相比，集肤效应系数减小，电流分布、散热条件均优于矩形母线。
槽型母线的适用范围: 槽型母线的制造一般采用铝合金，其原因在于铝合金容可塑性较高，易拉成型。当回路工作电流处于4000-8000A 甚至更高时，采用的母线多为槽型母线，其应用的典型为大电流母线桥。
槽型母线的搭接形式，可以采用连接螺栓、金具、双头螺栓、连接板、焊接片进行多根槽型母线之间的转接连接。
3 结束语
母线设计的合理性与母线搭接技术的适宜性直接影响开关柜的设计和运行，从而在电力系统运行的安全中发挥重要的作用。因而，在母线的选择和母线的搭接过程中慎重的考虑，并且经过实验的检测，从而选择出最为适宜的母线以及母线的搭接技术，既满足了相关规定，又实现了经济性和实用性的统一。
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【作者简介】
周佳佳(1985.11-)，女，浙江建德人，助理工程师，专业：电气工程及自动化。