户内开关设备和控制设备中关于母线的几个问题

摘要：对开关设备和控制设备的母线载流量、热效应、电动力效应进行了归纳和分析，根据相关的国家标准和电力标准对母线的选用和实际应用提出了实用性的方法。
关键词：母线；载流量；热效应；电动力效应；母线绝缘；母线固定。

1 前言
母线，也称母排或载流排，是承载电流的一种导体。在开关设备和控制设备中主要用于汇集、分配和传送电能，连接一次设备。根据相关资料统计，短路事故绝大部分是直接或者间接发生在母线部位，母线故障是电气设备故障中最严重的故障之一。因此，对母线的正确选用和应用显得极为关键。
本文对中压3.6kV—40.5kV开关设备和控制设备中与母线相关的几个方面进行初步分析计算和总结。
2 母线的类型
户内开关设备和控制设备中，母线按截面分为矩形、圆形、D型、U型等，其中由于同截面的矩形母线较圆形、D型、U型等母线电阻小、散热面大、载流量高等原因，矩形母线在40.5kV及以下电压等级中应用最广泛。圆形和D型母线由于集肤效应较好，防电晕效果好,也有应用，但连接比较复杂。U型母线一般用于电流较大、力效应要求高的设备中，如发电机出口开关柜。其额定电流大，一般达到5000A以上，额定峰值耐受电流(IP)大，一般为50kA以上。按材质分，可分为铜母线、铝母线、铁母线，其中铜母线由于载流量大，抗腐蚀性能和力效应好，应用最广泛。铝质母线在电流小、非沿海和非石化系统也有应用。使用铁母线主要从经济上考虑，主要应用于PT连接线。按自然状态可分为硬母线和软母线。软母线主要应用于连接不便可以吸收一些力效应的场所，如断路器内部。
3 母线的载流量
3．1母线的载流量的定义：母线的载流量是指母线在规定的条件下能够承载的电流有效值。
说明：规定的条件中主要指标是温度，对于户内开关设备和控制设备来讲是指环境温度上限为40℃，下限为-25℃。
3.2母线布置与载流量之间的关系
母线立放时载流量比平放时要高一些，一般当母线平放且宽度小于60㎜时，其载流量为立放时的0.95倍, 宽度大于60㎜时其载流量为立放时的0.92倍，这是由于立放时散热性能要比平放时要好的缘故。
3．3 载流量数值
根据母线的材质不同，在同一温度下其载流量也不同。开关设备和控制设备中主要以矩形铜母线为主矩形铝母线为辅。其载流量数值一般可根据各种设计手册查到。笔者根据多年经验，通过对各种手册中母线载流量的统计，总结出立放时母线载流量（交流）的简易计算公式。
40℃时单层矩形铜母线的载流量Id（A）：
Id =k（b+8.5）h
式中，b为母线厚度（mm）；h为母线宽度（mm）；k为系数（A/mm）。
40℃时双层铜母线与单层母线载流量载流量的关系式
I2=（1.56～1.58）Id
式中, I2为双层铜母线的载流量（A）；Id为为单层铜母线的载流量（A）。1.56～1.58为系数，一般100×10母线选1.58；80×10，80×8选1.57,60×6选1.56。
40℃时3层铜母线与单层铜母线的载流量的关系式为
I3=2Id
式中, I3为四层铜母线的载流量（A）。
40℃时4层铜母线与单层铜母线的载流量的关系式为(不推荐此类选择,用异形母排替代)
I4=2.45Id
式中, I4为四层铜母线的载流量（A）。
说明：2层及以上铜排是指两层母线间有等于母线厚度的空气间隙。
母线在环境温度为40℃时和环境温度为25℃时的换算关系为：
I40=0.85I25
式中, I40为40℃时母线的载流量（A）；I25为25℃时母线的载流量（A）。
　　 相同规格的铜母线和铝母线在相同环境温度条件下载流量的换算关系为：
IAl=ICu/1.3
式中, ICu为铜母线的载流量；IAl为铜母线的载流量。
　例如根据以上公式求TMY100×10母线载流量为：
　　单层：100×18.5＝1850A查手册为1860A，此数据根据中国工业出版社出版的水电部《高压配电装置规程》。
　　双层：2(TMY100×10)的载流量为：
　　1850×1.58＝2923(A)；［查手册为2942A］；
　　三层：3(TMY100×10)的载流量为：
　　1850×2＝3700A［查手册为3780A］
　　以上所有计算均与手册数据相当接近,可以根据以上公式进行母线载流量的计算。
3.4 说明
（1）以上计算公式适用于120×12及以下规格的母线。
（2）对于异形母线的载流量建议采用经济电流密度进行计算。
4 母线的热效应和电动力效应
4.1母线的热效应
4.1.1母线的热效应是指母线在规定的条件下能够承载的因电流流过而产生的热效应。在开关设备和控制设备中指在规定的使用和性能条件下，在规定的时间内,母线承载的额定短时耐受电流（IK）。
4.1.2根据额定短时耐受电流来确定母线最小截面
根据GB3906-1991《3.6-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》[附录F]中公式：S=（I/a）(t/△θ)1/2来确定母线的最小截面。
式中：
S—母线最小截面,mm2；
I--额定短时耐受电流，A；
a—材质系数，铜为13，铝为8.5；
t--额定短路持续时间，s；
△θ—温升（K）,对于裸导体一般取180K，对于4s持续时间取215K。
如对于31.5kA/4S系统,选用铜母线最小截面积为：
S=（31500/13）×（4/215）1/2=330 mm2
铝母线最小截面积与铜母线最小截面积关系为：
SAl=1.62SCu
式中, SAl为铝母线的最小截面积；SCu为铜母线的最小截面积。
如对于31.5kA/4S系统,铝母线最小截面积为：
SAl=1.62×330 =540 mm2
根据DL404-1997《户内交流高压开关柜订货技术条件》中7.4.3条规定，接地汇流排以及与之连接的导体截面，应能通过铭牌额定短路开断电流的87%，可以计算出各种系统短路容量下（短路时间按4S）的接地母线最小截面积。
如对于31.5kA/4S系统,接地铜母线最小截面积为：
S=330×86.7% =287mm2
根据以上公式计算，对应各种额定短时耐受电流时，开关设备和控制设备中对应几种常用的额定短时耐受电流，母线最小截面及所用铜母线和铝母线的最小规格见表1：
表1
母线 kA/4s 25 31.5 40 63 80
设备中铜母线规格 50×6 60×6 80×6或60×8 80×10 100×10
接地铜母线规格 50×5 50×6 50×8 80×8 80×10
设备中铝母线规格 80×6或60×8 80×8 100×8或80×10
设备中铜母线
最小截面（mm2） 260 330 420 660 840
设备中铝母线
最小截面（mm2） 425 540 685 1075 1365
4.2 母线的电动力效应
母线是承载电流的导体，当有电流流过时势必在母线上产生作用力。母线受电流的作用力与电流、母线形状、母线间的距离有关。平行放置的母线是开关柜中最常见的。
根据额定峰值耐受电流来确定母线跨距(两个支撑间的距离)
原则：作用在母线上的作用应力kg/cm≤母线允许应力。
公式：△js=1.76L2ich2×10-3/aW≤△y
式中：△js—作用于母线的作用应力，kg/cm2；
△y—母线允许应力，当母线为铜质时取1400，当母线为铝质时取700；
L—母线支撑间距（cm）；
a—相间距离（cm）；
W——矩形母线截面系数，cm3；
ich——额定峰值耐受电流，（kA）
根据上式导出：
铜母线的跨距为L铜MAX≤（1400aw 103/1.76 ich2）1/2= 892（aw）1/2/ ich
铝母线的跨距为L铝MAX≤（700aw 103/1.76 ich2）1/2= 631（aw ）1/2/ich
矩形母线截面系数：
对于水平布置的三相母线，当母线平放时；或者对于竖直布置的三相母线，当母线立放时：（也就是母线的厚度方向相对，此时力效应好）
Ｗ1＝0.167bh2；其中h为母线宽度（cm），b为母线厚度（cm）。将W代入上式后得
L铜MAX≤365h（ab) 1/2/ ich
L铝MAX≤258h（ab) 1/2/ ich
例如：对于31.5kA的系统，ich取80kA，如用于KYN28-12开关柜a=28，对于TMY100×10和LMY100×10型母线的跨距。母线宽度为100/10=10cm，厚度为10/10=1cm。
L铜MAX≤240（cm）。
L铝MAX≤170（cm）
对于水平布置的三相母线，当母线立放时；或者对于竖直布置的三相母线，当母线平放时：（也就是母线的宽度方向相对，此时电动力效应不好）
Ｗ2＝0.167b2h；
则： L铜MAX≤365b（ah) 1/2/ ich
L铝MAX≤258b（ah) 1/2/ ich
例如：对于31.5kA的系统，ich取80kA，如用于KYN28-12开关柜a=27.5cm，对于TMY100×10和LMY100×10
则： L铜MAX≤755（mm）。
L铝MAX≤530（mm）。
从计算可以看出，对于31.5KA系统，如采用100×10母线宽度方向相对布置，在理论计算上如忽略其他因素，必须将母线支撑控制在755mm（530mm）以内，这对于柜宽为800mm的开关柜从应用上来讲是不现实的。所以这种方式一般在12KV和40.5KV的开关设备和控制设备很少采用，但在低压设备中为了结构上的考虑和减少占用空间，经常被采用在侧进线和联络线中。
根据以上公式，对于几种常用数据，如母线相距210mm，275mm（12KV电压等级产品）350mm，400mm，460mm（40.5KV电压等级产品）总结出表格如下：
常用矩形母线按母线厚度方向相对排列时的最小跨距(mm)：
短路容量kA/4s 31.5 40
相距(mm) 210 250 275 350 460 210 250 275 350 460
TMY
100×10 理论值 2100 2280 2400 2700 3100 1680 1830 1900 2160 2475
推荐值 1800 1800 1800 2200 2200 1400 1400 1400 1800 1800
TMY
80×10 理论值 1680 1830 1900 2160 2475 1340 1460 1530 1725 1980
推荐值 1400 1400 1600 1800 1800 1200 1200 1200 1400 1400
TMY
80×8 理论值 1500 1630 1710 1930 2210 1195 1300 1370 1540 1770
推荐值 1200 1200 1400 1400 1800 1000 1000 1000 1200 1400
TMY
60×6 理论值 970 1060 1110 1255 1440
推荐值 800 800 800 1000 1000
LMY
100×10 理论值 1475 1610 1690 1900 2185 1180 1290 1350 1525 1750
推荐值 1200 1200 1200 1400 1600 1000 1000 1000 1200 1400
LMY
80×10 理论值 1180 1290 1350 1525 1750 945 1030 1080 1215 1395
推荐值 1000 1000 1000 1200 1400 800 800 800 1000 1000
LMY
80×8 理论值 1050 1150 1205 1360 1560 845 925 970 1100 1250
推荐值 800 800 1000 1000 1200 800 800 800 800 1000
（表2）
常用矩形母线按母线宽度方向相对排列时的最小跨距(mm)：
短路容量KA/4S 31.5 40
相距(mm) 275 400 460 275 400 460
TMY
100×10 理论值 755 910 980 605 730 780
推荐值 600 800 800 600 600 600
TMY
80×10 理论值 680 820 850 540 650 700
推荐值 600 700 700 500 600 600
TMY
80×8 理论值 540 650 700 430 520 560
推荐值 500 600 600 400 500 500
TMY
60×6 理论值 350 425 455 280 335 360
推荐值 300 400 400 250 300 300
LMY
100×10 理论值 530 645 690 425 515 550
推荐值 500 600 600 400 500 500
LMY
80×10 理论值 475 575 615 380 460 490
推荐值 400 500 600 300 400 400
（表3）
上面表格中给出的推荐值为考虑各种因素在内的数值，就是说在在开关设备和控制设备如果母线的跨距大于上述推荐值必须增加支撑。
4.3不需校验热效应的情况
根据工厂配电设计原则，下列部位的母线不需进行母线热效应和电动力效应校验。
(1)采用熔断器保护，连接于熔断器下侧的母线（限流熔断器除外）。
(2)电压互感器回路内的母线。
(3)变压器容量在1250KVA及以下，电压12KV及以下，不致于因故障而损坏母线的部位。主要用于非重要用电场所的母线。
(4)不承受热效应和电动力效应的部位，如避雷器的连接线和封线。
5 母线选择
5.1主母线的选择
主母线选择的一般原则是满足主进线断路器的额定电流的要求，根据额定电流选择主母线后按照前面的计算进行热效应和电动力效应校核。
5.2下引母线的选择
下引母线的选择原则是按该开关设备和控制设备的额定电流确定母线的载流量，同时校验是否满足系统的额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流的要求。开关设备和控制设备的额定电流是该设备中所有一次设备中额定电流最小者，通常为电流互感器的额定电流。
5.3几点注意
（1）根据GB3906-1991规定，开关设备和控制设备中母线的载流量最小应比额定电流有10%的裕度。
（2）一般情况下，考虑到散热和为以后增加负载容量，设计图纸中主母线选择一般大一些,此时应严格按照图纸制造,不可随意减小母线规格。
（3）同等截面积尽量选择母线宽度比较大的型号，如能选择TMY80×6的不选择TMY60×8的，主要是利于散热。
（4）当开关设备和控制设备的运行环境温度比规定温度略高时，要充分考虑母线的载流量裕量是否充足。
GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》中规定：
高于40℃时额定绝缘电压应乘以温度校正系数Kt=1+0.0033(T-40)；
一般:环境温度每增加3℃,试验电压提高3%。环境温度每增加1℃,额定电流应减少1.8%。
（5）两段母线之间的联络母线是主母线的一部分，同样隔离手车上的母线也应视为主母线的一部分。
（6）下引母线规格的选择应与其相连接的一次设备(元件)匹配。如按照额定电流应该选择TMY60×6，但该成套设备中隔离开关的接线板宽度为80，安装孔距为40×40；则应选择TMY80×6，确保可以和隔离开关相连接。
（7）只有当电气间隙满足不了国家标准要求时，才可在保证截面不变的情况下减小母线宽度，如将原选择的TMY80×6改选为TMY60×8。
（8）尽量避免两根母线之间没有空气间隙并在一起，如KYN28—12/2500-40开关柜中，一些开关厂采用2TMY100×10，但在触头盒内部与静触头连接处，两根下引母线是无间隙的并在一起，延出触头盒后再分开一个母线厚度。其实这是一个瓶颈，此处的下引母线的额定电流应大致计算为TMY100×20的载流量，要比2TMY100×10小。结构设计中应避免这种形式。
（9）当主母线额定电流大于5000A时，使用常规的矩形母线已经不能满足要求。这时应考虑采用异型如U型O型母线，其一，降低母线成本；其二，保证母线可靠的力效应。同时要考虑与选用母线相匹配的一次元件如母线护套、穿墙套管的选择和考虑与下引母线的连接。
（10）额定电流在1500A及以上的母线通过套管或母线护套等穿越金属隔板时，周围不应形成闭合磁路。这是由于电流可以在导磁材料产生涡流和磁滞损耗而产生热量。一般情况下，应在所穿越的金属隔板上开切断磁路的防涡流缺口；当额定电流大于1500A时应考虑采用不导磁材料如无磁不锈钢板或者硬铝板。由于硬铝板的机械强度差，多数情况建议采用无磁不锈钢板。
6 母线的绝缘
在开关设备和控制设备中，为实现设备的全绝缘、全工况，减少外部短路事故和防止触电以及防止由于凝露污秽引起的爬电等事故一般在母线外部采用绝缘材料将母线裸露部分包缚。其方法主要有套装绝缘热收缩管（或空气收缩管）和母线硫化，低压母线主要以套装绝缘PVC管为主。
母线绝缘材料是一种一旦遭到破坏便不可恢复的绝缘介质，即使偶然发生的过电压事件也有可能造成损坏。母线绝缘材料在长期的使用中，会遇到各种各样情况，如放电事故等，而绝缘材料本身由于长期积累的各种因素，如热应力、温度，机械冲击等应力，又会加速它的老化过程。对于绝缘材料来讲，由于品种的多样性，其衡量绝缘材料的特性指标虽多，但不统一。这就为绝缘材料的选择和使用带来一定难度，这也就是目前从国际上对绝缘材料的其它特性，如热应力、机械特性、局部放电等指标暂不予以考虑的原因。
在结构设计中不能单纯以母线绝缘来保证出厂工频耐压试验。因为目前还没有可靠的绝缘材料通过抗老化试验，运行状态并不是想象中的平稳状态，绝缘材料老化和失效将使设备处于绝缘不良的危险状态。根据蒙托辛格氏（Montsinger）法则T=Ae-mt，式中：
T---绝缘材料寿命（周）
A、m---由绝缘材料决定的系数，对A级绝缘材料，A=372 ×104，m=0.368;
t---工作温度（C°）
绝缘材料的理论寿命将随温升每变化⊿t=10C°, 其寿命减到原来的一半。
7 母线的支撑与固定
(1)母线的支撑要充分考虑其抗弯强度是否满足所配置的系统的力效应要求。
(2)母线的固定一般采用金具固定，不直接在母线上打孔采用螺栓固定。
(3)固定母线用的绝缘子，在承受较大的电动力时（如系统额定峰值耐受电流40kA以上时）要校验绝缘子的抗弯强度是否满足结构设计的要求。
绝缘子的力效应校验可按照下式：
Fjs≤0.6Fph
Fjs=1.76KLich2×10-2/a
式中：Fjs —作用于绝缘子上的应力，kg；
Fph—绝缘子的抗弯强度，可查相关样本；
L—绝缘子间跨距（母线支撑间距）（cm）；
a—相间距离（cm）；
ich——额定峰值耐受电流（KA）
(4)母线夹板和固定金具应同样可以承受由于额定峰值耐受电流而引起的作用力。
(5)母线的固定金具或其它支持金具不应成闭合磁路。
(6)当母线平置时，母线支持夹板的上部压板应与母线保持1—1.5mm的间隙，当母线立置时，上部压板应与母线保持1.5—2mm的间隙。
(7)多片矩形母线间，应保持不小于母线厚度的间隙。
(8)600A及以上母线穿墙套管端部的金属夹板(紧固件除外)应采用非磁性材料，其与母线之间应有金属相连，接触应稳固，金属夹板厚度不应小于3mm，当母线为两片及以上时，母线本身间应予固定。
(9)母线固定金具与支柱绝缘子间的固定应平整牢固，不应使其所支持的母线受到额外应力。
结束语
以上介绍了中压开关设备和控制设备中与母线有关的几个问题，在结构设计和生产制造中要充分考虑到普遍性与特殊性的关系，做到既满足相关标准的规定又考虑到经济性和实用性以及发展性，母线系统的合理与否将直接影响到供电系统的运行，应该在使用、设计和制造这三者之间引起足够的重视。