母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)探討*

張小英

(天水長(zhǎng)城控制電器有限責(zé)任公司,甘肅 天水 741025)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，電力需求不斷旺盛，母線槽產(chǎn)品使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，母線槽主要用于：第一是在工業(yè)廠房、船舶廠、石油、化工、冶金、煤礦、電廠等大型傳統(tǒng)行業(yè)的低壓供電系統(tǒng)，作為主要輸配電設(shè)備；第二是近年來(lái)興起的房地產(chǎn)建筑行業(yè)中，作為高層住宅、大型商場(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院、體育場(chǎng)等建筑場(chǎng)合的輸配電設(shè)備。母線槽產(chǎn)品在如此廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中作為輸配電設(shè)備，常常需要從主干線上分配輸出不同電流，來(lái)滿足不同用電回路的需要，這一功能的實(shí)現(xiàn)通常使用插入式饋電分接單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么插座結(jié)構(gòu)裝置成為饋電分接單元能否安全可靠實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置，有些插座底座與插件壓制成一體式，全部帶有三相五線制導(dǎo)電夾，體積大，需要加工模具數(shù)量多，安裝復(fù)雜，不能根據(jù)輸出電流的大小及母線槽線制靈活選擇插件大小和數(shù)量，成本高；有些母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置在分接單元插接時(shí)，因沒(méi)有安裝推進(jìn)、定位、固定裝置，導(dǎo)致插接費(fèi)力、插接不到位、槽體與分接單元固定不牢固等；有些母線槽插件插腳與槽體導(dǎo)體的接觸方式的設(shè)計(jì)上存在問(wèn)題，導(dǎo)致插接點(diǎn)容易松動(dòng)、接觸電阻大、溫升提高、插拔壽命短；有些母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置插接頭插入時(shí)，缺少導(dǎo)入定位絕緣裝置，也會(huì)引起插腳頭插入錯(cuò)位或插入點(diǎn)爬電距離不夠引起故障等不安全因素。

綜述市場(chǎng)上現(xiàn)有母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置存在的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)一種新型母線槽的插座結(jié)構(gòu)裝置，通過(guò)對(duì)絕緣底座、相線插件、固定器、絕緣插口器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使分接單元使用時(shí)更加安全可靠。

1 概 述

1.1 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的構(gòu)成

在母線槽作為輸配電設(shè)備的導(dǎo)電回路中，母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置是一種從母線槽直線干線單元上，分接單元導(dǎo)電部件插腳頭與母線槽導(dǎo)體之間通過(guò)插拔連接的接觸方式，實(shí)現(xiàn)輸出分配電流時(shí)需要的一種插座結(jié)構(gòu)裝置，主要由安裝在分接單元插件箱外殼底部的插座部件、固定器、安裝在母線槽腔體內(nèi)插口部位的絕緣插口器、插口器固定支架等組成，主要組成部分見圖1。

圖1 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1.插座部件 2.固定器 3.插口器固定支架 4.絕緣插口器 5.固定器掛鉤 6.安裝孔螺母 7.PE線插件 8.相線插件

1.2 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的主要技術(shù)參數(shù)

額定電壓：AC400 V、AC690 V；額定電流：20 A、40 A、63 A、100 A、160 A、250 A、400 A、630 A；線制：三相三線制、三相四線制、三相五線制；頻率：50 Hz；插拔壽命：50次；溫升：≤70 K。

2 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 插座部件的設(shè)計(jì)

插座部件是插座結(jié)構(gòu)裝置的關(guān)鍵部件，主要由插件絕緣底座、相線插件和PE線插件組成。

2.1.1 插件絕緣底座

插件絕緣底座采用DMC玻璃纖維模塑料，由模具一次壓制成型。絕緣底座設(shè)計(jì)了四個(gè)相線插件安裝孔及PE線插件安裝孔，這五個(gè)安2裝孔的中心點(diǎn)按A、B、C、N、PE相的次序錯(cuò)位式設(shè)計(jì)成倒W形，解決了插件安裝空間小的問(wèn)題，增大插入點(diǎn)之間的間距。絕緣底座插件安裝孔排布示意圖見圖2。

圖2 絕緣底座插件安裝孔排布示意圖

母線槽導(dǎo)體相間距只有20 mm，進(jìn)行這種相鄰相間插入點(diǎn)錯(cuò)開設(shè)計(jì)后，A相與B相左右相間距還是20 mm,但是A相與B相中心點(diǎn)縱向間距設(shè)計(jì)成82 mm,這樣五個(gè)插入點(diǎn)的橫向隔相(A相與C相、B相與N相、N相與PE相之間)間距成40 mm,縱向間距成82 mm，使插入點(diǎn)的電氣間隙和爬電距離遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的8 mm和12 mm的數(shù)值，提高了插座裝置的安全性能。

2.1.2 相線插件

相線插件是母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置中直接與母線槽導(dǎo)體進(jìn)行插接實(shí)現(xiàn)電接觸的部件，設(shè)計(jì)是否合理直接影響插座結(jié)構(gòu)裝置的性能與使用安全。

(1) 影響插件性能的因素

母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，插接點(diǎn)容易發(fā)熱而引起故障，發(fā)熱的原因主要是電流流過(guò)接觸點(diǎn)時(shí)在接觸電阻上的熱損耗。為了使插座結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)更加完善、安全可靠，應(yīng)使接觸電阻盡可能小，盡可能使接觸電阻有一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，為此來(lái)分析影響接觸電阻的諸多因素。

接觸電阻的計(jì)算公式：

(1)

式中：F為接觸壓力(N)；Rj為接觸電阻(μΩ)；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，從數(shù)據(jù)表中查出查的(0.7～0.8)；Kj為與接觸材料、表面情況、接觸方式有關(guān)的系數(shù)(Kj=100)見表1。

表1 材料的Kj值

接觸電阻由收縮電阻和膜電阻兩部分電阻組成。收縮電阻與材料的電阻率成正比，與材料的布氏硬度HB平方根成正比，與壓力F和接觸點(diǎn)數(shù)n的平方根成反比；膜電阻主要是與接觸導(dǎo)體的金屬表面形成的塵埃膜、吸附膜、無(wú)極膜有關(guān)。影響接觸電阻的因素：

① 接觸壓力 根據(jù)接觸電阻的計(jì)算公式可知，增加接觸壓力可以使接觸電阻減小，其原因是可以增加接觸點(diǎn)的有效接觸面積以及有效地抑制表面膜的產(chǎn)生，前者可以使收縮電阻減小，后者可以使膜電阻減小，當(dāng)增大接觸壓力F時(shí)，在接觸點(diǎn)壓強(qiáng)超過(guò)一定的值，可使接觸表面氣體分子層等吸附膜減小到2～3個(gè)分子層，當(dāng)超過(guò)材料屈服點(diǎn)強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，表面膜被壓碎，使接觸電阻迅速下降，并得到較為穩(wěn)定的值。

② 接觸形式 接觸形式分為，點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸，點(diǎn)接觸的接觸點(diǎn)數(shù)少，收縮電阻大，但接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)大，膜電阻小，適合小電流的繼電器觸頭等；面接觸的接觸點(diǎn)數(shù)多，收縮電阻小，但膜電阻大，適合固定連接的接觸形式；線接觸的接觸電阻介于兩者之間，在可分式接觸中，一般采用線接觸。

③ 材料性質(zhì) 選材料從減小收縮電阻和膜電阻綜合考慮，即材料的物理性質(zhì)，包括電導(dǎo)率、材料的機(jī)械強(qiáng)度及硬度，材料的化學(xué)性質(zhì)，材料表面是否會(huì)快速形成氧化膜等。

除以上幾個(gè)主要因素外，還與接觸面的加工情況、接觸處面周圍介質(zhì)狀況等因素有關(guān)。

(2) 相線插件結(jié)構(gòu)

相線插件由導(dǎo)電夾、彈性?shī)A、絕緣壓板、圓頭鉚釘組成，相線插件結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 相線插件結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 接觸壓力最大的導(dǎo)電夾插腳頭設(shè)計(jì)

導(dǎo)電夾采用3 mm厚的T2銅排沖壓成型，導(dǎo)電夾插腳頭設(shè)計(jì)成S形，共兩件，成左右對(duì)稱，在插腳外設(shè)計(jì)了對(duì)稱的兩件65Mn彈簧鋼彈性?shī)A，使用圓頭鉚釘鉚接后卡入絕緣壓板的限位槽內(nèi)，形成一個(gè)強(qiáng)有力的大夾子。插腳頭插入母線槽導(dǎo)體上時(shí)，形成雙面搭接，對(duì)稱S形插腳頭和彈性?shī)A保證插入點(diǎn)足夠的接觸壓力，減小接觸電阻，降低接觸點(diǎn)溫升。導(dǎo)電夾銅排不同的規(guī)格對(duì)應(yīng)插座結(jié)構(gòu)裝置不同的電流等級(jí)，插座結(jié)構(gòu)裝置規(guī)格從表2選取。

表2 插座結(jié)構(gòu)裝置規(guī)格與導(dǎo)電夾規(guī)格對(duì)照表

(4) 線性接觸形式

市場(chǎng)上大多插座結(jié)構(gòu)裝置的插腳頭設(shè)計(jì)成直線形面對(duì)面的搭接形式，這種設(shè)計(jì)增大了接觸面積，但試驗(yàn)證明，對(duì)從母線槽系統(tǒng)干線單元通過(guò)插接形式輸出電流的插座結(jié)構(gòu)裝置，線性接觸的接觸電阻最小，因此對(duì)稱S形插接頭與母線槽導(dǎo)體的接觸接近線性接觸。

(5) 導(dǎo)電夾材料的選擇及表面處理

銅的導(dǎo)電率、機(jī)械強(qiáng)度、硬度、價(jià)格在母線槽供配電系統(tǒng)中為最優(yōu)良最常用的導(dǎo)體材料，但銅表面容易形成氧化膜，即CuO或Cu2O，銅的電阻率為1.75×10-8Ω·m，CuO的電阻率為2×108Ω·m，Cu2O的電阻率為5×108Ω·m，所以一旦銅表面被氧化，接觸電阻就會(huì)迅速劇增幾十倍至幾百倍，插件插腳頭接觸處發(fā)熱，當(dāng)接觸表面溫度大于70～80℃時(shí)，氧化便劇烈起來(lái)，并使接觸電阻劇增，其結(jié)果導(dǎo)致插座進(jìn)一步發(fā)熱甚至被破壞。為防止接觸面氧化而引起故障，對(duì)導(dǎo)電夾插腳頭進(jìn)行浸錫或鍍銀處理。

(6) 導(dǎo)電夾插接頭表面粗糙度及周圍環(huán)境

接觸表面粗糙度對(duì)接觸電阻也有一定的影響，插座結(jié)構(gòu)的接觸方式屬線接觸，一般通過(guò)接觸點(diǎn)的電流大于20A,為保證更多的接觸點(diǎn)，將插接頭表面的粗糙度設(shè)計(jì)成Ra1.6。同時(shí)為了減小接觸電阻中膜電阻的形成，盡量減少周圍介質(zhì)對(duì)接觸點(diǎn)的腐蝕，在加工制造插座結(jié)構(gòu)裝置過(guò)程中，盡量保持周圍環(huán)境清潔，保持插腳頭不受油污、塵埃及化學(xué)侵蝕，為避免母線槽插口處導(dǎo)體接觸良好，要在加工、運(yùn)輸、存放、安裝過(guò)程做好防塵防護(hù)。

2.2 固定器設(shè)計(jì)

固定器由螺桿和掛鉤兩部分組成，螺桿一端穿過(guò)分接單元插件箱外殼底部的安裝孔，用螺母固定；掛鉤一端卡入母線槽蓋板的彎邊上，插座裝置插件插入時(shí)，緊固螺桿一端螺母，插件插腳頭逐步插入到位，同時(shí)將分接單元和母線槽固定成一個(gè)整體，起到推進(jìn)、定位、固定作用。在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于母線槽系統(tǒng)自身運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)力，或者線路發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生沖擊電流引起的電動(dòng)力，如果固定不牢固，插座裝置插入點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或者移位，引起插入點(diǎn)發(fā)熱、甚至燒毀引起故障。

2.3 絕緣插口器設(shè)計(jì)

絕緣插口器采用絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高的玻璃纖維膜DMC一次壓制成型，插口器不分電流大小，適用不同電流等級(jí)母線槽使用，通用性強(qiáng)，安裝方便，成本低。四個(gè)插入口導(dǎo)槽設(shè)計(jì)成梯形，插入點(diǎn)母線槽導(dǎo)體包圍在絕緣梯形導(dǎo)槽腔內(nèi)，插件容易導(dǎo)入，避免誤插，安全可靠。絕緣插口器結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 絕緣插口器結(jié)構(gòu)示意圖

3 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的具體實(shí)施方式

將四個(gè)固定器先安裝在分接單元插件箱底部外固定架上，插座部件用螺釘固定在分接單元插件箱外殼的底部，絕緣插口器卡入母線槽插口位置腔體內(nèi)的導(dǎo)體上，再使用插口器固定支架壓緊固定在母線槽側(cè)板上。當(dāng)分接單元插件箱插入插口時(shí)，先松開固定器一端螺栓側(cè)的螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)掛鉤，使母線槽蓋板彎邊卡入掛鉤內(nèi)。這時(shí)用力推壓插件箱，相線插件、PE線插件插腳頭通過(guò)絕緣插口器梯形導(dǎo)槽與母線槽腔體內(nèi)的導(dǎo)體搭接，實(shí)現(xiàn)電接觸。插件箱插入插口時(shí)，由于插腳頭及彈簧鋼彈性?shī)A的反作用力，當(dāng)插件裝置電流較大時(shí)，比較費(fèi)力，不容易插接到位，因此推壓的同時(shí)緩慢緊固固定器的安裝螺母，使插件箱底部與母線槽蓋板完全貼平，緊固固定器，當(dāng)緊固力矩達(dá)到6 N·m時(shí)，插腳頭與母線槽導(dǎo)體搭接按計(jì)算尺寸接觸到位，插接箱與母線槽固體成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)安全輸出所需要的電流。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 插腳頭設(shè)計(jì)成對(duì)稱S形，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電夾與母線槽導(dǎo)體能夠形成線性接觸的接觸方式；插件插腳頭外側(cè)對(duì)稱鉚壓65Mn錳鋼的彈性?shī)A，增大接觸壓力；導(dǎo)電夾材料選用優(yōu)質(zhì)銅，接觸點(diǎn)導(dǎo)體表面進(jìn)行了浸錫或鍍銀處理，減小材料的Kj值，這幾項(xiàng)技術(shù)(專利技術(shù))的應(yīng)用，大大減小了插件插入點(diǎn)的接觸電阻，降低插入點(diǎn)溫升，解決了母線槽插座裝置插入點(diǎn)容易發(fā)熱燒毀這一技術(shù)難題。

(2) 成倒W形的插件絕緣底座錯(cuò)位安裝技術(shù)及使用梯形導(dǎo)槽的絕緣插口器安全導(dǎo)入導(dǎo)電夾的技術(shù)，解決了因母線槽導(dǎo)體相間距太小，導(dǎo)致的插入點(diǎn)電氣間隙不夠的問(wèn)題，使插座裝置使用更加安全可靠。

(3) 獨(dú)立插件設(shè)計(jì)，易于維修更換，使插座裝置根據(jù)需要選擇選擇大小、數(shù)量，降低分接單元制造成本。

(4) 固定器的設(shè)計(jì)，對(duì)分接單元起到了推進(jìn)、固定定位作用，解決了分接單元插入時(shí)費(fèi)力，使用過(guò)程出現(xiàn)插入點(diǎn)松動(dòng)而引起發(fā)熱的問(wèn)題。