北京特種工程設(shè)計研究院 李龍剛 李 潔 軍事科學(xué)院國防工程研究院 余春燕

某工程位于四川綿陽市，屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，平均溫為14.7～17.3℃，極端最高氣溫為36.1～39.5 ℃，降水量比較充沛，降水量的年際變化很大，年均降水量825.8～1417毫米[1]。工程所在區(qū)域地下水位較高，部分場區(qū)地表1m 以下就能出地下水。

該工程的廠房體量大，單層面積兩萬多平方米，東西長約為150m，南北長約為170m。10kV 配電室、10/0.4kV 變配電室各兩處，分別設(shè)在相鄰的西北角和東中部。根據(jù)設(shè)備的工藝要求，用電設(shè)備布置較為分散，單個設(shè)備的用電集中且量大，電壓等級為10kV 和0.4kV。受到設(shè)備和運(yùn)輸荷載的限制，廠房內(nèi)部設(shè)置電纜溝路徑非常有限，大部分的大設(shè)備電能輸送只能通過室外到室內(nèi)設(shè)備處。

在施工等環(huán)節(jié)、后期混凝土的掩護(hù)等方面會出現(xiàn)電纜溝、通廊在磨具交界處、伸縮縫處不可避免出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象，使得室外電纜溝、通廊存在被地下水淹沒的現(xiàn)象，在工程設(shè)計階段選用合適的電能輸送介質(zhì)是值得重視的問題。在選擇時不但要考慮各設(shè)備用電量的要求，還要考慮敷設(shè)條件，線路的防水等方面的因素。下面結(jié)合某工程用電設(shè)備和現(xiàn)場的特點(diǎn)做簡要的探討。

1 某工程用電情況統(tǒng)計

某項(xiàng)目的單個設(shè)備用電量大，10/0.4kV 的變電所有兩座，單個變電所的變壓器安裝容量分別為20MVA 和15MVA，10kV 的用電設(shè)備約為20MVA，主要較大設(shè)備負(fù)荷具體情況見表1。

10kV 的配電系統(tǒng)均采用單母線分段中間加裝母聯(lián)開關(guān)的供電模式，每個變電所的10kV 電源都是從在本項(xiàng)目正南方的220kV 中心變電站引來10kV電源，距離見表1。部分0.4kV 電源在建筑物內(nèi)沒有可通行的路由，只能從室外經(jīng)電纜通廊、電纜溝及夾層引接。由于地下水位較高，室外的電纜通廊、電纜溝整體幾乎都是淹沒在水里，由于施工工藝，電纜通廊、電纜溝內(nèi)不可避免存在積水，部分階段還存在充滿的極端情況，致使內(nèi)部的電纜和電氣設(shè)備有被淹泡的風(fēng)險。

表1 主要用電較大設(shè)備統(tǒng)計表

2 電流載體的比較和選擇

從表1中負(fù)荷要求通過的電流的需求，電流值分布在1000A～3000A 之間，電壓等級在10kV 和0.4kV 兩個等級，載流體敷設(shè)在電纜夾層、地溝、通廊內(nèi)。下面就以代表性的冷凍站系統(tǒng)用電為0.4kV的800kW 負(fù)荷來做比較。功率因素按0.8計算，計算電流為1519.3A。

2.1 電纜

電纜具有輸電性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟、絕緣水平高、維護(hù)工作量小和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)電流值較大時，單根大截面的電纜基本不能滿足需求，這時就要采用多根并聯(lián)的方式，例如載流量要求1519.3A，考慮到敷設(shè)環(huán)境對電流量的影響[2]，電纜的載流量要降低，按環(huán)境溫度為25℃時載流量的0.8計算，此時要采用3根截面為3×300+1×150mm2的YJV 電纜，載流量為1548A，單根電纜直徑約為60mm，重量約為10.3kg/m，按照《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50168-2016中表5.1.7中電纜的最小轉(zhuǎn)彎半徑明確指出不應(yīng)小于10D，即所選電纜的轉(zhuǎn)彎半徑不應(yīng)小于0.6m，那就要求在轉(zhuǎn)直角彎處需增加0.6m 的轉(zhuǎn)彎空間，使轉(zhuǎn)彎處需要轉(zhuǎn)彎空間增加。

再者多根電纜參數(shù)不存在差異，電流在各電纜中分配不是按比例等分的[3]，會存在安全隱患。另外由于電流大導(dǎo)致電纜截面較大，單根電纜生產(chǎn)、運(yùn)輸組裝長度有限，就不可避免中間有電纜連接接頭，由于電纜頭的制作工藝影響，無論是冷縮電纜頭還是熱縮電纜頭，造成電纜整體的防護(hù)性能有所下降。

2.2 密集型母線

密集型母線采用“三明治”結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體與導(dǎo)體之間、導(dǎo)體與外殼用填充絕緣材料，例如聚四氟聚丙烯樹脂等，母線的整體尺寸較小，單段母線一般長3米，能夠解決單根母線承載大電流要求，敷設(shè)空間要求不高，可以直接轉(zhuǎn)直角彎，但防護(hù)水平取決于鋁鎂合金等材質(zhì)外殼的密閉水平，一般都不超過IP54。若密集型母線長期浸泡在水中，會出現(xiàn)外殼銹蝕、絕緣下降，甚至破壞造成短路情況。

2.3 管型母線

管型母線增大導(dǎo)體表面積，減少集膚效應(yīng)的影響，降低了溫升，使其額定電流溫升從50K 降低至30K（降低40%），減少絕緣材料老化進(jìn)程，降低線路損耗，由于管型母線的“套筒”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受加工工藝的限制，一般在2000A 以上大載流量及大短路電流、110kV 高電壓回路中使用較為普遍，造價較高。管狀母線單段長度為8m，中間接頭一般都在現(xiàn)場施工，采取抱窟的方式，絕緣層和防護(hù)層通過熱縮方式制作完成[4]，防護(hù)等級受現(xiàn)場施工工藝、操作精確度等因素影響大，防護(hù)等級可到達(dá)IP67。

2.4 澆筑型母線

采用絕緣復(fù)合材料將母線直接澆注密封的母線槽。電壓等級在10kV 以下，電流值一般在1000A以上使用。由于其是澆筑結(jié)構(gòu)，對澆筑絕緣材料要求性能要求比較高，要求既有良好的傳熱性、又對致密性要求高，同時要求有很好的機(jī)械性能，要保證其有一定強(qiáng)度。整體澆筑使得母線整體防護(hù)等級能達(dá)到IP68。從電氣性能和物理防護(hù)水平等綜合考慮，結(jié)合安裝條件等因素，本工程中選擇采用澆筑型母線作為電能輸送載體，敷設(shè)在室外電纜通廊和電纜溝內(nèi)。

3 采用澆筑母線在工程中選擇的思考

隨著我國制造工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)澆筑母線的廠家如雨后春筍似的出現(xiàn)了很多，國家也相應(yīng)推出了了國家規(guī)范《澆筑母線》JB/T13690-2019，但在選擇澆筑母線的時候應(yīng)該結(jié)合自己工程的特點(diǎn)，綜合考慮澆筑母線指標(biāo)，例如絕緣防護(hù)層的絕緣性、絕緣材料的熱傳導(dǎo)性等考查指標(biāo)。下面幾點(diǎn)是值得工程師在選擇澆筑母線時應(yīng)注意的幾點(diǎn)建議。

3.1 防護(hù)層的絕緣性

澆筑母線結(jié)構(gòu)緊湊，成品尺寸較小，母線各相線銅牌之間的距離較近，在相間填充絕緣復(fù)合要求絕緣性能要求高，在《澆筑母線》JB/T13690-2019中明確要求相間的電阻值不小于200MΩ，兩節(jié)母線澆筑連接后，連接處浸水96小時，要求相間絕緣電阻不小于150MΩ。在我國絕大多數(shù)都是采用環(huán)氧樹脂添加一部分改良材料作為澆筑材料，在干燥的環(huán)境中都可以達(dá)到規(guī)范要求的絕緣值。但在被水浸泡的環(huán)境絕緣水平讓人擔(dān)憂。

像在本工程中敷設(shè)環(huán)境為電纜夾層、室外地溝、電纜通廊，該場區(qū)地下水位高，由于施工工藝等種種原因，存在室外地溝、室外電纜通廊內(nèi)積水較多的可能性，甚至在雨季排水不正常時，部分地勢較低的部分會出現(xiàn)全淹沒的情況，整個電纜通道都被水淹沒情況，這樣就要求母線的防護(hù)等級應(yīng)該盡量高。母線的防護(hù)等級高，就是要求絕緣材料的水密性越好，即絕緣介子的孔隙不應(yīng)大于水分子的直徑0.4納米。目前市面上有個別廠家為了追求質(zhì)量輕，添加某些輕質(zhì)多孔材料，在浸泡過程中極有可能出現(xiàn)相間絕緣電阻降低情況。

3.2 絕緣材料的熱傳導(dǎo)性

澆筑母線結(jié)構(gòu)緊湊，母線尺寸較小，相間距離近，散熱性能相對較差，會影響導(dǎo)體的載流量，就要求絕緣材料的傳熱性好，及時將導(dǎo)體的產(chǎn)生的熱量傳遞出去，不能使母線溫度上升過高，會出現(xiàn)絕緣材料的電阻、擊穿強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度等性能都會降低。在JB/T13690中明確要求，給出的溫升限值要求在使用條件下周圍空氣平均溫度不超過35℃。并指出母線槽絕緣復(fù)合材料澆注體應(yīng)經(jīng)受干熱試驗(yàn)：溫度為125℃±20℃，自然通風(fēng)，試驗(yàn)持續(xù)168h 后，試樣恢復(fù)96h。試驗(yàn)后表面應(yīng)沒有可見裂紋，其材料也沒有變?yōu)檎承曰蛴椭浴?/p>

溫升限值具體值如下：用于連接外部絕緣導(dǎo)線的端子溫升70K；母線固定連接處溫升70K；可接近的外殼絕緣材料表面溫升40K，對在正常工作情況下不需觸及的外殼，溫升限值可以是55K?？芍獫仓妇€的絕緣層耐熱性最低不能低于115℃。應(yīng)考慮到敷設(shè)環(huán)境的密閉等因素，選用的澆筑母線的耐熱等級不應(yīng)低于F 級，溫度為155℃。同時絕緣材料還應(yīng)有很好的導(dǎo)熱性。因此在選擇澆筑母線的絕緣材料時，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容較小的物質(zhì)作為環(huán)氧樹脂添加劑的復(fù)合絕緣材料。

3.3 導(dǎo)體的截面積

個別廠家在為了增強(qiáng)競爭力，就縮小銅導(dǎo)體的截面、減少造價，但為了通過溫升試驗(yàn)，就減少外層的絕緣層厚度，犧牲了絕緣性能。從澆筑母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)其安裝在電纜支架時澆筑母排與銅牌支架上一般都加裝絕緣墊，使得澆筑母線的銅排和接地的電纜之間就形成了電容器的結(jié)構(gòu)，電容器中有兩種介質(zhì)，一層為環(huán)氧樹脂負(fù)荷材料、一層為空氣。結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于兩個電容串聯(lián)。

由電容串聯(lián)電壓分配計算公式：C=εS/d（公式1）、1/C=1/C1+1/C2（ 公式2）、C=(ε1ε2S)/(ε1d2+ε2d1)（公式3），兩個電容上的電荷Q 一樣，由Q=CU（公式4）得到U1×C1=U2×C2，即U1/U2=C2/C1，電壓分布和電容容量成反比。可以看出，當(dāng)給澆筑母線施加足夠高的電壓時，澆筑母排與電纜支架之間等值電容值十分小時可能會出現(xiàn)局部放電的放電的情況。建議10kV 及以上高壓線路中應(yīng)用澆筑母線時，首先應(yīng)按照國家規(guī)范要求的各種型式試驗(yàn)指標(biāo)，同時應(yīng)按經(jīng)濟(jì)密度規(guī)定母排的截面積增加金屬外殼，外殼要可靠接地，避免在運(yùn)行中出現(xiàn)人員安全事故。

3.4 母線伸縮節(jié)的設(shè)置

母線伸縮節(jié)是指補(bǔ)償母線因溫度變化引起的變形和振動變形的伸縮性連接件。母線伸縮節(jié)，俗稱軟連接，是用來補(bǔ)償母線溫差變形和振動變形的伸縮性連接件，由多層銅（鋁）片和側(cè)銅（鋁）板焊接而成，有一定的伸縮性，安裝后銅（鋁）片一般呈Ω 形。

澆筑母線內(nèi)的導(dǎo)體是銅，熱膨脹系數(shù)17.7×10-6米/℃,按照溫升達(dá)到規(guī)范的70℃，本工程母線的最長量為700m，銅母線的伸長量為0.01m，即為1cm，可以忽略這點(diǎn)變化量，在母線中間可以不設(shè)伸縮節(jié)。但要在澆筑母排敷設(shè)時固定時水平夾盡量留一定余量，不要把母線固定太死，在與配電柜連接處設(shè)置伸縮節(jié)連接，彌補(bǔ)因溫度變化引起母線長短的變化量。

綜上，本文結(jié)合某工程用電量及地理環(huán)境特點(diǎn)，對電能輸送導(dǎo)體進(jìn)行了綜合的比較，最終確定運(yùn)用環(huán)氧樹脂澆筑母線作為電能輸送介質(zhì)。并在澆筑母線選擇中應(yīng)該注意的問題進(jìn)行綜合的論述，對10kV和0.4kV 大電流能量輸送應(yīng)用有一定的借鑒意義。