常见绝缘管型母线之间对比

知识点：固体绝缘矩型母线

 绝缘管型母线的发展及应用情况调查

1. 引言

绝缘管型母线是一种新型母线型式，其实质是利用铜或铝管母作 为导体，外敷绝缘的一种母线产品。

这种母线早期在国外开始应用，已有几十年的运行经验。国内大 连第一互感器有限责任公司于 2002 年开始从德国引进技术，2004 年 完成型式试验，之后逐步开始生产干式绝缘管型母线。随后，越来越 多的企业开始制造绝缘管型母线。绝缘管型母线由于其载流量大、机 械强度高、外形尺寸小、电气绝缘性能强的优点，其安装的环境适应 性较好。在近十年的时间内，绝缘管型母线在变电站、发电厂和大型 光伏发电工程等领域内得到了越来越多的应用。

2. 绝缘管型母线的结构与技术特点

目前，国内生产绝缘管型母线的厂家有三十多家，绝缘管型母线 的生产工艺和结构形式有较大的差异，在此仅对一种结构形式进行分 析。

2.1.  结构

2.1.1. 母线本体结构

图.1 所示为绝缘管型母线的一般结构，母线的构成从内到外依次 是：金属管母、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、外 护层。

金属管母一般采用铜或铝管母，绝缘层采用固体绝缘材料，现在 具体使用的绝缘材料有多种，导体和绝缘屏蔽层使用的材料也有很多种，金属屏蔽层采用铜网或铜带，外护层大多采用热缩套也有采用不 锈钢。 

2.1.2. 绝缘管型母线的整体结构 

  绝缘管型母线不是简单的一段母线，它在实际工程中需要由多段

直线或弯曲母线、中间接头、母线终端、三通、支撑结构和穿墙结构 组成一个整体母线系统才能够投入使用。总体上，它是一个分相形式。 

2.2.  技术特点

  绝缘管型母线由于采用铜管或铝管母线导体，具有如下特点： 1) 载流量大 绝缘管型母线导体采用管型结构，其集肤效应低，单位截面的导体的载流量大于同等截面其它形式的导体。如载流量 800A 的母线， 铜管母线需采用 Ф32×3，电流密度为 2.93A/mm2，而矩形铜母线需采 用 60×6mm2，电流密度为 2.22 A/mm2，管母的导体效率提高了约 30%。

2) 表面场强低

根据圆管母线表面的电场强度（E）与电压（U）/半径（R）成正比，同样截面的铜管母线与矩形母线相比，管母表面的场强是矩形 母线的 1/10～1/15。因此管母外敷绝缘承受的场强较低，因此带电运 行较为安全可靠。

3) 机械强度大 

根据母线截面模量公式：管型母线截面模量公式为：W= π/32 (D4 - d4) 其中，D—管母外径，d—管母内径；矩形母线截面模量公式为 W=bh2/6 其中，b—矩形母线宽度，h—矩形母线厚度。

同样载流量的母线，抗弯截面模量，管型母线是矩形母线的 5 倍。 管母具有较强的机械强度，可承受较大的短路电动力和较大跨距的抗 弯和抗震能力。

4) 散热条件好 

管型母线中间空，表面积大，具有良好的散热条件，这方面性能大大优于矩形母线、电缆和其它母线。 除了以上特点外，绝缘管型母线一方面在导体外敷有绝缘层，具有很好的绝缘性能；另一方面导体外敷有导体和绝缘屏蔽层，母线绝 缘承受电压均匀，敷有金属屏蔽层并接地，使得母线表面电位为零。 另外，其具有外护套，对外部日照、风雨、机械、有害气体等进行防 护，因此绝缘管型母线还具有如下特点：

5) 绝缘性能好

安装时不需要考虑安全距离，运行可靠性高。

 6）环境适应性强 

绝缘管型母线在户内外均可使用，可以在一般的空间中使用，也可以在沟道、隧道内架设。 综上所述，绝缘管型母线的技术优点有：①载流量大；②表面电场强度低；③机械强度大；④散热条件好；⑤绝缘性能好；⑥环境适应性强。

正因为绝缘管型母线具有以上优异的技术特性，使得其在越来越 多的领域内有取代矩形母线桥、共箱母线和电缆等其他母线的趋势， 将会得到越来越多的应用。

3. 国内外绝缘管型母线的发展状况

国外绝缘管型母线的发展起步较早，技术较为成熟，比较知名的 母线品牌有德国的 PBP（preissinger busbar production）绝缘母线产品、 瑞士雷兹 SIS 绝缘母线系统及德国 MGC 公司的 RIP（resin  insulated paper）绝缘管母产品。这些母线产品采用的都是环氧树脂抽真空浇 注生产工艺，德国 MGC 公司的 RIP 绝缘母线在户外恶劣环境下使用 时外护套增加一层不锈钢罩壳。这种工艺分为两个阶段，第一阶段是 将包围圆导体的绝缘纸在真空状态下加热干燥，第二阶段是将事前准 备好的浇注罐与母线连接，在压力的作用下将一种低粘度的树脂浸入 包扎纸中。绝缘管型母线产品在国外已运行三十多年，有成功的运行 经验。

在国内，大连第一互感器有限责任公司于 2002 年引进德国 PBP公司的技术，经消化吸收后开始制造绝缘管型母线，其绝缘材料采用 环氧树脂，采用抽真空浇注的生产工艺。随后，有较多的企业开始采 用绕包工艺生产绝缘管型母线，其绝缘采用聚酯薄膜或聚四氟乙烯带 表面涂硅油复合绝缘。到 2008 年，开始有一些企业研究并采用挤包 工艺生产绝缘管型母线，其绝缘材料采用三元乙丙橡胶（EPDM）或 硅橡胶。随后，有部分采用绕包工艺的企业也开始采用挤包工艺生产 绝缘管型母线。

到目前为止，国内生产绝缘管型母线的企业有三十多家，采用的 生产工艺有浇注、绕包和挤包三种，他们采用的绝缘材料分别是环氧 树脂、聚脂薄膜或聚四氟乙烯带涂硅油复合绝缘、三元乙丙橡胶或硅橡胶。

4. 各种型式的绝缘管型母线

目前，国内生产的几种型式的绝缘管型母线，其整体和局部的结 构、各部分使用的材料、生产工艺过程和生产设备等各方面均有较大差异，以下作简要介绍。

4.1.  浇注式绝缘管型母线

 

4.1.1. 结构及材料

 

 

浇注式绝缘管型母线本体绝缘主要采用绝缘、半导电(粘性)电工 皱纹纸带缠绕，经环氧树脂真空浸渍，加温固化，形成一体化固体绝 缘。

在端部可以很方便地将半导电带分层按一定尺寸缠绕主绝缘，形 成类似套管中的电容屏结构，达到控制场强分布，减少场强集中的效 果。

浇注式绝缘管型母线接头一般采用在导体连接外部外罩绝缘套 筒的形式。套筒同样是具有电容屏结构的绝缘筒装结构，内屏与导体 连接等电位，外屏为接地导体。两端与本体密封连接。

浇注式绝缘管型母线具有以下优点：

     (1)  环氧浸渍纸绝缘是一种绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘，导体、 半导体层和绝缘纸经加温固化后，形成致密、紧实的一体化结构，既 具有绝缘纸和环氧的良好绝缘和介电性能，又具有良好机械特性。已 证实该种结构形式能有效保证至少在 35  kV  及以下电压等级产品不 发生内部局部放电。

(2) 端部和套筒的电容屏结构能够有效控制场强，且实现简单， 均压结构存在于绝缘内部，均在工厂预制，可靠性较高。

(3)  绝缘套筒保障了设备在连接处依然保持全绝缘性能，提高了 安全性。

浇注式绝缘管型母线具有以下缺点：环氧材料本身较脆，单根长 度短（＜3  米）、生产周期长、制造成本高，特别是屏蔽筒，在运输、 安装中对防止跌落、撞击的要求较高，同时需要考虑运行中的振动问题、基础沉降问题，以避免绝缘产生局部缺陷。

4.1.2 制造工艺及主要设备： 按工程需要将金属管切割、弯曲成型； 绕非金属屏蔽层、绝缘纸，敷金属屏蔽层和外护套热缩管； 抽真空环氧树脂浇注；环氧树脂烘烤固化。 生产环氧树脂绝缘管型母线的生产工艺复杂（越复杂越容易出问题，以通过国内最严苛的国家电线电缆试验中心的试验为准则，严格 按 DL/T 1658-2016 35KV 及以下固体绝缘管型母线标准和Q/GDW  11646-2016   7.2KV-40.5KV绝缘管型母线技术规范生产），生产 设备要求较高，除了管母加工设备和绕制设备之外，还必须有环氧树脂真空浇注机和大型烘烤炉等重要设备。

4.2.  绕包式绝缘管型母线

4.2.1. 结构及材料

  

  绕包式绝缘管型母线具有以下优点： 绕包式绝缘管型母线生产工艺简单，流程环节少，产能充足。 现场故障恢复简单，在故障点破开绝缘，逐层缠绕恢复绝缘结构即可。

绕包式绝缘管型母线具有以下缺点：

 

（1）聚四氟乙烯或聚酯薄膜本身性能优异，但其绝缘性能决定 于绕包过程中是否形成致密、紧实的多层结构，而且现场安装接头时， 更难控制质量。只有通过严密的工艺手段才能保障其性能。包绕不够 紧实的产品，绝缘层间容易引入气泡、潮气，另外，压紧力下降后， 绝缘性能将严重下降，且更容易受潮气入侵，引发沿绝缘层间表面的 放电。这种情况下，其绝缘强度主要取决于绝缘结构的特性而远低于 材料本征击穿强度。

（2）绕包式设备生产起步要求低，大量厂家集中于生产该类型 产品，导致该类设备质量差异极大。仅有少量厂家采用机械缠绕的方 式，并严格控制工艺过程，保障绝缘性能。

4.2.2 制造工艺及主要设备： 金属管切割弯曲成型； 绕包绝缘及电容屏蔽层； 敷金属屏蔽层和外护套；

以上加工不需要特别的加工设备，生产门槛较低。

 

4.3.  挤包式绝缘管型母线

4.3.1. 结构与材料

三元乙丙橡胶原料呈粘稠的半流体状性质，通过挤包机在导体表面 挤出内半导电层、绝缘层和外半导电层。为保证半导电层与导电层    与电力电缆绝缘几乎完全相同，利用橡塑材料(聚乙烯，硅橡胶、结 合紧密，生产中宜采用三层共挤工艺。

挤包式绝缘管型母线与其他绝缘型式设备最大不同在于挤包式 中间接头与终端中无法插入电容屏形成均压结构，而是通过预制件在 地屏端部向外延伸形成喇叭口的应力锥结构，达到均匀场强的效果。

 

 

挤包式绝缘管型母线的优点：与电缆结构相似，绝缘一体性较好、 紧实，技术比较成熟，有电力电缆尤其是高电压等级电力电缆生产经 验的厂家能够顺利转向生产挤包式绝缘管型母线。

挤包式绝缘管型母线的缺点：

（1）绝缘管型母线为增大载流量，须扩大管径，此时，挤包时 必须避免重力造成的绝缘偏心，这在绝缘尺寸整体半径增大的条件下 工艺难度更大，必须更为准确地控制整个挤包圆周上的温度和挤包速度均匀性（这个工艺问题江苏士林电气设备有限公司早已解决，不存在这个疑问）。

（2）挤包型绝缘管型母线的弯管段成型是其生产中的难点。

先弯金属管后挤包，由于现今的技术水平和设备限制，尚未有厂家实现。 先挤包后弯管会使已成型的绝缘受拉伸和挤压，一是弯曲半径受很大 限制，相当于在绝缘上施加应力，拉伸会减薄绝缘而挤压可能导致气 隙产生;二是预应力会降低材料的机械和性能（江苏士林电气设备有限公司采用乙丙橡胶作为绝缘材料，乙丙橡胶断裂伸长率 350%以上，弯管半径根据不同规格铜管分别为 R350，400，450;这样对绝缘拉伸变形在 1-5%之间，对乙丙橡胶这样高弹性的绝缘材料影响可以忽略不计，而且江苏士林电气设备有限公司在产品定型前反复多次对弯管 后的铜管弯曲处解剖没发现导体屏蔽及绝缘，绝缘屏蔽有任何缺陷产生。多次在国家检测中心进行型式试验包括 20 个热循环后局部放电，工频耐压，雷电冲击，温升试验均完全符合国家电力行业最新DL/T 1658-2016标准及 Q/GDW  11646-2016   7.2KV-40.5KV绝缘管型母线技术规范，这里要强调的是针对铁路用 27.5kv 绝缘母线也是在国家检测中心进行了型式试验均完全符合相关要求并已在成都西站， 黔渝铁路全线，成浦铁路全线采用江苏士林电气设备有限公司生产的 乙丙橡胶绝缘母线）。

4.3.2. 制造工艺及主要设备 挤包式绝缘管型母线的制造过程主要如下：

a)  母线直线段制造：在此过程主要是挤包。

硅橡胶绝缘采用单层挤包，三元乙丙橡胶绝缘采取绝缘及内外屏蔽层三层共挤；

b) 母线切割弯曲成型； 

c) 母线端部加工。

因此，挤包绝缘管型母线的生产除需要常规生产绝缘管型母线的设备外，还要有绝缘挤包设备。

5.   典型事故案例

本文搜集分析了绝缘管型母线近年来运行中出现的典型故障，对 具有共性的故障原因进行分析和分类。

5.1  型式设计/生产工艺引入缺陷 绝缘管型母线采用固体绝缘，型式设计和生产难度较普通母线类

设备大。其绝缘结构设计应充分考虑场强的均匀、绝缘材料间界面强 度以及使用中绝缘的防潮等问题;依据绝缘结构设计要求选用长期性 能稳定的绝缘材料;生产中应控制绝缘成型工艺（江苏士林电气设备 有限公司采用的是成熟的 35kv 乙丙橡胶电缆绝缘料及相应的电缆生 产工艺,有完备的按 DL/T1658-2016 标准生产的产品型式试验报告、 27.5KV 铁路用绝缘母线型式试验报告），避免引入毛刺、尖端、悬 浮导体或气泡等缺陷。目前该类设备在中国发展尚在起步阶段，一些生产厂家对影响该类设备质量和性能的关键点缺乏充分认识，没有足 够的设计能力和相应制造水平，导致设备质量存在问题（江苏士林电气设备有限公司已完全解决问题，我们有从事多年高压电缆绝缘的工 程师，对上述问题有深刻认识）。

山东某变电站服役不到 2 年的 10 kV 硅橡胶挤包绝缘管型母线， 在正常运行中的本体弯管处绝缘层击穿，导致严重烧毁，如图所示。

 

分析设备绝缘型式，为硅橡胶挤包型绝缘管型母线，但未采取三 层共挤工艺，无内屏蔽层，仅整体挤出绝缘层，并利用半导电带材料 手工缠绕外屏蔽层。无屏蔽层或屏蔽层制作工艺不佳，生产环节容易 在绝缘材料和电极间引入气隙、毛刺等缺陷。挤包式绝缘管型母线的 弯管生产工艺为先在直线段上整体挤出绝缘层，再利用弯管机将导体 和绝缘层以一定的弯曲半径使其形变。即使弯管过程中绝缘未受机械 损伤，弯管内侧绝缘受挤压作用，易产生气隙;弯管外侧受拉伸作用， 绝缘减薄，且相当于绝缘中预施加了较大机械应力，这也将使得弯管 处绝缘性能下降。在长期运行中，在较低(相电压约 6 kV)电压下，缺 陷累积发展，造成击穿（ 注意： 这是硅橡胶挤包绝缘， 它属于DL/T1658-2016  标准里面提到的三种母线绝缘材料｛三元乙丙橡胶、硅橡胶、树脂浇注｝之一，完全不同于三层共挤乙丙橡胶生产工艺及性能）。

5.2  安装引入缺陷 与电力电缆类似，绝缘管型母线的接头需要在现场安装。因此其整体性能，特别是绝缘性能，与现场安装环节紧密相关。 对绝缘管型母线，安装环节应有完整的工艺流程。(1)由于该设备为长线段、刚性安装，其尺寸应精确控制。如控制不当，可能造成 母线(含绝缘)不同轴，接头与本体位置与设计不符等问题，导致绝缘 结构不合理，局部场强集中，形成绝缘隐患。(2)安装环节须采取保 护措施，注意防尘、防潮，否则相较于工厂内生产，安装环节更易引 入毛刺、尖端、悬浮导体、气泡或绝缘受潮等缺陷。(3)应按工艺要 求做好设备密封等工作，以免在长期运行中影响设备性能（江苏士林 电气设备有限公司完全按照采用高压电缆附件设计及生产和现场安装，接头及终端完全是在工厂生产的橡胶预制件，同理环氧树脂母线 中间接头也是需要现场安装的，对环境的要求也是一样的）。

湖北某 110 kV 变电站的 10 kV 浇注式绝缘管型母线在投运不到

10  天，中间接头处发生击穿，引发低压侧线路大火（注意：这是浇

 

注式环氧树脂绝缘结构母线）。

 

 

该绝缘管型母线接头处为软连接外套，如图所示的绝缘屏蔽筒的 形式，其连接处均压结构由母线本体端部和屏蔽筒内的电容屏共同构 成。经现场勘查发现，故障母线屏蔽筒与本体段的配合因错位而产生 不同程度的倾斜，这将导致以下问题。(1)本体及屏蔽筒之间可能形成缝隙导致密封不严，潮气甚至雨水可能直接进入屏蔽筒;(2)屏蔽筒的移动导致电极位置发生偏移，电场分布与设计的正常分布相比，发生畸变，这将使得部分绝缘承受超出设计值的电场作用，而在较短时间内产生缺陷并发展为故障。

 

 

5.3  运行过程中产生缺陷 绝缘管型母线本身是免维护设备，一方面，不良的运行环境也有可能导致设备在运行中产生缺陷，主要是受潮、机械损伤以及过热、 过电压造成的局部绝缘损坏;另一方面，固体绝缘不可避免地存在正常老化和局部薄弱处，正常运行中也可能出现缺陷，主要是局部绝缘电击穿等绝缘损坏。

陕西某 35 kV 绕包式绝缘管型母线服役 7 个月，本体端头绝缘层 击穿，造成严重烧毁。经调查分析发现，故障母线端部有受潮迹象。 造成受潮的原因有：一是该地区季节间和昼夜温差变化很大，绝缘母 线护套材料耐候性不满足要求，运行过程中反复出现热胀冷缩导致开 裂、形变，造成密封性下降;二是母线端部为竖直段，接地线从护套 层引出，引出点密封不良，易使潮气甚至雨水进入。（注意：这是绕 包式绝缘结构母线，江苏士林电气设备有限公司一直反对绕包式绝缘 结构母线）

聚四氟乙烯材料本身不易受潮，且性能不受潮气影响，但其缠绕 结构使得水分能够深入绝缘带层间。另外，端部绝缘层间除了承受径向垂直场强作用外，还承受轴向水平方向电场作用。上述因素使得绕 包式绝缘的层间易发生沿面放电。图中所示的是一起典型的绕包式绝 缘层间放电类故障，在接地屏端部发现了沿聚四氟乙烯面表面发展的 树状放电痕迹。若这种放电发展至贯穿电极，将造成击穿。

   据不完全调查，十多年来，绝缘管型母线发生过如下常见故障类 型：

（1）绝缘管型母线终端与设备连接处严重发热；

（2）母线绝缘击穿；

（3）中间接头绝缘击穿；

（4）绝缘管型母线终端绝缘击穿；

（5）金属屏蔽层接地线熔断；

（6）母线热胀冷缩，基础沉降造成母线变形。 表为近十年部分地区不同绝缘母线故障统计表：

 

 

6. 关于绝缘管型母线的建议

目前，国内的绝缘管型母线存在着所谓的全绝缘母线、半绝缘母

 线和分段绝缘母线，不是严格意义上的绝缘管型母线。纵观 SF6 气体 绝缘母线、封闭母线和共箱母线等均能实现整个母线系统全绝缘，包括普通母线段、中间接头、三通和与其它设备连接均为全绝缘，母线表面均为零电位。

在目前阶段，要做到除与设备连接处其它部分应为全绝缘，并且 实现所有连接均为预制式，淘汰半绝缘、部分绝缘母线和现场绕包接 头施工。另外，目前仅有个别企业能实现绝缘母线与气体绝缘柜的连接。今后制造企业要积极与绝缘管型母线相连接的设备配合，研究制造出封闭式（全绝缘）的母线终端，这里包括变压器、开关柜等，还要研究与避雷器的全绝缘连接，制造出真正意义上的全绝缘管型母线

相关推荐链接：

1、电磁铁设备说明

2、磁铁与电磁铁的设计