母線槽結構及材料對其性能的影響

張紅軍

（鎮(zhèn)江西門子母線有限公司 技術部，江蘇 鎮(zhèn)江 212200）

母線槽因為電流容量大、過載能力強、分接方便、散熱性好、維護方便等諸多優(yōu)點，自從上世紀后期引進中國以來，市場需求量直線上升，根據(jù)相關行業(yè)資料顯示，2006年中國市場的母線槽產品總需求量已過100億元，近幾年市場增長率近20%。如此數(shù)量的市場需求，使母線槽產品得以迅速發(fā)展并在電力系統(tǒng)中廣泛應用。

母線槽按其結構分為密集型、空氣型母線槽(目前市場占有率，前者明顯高于后者)；按其外殼材料分為鋼外殼、鋁合金外殼和鋼鋁混合外殼母線槽(當今市場上使用前兩種外殼材料的廠家90%)；按其導體材料分有銅導體和鋁導體母線槽(國內需求以前者為主，國外尤其是歐美國家使用后者居多)。本文筆者將從市場上常見的各類母線槽的結構及使用材料入手，對各自性能特點展開分析。

1 母線槽結構

1.1 密集型母線槽結構及其性能

密集型母線槽采用內部導體各相整體包覆高性能絕緣材料(一般絕緣等級達B級，使用壽命50年左右)后，再利用金屬外殼將其包裹成“三明治”主體結構(見圖1)，絕對密集的母線槽在其插口裝置位置的主母排仍然是密集式，僅在段間連接處相間設置10 mm的空隙以達到連接的目的。

圖1 密集型母線槽主體截面圖

密集型母線槽的這種結構，首先給人的外觀感覺是結構緊湊，小巧美觀。在實際安裝時占用空間小，易于母線槽自身在管道繁多的建筑內順利穿行。

除體積小這個優(yōu)越性能外，密集型母線槽優(yōu)良的散熱性是空氣型母線槽無法比擬的。密集型母線槽結構使得導體之間無空氣間隔，在通電運行過程中，導體產生的熱量以傳導的方式迅速將熱量傳遞至外殼，然后作為一個整體直接向外對流散熱。由于衡量母線槽運行是否安全的一個重要指標就是溫升，密集型母線槽這種快速的散熱能力使得該型母線槽的性能定位于優(yōu)。

密集型母線槽雖然主體密集，但是有些廠家的密集型母線槽產品，因追求插口裝置處的工藝簡單可靠，在插口處將主母排拍彎，形成局部的空氣式結構，在插口處，插接箱的插腳以接觸式插接到主母排以達到分流的目的，此部位的溫升勢必高于別處，再加上此處具有空氣式結構散熱性差的缺點，因此此處溫升將高得更加明顯。

密集型母線槽在其段間連接處，限于目前母線槽產品接頭處的導體連接方式均是壓接式，不得不將連接處的母排局部分開 (一般相間凈距離10 mm)以達到兩段導體連接起來的目的。此處的形式乍一看似乎有些和上段提到的部分廠家在插口處的設置方式相似，其實不然，一方面，接頭處局部分開部分在插入連接器后基本仍可還原至接近主體的密集式結構;另一方面，連接器內部的連接銅排截面已被很多廠家設計為高于主母排的截面，這樣仍可保證接頭處溫升不至太高。

1.2 空氣型母線槽結構及其性能

空氣型母線槽主要依靠相間絕緣隔塊將各相導體隔開(一般相間凈距離10 mm左右)后，再利用金屬外殼進行整體包裹成“刪格”式結構(見圖2)，這種結構母線一般全長相間距保持不變，屬于全長空氣型。

圖2 空氣型母線主體截面圖

空氣型母線槽的結構，首先給人的感覺是電氣運行安全，因為其內部導體完全分離開，相間絕緣電阻很大，運行初期相間短路的可能性很低。

這種結構的母線槽，因為導體被包圍在完全密閉的空間內，且有空氣這種導熱能力相對較差的介質圍繞，當母線槽運行時，導體產生的熱量首先要通過輻射的熱傳遞方式將熱量傳遞到外殼上，再由外殼通過與外界流動空氣的對流熱交換，最終把內部熱量傳遞出來，因此空氣型結構母線槽的散熱能力相對較差顯而易見。所以要想將母線槽整體溫升控制在國家規(guī)范內就必須要加大導體截面，以達到足夠的載流能力，保證導體在運行時自身發(fā)熱較小。也許會有人說可以在母線外殼沖散熱孔的方式來促進母線槽內部熱量的向外傳遞，確實這樣可以對空氣型母線槽的散熱能力得到明顯提升，但是也犧牲了母線槽另外一個優(yōu)越性——安全性，外殼沖制散熱孔的空氣型母線槽的防護等級最高只能達到IP31，這種防護等級別說在消防，熱力等管道錯縱復雜的惡劣安裝環(huán)境下根本不能使用，就是在環(huán)境較好的配電室內，其實際使用壽命也大打折扣，因為日積月累的粉塵將逐漸堆滿導體間狹小的空隙，最終引起短路。

1.3 密集型母線槽和空氣型母線槽比較

（1）外觀：密集型母線槽相對空氣型母線槽結構顯得更加緊湊，體積更加小，在安裝時受空間限制相對也小。

（2）散熱能力：縱上所述，在防護等級相同的前提下，密集型母線槽明顯優(yōu)于空氣型母線槽，此處不再累述。

（3）電氣安全性：由于空氣型母線槽結構給人的感覺似乎相對安全，但這還得深入分析，空氣型母線槽由于其導體間有空氣絕緣，所以往往生產廠商在絕緣隔塊的材料選擇上一般不會去選擇性能更好的材料，而是選用性能一般的PVC材質的絕緣材料，其使用壽命自然一般;密集型母線槽由于其導體緊密相貼，這就勢必需要生產廠商必須選擇絕緣性能，耐熱性能，使用壽命都有著高參數(shù)的絕緣材料，否則出廠檢驗的耐壓試驗將難以通過。據(jù)調查，市場上品牌較好的一些生產廠商的密集型母線槽產品的絕緣材料都為美國杜邦聚乙烯絕緣薄膜，絕緣等級達到B級，耐熱130℃，正常使用壽命達50年。所以電氣安全性上，從材料入手進行判定顯得更為準確。

（4）安裝方式：密集型母線槽在工程安裝時，行走姿態(tài)比較自由，以內部導體方位來說，母線槽可以立放，也可平放，對于母線槽的通電運行影響較小，但是，空氣型母線槽如果平放，則勢必影響它的散熱能力進而影響其性能。

正是以上性能的差別，當今密集型母線槽逐漸霸占了絕大部分市場，而且目前很多母線槽廠商的下一代新產品仍然是基于在密集型進行產品更新。

2 材料

2.1 外殼材料

外殼材料對于母線槽來說就是肌肉和皮膚，其選材相當重要。目前，市場上母線槽外殼材料分為鋼制外殼、鋁合金外殼和鋼鋁混合外殼母線槽。其中，鋼鋁混合外殼只有個別廠家使用，在此不作分析。

鋼的硬度較高，所以鋼制外殼母線槽有著很強的抗內外機械沖擊能力，這就使得鋼制外殼的母線槽安裝后，整體機械穩(wěn)定性較高;鋁合金外殼要想達到和鋼制外殼相同的機械強度就必須增加外殼厚度。

鋼的密度明顯高于鋁合金，所以鋁合金外殼的母線槽重量要比鋼制外殼母線槽輕，有利于現(xiàn)場安裝。

鋁合金外殼因加入微量合金元素，提高了化學穩(wěn)定性，使得抗腐蝕能力遠遠高于鋼制外殼。

在散熱能力上，鋁合金的導熱能力遠高于鋼，這就使得鋁合金外殼母線槽有著鋼制外殼無法比擬的散熱能力，鋼制外殼母線槽要想達到符合規(guī)范的溫升相對于鋁合金外殼母線槽就必須要加大導體截面，導致增加成本。

另外，鋼是典型的磁性材料，而鋁合金則屬弱磁性材料，鋁合金外殼母線槽相對于鋼制外殼母線大大降低了母線運行時的磁滯渦流效應，減少母線槽自身發(fā)熱，從而提高整體電氣性能。

由上顯而易見，除了材料機械強度，鋁合金外殼母線槽的其它性能均遠優(yōu)于鋼制外殼母線槽。鋁合金外殼母線槽只需選擇相對厚的鋁合金材料，以保證外殼有足夠支撐自身的機械強度，便可以完勝鋼制外殼母線槽?？v觀中國市場，自西門子率先引進鋁合金外殼母線槽以來，國內幾大品牌母線槽生產廠家也均爭相開發(fā)出鋁合金外殼母線槽，并很快投入市場，保持強有力的競爭力。目前，僅有施奈德暫仍力推鋼制外殼母線槽，但鋁合金外殼母線槽的趨勢不可逆轉。

2.2 絕緣材料

母線槽部件中，絕緣材料是用以隔開各相，以保證相間有足夠絕緣電阻，并使母線槽達到一定耐壓等級。一旦因絕緣材料破損或因品質不達標造成相間短路，極易引起爆炸或火災，結果將不堪設想。所以絕緣材料可謂是母線槽的神經(jīng)，尤為重要。根據(jù)經(jīng)驗:密集型母線槽的絕緣材料一般比空氣型母線槽選用等級要高;市場占有率高，品牌形象好的生產廠商選用的絕緣材料一般要優(yōu)于私人作坊式的小廠家，這就需要用戶在選用時要格外謹慎。

2.3 導體材料

絕緣材料是母線槽的神經(jīng)，那么導體則是母線槽的心臟，因為其擔負著輸送電流的重擔，其選材則更顯重要。母線槽的導體材料可分銅導體和鋁導體，目前國內市場以前者為多數(shù)。導體材料的質地直接關系到母線槽的電氣性能的高低，拿銅導體為例，母線槽行業(yè)一般均選用T2電解銅作為銅排的原材料，這是因為T2電解銅有著很高的純度 (99.9%以上)，同時少量的雜質又可保證銅排自身的機械強度。其它型號電解銅，如T1型則自身機械強度不夠，T3和T4雜質過多，電阻率過大，溫升較高，電能損耗大。

銅、鋁導體金屬材料比較：銅的密度8.9 g/cm3，鋁的密度2.7g/cm3；銅的導電性僅次于銀，IACS值100%（國際標準退火電解銅標準值），高純鋁（99.996%）和工業(yè)純鋁（99.5%）的IACS值為64.94%和59%，即銅的導電性約比鋁高35%～40%，這就使得鋁導體母線槽在導體截面選擇上相對銅導體要加大，同時體積也就相對較大；銅在大氣中的化學穩(wěn)定性較好，鋁較為活潑，目前鋁導體母線槽在生產過程中一方面在原料鋁材中加入少量合金元素，另一方面對鋁排表面作特殊處理(鍍銅，鍍錫)進而提高其化學穩(wěn)定性；銅的強度和硬度較好，純鋁稍差，但因鋁自身質輕，其綜合強度不低于銅；自然中銅資源相對有限，價格較高，鋁資源相對豐富，價格低廉。

縱上所述，在保證導體材質的優(yōu)質的前提下，銅和鋁均可作為母線槽合理的導體材料。但本著為社會節(jié)約大量寶貴資源，建設節(jié)約性社會，筆者則傾向國內母線槽廠家繼續(xù)對鋁導體母線槽進行不斷改進，引導用戶選擇鋁導體母線槽。事實上，鋁導體母線槽的制造技術和加工工藝已趨成熟，國內與國外產品已基本相近，在歐美國家鋁導體母線槽暫母線槽市場絕大多數(shù)，在國內，許多品牌的母線槽也早已成功用于各大型建筑。

3 結束語

除母線結構和材料主要因素外，影響母線槽性能的因素還有很多，比如表面處理、加工工藝等均可影響母線槽的品質。隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)蓬勃發(fā)展，母線槽制造技術也在飛速更新，筆者很渴望投入母線槽技術的新一輪改革中。

[1]劉金石.母線槽經(jīng)濟截面的討論[J].電工技術，1994(8)：88-89.

[2]JGJ/T 16-1992.民用建筑電氣設計規(guī)范[S].

[3]何向群.論母線槽的外殼防護等級[J].軍民兩用技術及產品，2002（2）:35-36.