管型母线在中压开关柜中的应用

用管型母线相比较于矩形母线，管型母线载流量大，电流密度可以达到2A/mm ² 以上，减少开关柜有色金属等资源的使用，降低导体的额外功率损耗，在当前铜价居高不下的情况下，还可以提升产品品质、节省成本，综合效益显著；管型母线由于最大限度降低了集肤效应，减少了邻近效应的影响，可以减少导电回路的额外发热，即运行中的能源损耗，实现产品的节能减排。

0 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，同时承受配电系统因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、增加母线相间距离、减少绝缘子的跨距和增大母线截面等方法，来减小σjs。

1   管型母线的应用

1.1       高电压开关柜中的应用

对于中压金属铠装式开关柜，特别是40.5 kV空气绝缘开关柜由于额定电压高，额定绝缘水平要求高，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。在相同的距离下，圆管的耐雷电冲击电压的水平比矩形铜排高得多，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都是采用圆铜管作为分支或主母排的。ABB 36kV ZS2 型开关柜如图1所示，也是采用管型母线。管型母线电场均匀，可以有效的减少相间和相对地的距离，实现产品的小型化。     图1  ABB 36kV ZS2 型开关柜的管型分支母线

ABB 12kV UniGearZS1 500mm宽开关柜额定电流 1250A使用管型母线，相间距135mm，不采用热缩套管等绝缘方式，裸铜排可以满足42kV 1分钟工频耐受电压、75kV雷电冲击耐受电压的绝缘要求。

1. 1.2         大电流开关柜的应用

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，以往的开关柜中采用矩形导体的做法已经不适应大电流开关柜，大电流开关柜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，有效交流电阻增加，即焦耳效应产生的额外损耗大，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。增加铜排片数，扩大同相母排间距等都可以降低集肤效应影响，但对于中压开关柜的母线绝缘及支撑都会造成负面影响，解决难度大。

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表2。管状导体的形状保证了系数 Kf 接近于 1。

2管型母线的主要优点

1. 2.1   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。当铜管导体为Φ100X5mm时，截面积：1491mm ² ,  载流量：4000A ，电流密度：2.68 （A/mm ² ）; 当铜管导体为Φ100X10mm时, 截面积：2826mm ² , 载流量：6000A ，电流密度：2.12 （A/mm ² ）。因此，铜管母线特别适合于工作电流大的回路。

常规电流等级管型母线与矩形母线使用对比，如表2所示。管型母线由于载流量高，因此相对于矩形母线，可以使用更少的铜排，特别是大电流开关柜，如4000A开关柜，采用管型母线的开关柜，每台可以比采用矩形铜排节省6270元，减少有色金属使用量、降低成本效果显著。   表 1  开关柜管型铜排和矩形铜排的使用对比  

2.2额外发热功率损失小

集肤效应和邻近效应都是由于载流导体之间存在的电感差异引起的循环或涡流，避免这两种效应（并因此最小化损耗）的必要条件是导体的形状，圆形截面是优选的。铜管母线的集肤效应系数低，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。

由表2可以看出，相同截面积的铜导体，圆管的载流量是矩形铜排的1.25倍，意味着相同截面的铜导体，圆管形状可以比矩形排多承载1/4的电流；交流电阻与直流电阻之比只有1.05，意味着相同截面积具有相同的直流电阻，而圆管形状的交流电阻只是矩形排的60%(1.05/1.75)，可以减少60%的额外功率损失。减少60%的发热，不但提高了开关柜的额定电流，同时发热低、温升低。

表 2  不同形状导体的载流系数

1. 2.3铜管母线电场均匀

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，电场均匀可有效减少柜体尺寸。

对于空气绝缘母线，必须保证不同相导体之间或导体与地之间具有足够的空间距离，即：导体周围空气中的电场强度足够低、不会导致电晕的距离。尽可能避免电晕放电，因为电晕会产生气体电离，会导致导体周围的空气绝缘大大降低，从而导致闪络。如果发生闪络，在许多情况下会导致相邻相或极之间或最近的接地点或平面之间发生短路，这将导致导体严重烧毁。

开关柜由矩形母排优化使用圆管形母线后，主回路最大电场强度降低60%，如图2所示。  

图2 矩形母线与管型母线电场强度对比

1. 2.4   许用应力大、机械强度高

铜管母线的许用应力为矩形母线的4倍，机械强度高，可承受的短路电流大，使得母线支撑跨距加大。

1. 2.5散热条件好、温升低

铜管母线为空心导体，母线内孔可形成风道，能自然形成热空气对流，通过开关柜下部和上部的气压差能自然形成热空气对流，散热条件好。

管状导体也适用于强制冷却方法，例如强制空气冷却或液体冷却，其中热量可以从管的内表面带走，电流额定值可能是自然空气冷却值的几倍，使用强制冷却、采用液体冷却时电流增幅最大。

1. 2.6   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约10 倍，接触电阻小于导体电阻，连接部位温升低。

1. 2.7   母线架构简明、布置清晰、安装方便、维护工作量少。

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