絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)施工

李金明，李金海

1 前言

國(guó)外某2×10 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線的供電方式為自備電廠供電，兩條生產(chǎn)線均采用若干獨(dú)芯大規(guī)格YJV電力電纜，通過(guò)地下電纜溝，將電纜敷設(shè)至水泥生產(chǎn)線總配電站，用于電能傳輸。從自備電廠至總配電站的供電距離約970m，額定電壓13.8kV，設(shè)計(jì)最大供電電流4 000A。生產(chǎn)線建成初期，供電系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，但運(yùn)行若干年后，由于電纜溝內(nèi)通風(fēng)散熱不暢、工況惡劣，電纜逐漸老化，導(dǎo)致供電系統(tǒng)電纜附加損耗增大、集膚效應(yīng)系數(shù)增大，載流能力下降、電流分布不均，供電系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的渦流影響越來(lái)越嚴(yán)重。特別是在夏季高溫時(shí)期，電纜頻繁對(duì)地放電，易造成生產(chǎn)供電中斷，甚至造成生產(chǎn)設(shè)備故障損壞，嚴(yán)重影響了水泥生產(chǎn)線窯系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。

2 改造要求

（1）不再使用電纜供電方案，新供電方案應(yīng)安全可靠，基本免于維護(hù)。

（2）新供電方案應(yīng)能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)夏季高溫、冬季沙塵暴頻繁等惡劣工況。

（3）地下電纜溝內(nèi)空間狹小，在電纜出現(xiàn)故障后，電纜修復(fù)工作很難快速開(kāi)展，故不再使用原電纜溝。新供電方案要求采用鋼結(jié)構(gòu)桁架敷設(shè)導(dǎo)體供電，因停窯時(shí)間短，供電系統(tǒng)改造施工時(shí)間不能太長(zhǎng)，以免影響水泥熟料的生產(chǎn)。

3 絕緣管型母線結(jié)構(gòu)

母線作為電力系統(tǒng)配電裝置中的重要連接導(dǎo)體，起著匯集、分配和傳輸電能的作用，母線的性能優(yōu)劣，直接影響到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。相比傳統(tǒng)的電纜母線、矩形母線或封閉母線，絕緣管型母線具有載流量大、集膚效應(yīng)低、溫升低、允許應(yīng)力大、安全防觸電、穩(wěn)固抗震、安裝方便、免于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。絕緣管型母線與銅排母線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 絕緣管型母線與銅排母線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。絕緣管型母線的載流導(dǎo)體一般采用具有一定厚度的優(yōu)質(zhì)高純度T2y空心紫銅管，含銅量≥99.90%；絕緣管型母線的導(dǎo)體屏蔽層由三元乙丙橡膠與高分子材料聚合而成，可以改善管型母線的電場(chǎng)分布、控制電位和均衡電場(chǎng)，逐級(jí)衰減泄漏電流，避免導(dǎo)體與主絕緣層之間發(fā)生局部放電；絕緣管型母線的主絕緣層材料采用硅油滲漬纖維及高性能聚四氟乙烯定向箔膜，可在-250℃~250℃溫度環(huán)境中正常工作，并具有優(yōu)良的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，介電損耗小、阻燃、抗老化性能好，使用壽命一般＞30年。絕緣管型母線的金屬屏蔽層采用高強(qiáng)度的編制銅網(wǎng)帶；外套保護(hù)層使用聚烯烴高分子聚合物絕緣護(hù)套。每段管型母線接頭處均設(shè)有屏蔽筒接地層，以實(shí)現(xiàn)有效接地，并保證電勢(shì)為零，不會(huì)產(chǎn)生磁渦流現(xiàn)象。

圖1 絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)

4 絕緣管型母線特點(diǎn)

相比傳統(tǒng)的電力電纜或銅排母線，絕緣管型母線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）載流量大。相比常規(guī)矩形導(dǎo)體和電力電纜導(dǎo)體，絕緣管型母線空心的銅載流導(dǎo)體具有表面積大、導(dǎo)體表面電流密度和電場(chǎng)分布均勻、阻抗小等特點(diǎn)，最高額定傳輸電流可達(dá)8 000A，適用于工作電流大的供電回路。

（2）電氣絕緣性能強(qiáng)、耐腐蝕。管型母線導(dǎo)體外部采用絕緣性能強(qiáng)的聚烯烴高分子聚合物絕緣護(hù)套，具有優(yōu)良的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，損耗低，阻燃、耐老化，表面電氣絕緣性能強(qiáng)，采用編織銅網(wǎng)作為屏蔽層，母線表面電場(chǎng)分布均勻。

（3）散熱性能突出、損耗低。母線導(dǎo)體為空心，內(nèi)徑風(fēng)道自然風(fēng)冷，導(dǎo)電銅管的集膚效應(yīng)系數(shù)Kf接近于1，交流電阻小，因而母線功率損失小，單位截面的有效載流量高，損耗遠(yuǎn)小于常規(guī)矩形導(dǎo)體。

（4）允許應(yīng)力大、機(jī)械強(qiáng)度高、抗電氣震動(dòng)性能強(qiáng)?？沙惺芨蟮亩搪冯娏?，最大支撐跨距可達(dá)9m?？芍苯訉⒔^緣管型母線固定在鋼結(jié)構(gòu)桁架或混凝土支架上，具有很強(qiáng)的抗震動(dòng)性能。

（5）可靠性高、使用壽命長(zhǎng)。絕緣管型母線的各相封閉、屏蔽、絕緣，內(nèi)置金屬接地層，具有傳導(dǎo)泄露電流和充電電流的作用，可以對(duì)危險(xiǎn)的接觸電壓進(jìn)行防護(hù)。內(nèi)部無(wú)凝露產(chǎn)生，且消除了外界潮氣、灰塵及外物所引起的接地和相間短路故障，運(yùn)行具有高度的安全可靠性。

（6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置清晰、安裝維護(hù)方便。與常規(guī)電纜相比，絕緣管型母線一次性安裝成型，終身免維護(hù)。

某國(guó)外水泥廠供電改造項(xiàng)目絕緣管型母線的基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 某供電改造項(xiàng)目絕緣管型母線的基本技術(shù)參數(shù)

5 管型母線設(shè)計(jì)施工安裝要點(diǎn)

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，選擇合理的管型母線走向路徑及支撐桁架布置位置，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)施工圖紙及確定施工方案。

（2）確定管型母線與終端電氣設(shè)備的連接方式。管型母線與終端電氣設(shè)備（一般為變壓器、開(kāi)關(guān)柜等）的連接一般采用銅帶式或銅排式。

a銅帶式連接。將管型母線端部通過(guò)螺栓將軟編織銅帶與電氣設(shè)備端部連接，這種方式屬于軟連接，它可有效地避免設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)傳導(dǎo)至母線，同時(shí)可修正土建安裝偏差。銅帶式連接如圖2所示。

圖2 銅帶式連接示意

b銅排式連接。將管型母線端部通過(guò)螺栓將矩形銅排與電氣設(shè)備端部直接連接，這種方式屬于硬連接。對(duì)管型母線與終端電氣設(shè)備施工安裝而言，這種連接方式需要更加精確的測(cè)量和安裝精度，并且現(xiàn)場(chǎng)施工偏差的修正處理相對(duì)困難。銅排式連接示意見(jiàn)圖3。

圖3 銅排式連接示意

在本文所介紹的改造項(xiàng)目中，管型母線兩端連接的終端電氣設(shè)備均為中壓開(kāi)關(guān)柜，且兩端的開(kāi)關(guān)柜已固定安裝運(yùn)行多年，因此，管型母線與開(kāi)關(guān)柜之間采用銅排式連接。在銅排式連接安裝完畢后，在開(kāi)關(guān)柜后加裝安全隔離保護(hù)箱，將整個(gè)連接部位進(jìn)行封罩，以避免帶電運(yùn)行后，巡檢人員跨越時(shí)接觸觸電。

（3）管型母線托架采用優(yōu)質(zhì)槽鋼焊接制作，表面熱鍍鋅鈍化處理，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能；托架用螺栓連接，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)焊接，安裝、拆卸方便；托架上設(shè)有金具滑軌，通過(guò)滾軸與母線固定金具連接，該結(jié)構(gòu)可以吸收母線運(yùn)行和停機(jī)檢修時(shí)，熱脹冷縮的長(zhǎng)度變化；母線采用不導(dǎo)磁的鋁合金固定金具夾持固定，并通過(guò)滾軸與托架連接，有效避免了單根母線出現(xiàn)閉合磁路導(dǎo)致運(yùn)行事故，確保母線安全運(yùn)行。安裝及固定管型母線的托架及固定金具示意見(jiàn)圖4。

圖4 安裝及固定管型母線的托架及固定金具示意

（4）管型母線段與段之間，采用單邊開(kāi)口的不銹鋼抱箍（不銹鋼304）和銅抱箍（T2y銅管）的外置式中間連接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)使用專用工具，使銅抱箍和不銹鋼抱箍與母線全面貼合。

（5）管型母線直接穿過(guò)墻面的預(yù)留孔洞時(shí)，穿墻處需使用非導(dǎo)磁材料（可以選擇絕緣環(huán)氧樹(shù)脂板或鋁合金板）進(jìn)行封堵，以防小動(dòng)物、粉塵或雨水進(jìn)入到室內(nèi)。

（6）在長(zhǎng)距離敷設(shè)管型母線時(shí)，需進(jìn)行若干次換相處理，以抵消渦流，保證管型母線長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。某水泥廠管型母線現(xiàn)場(chǎng)施工圖見(jiàn)圖5。

圖5 某水泥廠管型母線現(xiàn)場(chǎng)施工圖

6 結(jié)語(yǔ)

該水泥廠絕緣管型母線投入運(yùn)行三年以來(lái)，配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行電壓14.5kV，滿負(fù)荷運(yùn)行電流約2 700~3 100A。無(wú)論是在戶外氣溫近50℃的夏季，還是沙塵肆虐的冬季，絕緣管型母線供電部分均未出現(xiàn)過(guò)故障，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全，穩(wěn)定可靠，基本免維護(hù)。

近年來(lái)，隨著合金材料的快速發(fā)展及應(yīng)用，鋁合金管型母線開(kāi)始逐步應(yīng)用于供配電領(lǐng)域。鋁合金管型母線以鋁為主材料，另添加少量鎂、錳、銅、鉻、鋅、硅等元素制成。目前，市場(chǎng)上主要采用的是6000系列標(biāo)號(hào)的鋁合金管型母線，鋁合金管型母線具有良好的可成型性、可焊接性、耐腐蝕性及可機(jī)加工性能，同時(shí)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

在相同載流量情況下，鋁合金管型母線管徑大于銅管型母線；而在同等截面積情況下，鋁合金管型母線重量輕于銅管型母線?？傮w來(lái)看，鋁合金管型母線具有一定的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，并且相比同尺寸銅管母線，其重量要輕很多，更適用于現(xiàn)場(chǎng)土建基礎(chǔ)施工及使用鋼結(jié)構(gòu)桁架敷設(shè)，同時(shí)，有利于降低母線安裝成本。在大容量、長(zhǎng)距離供配電項(xiàng)目上，需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)比銅管母線和鋁合金母線的各自特點(diǎn)，擇優(yōu)選擇。