低壓成套開關(guān)設(shè)備關(guān)于母線的分析

張羽，宋旭

(1.沈陽(yáng)電氣傳動(dòng)研究所(有限公司)，遼寧 沈陽(yáng) 110141；2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

1 概述

1.1 低壓成套開關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)介

電力系統(tǒng)的發(fā)電、配電、輸電、變電和用電的各環(huán)節(jié)中需大量使用對(duì)電路起分配、調(diào)節(jié)、保護(hù)、控制、測(cè)量等作用電氣設(shè)備。按照工作電壓等級(jí)分類電氣設(shè)備可分為低壓開關(guān)電器和高壓開關(guān)電器兩大類。中國(guó)現(xiàn)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是將用于交流頻率50Hz或60Hz、額定電壓Ue在交流AC1000V、直流DC1500V以下的電路起到保護(hù)作用、接通分?jǐn)嘧饔谩⒄{(diào)節(jié)和控制作用的電器統(tǒng)稱為低壓電器。

1.2 母線的類型

母線的類型按截面分類可分為矩形、U型、D型、圓形等，其中因?yàn)榫匦文妇€在相同截面積的情況下載流量最高、電阻最小、散熱面大應(yīng)用也最為廣泛。U型母線主要用于電流較大、電動(dòng)力效應(yīng)要求高的設(shè)備中。D型和圓形母線的集膚效應(yīng)好、防電暈效果好，但連接比較復(fù)雜。母線按材質(zhì)分類可分為銅母線、鋁母線、鐵母線。其中銅母線應(yīng)用最為廣泛，具有載流量大、電動(dòng)力效應(yīng)好、耐腐蝕性能強(qiáng)的優(yōu)秀品質(zhì)。母線的類型按自然狀態(tài)可分為硬母線和軟母線。軟母線也稱為軟連接母線，主要用于連接不便的場(chǎng)所。

2 母線對(duì)成套開關(guān)設(shè)備的影響

母線的選用是低壓成套開關(guān)設(shè)備試驗(yàn)前必須認(rèn)真思考的問(wèn)題。有的在描述的覆蓋中沒有明確的規(guī)定，也沒有必要的指導(dǎo)性文件，任憑經(jīng)驗(yàn)選擇覆蓋給報(bào)告的有效性造成了很大的質(zhì)量隱患，母線的選用包括:

(1)材質(zhì):銅、鋁等，材質(zhì)不同，電阻率不同，對(duì)母線試驗(yàn)的溫升穩(wěn)定值(K)也不同。

(2)截面積:母線的截面積越大母線的載流量就越大。截面積越小母線的載流量就越小。

(3)表面處理:母線為裸導(dǎo)體、母線表面鍍錫或者鍍銀等。鍍錫、鍍銀可以有效的降低母線的溫升穩(wěn)定值(K)。

(4)截面形狀與排列方式:母線的截面形狀有矩形、U型、D型、圓形等。排列的方式有水平、垂直等。不同的截面形狀與排列方式對(duì)于母線的散熱影響也不同。母線立放時(shí)的載流量會(huì)比平放時(shí)要高，這是由于立放時(shí)散熱要比平放時(shí)要好的原因。同等截面積盡量選擇母線寬度大的型號(hào)，例如:能選擇80×5的母線不選擇50×8的母線，因?yàn)槠渲荛L(zhǎng)更長(zhǎng)，可以更利于散熱。

(5)環(huán)境溫度:母線的載流能力受成套設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)溫度的限制，不同環(huán)境溫度下載流量不同。

(6)防護(hù)等級(jí)(IP):安裝在成套設(shè)備中的母線其安裝的方式、安裝的位置以及母線的散熱(如:散熱孔)都會(huì)受到成套設(shè)備防護(hù)等級(jí)的限制。

(7)諧波含量:電源的諧波含量越高對(duì)母線溫升穩(wěn)定值(K)越大。

(8)海拔高度:海拔越高的地方，空氣就越稀薄，母線的散熱性能也就越差。

(9)短路耐受強(qiáng)度:母線須能夠承受短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)。熱效應(yīng)用額定短時(shí)耐受電流Icw表示電動(dòng)力效應(yīng)用額定峰值耐受電流Ipk表示。

3 母線的熱效應(yīng)

(1)母線的熱效應(yīng)是指母線在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠承載的電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。在低壓成套開關(guān)設(shè)備中指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，母線承載的額定短時(shí)耐受電流Icw。

(2)根據(jù)短時(shí)耐受電流確定母線的最小截面積。

根據(jù)GB/T 3906-2006附錄D中公式[5]:

式中，I＝電流有效值，單位為(A)；

a為材質(zhì)系數(shù)，銅為13；

t為額定短路持續(xù)時(shí)間(s)；

△θ對(duì)于裸導(dǎo)體一般取180K。

依據(jù)此公式推算出常用低壓成套開關(guān)設(shè)備額定短時(shí)耐受電流的最小母線截面積(如表1所示)。

表1

4 母線的電動(dòng)力效應(yīng)

(1)母線是承載電流的導(dǎo)體，母線通過(guò)電流周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于其范圍的母線使其受力，從而使倆條電流方向相同的母線產(chǎn)生相互吸引的力，這個(gè)力就叫做母線的電動(dòng)力。母線受到的電動(dòng)力與電流的大小、母線的厚度、母線的寬度、母線排列的方式，母線間的距離相關(guān)。

(2)根據(jù)額定峰值耐受電流Ipk計(jì)算兩個(gè)支撐件允許最大距離。

根據(jù)母線上的作用應(yīng)力kg/cm≤母線允許應(yīng)力；

其中:L:母線支撐間距(cm)；Ipk:額定峰值耐受電流(kA)；a—相間距離(cm)；W—母線截面系數(shù)(矩形)；△y:母線允許應(yīng)力(銅為1400)；

根據(jù)上式導(dǎo)出:

母線截面系數(shù):

(1)母線寬度相對(duì)時(shí):W＝0.167b2h；TMY-[100×10]＝1.67；

(2)母線厚度相對(duì)時(shí):W＝0.167bh2；TMY-[100×10]＝16.7；

其中:b(cm):母線厚度，h(cm):母線寬度

例如:對(duì)于Icw＝100kA、Ipk＝220kA的 MNS低壓成套開關(guān)柜a＝7對(duì)于主母線TMY-6[100×10]型母線的最大跨距。

LMAX＝910.77(mm)

例如:對(duì)于Icw＝100kA、Ipk＝220kA的 MNS低壓成套開關(guān)柜a＝7對(duì)于水平母線母線TMY-5[120×10]型母線的最大跨距。

LMAX＝2629.17(mm)

依據(jù)此公式推算出常用低壓成套開關(guān)設(shè)備額定峰值耐受電流來(lái)確定母線最大跨距(兩個(gè)支撐間的最大距離)，如表2所示。

表2

5 母線的一般要求

5.1 母線的材質(zhì)與表面要求

銅母線應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5585.1-2018《電工用銅、鋁及其合金母線第1部分:銅和銅合金母線》[6]要求。等級(jí)和規(guī)格應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)3C認(rèn)證的產(chǎn)品應(yīng)符合產(chǎn)品說(shuō)明的要求。應(yīng)特別注意母線的表面狀況(硬或軟)。它對(duì)母線的峰值耐受電流有影響(母線的電動(dòng)力效應(yīng))有很大的影響。

5.2 外觀要求

母線的表面應(yīng)光滑平整，不應(yīng)有皺紋，裂紋，夾雜物，扭曲和變形。因此，應(yīng)保護(hù)母線免受腐蝕性氣體腐蝕和機(jī)械損壞。

5.3 重疊表面的處理

匯流排的搭接表面應(yīng)光滑，且表面(包括鍍層)不應(yīng)有錘痕，凹痕，剝離和缺陷。搭接表面的表面處理包括:酸洗鈍化(銅母線)、堿清洗(鋁母線)、鍍錫、鍍銀、導(dǎo)電膠涂層等。某些產(chǎn)品還需要在重疊的表面上進(jìn)行壓花。

不同材料(例如銅包鋁)的母線不能直接連接到裸露的母線。母線應(yīng)鍍錫，鍍銀并涂上導(dǎo)電膠。

5.4 母線涂裝

母線表面應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行涂漆，并且涂漆層應(yīng)均勻且無(wú)，諸如剝落、皺紋、流掛和異物夾雜的缺陷。母線涂漆的顏色應(yīng)符合表3的要求。

表3

當(dāng)每一相都使用黑漆時(shí)，應(yīng)粘貼A、B、C、N相序標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)可貼在兩端或中間顯著位置。

每相母線涂漆的分界線應(yīng)清晰整齊，一般相差至少5mm，母線固定連接處應(yīng)與涂漆的分界線應(yīng)有至少10mm以上的距離，用于外部供接線用的搭接接觸面不應(yīng)刷漆，長(zhǎng)度應(yīng)至少等于母線的寬度，且大于50mm。

涂漆不僅可以起到母線耐腐蝕的作用，還可以起到加強(qiáng)散熱的作用，相比于裸母線，同條件下會(huì)降低溫升穩(wěn)定值(K)。

5.5 緊固件

用于安裝的緊固件，包括螺栓、螺母、平墊、彈墊均應(yīng)有鍍層，不可使用發(fā)藍(lán)、發(fā)黑的緊固件?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)型平墊，不需使用加大、加厚的平墊，試驗(yàn)證明標(biāo)準(zhǔn)型平墊與使用加大、加厚的平墊相比溫升穩(wěn)定值(K)相差很小。

5.6 母線的安裝

(1)母線的搭接面須涂抹導(dǎo)電膏。

(2)如果母線平行安裝，螺栓應(yīng)由下向上穿，如果母線垂直放置，螺栓應(yīng)朝向便于觀察的穿，以便于檢查和拆卸，螺栓長(zhǎng)度宜凸出螺母2扣以上，以保證螺栓的有效連接。

(3)螺栓之間相鄰的平墊的最短距離應(yīng)大于3mm。

(4)螺栓受力應(yīng)依據(jù)對(duì)應(yīng)低壓成套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)力矩。

5.7 母線的支撐與固定

(1)母線支撐的安裝要充分考慮其短時(shí)額定峰值耐受電流Ipk大小，其抗彎、抗扭強(qiáng)度能否滿足電動(dòng)力效應(yīng)要求。

(2)用于母線固定的絕緣子在承受較大的電動(dòng)力時(shí)，要校驗(yàn)絕緣子的抗彎強(qiáng)度是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

(3)母線夾板應(yīng)可以承受由于額定峰值耐受電流而引起的電動(dòng)力。

(4)母線支撐件不應(yīng)構(gòu)成閉合磁路，以防止產(chǎn)生渦流。

(5)單相多片的矩形母線之間，其間距應(yīng)不小于母線的厚度。

6 結(jié)束語(yǔ)

母線是低壓成套開關(guān)設(shè)備重要的組成部分，對(duì)于母線的選用應(yīng)參考許多因素。因?yàn)樵诜忾]的低壓成套開關(guān)設(shè)備中母線的各種性能受到了影響，應(yīng)當(dāng)理論結(jié)合試驗(yàn)，理論上參考母線的熱效應(yīng)，母線的電動(dòng)力效應(yīng)為主，分析母線截面積及支撐距離是否符合理論依據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)其判斷。對(duì)于3C產(chǎn)品中覆蓋的母線尺寸及支撐距離應(yīng)符合母線熱效應(yīng)和母線的電動(dòng)力效應(yīng)的公式計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。