低壓成套開關(guān)設備關(guān)于母線的分析

張羽，宋旭

(1.沈陽電氣傳動研究所(有限公司)，遼寧 沈陽 110141；2.中國質(zhì)量認證中心，遼寧 沈陽 110013)

1 概述

1.1 低壓成套開關(guān)設備簡介

電力系統(tǒng)的發(fā)電、配電、輸電、變電和用電的各環(huán)節(jié)中需大量使用對電路起分配、調(diào)節(jié)、保護、控制、測量等作用電氣設備。按照工作電壓等級分類電氣設備可分為低壓開關(guān)電器和高壓開關(guān)電器兩大類。中國現(xiàn)執(zhí)行的標準是將用于交流頻率50Hz或60Hz、額定電壓Ue在交流AC1000V、直流DC1500V以下的電路起到保護作用、接通分斷作用、調(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，其中因為矩形母線在相同截面積的情況下載流量最高、電阻最小、散熱面大應用也最為廣泛。U型母線主要用于電流較大、電動力效應要求高的設備中。D型和圓形母線的集膚效應好、防電暈效果好，但連接比較復雜。母線按材質(zhì)分類可分為銅母線、鋁母線、鐵母線。其中銅母線應用最為廣泛，具有載流量大、電動力效應好、耐腐蝕性能強的優(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所。

2 母線對成套開關(guān)設備的影響

母線的選用是低壓成套開關(guān)設備試驗前必須認真思考的問題。有的在描述的覆蓋中沒有明確的規(guī)定，也沒有必要的指導性文件，任憑經(jīng)驗選擇覆蓋給報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，對母線試驗的溫升穩(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于母線的散熱影響也不同。母線立放時的載流量會比平放時要高，這是由于立放時散熱要比平放時要好的原因。同等截面積盡量選擇母線寬度大的型號，例如:能選擇80×5的母線不選擇50×8的母線，因為其周長更長，可以更利于散熱。

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

(6)防護等級(IP):安裝在成套設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)都會受到成套設備防護等級的限制。

(7)諧波含量:電源的諧波含量越高對母線溫升穩(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)短路耐受強度:母線須能夠承受短路電流產(chǎn)生的熱效應和電動力效應。熱效應用額定短時耐受電流Icw表示電動力效應用額定峰值耐受電流Ipk表示。

3 母線的熱效應

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

(2)根據(jù)短時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)時間(s)；

△θ對于裸導體一般取180K。

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

表1

4 母線的電動力效應

(1)母線是承載電流的導體，母線通過電流周圍會產(chǎn)生磁場，磁場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，這個力就叫做母線的電動力。母線受到的電動力與電流的大小、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計算兩個支撐件允許最大距離。

根據(jù)母線上的作用應力kg/cm≤母線允許應力；

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:母線允許應力(銅為1400)；

根據(jù)上式導出:

母線截面系數(shù):

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

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

其中:b(cm):母線厚度，h(cm):母線寬度

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

LMAX＝910.77(mm)

例如:對于Icw＝100kA、Ipk＝220kA的 MNS低壓成套開關(guān)柜a＝7對于水平母線母線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)設備額定峰值耐受電流來確定母線最大跨距(兩個支撐間的最大距離)，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

銅母線應符合國家標準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。等級和規(guī)格應符合設計要求。經(jīng)過3C認證的產(chǎn)品應符合產(chǎn)品說明的要求。應特別注意母線的表面狀況(硬或軟)。它對母線的峰值耐受電流有影響(母線的電動力效應)有很大的影響。

5.2 外觀要求

母線的表面應光滑平整，不應有皺紋，裂紋，夾雜物，扭曲和變形。因此，應保護母線免受腐蝕性氣體腐蝕和機械損壞。

5.3 重疊表面的處理

匯流排的搭接表面應光滑，且表面(包括鍍層)不應有錘痕，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、導電膠涂層等。某些產(chǎn)品還需要在重疊的表面上進行壓花。

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

5.4 母線涂裝

母線表面應根據(jù)設計要求進行涂漆，并且涂漆層應均勻且無，諸如剝落、皺紋、流掛和異物夾雜的缺陷。母線涂漆的顏色應符合表3的要求。

表3

當每一相都使用黑漆時，應粘貼A、B、C、N相序標識，標識可貼在兩端或中間顯著位置。

每相母線涂漆的分界線應清晰整齊，一般相差至少5mm，母線固定連接處應與涂漆的分界線應有至少10mm以上的距離，用于外部供接線用的搭接接觸面不應刷漆，長度應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，還可以起到加強散熱的作用，相比于裸母線，同條件下會降低溫升穩(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、彈墊均應有鍍層，不可使用發(fā)藍、發(fā)黑的緊固件。可以使用標準型平墊，不需使用加大、加厚的平墊，試驗證明標準型平墊與使用加大、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電膏。

(2)如果母線平行安裝，螺栓應由下向上穿，如果母線垂直放置，螺栓應朝向便于觀察的穿，以便于檢查和拆卸，螺栓長度宜凸出螺母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大于3mm。

(4)螺栓受力應依據(jù)對應低壓成套設備標準力矩。

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額定峰值耐受電流Ipk大小，其抗彎、抗扭強度能否滿足電動力效應要求。

(2)用于母線固定的絕緣子在承受較大的電動力時，要校驗絕緣子的抗彎強度是否滿足結(jié)構(gòu)設計的要求。

(3)母線夾板應可以承受由于額定峰值耐受電流而引起的電動力。

(4)母線支撐件不應構(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，其間距應不小于母線的厚度。

6 結(jié)束語

母線是低壓成套開關(guān)設備重要的組成部分，對于母線的選用應參考許多因素。因為在封閉的低壓成套開關(guān)設備中母線的各種性能受到了影響，應當理論結(jié)合試驗，理論上參考母線的熱效應，母線的電動力效應為主，分析母線截面積及支撐距離是否符合理論依據(jù)，結(jié)合試驗對其判斷。對于3C產(chǎn)品中覆蓋的母線尺寸及支撐距離應符合母線熱效應和母線的電動力效應的公式計算結(jié)合試驗經(jīng)驗來確定。