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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
< br>—
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<
/p>
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
< br>60
㎜时其载流量为立放时的
0.92
< br>倍，
这是由于立放时散热性能要
比平放时要好的缘故。<
/p>
3
．
3
载流量数值
根据母线的材质不同，<
/p>
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。
4
0
℃
时单层矩形铜母线的载流量
Id<
/p>
（
A
）
：
Id =k
（
b+
8.5
）
h
式中，
< br>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<
/p>
选
1.57,60×
6
< br>选
1.56
。
40
℃
时
3
< br>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
）
< br>。
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
< br>40
℃
时和环境温度为
25
℃
时的换算关系为：
I40=0.85I25
式中
, I
40
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；<
/p>
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：
1
00×
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：
<
/p>
1850×
1.58
＝
< br>2923(A)
；
［查手册为
2
942A
］
；
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（
< br>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
, S
Al
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<
/p>
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
）
< br>
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。<
/p>
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，
k
g/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
< br>；
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，
（
k
A
）
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
< br>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）
Ｗ
1
＝
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 <
/p>
L
铝
MAX≤258h
< br>（
ab) 1/2/ ich
例如：
< br>对于
31.5kA
的系统，
ic
h
取
80kA
，
如用于
KYN28-12
开关柜
a=
28
，
对于
TMY100×
10
和
LMY100×
1
0
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<
/p>
（
cm
）
。
L
铝
MAX≤1
70
（
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）
Ｗ
2
＝
0.167
b2h
；
则：
L
铜<
/p>
MAX≤365b
（
ah) 1/2/
ich