管型母线的应用浅析
发布日期：2023-11-08
作者：法腾电力
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摘要：随着碳达峰、碳中和的发展，中压开关柜的绿色、节能已成为发展的趋势，其中的使用可以节省材料、减少有色金属等，综合效益显著；
1 引言
母排也称汇流排，在开关设备中担负着传导电流的重要作用，同时承受如果发生配电系统短路故障产生的短路电流，母排电流对母排工作状态的影响涉及电磁学、热学和力学三种物理现象，其中最主要的是：1）导体中的电流分布和功率损耗；2）导体的散热和温升；3）短路时导体和绝缘子承受的电动力和机械应力；4）导体形状、布置对电场的影响。
母线的材料主要有铜、铝、钢三种，除在特殊场合使用的母线外，一般采用铜母线比较多。母线的形状有圆形、矩形（包括全圆角和直角）、管型、D型及其它众多的异型铜排，矩形截面使用最多；
母线可用经济电流密度法确定截面。所谓经济电流密度是根据线路投资、年运行费用及节约有色金属等因素综合计算而出的。母线除满足导电截面要求外，还需要按短路条件进行动、热稳定校验计算，在动稳定计算中，母线在弯曲时所产生的计算应力σjs 大于母线的许用应力，就需要变更母线的设计方式、增加相间距离、减少绝缘子的跨距和增大母线截面等方法，来减小σjs。
2 管型母线的应用
2.1 高电压开关柜的应用
对于中压金属铠装开关柜，特别是40.5KV空气绝缘开关柜由于额定电压高，额定绝缘水平要求高，因此母排的选择更应该考虑开关柜整体绝缘要求，因此优先选择管型铜排。下图是空气中，不同形状电极对板之间距离与雷电冲击电压之间的关系，棒电极相当于矩形铜排的厚边，40mm直径球体相当于圆管，可以看出在相同的距离下，圆管的耐雷电冲击水平高得多，而直径越大，越接近均匀电场，因此耐压水平越高，圆铜管排更加适合作为40.5kV开关柜的母线。因此管型母线在40.5kV开关柜中广泛使用。
施耐德电气（以前AREVA）的PIX-40.5、GE的PV-40.5、TAMCO的VH3以及常州太平洋电气集团的KYN58-40.5都是采用圆铜管做为分支或主母排的，ABB的ZS2 IEC36kV的开关柜也是采用的管型母线，管型母线电场均匀，可以有效的减少相间和相对地的距离，实现了产品的小型化。
2.2 大电流情况下选择
大电流的情况下，矩形母线需要采用多片导体，引起的附加损耗、集肤效应系数大，电流分布不均匀，载流能力下降很大，在相同截面积的情况下，不同截面形状的导体受集肤效应影响的情况如下，铜排片数越多，同相母排间距增大等都可以降低集肤效应影响。
随着变电站主变容量的加大，工业用户如石化、冶金等负荷增加，开关柜的额定电流也在持续增加，在以往的工程中采用多片矩形导体的做法已经不适应工作电流大的回路，而且矩形母线在技术上和结构上很难满足母线发热和电动力的要求，由此引起附加损耗、集肤效应系数的增大，造成载流能力的下降、电流分布不均匀。
当单台主变容量为180MVA以上时，由于变压器低压侧的额定电流、短路电流、以及单台容量在系统中所占的比重增大，主变10kV出线侧不仅有母线桥本身电动力的问题、发热问题，还有母线桥支柱绝缘子、钢结构以及母线桥附近混凝土柱、基础内的钢筋在交变强磁场中感应涡流引起的发热问题，一旦母线短路，敞露母线、支柱绝缘子、变压器绕组都遭受损伤，影响变电站的安全运行、供电的可靠性。
3 管型母线的好处
3.1 载流量大
铜管母线为空心导体，表面积大，导体表面电流密度分布均匀，铜管导体为Φ100X5mm ，截面积：1491mm2, 载流量：4000A ，电流密度：2.68 （A/mm2 ）; 铜管导体为Φ100X10mm, 截面积：2826mm2, 载流量：6000A ，电流密度：2.12 （A/mm2）。因此，铜管母线特别适合于工作电流大的回路。
3.2 集肤效应低、功率损失小
绝缘铜管母线的集肤效应系数低，Kf<1 ，交流电阻小，因而母线的功率损失小。若采用多片矩形导体，随着片数的增加，集肤效应系数不断的增加，单位截面的有效载流量下降，片与片之间电流分布不均匀，附加损耗加大，散热条件差。
3.3 母线绝缘好
铜管母线电场均匀，可以减少相间距离，耐压值高，特别是40.5kV开关柜，电场均匀，有效减少柜体尺寸。
3.4 允许应力大，机械强度高
绝缘铜管母线的允许应力为矩形母线的4 倍，可承受的短路电流大，机械强度高，使得母线支撑跨距加大。
3.5 散热条件好、温升低
铜管母线为空心导体，母线内径风道能自然形成热空气对流，( 室内和室外的气压差，能自然形成热空气对流），散热条件好。
3.6 终端连接头和中间接头接触电阻小、温升低
中间接头均采用圆环抱箍式与铜管连接，圆与圆之间受力均匀，接触表面积大，接触表面大于导体截面的10 倍，接触电阻小于导体电阻，连接部位温升低于导体。
3.7 母线架构简明、布置清晰、安装方便、维护工作量少。
4 开关柜管型母线的设计
管型母排优点很多，尤其用在40.5KV开关柜上，困难之处主要在于铜排之间的连接上，主要有以下几种方式：
a. 端面连接，利用铜管的端面进行连接。
b. 压扁连接，通过把铜管连接处压扁，通过扁铜排过渡连接。
c. 圆面连接，通过圆管外圆面进行连接。
管型母线由于最大限度降低了趋肤效应，载流量大，电流密度可以达到2A/mm2以上，因此在当前铜价居高不下的情况下，可以节省成本，也可以减少有色金属资源的消耗，运行中能源的损耗。
但管型母线母线的连接比矩形铜排困难，折弯圆角大，布置不便，因而一般都用于发电厂等传输大电流的母线系统，或是空间大的40.5kV开关柜，由于电场均匀，可缩小电气间隙，提升绝缘性能，开关柜更可靠。
其实12kV或低压柜也可以使用管型母线，特别是大电流开关柜，可以大幅度减少铜的用量，性能提高，母线的连接方式有很多，典型的端面连接，如中压抽出式断路器的一次触臂连接就是靠端面。
抱箍形式连接，通过抱箍形式将两段母线相连，以前说过，不是搭接面积越大越好，而是有效搭接，即搭接只在螺栓连接区域，通过一定的压缩量实现压缩，过小会增大电阻，而过大会产生冷流效应，造成永久变形。
铜管压扁方式，即到了需要连接的地方，采用压机将铜管压扁，就可以像矩形铜排一样实现与平面连接。
焊接法兰形式，连接处焊接圆盘法兰，两段铜管母线通过法兰面连接。直径大的管形母线，还可以采用铣平面的形式，通过矩形铜排或软编织线实现连接。
上面这些都是螺栓连接，为实现快速连接，可以采用触头连接器形式连接，通过自力触头用外圆面连接。
或通过弹簧触指连接器内圆面连接，弹簧触指在中压气体绝缘开关柜中广泛使用，载流量大，抗电动力，性能优异，安全可靠。用于管型母线连接还有以下好处:
1.管对管连接，电场均匀;
2.不增加直径，不占用空间;
3.快速连接，无需母排开孔，无需螺栓连接;
4.明确定义的电流传输，载流量大，载流稳定，不受环境影响;
5.恒定的接触压力；
6.外部可以绝缘，连接不需要绝缘处理。
7.总成本低--较大的导体间装配偏差范围，简单的槽设计，方便的装配
管型母线的好处显而易见，随着铜价的增长，有色金属资源的短缺，需要节能减排，通过新技术，新工艺的应用，创新设计，如采用弹簧触指母线连接器，载流量大，安装方便，连接可靠，实现产品的升级，不但降低成本，还可以提升产品性能，赢得客户，创造利润。
5 结语
铜排作为贵重有色金属，减少铜排的使用量可以有效的节省资源，通过多片铜排设计，可以大量的节省铜排的使用，如SENPLUS柜6300A原设计采用7-100x10，经过拆分多片设计提升后，铜排改为12-40x10，节省30%的铜排用量；通过使用薄铜排设计，并对ACB端头增加散热片，也可以实现6300A断路器的自然风冷，而不需要风机来强制风冷，增加了可靠性，降低了成本。由于40.5KV开关柜十分重要，因此产品的设计需要尽量可靠。管型母排具有电场及导电好等特点，通过现在高水平的制造加工能力，完全可以更好的应用在产品上，真正解决开关柜可靠性问题。更加安全可靠、低碳环保，为双碳目标早日实现贡献力量。
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