大電流開關(guān)柜內(nèi)主回路母線固定方式設(shè)計(jì)

錢良文

摘? 要：大電流開關(guān)柜一次元件包括大電流斷路路、電動隔離開關(guān)、穿芯式電流互感器、主母線、引入引出母線等。通過分析5 000 A大電流開關(guān)柜主母線立式、疊加式固定2種方式，選用4根TMY-125×10銅母線進(jìn)行立式固定設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)分析，立式固定對母排設(shè)計(jì)、加工及溫升等要求更具有優(yōu)勢。通過立式固定方式的設(shè)計(jì)，解決了主母線加工、安裝固定難題，并成功應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜;大電流;散熱面積;溫升

中圖分類號：TM642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著用電量驟增，用于接收和分配電能的大電流開關(guān)柜需求量增大，選用大電流發(fā)電機(jī)出口柜也不斷增加，額定電流達(dá)到4000 A～6300 A的12 kV中壓交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備的市場需求在快速增長。但大電流開關(guān)柜在溫升、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電氣參數(shù)方面要求高，為滿足客戶需求，行業(yè)內(nèi)都在做相應(yīng)的研究和試驗(yàn)，優(yōu)化主回路設(shè)計(jì)。力爭在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、采購成本、加工成本、維修成本等方面做到成本最優(yōu)。

1主回路母線疊加式固定方式

1.1 疊加式固定方式結(jié)構(gòu)（圖1）

4根TMY-125×10銅母線按圖1疊加在一起，中間留母線厚度的間隙，在間隙中放入銅墊塊，將銅母線、墊塊、絕緣子固定在一起，再用M16的六角螺栓，將絕緣子固定在開關(guān)柜的安裝梁上，完成此部分銅母線的安裝。

1.2 疊加式固定方式的優(yōu)勢、劣勢分析

優(yōu)勢：疊加式方法固定主回路母線，原理簡單，固定直接，只需要在銅母線上開一個φ17的安裝孔即可，不需作特別設(shè)計(jì)就能固定母線，被部分用戶接受，多數(shù)場合可以采用此種方法。

此種方法固定大電流主回路母線，將4根TMY-125×10銅母線水平或豎直疊加固定在一起，由3組母線構(gòu)成開關(guān)柜三相交流載流回路，由表1可知：單相主回路載流量=排寬（mm）×厚度系數(shù)=125×44.1=5512.5A，當(dāng)用于額定電流5000A的主回路中，可以滿足1.1倍額定電流的載流量。

劣勢：大電流開關(guān)柜中的電動隔離開關(guān)、斷路器等一次元件，其制造廠家，考慮元器件自身技術(shù)原因，為保證觸頭本身散熱面積、載流量能力以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，隔離開關(guān)、斷路器的觸頭設(shè)計(jì)時采取立式出線方式，母線搭接方式只能按照元件本身形狀來設(shè)計(jì)，象知名品牌3AH3 712-4 5000-63kA發(fā)斷，如圖2所示。采用疊加固定方式，柜內(nèi)主母線需貼合斷路器出線觸頭外形設(shè)計(jì)，銅母線與斷路器出線母線不在一個平面上，在空間上存在90°夾角，此時，主母線與斷路器觸頭搭接處需做轉(zhuǎn)接母排，導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)主母線設(shè)計(jì)、加工、安裝很因難，且增加銅材用量。

2 主回路母線立式固定方式設(shè)計(jì)

2.1 立式固定方式結(jié)構(gòu)（圖3）

立式固定方式構(gòu)成：上下不銹鋼夾板、固定絕緣子、不銹鋼螺桿。安裝順序：①將二根M12×190不銹鋼螺桿旋入固定絕緣子;②套入下夾板，將4根TMY-125×10銅母線放入下夾板凹槽中，調(diào)整銅排位置;③固定上夾板。

2.2 立式固定方式零件設(shè)計(jì)

夾板設(shè)計(jì)：材質(zhì)：00Cr（304）不銹鋼，板厚：3.0 mm，公稱抗拉強(qiáng)度：520 MPa，公稱屈服強(qiáng)度：205 MPa，能保證主回路母線立式固定方式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。夾板設(shè)固定銅母線的槽，槽寬12，設(shè)有孔距為56.5 mm ，18×13長腰孔的不銹鋼螺桿安裝孔，左右兩端折邊，高度為25 mm，尖角均R1.5。夾板采用激光切割加工工藝，切割后轉(zhuǎn)數(shù)控折彎加工而成。設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

固定絕緣子設(shè)計(jì)：材質(zhì)：環(huán)氧樹酯，機(jī)械強(qiáng)度：拉彎強(qiáng)度>23kN，爬電距離：20 mm/kV，固定絕緣子底部留有嵌件M16×33、頂部嵌件4-M12×16和M16×23螺紋孔。固定絕緣子采用高溫壓制工藝。設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

不銹鋼螺桿的設(shè)計(jì)：材質(zhì)：φ12 mm圓鋼 00Cr（304）不銹鋼，性能等級：4.8級，公稱抗拉強(qiáng)度：400 MPa、公稱屈服強(qiáng)度：320 MPa、有效剪切面積：89 mm2，長度為190 mm全螺紋螺桿。

3 主回路母線立式固定方式驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)件溫升試驗(yàn)

溫升按GB/T 11022—2011 6.5條款，試驗(yàn)在戶內(nèi)，大體上無空氣流動的室溫（20 ℃）環(huán)境下進(jìn)行。在溫升試驗(yàn)規(guī)定的條件下，當(dāng)周圍空氣溫度不超過40 ℃時，開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備任何部分的溫升不應(yīng)該超過裸銅的溫度75℃、溫升極限35 K。

試驗(yàn)應(yīng)持續(xù)足夠長時間以使溫升達(dá)到穩(wěn)定，若在1 h內(nèi)溫升不超過1 K，就認(rèn)為達(dá)到這一狀態(tài)，通常這一判據(jù)在試驗(yàn)持續(xù)時間達(dá)到受試設(shè)備熱時間常數(shù)的5倍時就會滿足。

試驗(yàn)電流5 500 A，在銅母線固定熱電偶，溫度測量參數(shù)見表2，其溫升值在允許范圍內(nèi)（溫升極限35 K， 溫度極限75 ℃），且表現(xiàn)值較優(yōu)越，對開關(guān)柜溫升要求是一種好的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 散熱面積分析

假設(shè)銅母線規(guī)格為4層TMY-125×10，母線長1.5 m，有效散熱表面積指的是銅母線所有表面積之和。疊加固定方式有效散熱表面積：S1=1.43m2，主回路母線立式固定方式有效散熱表面積：S2=1.63m2，S1/S2×100%=1.43/1.63×100%=87.7%。

疊加固定方式有效散熱表面積S1為立式固定方式有效散熱表面積S2的87.7%，母線立式固定有效散熱表面積具有明顯優(yōu)勢，且不銹鋼螺桿、不銹鋼夾板均采用不導(dǎo)磁材料，避免結(jié)構(gòu)件本身產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。

4 主回路母線立式固定方式優(yōu)點(diǎn)

設(shè)計(jì)與加工：優(yōu)化了母排的復(fù)雜形狀、加工尺寸難控制等，減掉了轉(zhuǎn)接排（無需轉(zhuǎn)接）。避免了因加工而導(dǎo)致銅排尺寸與斷路器配合產(chǎn)生的一系列問題等，節(jié)約了加工、測量、采購成本，縮短了加工周期。

安裝與運(yùn)行：母排與斷路器能自然吻合，不損傷斷路器，銅排無需其他聯(lián)接，避免了斷路器受外力影響而損傷，保證了開關(guān)柜安全運(yùn)行。

5 實(shí)踐與應(yīng)用

某電站發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜，主回路母線采用立式固定。該電站設(shè)備參數(shù)見表3，且都滿足出廠要求。發(fā)電機(jī)出口柜主母線立式固定實(shí)物如圖6所示。

6 結(jié)語

立式固定方式解決了大電流開關(guān)內(nèi)主母線的固定與聯(lián)接，不損傷斷路器和隔離開關(guān)出線觸頭，且同時保證了結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度、母線散熱、母線溫升，是一種新穎的方法，此方法也可用于大電流母線槽、低壓成套柜、母線橋等。該種立式設(shè)計(jì)方案，值得推廣。

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