沈麗娥

（施耐德電氣（廈門）開(kāi)關(guān)設(shè)備有限公司，福建廈門 361006）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)電能的需求日益提高，與此同時(shí)，用戶對(duì)電力設(shè)備的需求已經(jīng)從基本功能、參數(shù)等逐漸向高可靠性、操作維護(hù)便利性和經(jīng)濟(jì)性等轉(zhuǎn)變。中壓開(kāi)關(guān)柜及其控制設(shè)備是電力系統(tǒng)中極為重要的一環(huán)，本文介紹了一種銅管母線及其固定裝置在中壓空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜上的應(yīng)用，其能夠提高開(kāi)關(guān)柜的可靠性、操作性和經(jīng)濟(jì)性。

1 中壓空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜傳統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)

市場(chǎng)上的中壓空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜一般為金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，這種設(shè)備除進(jìn)出線外，其余完全被接地金屬外殼封閉；而某些組成部件分別裝在接地的、用金屬隔板隔開(kāi)的隔室中的金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備為鎧裝式金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備[1-2]。目前，很多廠家的空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜都是鎧裝式金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，根據(jù)《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（GB/T 3906—2020）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，這種開(kāi)關(guān)柜一般由4個(gè)隔室組成：母線室、小車室、電纜室、低壓室。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，用來(lái)傳遞電能的回路中的所有導(dǎo)電部件構(gòu)成了開(kāi)關(guān)柜的主回路[2]，主回路一般由母線、觸頭盒、靜觸頭、電流互感器、接地開(kāi)關(guān)等組成，而傳統(tǒng)的母線一般為矩形扁母線，與之配套的固定裝置為母線靜觸頭和觸頭盒，這種矩形扁母線為實(shí)心的銅排，而與其配套的觸頭盒為相對(duì)封閉式觸頭盒。

圖1 中壓開(kāi)關(guān)柜及傳統(tǒng)矩形扁母線、靜觸頭及觸頭盒主回路結(jié)構(gòu)

2 新型銅管母線及其固定裝置的設(shè)計(jì)

圖1所示封閉式母線固定結(jié)構(gòu)不利于安裝和維護(hù)，也不利于散熱，同時(shí)矩形母線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布不夠均勻。眾所周知，當(dāng)直流電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體界面上是均勻分布的，而當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體截面上的分布將不再均勻，導(dǎo)體表面上各點(diǎn)的電流密度最大，而在導(dǎo)體中心軸線上的電流密度最小，由外向內(nèi)從最大連續(xù)變化到最小，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)[3]。頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著。

基于交流電的集膚效應(yīng)，也為了有效利用導(dǎo)體材料以及方便安裝維護(hù)等操作，提出了一種新型銅管母線及其固定裝置的設(shè)計(jì)理念，如圖2所示。此設(shè)計(jì)在高頻電路中采用空心導(dǎo)體代替實(shí)心導(dǎo)體，既節(jié)省了銅導(dǎo)體材料，又增加了導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)也改善了導(dǎo)體周圍的電場(chǎng)分布。此銅管母線與靜觸頭為一體式的集成設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)配套的銅管母線固定裝置，含母線固定夾和敞開(kāi)式套筒結(jié)構(gòu)觸頭盒，方便安裝和操作，并且有利于散熱。同時(shí)，固定裝置結(jié)構(gòu)及裝配簡(jiǎn)單，易于加工，成本低。

圖2 新型銅管母線及其固定裝置

2.1 銅管母線

銅管母線為一種新型的載流導(dǎo)體，由于其為空心的管狀結(jié)構(gòu)，散熱面積更大。在同等截面積下，具有更小的集膚效應(yīng)系數(shù)，單位面積的載流量更大，銅材利用率更高。承載同樣大小的額定電流，銅管母線截面可以更小，有利于減少用銅量，降低生產(chǎn)成本；有利于減小交流電阻，降低母線功率損耗。

使用同樣的原材料，銅管母線為圓形截面，其表面電流密度分布更加均勻，機(jī)械強(qiáng)度更高，可耐受的電動(dòng)力強(qiáng)于矩形截面的母線。

本設(shè)計(jì)的銅管母線端部設(shè)有通風(fēng)孔，形成了熱空氣對(duì)流通道，并從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了將母線與靜觸頭融為一體，避免了傳統(tǒng)方案兩者連接時(shí)所產(chǎn)生的較大的接觸電阻，從而減少了發(fā)熱。此外，銅管母線上設(shè)計(jì)有定位孔，用于與配套的母線固定夾進(jìn)行固定限位，保證銅排垂直度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 銅管母線與固定夾裝配

與傳統(tǒng)扁形母線相比，使用銅管母線可以降低開(kāi)關(guān)柜的成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)，管狀結(jié)構(gòu)有利于提高母線的機(jī)械強(qiáng)度，也有利于均勻電場(chǎng)[4-6]，降低電場(chǎng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的絕緣性能。

2.2 銅管母線固定夾

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空氣絕緣中壓開(kāi)關(guān)柜中使用銅管母線，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一在于如何設(shè)計(jì)母線固定夾，以使其能夠?qū)~管母線有效地固定在開(kāi)關(guān)柜中。本設(shè)計(jì)的銅管母線固定夾包括兩個(gè)夾具，該兩個(gè)夾具相拼接形成圓形夾持孔，用于夾緊銅管母線；每個(gè)夾具上設(shè)有連接孔，用于與觸頭盒連接配合；同時(shí)，每個(gè)夾具的拼接面分別設(shè)有導(dǎo)向凸臺(tái)和導(dǎo)向孔，導(dǎo)向凸臺(tái)與導(dǎo)向孔適配，方便對(duì)夾具進(jìn)行定位固定并保證左右端面的平整度。其中一個(gè)夾具上設(shè)計(jì)有徑向貫通的定位孔，能夠?qū)崿F(xiàn)母線夾在銅管母線的徑向可靠定位，保持銅管母線的垂直度，如圖4所示。本母線夾結(jié)構(gòu)及裝配簡(jiǎn)單，易于加工，成本低。

圖4 銅管母線固定夾

2.3 敞開(kāi)式套筒結(jié)構(gòu)固定觸頭盒

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空氣絕緣中壓開(kāi)關(guān)柜中使用銅管母線，存在的另一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)觸頭盒，以適配夾持有銅管母線的組件在開(kāi)關(guān)柜中的安裝。本設(shè)計(jì)的銅管母線固定觸頭盒如圖5所示，此觸頭盒為開(kāi)口式套筒結(jié)構(gòu)，方便母線安裝和散熱。觸頭盒本體設(shè)有通孔、通風(fēng)孔及固定孔，適配上述銅管母線和母線固定夾。此外，觸頭盒本體設(shè)有絕緣保護(hù)飛邊，在銅管母線和母線室金屬隔板之間起到絕緣作用，保證銅管母線到柜體的距離符合標(biāo)準(zhǔn)的絕緣要求。觸頭盒設(shè)計(jì)的安裝孔與傳統(tǒng)扁形母線適配的封閉式觸頭盒安裝孔一致，實(shí)現(xiàn)在不改變柜體觸頭盒安裝板結(jié)構(gòu)的前提下，與扁形母線適配的觸頭盒進(jìn)行互換，最大限度匹配原開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)。

圖5 銅管母線固定觸頭盒

3 溫升試驗(yàn)及電場(chǎng)模擬分析

3.1 溫升試驗(yàn)

對(duì)采用本銅管母線及其固定母線裝置設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)溫布點(diǎn)圖和試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6、表1所示。

圖6 試驗(yàn)測(cè)溫布點(diǎn)圖

表1 溫升試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，在銅排用量大大減少的情況下，此設(shè)計(jì)仍通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的溫升試驗(yàn)。

3.2 電場(chǎng)模擬分析

通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬分析銅管母線及其固定裝置和傳統(tǒng)矩形母線及其固定裝置設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)柜中的電場(chǎng)強(qiáng)度，模擬模型為柜寬800 mm的開(kāi)關(guān)柜母線室，如圖7所示，由圖可知，銅管對(duì)地和相間空氣凈距比矩形母線增大了。

圖7 新舊方案母線室模擬模型

圖8為模擬分析結(jié)果，由結(jié)果可知，母線由銅排改為銅管后電場(chǎng)分布得到了改善，銅管表面氣體中電場(chǎng)分布均勻度明顯提高，相同位置的場(chǎng)強(qiáng)降低了約30%，這種設(shè)計(jì)大大提高了開(kāi)關(guān)柜的絕緣性能。

圖8 新舊方案銅排場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比（A相加壓，其他兩相接地）

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們的用電需求日益提高，對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜的安全性能及經(jīng)濟(jì)性能的要求也越來(lái)越高，這就要求技術(shù)人員對(duì)開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、選材的正確性以及運(yùn)行維護(hù)的方便性都給予足夠的重視和考慮。本文中壓空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜中銅管母線及其固定裝置的設(shè)計(jì)，在滿足溫升和強(qiáng)度要求的前提下，能夠改善開(kāi)關(guān)柜的電場(chǎng)分布，提高開(kāi)關(guān)柜的絕緣性能，節(jié)約銅排用材，降低開(kāi)關(guān)柜成本，保證開(kāi)關(guān)柜安全穩(wěn)定高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。