27.5 kV絕緣管型母線在鐵路的應用及技術要求

鄧 剛

(中國國家鐵路集團有限公司工程質量監督管理局,北京 100844)

鐵路牽引變電所作為電氣化鐵路的核心，擔負著向接觸網供電的重要作用。對牽引變電所的供電質量要求越來越高，負荷增大，要求設備的載流能力高，運行安全可靠性要求高[1-2]。

以往在鐵路牽引變電所低壓側27.5 kV設備母線從主變壓器引入高壓室內通常采用高壓電纜、軟母線、裸銅排母線方式。時速350 km高速鐵路牽引變電所采用27.5 kV GIS開關柜室內布置，低壓側27.5 kV母線從主變壓器引入高壓室內采用高壓電纜方式；時速250 km高速鐵路通常采用27.5 kV設備室外中型布置，27.5 kV低壓側母線采用軟母線連接方式；時速200 km客貨共線鐵路及普速鐵路，供電方式一般為直接供電方式，27. kV設備通常采用室內金屬網柵間隔式或AIS開關柜布置，主變低壓側采用架空線進入高壓室采用架空軟母線、穿墻套管、裸銅排方式。綜上，低壓側27.5 kV設備室內布置時采用高壓電纜引入或架空線通過穿墻套管加裸銅排兩種方式。安裝方式采用高壓電纜方式時需要預留專門的電纜夾層和電纜溝，單根電纜載流量不能滿足需求；采用架空線通過穿墻套管加裸銅排方式安裝時，母線固定連接點多，體積大，質量大，對房屋結構及凈空要求較高，安裝工序繁雜。27.5 kV管型絕緣母線作為一種新型的載流導體，占用空間小，布置簡單，技術性能優良，安裝維護方便，具有一定推廣應用價值[3-5]。

結合27.5 kV絕緣管型母線在鐵路牽引變電所實際工程應用案例，分析絕緣管型母線組成結構和主要技術特點，提出了在鐵路牽引變電所的應用范圍，重點闡述在鐵路上應用絕緣管型母線的技術要求，試驗項目、標準及安裝工藝等。

1 絕緣管型母線的結構與技術特點

1.1 結構

絕緣管型母線的結構從里到外依次是：金屬管、導體屏蔽層、主絕緣、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、外護套，如圖1所示。金屬管一般采用銅或鋁管，導體屏蔽層、絕緣屏蔽層采用非金屬半導體材料，金屬屏蔽層采用銅帶或銅編織帶纏繞包裹，外護套可采用聚乙烯或聚氯乙烯材料。在實際工程中絕緣管型母線系統組成通常是一定長度的直線段、弧線段組合成特定形狀和尺寸的組合體，包括中間接頭、終端頭、支撐結構和穿墻結構，形成一體式母線系統[6-8]，如圖2所示。

圖1 絕緣管型母線結構

圖2 絕緣管型母線應用示意

1.2 技術特點

絕緣管型母線，具有如下特點。

(1)載流量大

絕緣管型母線采用金屬管型結構，與其他實體導體相比內外表面積更大，電流密度分布更加均勻。在環境溫度25 ℃條件下，常用截面為300 mm2架空鋁絞線，載流量為700 A，電流密度為2.33 A/mm2；截面為300 mm2單芯銅材質高壓電纜，載流量為733 A[9]，電流密度為2.53 A/mm2；100×10 mm規格裸銅排，截面積1 000 mm2，載流量為2 370 A，電流密度為2.37 A/mm2；93/100 mm規格管型銅母線，截面積為1 061 mm2，載流量可達3 060 A，電流密度為2.88 A/mm2。綜上，管型母線單位截面的載流量大于相同截面其他結構形式的導體。

(2)表面場強低

載流量相同、截面相同的管型母線與矩形母線相比，金屬管型母線表面的電場強度是矩形母線的1/10～1/15，帶電運行較為安全可靠。

(3)機械強度高

管型母線截面模量公式為

W=π(D4-d4)/32

式中，D為管型母線外徑；d為管型母線內徑。

矩形母線截面模量公式為W=bh2/6

式中，b為矩形母線寬度；h為矩形母線厚度。

在相同載流能力的情況下，絕緣管型母線抗彎強度大于矩形裸銅排母線，更大于高壓電纜的抗彎強度。其可以耐受強電動力，同時可加大固定點間距，在敷設安裝時可以減少固定點。

(4)散熱條件好、溫升低

管型母線是中空結構，內外表面積大，同等外部條件下散熱速度快，與高壓電纜相比，導體溫升要低。

(5)良好的電氣絕緣性能

絕緣管型母線在金屬管外包有主絕緣層，有良好的絕緣性能，外表面零電位，運行安全性高。

(6)環境適應性強，布置結構簡單，安裝維護方便。

絕緣管型母線外護套保護母線內部免受機械損壞和化學腐蝕。絕緣管型母線通過抱箍、卡具在支架上或墻體上安裝，布置結構簡單，安裝方便。母線安裝后，維護少、運行成本低[10-11]。

2 國內絕緣管型母線的應用情況

絕緣管型母線作為一種新型母線技術，國外發展起步較早，技術成熟，應用廣泛，有多年的運行經驗。2000年左右從德國引進技術，在電力系統開始應用。由于其電氣、機械性能好，安裝方便，環境適應性強，在國內電力系統得到廣泛的應用，涵蓋了400 V至66 kV等多個電壓等級并有大量的應用實例，2015年電力行業頒布了35 kV及以下固體絕緣管型母線的行業標準，確定了相關技術要求和試驗內容。

絕緣管型母線在鐵路行業應用剛剛起步，在新建渝黔鐵路、成蒲鐵路等部分牽引變電所室內采用了27.5 kV電壓等級管型絕緣母線，兩條鐵路均已開通運營，供電運行穩定，無不良反映。

3 鐵路牽引變電所高壓室內母線的選擇

當牽引變電所低壓側27.5 kV設備采用室內AIS開關柜和GIS開關柜方式布置時，母線通常采用矩形裸銅排和高壓電纜。通過比較選擇，以絕緣管型母線代替矩形裸銅排和高壓電纜，具有一定的優勢。

母線如采用裸銅排，有以下不足：(1)母線安裝在空氣絕緣的封閉母線箱或裸露安裝，體積大，質量大，對高壓室房屋結構及凈空要求較高；(2)母線裸露安裝，通過空氣絕緣，安全性較差；(3)裸銅排母線通過支持絕緣子安裝固定，絕緣子數量多，損壞擊穿的概率大，影響運營安全；(4)當負荷電流大時，因單根載流量有限，銅排需采用雙根導體并聯。

母線如采用高壓電纜方式，有以下不足：(1)在房屋設計、施工階段預留電纜溝及電纜夾層；(2)單根電纜無法滿足載流量要求，多根電纜并聯接入開關柜，要求柜內空間大，連接點增多，故障概率增高；(3)電纜敷設時最小彎曲半徑要求大，敷設過程中絕緣層、外護套及鎧裝層易形成損傷;(4)電纜中間頭及終端頭制作工藝要求高，近年來27.5 kV單相電纜故障頻發。

母線如采用27.5 kV絕緣管型母線，較裸銅排及高壓電纜設計具有以下優勢：(1)進線至饋線之間，進線及饋線至室外部分均采用絕緣管型母線，所占空間小、結構簡單、安裝方便，不改變室內設備布置。(2)絕緣管型母線本體部分表面為零電位，無需額外的絕緣防護，確保運營安全。(3)進線及饋線至室外部分導流回路直接穿過墻體與室外設備連接，無需設置額外的接口設備，減少了導流回路中的故障點。(4)絕緣管型母線載流量大，單根即可滿足供電需求。

通過以上分析比較，當牽引變電所低壓側27.5 kV設備采用AIS開關柜和GIS開關柜布置時，采用絕緣管型母線代替矩形裸銅排母線和高壓電纜，具有占用空間小，載流量大、安裝簡便、安全性高、不需要專門預留電纜夾層和電纜溝等優點，由于目前GIS開關柜多采用柜底電纜進出方式，絕緣管型母線對GIS開關柜進出線結構提出了特殊要求，需要改為柜頂進出線方式。當牽引變電所低壓側27.5 kV設備采用室外中型布置時和室內網柵間隔式時，因設備布置分散、母線安裝復雜，絕緣管型母線安裝方式與軟母線和裸銅排相比不具有優勢。

渝黔鐵路供電方式為帶回流線的直接供電方式，牽引變電所室內采用AIS開關柜布置，絕緣管型母線應用范圍為高壓室外進線至進線高壓開關柜，饋線側高壓開關柜至室外饋出母線，進線側和饋線側母線終端均安裝在室外，室內開關柜之間連接母線。

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4 27.5 kV絕緣管型母線技術參數

4.1 額定電壓

參照27.5 kV單相絕緣電纜相關要求，27.5 kV絕緣管型母線的電壓見表1[12-15]。

表1 27.5 kV絕緣管型母線的電壓 kV

4.2 額定電流

根據渝黔鐵路供電負荷要求，27.5 kV絕緣管型母線的額定電流為：2 500 A、1 600 A(分別適用于牽引變電所、分區所)。

4.3 額定頻率

27.5 kV絕緣管型母線的頻率為50 Hz。

4.4 絕緣水平

參照27.5 kV單相電纜相關要求，絕緣水平見表2。

表2 絕緣水平 kV

4.5 27.5 kV絕緣管型母線的動熱穩定

參照27.5 kV單相電纜相關要求，動熱穩定電流見表3。

表3 動熱穩定電流

4.6 27.5 kV絕緣管型母線允許溫度和溫升

在正常使用條件下運行時，27.5 kV絕緣管型母線最高允許溫度：長期工作條件下為90 ℃，短路條件下為250 ℃，長期運行條件允許最高溫升50 K。

5 試驗項目

通過分析27.5 kV絕緣管型母線結構特點，其與27.5 kV單相電纜相類似、電壓等級相同，因此測試項目和標準可參照GB/T 28427—2012相關內容。渝黔鐵路27.5 kV絕緣管型母線試驗項目根據設計文件要求，試驗類型包括型式試驗、出廠試驗、現場試驗，試驗方法參考相關行業標準進行。試驗項目見表4。

表4 試驗項目

電氣型式試驗時，27.5 kV絕緣管型母線系統作為整體進行試驗，要求包含直線段、曲線段、中間接頭、母線終端及兩端軟連接裝置，整體長度不小于8 m。為測試母線系統溫度，需建立模擬回路系統，模擬回路系統由同規格母線本體(長度不小于5 m)和軟連接裝置構成。

27.5 kV絕緣管型母線出廠試驗在工廠預制生產完成后，在所有生產長度上進行取樣試驗。

6 安裝及現場試驗

6.1 27.5 kV絕緣管型母線安裝

安裝流程如下：現場測量→工廠預制→支架安裝→母線固定→中間頭、終端頭制作→接地連接→試驗及驗收。

(1)根據設計圖紙和現場室內開關柜、穿墻預留口位置進行測量，確定絕緣管型母線各分段制作尺寸、彎曲半徑等。

(2)根據測量結果進行母線分段制作。

(3)在預埋好的支撐柱上按設計尺寸安裝母線支撐架。

(4)母線固定。母線、中間接頭和終端頭的規格型號、尺寸應符合設計要求；母線及附件外觀檢查正常，表面沒有裂縫、褶皺、損傷等缺陷。

母線支架固定形式符合設計要求，固定點應均勻分布，保證母線各部位受力均勻，母線最大懸空跨距不大于5 m。母線抱箍、金具、支架等緊固力矩符合要求。

(5)中間接頭、終端頭制作、與設備軟連接。中間頭、終端頭安裝時應在潔凈環境進行，安裝現場環境溫度應>5 ℃，濕度≤70%，避免雨水。按設計圖紙選用合適長度的軟連接母線與開關柜接線板、母線與變壓器端接線板，如圖3所示。

圖3 母線終端頭與設備連接

(6)接地連接。金屬支架、托架底座、母線屏蔽層的接地可靠。母線接地方式采用一端單點接地。絕緣管型母線中間接頭、終端頭接地線及支架接入牽引變電所地網[16-17]。

6.2 安裝后現場試驗

絕緣管型母線現場全部安裝完成后進行電氣性能試驗，試驗項目及技術參數應符合設計要求。試驗項目包括交流耐壓試驗、主絕緣電阻測試。

交流耐壓試驗，可選擇以下3種試驗方式。

(1)在導體與金屬屏蔽之間施加55 kV，持續60 min。

(2)在導體與金屬屏蔽之間施加27.5 kV，持續24 h。

(3)在導體與金屬屏蔽之間施加68.75 kV，持續5 min。

在交流耐壓試驗前后分別測試主絕緣電阻，主絕緣及外護套絕緣電阻應無明顯差異，電阻值不小于15 000 MΩ·m[18-19]。

7 結論及建議

(1)27.5 kV絕緣管型母線與傳統母線、高壓電纜比較，具有占用空間小、載流量大、機械強度高、絕緣性能好、環境適應性強、不需預留電纜夾層和電纜溝、安裝維護方便等優點。牽引變電所低壓側室內設備采用AIS開關柜和GIS開關柜布置時(需改進為柜頂進出線方式)，用絕緣管型母線代替矩形裸銅排母線和高壓電纜具有推廣應用前景。該絕緣管型母線在渝黔鐵路牽引變電所得以應用實施并實際運營1年以上，對牽引變電所提高供電可靠性、運行安全、少維護、低損耗等方面具有積極的作用。

(2)27.5 kV絕緣管型母線應用中存在的問題：雖然電力行業頒布了35 kV及以下固體絕緣管型母線的行業標準，但鐵路27.5 kV絕緣管型母線額定電壓(U0=27.5 kV)高于電力35 kV絕緣管型母線額定電壓(U0=21 kV)，與27.5 kV單相電纜也存在不同之處。27.5 kV絕緣管型母線在鐵路行業應用缺乏相應的行業標準規范，相關設計單位、廠家僅參考結構類似產品(如電纜、管型母線等)的標準技術條件設計和生產[20]。因此應當盡快制定鐵路行業技術標準，便于規范生產，統一技術參數。