鋁合金空氣絕緣母線槽的研究
時間：2015-11-10 09:59:41本站打印本文
一、母線槽的結(jié)構(gòu)：
鋁合金外殼空氣絕緣母線槽為室內(nèi)低壓母線槽，由始端，直線段、垂直直角彎頭、水平直角彎頭、Z形彎頭、T形、十字形、伸縮節(jié)、變?nèi)莨?jié)和終端等母線槽構(gòu)成，其走線靈活、便捷，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小。因其母線為封閉式組裝，使用安全，并不需專人維護。在直線段（干線）母線槽上可經(jīng)插接箱向用戶供電，同時對大流量分支可經(jīng)T形母線槽分流至配電箱（或柜）。本母線槽由銅排或鋁
排及鋁合金外殼、相間絕緣件及其他連接件構(gòu)成，其安裝便利。母線槽間連接時，通過絕緣穿心螺栓緊固，始端母線槽與外部設(shè)備通過軟連
接構(gòu)成通路，終端母線槽由終端盒封閉，母線間連接好后，用接頭蓋板封閉，接頭蓋板與鋁合金外殼的縫隙可用玻璃膠密封，其防護等級大于IP30。母線槽間連接處的銅排采用熱鍍錫（應(yīng)用于特殊工況時可鍍銀），以減小母排間的接觸電阻或降低該處銅材的氧化程度。本母線槽因絕緣介質(zhì)為空氣，其散熱效果優(yōu)于密集性母線槽，并且其超載能力大。母線槽外殼為優(yōu)質(zhì)高強度鋁合金型材流線形壓制而成， 其外形美觀，并減輕了母線槽的重量，同時母線槽的外殼因采用鋁合金材質(zhì)，外殼可作為良好的接地體且耐自然環(huán)境浸蝕，由此本母線槽獲得多項國家專利（專利號：ZL962 04064.9）。該母線槽是全天候的低壓大電流剛性導(dǎo)體，抗彎強度滿足國家標(biāo)準GB7251.2-1997的要求，其制造時電氣性能檢驗及依據(jù)。
二、母排截面的計算：
母排截面尺寸，按以下幾個條件選擇：
（1）按持續(xù)工作電流選擇；
（2）按經(jīng)濟電流密度選擇；
（3）按短路時的熱穩(wěn)定校驗；
（4）按短路時的機械強度校驗。
對于大電流母線來說，起控制作用的一般是（1）、（2）兩項，第（3）項所決定的截面積往往遠小于（1）、（2）兩項所決定的截面積，而第（4）項，由于母排截面較大，機械強度較高，而且可以通過調(diào)整絕緣子跨距和母線槽間（或片間）墊塊跨距來滿足要求，所以一般也不是決定導(dǎo)體截面積的控制條件。
母線槽制造時，在通常條件下按用戶所提供的母線槽所需載流量選擇母排截面積。
按允許載流量選擇母排截面積應(yīng)滿足以下條件：
Ijs≤Iy
式中：Ijs為母排的計算電流，A（通常由用戶所提供）；Iy為母排允許載流量，A。
選擇計算時應(yīng)注意以下幾點：
①、當(dāng)環(huán)境溫度不同于額定使用環(huán)境溫度時，其載流量Iy應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt。
Kt= Qm-Q1/Qm-Qn
式中：Qm為母線槽最高允許工作溫度，取40℃。
Q1為母線槽使用環(huán)境溫度。
Qn為母線槽額定使用環(huán)境溫度，一般為25℃。
母線槽允許載流量在不同環(huán)境溫度下的校正系數(shù)Kt按上式計算，當(dāng)環(huán)境溫度高于額定環(huán)境溫度時，Iy值應(yīng)予以修正，其修正值：
Iyx=Kt.Iy。
②、對于供給商住樓的母線槽，因其使用負荷多為單相或兩相三線，其零線（排）截面積與相線（排）截面積應(yīng)相同；對于三相四線供電于工業(yè)區(qū)，其總零排截面積約為相排截面積的40%～60%；對三相五線制母線槽其PE線（排）截面同零線，但其長度大于300mm，裝于母線槽兩端，其中間端用母線槽殼體鋁合金代替即可。
三、動、熱穩(wěn)定性的校驗：
當(dāng)母線槽發(fā)生短路時，就有比正常工作電流大許多倍的短路電流從電源經(jīng)過大電流母線流到短路點。這種短路電流常達15KA以上，要對母線產(chǎn)生力的（機械的）和熱的效應(yīng)。為此必須校驗?zāi)妇€承受短路電流作用的能力，即校驗?zāi)妇€的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。關(guān)于短路電流的計算，可參閱有關(guān)書籍。大體說來，它由工頻的交流分量和直流衰減分量組成，其中交流分量又包含次暫態(tài)衰減、暫態(tài)衰減和穩(wěn)態(tài)三個分量，并由系統(tǒng)中的線路、變壓器和發(fā)電機等的綜合參數(shù)以及發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器決定，直流衰減分量是伴隨交流分量產(chǎn)生的自由分量，由交流分量的初相角（即短路初瞬間的相角）和系統(tǒng)的綜合電磁特性決定。
暫態(tài)時間常數(shù)Td通常達幾秒，就力效應(yīng)而言，可近似地把它對應(yīng)的暫態(tài)分量并入穩(wěn)態(tài)分量，剩下次暫態(tài)分量以時間常數(shù)Ta決定速率的衰減。
電力系統(tǒng)一般為三相制，這就可能會發(fā)生兩相或三相短路，后者稱為對稱短路。一般地說，兩相短路與三相短路電流交流幅值的比是Im：Im= 3/2，其平方之比是3/4。在單個分支線路上，則只可能發(fā)生兩相短路。兩相短路時，兩個短路相導(dǎo)體中的短路電流瞬時值，數(shù)值相等方向相反，如同單相電路中一樣。三相短路時，三相電流交流分量的幅值相等，但初相角互相差120°。
在熱穩(wěn)定校驗時，必須知道短路持續(xù)時間Td，它是供電負荷中繼電保護動作時間與斷路器跳閘時間之和。
載流母線由于電阻引起的損耗轉(zhuǎn)化為熱，使母線溫度升高。銅、鋁材料本身雖然可在較高溫度下使用不影響其機械強度，但是螺栓連接的接觸面溫度較高容易氧化，使得接觸面電阻增加。接觸電阻增大又使接觸面溫度繼續(xù)升高，造成惡性循環(huán)，導(dǎo)致接觸部分損壞。因此電接觸面的氧化問題就成為限制母線槽溫度的主要因素。連接面鍍銀的螺栓連接允許的母線溫度比較高，但成本很高，一般采用連接面鍍錫或鍍鋅的螺栓連接。這種母線的允許溫度就低些。我國規(guī)定母線的允許溫度為85～90℃，對封閉母線，外殼的允許溫度為65～70℃。采用焊接時，允許溫度可到達110℃。但是在與電器連接時，為了便于安裝和檢修，螺栓連接是不可避免的，其母線搭接螺栓的擰緊力矩見表A。
表A 母線搭接螺栓的擰緊力矩
序號 螺栓規(guī)格 力矩值（N.m）
1 M8 8.8～10.8
2 M10 17.7～22.6
3 M12 31.4～39.2
4 M14 51.0～60.8
5 M16 78.5～98.1
6 M18 98.0～127.4
7 M20 156.9～196.2
8 M24 274.6～343.2
一般母線設(shè)計中還應(yīng)考慮事故情況下短路電流的熱效應(yīng)。在電網(wǎng)發(fā)生短路的情況下，雖然保護繼電器能迅速做出反應(yīng)，切斷電路，延遲時間僅在幾秒到十幾秒以內(nèi)，但是由于短路電流極大，產(chǎn)生的熱量也極大，引起母線溫度短時間的大幅度升高。母線安全地承受這種短路熱效應(yīng)的能力稱為短路熱穩(wěn)定。
母線短時發(fā)熱不致造成損壞的允許溫度比正常工作允許溫度高得多。銅母線為300℃，鋁母線為200℃。在短路過程中，母線的損耗功率是正常工作時的上百倍，表面散熱量只有母線損耗的1～3%。這就使得計算短路溫升時可以不計及母線的散熱，也就是認為母線損耗產(chǎn)生的全部熱量都用于提高母線的溫度。因此，短路時母線的溫升就取決于母線的熱容量，短路延續(xù)時間和短路電流的大小。要保證母線有足夠的熱穩(wěn)定性，除了盡量減少短路延續(xù)時間和短路電流以外，還必須使母線有足夠的截面尺寸，也就使母線有足夠的熱容量。
四、關(guān)于母線的渦流（即集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)）
在時變條件下，由于經(jīng)過回路截面上各點的電流路徑不同，相應(yīng)的感應(yīng)電動勢也就不同，因而各點電流密度也不同。換句話說，除了基于媒質(zhì)的均一電阻率而假設(shè)存在的均布電流外，還會因電磁感應(yīng)而出現(xiàn)渦流，即發(fā)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使截面上電流分布不均勻，包括相位的不一致。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的程度與導(dǎo)體截面形狀尺寸及頻率有關(guān)，鄰近效應(yīng)還與相鄰近的導(dǎo)體間或回路間距離有關(guān)。對于在工頻下工作的多數(shù)銅、鋁母線或電力線路，除特殊情況外，由于導(dǎo)體截面不很大，而導(dǎo)體間距離不是很小，這兩種效應(yīng)一般都不很大。這種導(dǎo)體叫線狀導(dǎo)體，其回路叫線狀回路。線狀回路的外感抗是其總電感的主要部分，而渦流影響只及于導(dǎo)體內(nèi)部的磁通和緊靠導(dǎo)體附近的一小部分外磁通。因此即使有一定的渦流，它對電感數(shù)值的影響仍然很?。ū葘﹄娮钃p耗的影響?。?。加上電感值計算的精確性不如電阻值重要，因此一般的工頻線路電感計算可假定電流在截面上均勻分布，這使計算大大簡化。但是，當(dāng)渦流影響特別大時，則必須專門考慮。例如涉及封閉母線的外殼或冶金爐的低壓大電流引線就是如此，而母線槽外殼采用良導(dǎo)體鋁合金后其具備屏蔽磁場的作用，這就較好地解決了封閉母線易產(chǎn)生渦流的問題。
鋁合金外殼空氣絕緣母線槽為室內(nèi)低壓母線槽，由始端，直線段、垂直直角彎頭、水平直角彎頭、Z形彎頭、T形、十字形、伸縮節(jié)、變?nèi)莨?jié)和終端等母線槽構(gòu)成，其走線靈活、便捷，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小。因其母線為封閉式組裝，使用安全，并不需專人維護。在直線段（干線）母線槽上可經(jīng)插接箱向用戶供電，同時對大流量分支可經(jīng)T形母線槽分流至配電箱（或柜）。本母線槽由銅排或鋁
排及鋁合金外殼、相間絕緣件及其他連接件構(gòu)成，其安裝便利。母線槽間連接時，通過絕緣穿心螺栓緊固，始端母線槽與外部設(shè)備通過軟連
接構(gòu)成通路，終端母線槽由終端盒封閉，母線間連接好后，用接頭蓋板封閉，接頭蓋板與鋁合金外殼的縫隙可用玻璃膠密封，其防護等級大于IP30。母線槽間連接處的銅排采用熱鍍錫（應(yīng)用于特殊工況時可鍍銀），以減小母排間的接觸電阻或降低該處銅材的氧化程度。本母線槽因絕緣介質(zhì)為空氣，其散熱效果優(yōu)于密集性母線槽，并且其超載能力大。母線槽外殼為優(yōu)質(zhì)高強度鋁合金型材流線形壓制而成， 其外形美觀，并減輕了母線槽的重量，同時母線槽的外殼因采用鋁合金材質(zhì)，外殼可作為良好的接地體且耐自然環(huán)境浸蝕，由此本母線槽獲得多項國家專利（專利號：ZL962 04064.9）。該母線槽是全天候的低壓大電流剛性導(dǎo)體，抗彎強度滿足國家標(biāo)準GB7251.2-1997的要求，其制造時電氣性能檢驗及依據(jù)。
二、母排截面的計算：
母排截面尺寸，按以下幾個條件選擇：
（1）按持續(xù)工作電流選擇；
（2）按經(jīng)濟電流密度選擇；
（3）按短路時的熱穩(wěn)定校驗；
（4）按短路時的機械強度校驗。
對于大電流母線來說，起控制作用的一般是（1）、（2）兩項，第（3）項所決定的截面積往往遠小于（1）、（2）兩項所決定的截面積，而第（4）項，由于母排截面較大，機械強度較高，而且可以通過調(diào)整絕緣子跨距和母線槽間（或片間）墊塊跨距來滿足要求，所以一般也不是決定導(dǎo)體截面積的控制條件。
母線槽制造時，在通常條件下按用戶所提供的母線槽所需載流量選擇母排截面積。
按允許載流量選擇母排截面積應(yīng)滿足以下條件：
Ijs≤Iy
式中：Ijs為母排的計算電流，A（通常由用戶所提供）；Iy為母排允許載流量，A。
選擇計算時應(yīng)注意以下幾點：
①、當(dāng)環(huán)境溫度不同于額定使用環(huán)境溫度時，其載流量Iy應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt。
Kt= Qm-Q1/Qm-Qn
式中：Qm為母線槽最高允許工作溫度，取40℃。
Q1為母線槽使用環(huán)境溫度。
Qn為母線槽額定使用環(huán)境溫度，一般為25℃。
母線槽允許載流量在不同環(huán)境溫度下的校正系數(shù)Kt按上式計算，當(dāng)環(huán)境溫度高于額定環(huán)境溫度時，Iy值應(yīng)予以修正，其修正值：
Iyx=Kt.Iy。
②、對于供給商住樓的母線槽，因其使用負荷多為單相或兩相三線，其零線（排）截面積與相線（排）截面積應(yīng)相同；對于三相四線供電于工業(yè)區(qū)，其總零排截面積約為相排截面積的40%～60%；對三相五線制母線槽其PE線（排）截面同零線，但其長度大于300mm，裝于母線槽兩端，其中間端用母線槽殼體鋁合金代替即可。
三、動、熱穩(wěn)定性的校驗：
當(dāng)母線槽發(fā)生短路時，就有比正常工作電流大許多倍的短路電流從電源經(jīng)過大電流母線流到短路點。這種短路電流常達15KA以上，要對母線產(chǎn)生力的（機械的）和熱的效應(yīng)。為此必須校驗?zāi)妇€承受短路電流作用的能力，即校驗?zāi)妇€的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。關(guān)于短路電流的計算，可參閱有關(guān)書籍。大體說來，它由工頻的交流分量和直流衰減分量組成，其中交流分量又包含次暫態(tài)衰減、暫態(tài)衰減和穩(wěn)態(tài)三個分量，并由系統(tǒng)中的線路、變壓器和發(fā)電機等的綜合參數(shù)以及發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器決定，直流衰減分量是伴隨交流分量產(chǎn)生的自由分量，由交流分量的初相角（即短路初瞬間的相角）和系統(tǒng)的綜合電磁特性決定。
暫態(tài)時間常數(shù)Td通常達幾秒，就力效應(yīng)而言，可近似地把它對應(yīng)的暫態(tài)分量并入穩(wěn)態(tài)分量，剩下次暫態(tài)分量以時間常數(shù)Ta決定速率的衰減。
電力系統(tǒng)一般為三相制，這就可能會發(fā)生兩相或三相短路，后者稱為對稱短路。一般地說，兩相短路與三相短路電流交流幅值的比是Im：Im= 3/2，其平方之比是3/4。在單個分支線路上，則只可能發(fā)生兩相短路。兩相短路時，兩個短路相導(dǎo)體中的短路電流瞬時值，數(shù)值相等方向相反，如同單相電路中一樣。三相短路時，三相電流交流分量的幅值相等，但初相角互相差120°。
在熱穩(wěn)定校驗時，必須知道短路持續(xù)時間Td，它是供電負荷中繼電保護動作時間與斷路器跳閘時間之和。
載流母線由于電阻引起的損耗轉(zhuǎn)化為熱，使母線溫度升高。銅、鋁材料本身雖然可在較高溫度下使用不影響其機械強度，但是螺栓連接的接觸面溫度較高容易氧化，使得接觸面電阻增加。接觸電阻增大又使接觸面溫度繼續(xù)升高，造成惡性循環(huán)，導(dǎo)致接觸部分損壞。因此電接觸面的氧化問題就成為限制母線槽溫度的主要因素。連接面鍍銀的螺栓連接允許的母線溫度比較高，但成本很高，一般采用連接面鍍錫或鍍鋅的螺栓連接。這種母線的允許溫度就低些。我國規(guī)定母線的允許溫度為85～90℃，對封閉母線，外殼的允許溫度為65～70℃。采用焊接時，允許溫度可到達110℃。但是在與電器連接時，為了便于安裝和檢修，螺栓連接是不可避免的，其母線搭接螺栓的擰緊力矩見表A。
表A 母線搭接螺栓的擰緊力矩
序號 螺栓規(guī)格 力矩值（N.m）
1 M8 8.8～10.8
2 M10 17.7～22.6
3 M12 31.4～39.2
4 M14 51.0～60.8
5 M16 78.5～98.1
6 M18 98.0～127.4
7 M20 156.9～196.2
8 M24 274.6～343.2
一般母線設(shè)計中還應(yīng)考慮事故情況下短路電流的熱效應(yīng)。在電網(wǎng)發(fā)生短路的情況下，雖然保護繼電器能迅速做出反應(yīng)，切斷電路，延遲時間僅在幾秒到十幾秒以內(nèi)，但是由于短路電流極大，產(chǎn)生的熱量也極大，引起母線溫度短時間的大幅度升高。母線安全地承受這種短路熱效應(yīng)的能力稱為短路熱穩(wěn)定。
母線短時發(fā)熱不致造成損壞的允許溫度比正常工作允許溫度高得多。銅母線為300℃，鋁母線為200℃。在短路過程中，母線的損耗功率是正常工作時的上百倍，表面散熱量只有母線損耗的1～3%。這就使得計算短路溫升時可以不計及母線的散熱，也就是認為母線損耗產(chǎn)生的全部熱量都用于提高母線的溫度。因此，短路時母線的溫升就取決于母線的熱容量，短路延續(xù)時間和短路電流的大小。要保證母線有足夠的熱穩(wěn)定性，除了盡量減少短路延續(xù)時間和短路電流以外，還必須使母線有足夠的截面尺寸，也就使母線有足夠的熱容量。
四、關(guān)于母線的渦流（即集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)）
在時變條件下，由于經(jīng)過回路截面上各點的電流路徑不同，相應(yīng)的感應(yīng)電動勢也就不同，因而各點電流密度也不同。換句話說，除了基于媒質(zhì)的均一電阻率而假設(shè)存在的均布電流外，還會因電磁感應(yīng)而出現(xiàn)渦流，即發(fā)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使截面上電流分布不均勻，包括相位的不一致。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的程度與導(dǎo)體截面形狀尺寸及頻率有關(guān)，鄰近效應(yīng)還與相鄰近的導(dǎo)體間或回路間距離有關(guān)。對于在工頻下工作的多數(shù)銅、鋁母線或電力線路，除特殊情況外，由于導(dǎo)體截面不很大，而導(dǎo)體間距離不是很小，這兩種效應(yīng)一般都不很大。這種導(dǎo)體叫線狀導(dǎo)體，其回路叫線狀回路。線狀回路的外感抗是其總電感的主要部分，而渦流影響只及于導(dǎo)體內(nèi)部的磁通和緊靠導(dǎo)體附近的一小部分外磁通。因此即使有一定的渦流，它對電感數(shù)值的影響仍然很?。ū葘﹄娮钃p耗的影響?。?。加上電感值計算的精確性不如電阻值重要，因此一般的工頻線路電感計算可假定電流在截面上均勻分布，這使計算大大簡化。但是，當(dāng)渦流影響特別大時，則必須專門考慮。例如涉及封閉母線的外殼或冶金爐的低壓大電流引線就是如此，而母線槽外殼采用良導(dǎo)體鋁合金后其具備屏蔽磁場的作用，這就較好地解決了封閉母線易產(chǎn)生渦流的問題。
鋼母線或?qū)w，由于μ大，又是非線性的，有強烈的集膚效應(yīng)，針對于此開發(fā)了鋁合金外殼空氣絕緣母線槽，很好地解決了封閉母線積于集膚效應(yīng)的問題。
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