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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,最好用异形母排替代)
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最大跨距(两个支撑间的最大距离) 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—母线允许最大应力，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：
铜母线的最大跨距为L铜MAX≤（1400aw 103/1.76 ich2）1/2= 892（aw）1/2/ ich 铝母线的最大跨距为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型母线的最大跨距。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