管型母线中压开关柜中应用(二）

3 开关柜中管型母线的应用设计  

1. 3. 1额定电流的计算

管型母线载流量的计算按公式

其中 I—电流，单位（A）  A—截面积，单位（mm ² ） p—导体周长，单位（mm）

θ —导体和环境温度差 单位（ ^O C）  α—环境温度下铜导体的   电阻温度系数    单位（/ ^O C）  

ρ—环境温度下的铜导体电阻 单位（   μΩ   cm   ）

以直径80mm，壁厚6mm的铜管为例，计算铜管载流量如下。

铜管截面积A=π x 40 ² -34 ² =1394.8mm ²

铜管周长 p=π x 80=251.3mm

温升θ= 65 ^O C 电阻温度系数α= 0.00393  铜导体电阻ρ= 1.724μΩ cm

即外径   80mm   、壁厚   6mm   的铜管可以承载电流   2677A   ，即可用于额定电流   2500A   的开关柜。

1. 3.2   功率损耗

中压开关柜的温升是产品性能和型式试验关键考核点，而导体的发热多少决定了开关柜的温升。简单近似计算时，主回路的发热量是开关柜额定电流的平方与电阻的乘积，这里的电阻指50Hz下的交流电阻。

直流电阻通过电阻率可以计算，而决定交直流电阻的比值主要是集肤效应系数，即：集肤效应系数K=R _f /R ₀ ， 式中：R _f 为导体的交流电阻，R ₀ 为导体的直流电阻。

集肤效应系数的大小随着频率和导体的大小、形状和厚度而增加，但与流过的电流大小无关。随着导体温度的升高，集肤效应会降低，从而导致在升高的温度下交流电阻低于预期。由于铜导体的电阻率较低，因此这种效应比相同横截面积的铝导体更为显着，这种差异在大母线截面中尤为明显。对于给定的相同横截面积，薄铜管的集肤效应明显低于任何其他形式的导体，因此铜管作为交流电的导体效率最高，特别是那些大电流或高频率的导体。集肤效应对矩形母线和管型母线影响如图3所示。

图3    矩形母线和管型母线集肤效应系数

由于集肤效应的影响，管型母线的壁厚直接影响到载流量，图4为直径100mm的铜管，不同壁厚的电阻变化图，对于壁厚小于7mm的铜管，交流电阻和直流电阻几乎一致，而随着壁厚的增大，集肤效应显现明显，交流电阻最大是直流电阻近3倍，温升也会提高。因此，采用薄壁铜管可以减少用铜量，提高铜排的利用率。就趋肤效应而言，管状铜导体是最有效的。因为最大量的材料位于距导体磁中心的均匀距离处。对于恒定的壁厚，集肤效应随着直径的增加而减小，当外径与壁厚的比率超过约 20 时，趋肤效应系数可能接近于1。

图4 直径100mm铜管，电阻随壁厚的变化

1. 3.3   电晕电压计算

由于中压开关柜电压较高，需要充分考虑电气间隙以承受耐受电压，如果空气间隙有限，则需要通过均匀电场设计、在高电场强度区域采用均压环、应力锥等措施来提高开关柜耐压电压的水平、消除电晕。电晕放电会逐渐破坏设备绝缘性能，不同导体半径下产生电晕所需的电压，可根据公式2计算：

Ucr—对中性点电压（r.m.s），单位（kV）

r—导体半径，单位（mm）

d—导体间距离，单位（mm）

m—导体表面情况系数，对于光滑导体表面是1，粗糙表面0.98~0.93，多股导体0.8；

—空气密度系数，1bar大气压、25 ^O C环境下是1，其其它情况按以下公式计算

b—气压，单位（bar）， t—温度， ^O C

对于相间距150mm的铜排，采用10mm厚全圆角矩形排，按上面公式计算得出，电晕电压是33kV，而采用40mm直径的圆管铜排，电晕电压是78kV，提高很多。

1. 3.4    管型母线连接的设计

管型母排优点很多，尤其用在40.5kV开关柜上，与更常见的矩形铜排相比，载流量大，管型母排占用的空间更小，强度和刚度在空间所有平面上都更大且均匀。但是，管型母线的接头和连接的制作难度比多片矩形铜排的连接更加困难。

流线效果，在两个导体之间的重叠接头处电流线的变形会影响连接部位的电阻。当电流从一个表面流到另一个表面时，这种效应就会发生。在两根扁平铜排之间的搭接接头的情况下，流线效果仅取决于搭接长度与铜排厚度之比，而不取决于宽度，前提是两根铜排的尺寸相同. 理论和实验都表明，即使在两个具有均匀接触电阻的较薄扁平导体之间的完美重叠接头中，电流在接触区域上的分布也不均匀。实际上，流过接触表面的所有电流都集中在接头的末端，重叠导体末端的接触密度可能是接头中心的许多倍。

重叠接头的效率不会随着重叠长度的增加而增加，并且从纯电气的角度来看，采用过长的重叠不会获得任何好处。

母线接头两个面之间的接触界面由大量独立的点接触组成，其面积随着施加的压力增加而增加。铜排连接的接触电阻更多地取决于总施加压力而不是接触面积。总施加压力保持不变，接触面积发生变化，总接触电阻实际上保持不变。因此，有两个主要因素会影响表面的实际界面电阻(a) 表面状况；(b) 总施加压力。基于上述理论，管型母线的连接不需要过多考虑大截面积，而更多关注于搭接质量和接触压力。

管型母线的连接主要有以下几种方式：

• 端面连接， 利用铜管的端面进行连接。

管型母线的端面连接，最典型的应用是抽出式断路器触臂与极柱之间的连接，触臂即相当于管型母线，端面与极柱接线端连接。共箱型环网柜中管型主母线采用端面连接方式的示意，见图5，由于电流不大，功能单元数量少，管型主母线端面与分支排的平面直接相连，通过长螺杆将所有单元的主母线、分支母线连接在一起，母线无需特使加工，但对螺杆长度、装配工艺等要求较高，需要保证所有连接面可靠接触。

图5管型母排的端面搭接

压扁连接

通过把铜管在连接处压扁，如图6所示，通过矩形铜排过渡连接。采用压机将铜管压扁，就可以像矩形铜排一样实现平面连接；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。

铜管压扁后需要保持平面。

图6 管型母排的压扁连接

• 圆面连接 ，通过圆管外圆面抱箍式连接。

抱箍形式连接，如图7所示。通过抱箍形式将两段母线通过管型母线外圆面相连，搭接面积并不是越大越好，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，接头接触面的状况对其效率有重要影响。铜的表面应平整清洁，但无需抛光，通常不需要加工。完全平整的接头面不是必需的，因为在大多数情况下，只需确保接头紧密、清洁和足够的接触压力即可获得非常好的结果，使用挤压铜管时尤其如此。压缩量过小会增大电阻，而压缩量过大会产生冷流效应，造成永久变形。

图7管型母排的外圆面搭接

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。

动 连接  

为实现快速连接，如开关柜主母线分段的并柜连接，可以采用母线连接器形式连接，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，如图8所示。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。

图8 管型母线弹簧触指连接

管型母线用弹簧触指连接还有以下好处：

管对管连接，电场均匀；

不增加直径，不占用空间；

快速连接，无需母排开孔，无需螺栓连接；

传输电流时，载流量大，载流稳定，不受环境影响；

恒定的接触压力；

连接后，外表面不需要绝缘处理；

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。

3.5 管型母线的折弯半径

管型母线相对于矩形铜排，另外一个问题就是加工困难，折弯圆角大，布置不便，因而一般用于发电厂等传输大电流的直线母线系统。对于中压开关柜应用，由于开关柜尺寸小，铜管折弯半径大，需要合理设计，即要保证管母的可加工性，又要保证电气间隙，以及母线的支撑。一般管型铜母线的弯曲半径（管中心线处半径）为管径的3倍左右，常用折弯半径如表3所示。

表3管型母线的一般折弯参数

4 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。通过圆管型母线设计，可以大量的节省铜材的使用，如5000A开关柜每一相采用4-125x10矩形铜排，经过重新优化设计后，改为每一相2根外径60mm，壁厚10mm的铜管母线，节省37%的铜材用量。通过使用管型铜排，内、外表面空气流通，增加了散热面积，实现5000A断路器的自然风冷，而不需要风机来强制风冷，提高了可靠性，降低了成本。

对于40.5KV开关柜，管型母线电场均匀，相间空气净距减小，开关柜尺寸减少，从而减少占地面积，不但产品紧凑而且可靠。

对于12kV大电流、40.5kV空气绝缘开关柜，可以大幅度减少铜材用量，减少开关柜尺寸，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。

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