低压成套开关设备关于母线的分析

张羽，宋旭

(1.沈阳电气传动研究所(有限公司)，辽宁 沈阳 110141；2.中国质量认证中心，辽宁 沈阳 110013)

1 概述

1.1 低压成套开关设备简介

电力系统的发电、配电、输电、变电和用电的各环节中需大量使用对电路起分配、调节、保护、控制、测量等作用电气设备。按照工作电压等级分类电气设备可分为低压开关电器和高压开关电器两大类。中国现执行的标准是将用于交流频率50Hz或60Hz、额定电压Ue在交流AC1000V、直流DC1500V以下的电路起到保护作用、接通分断作用、调节和控制作用的电器统称为低压电器。

1.2 母线的类型

母线的类型按截面分类可分为矩形、U型、D型、圆形等，其中因为矩形母线在相同截面积的情况下载流量最高、电阻最小、散热面大应用也最为广泛。U型母线主要用于电流较大、电动力效应要求高的设备中。D型和圆形母线的集肤效应好、防电晕效果好，但连接比较复杂。母线按材质分类可分为铜母线、铝母线、铁母线。其中铜母线应用最为广泛，具有载流量大、电动力效应好、耐腐蚀性能强的优秀品质。母线的类型按自然状态可分为硬母线和软母线。软母线也称为软连接母线，主要用于连接不便的场所。

2 母线对成套开关设备的影响

母线的选用是低压成套开关设备试验前必须认真思考的问题。有的在描述的覆盖中没有明确的规定，也没有必要的指导性文件，任凭经验选择覆盖给报告的有效性造成了很大的质量隐患，母线的选用包括:

(1)材质:铜、铝等，材质不同，电阻率不同，对母线试验的温升稳定值(K)也不同。

(2)截面积:母线的截面积越大母线的载流量就越大。截面积越小母线的载流量就越小。

(3)表面处理:母线为裸导体、母线表面镀锡或者镀银等。镀锡、镀银可以有效的降低母线的温升稳定值(K)。

(4)截面形状与排列方式:母线的截面形状有矩形、U型、D型、圆形等。排列的方式有水平、垂直等。不同的截面形状与排列方式对于母线的散热影响也不同。母线立放时的载流量会比平放时要高，这是由于立放时散热要比平放时要好的原因。同等截面积尽量选择母线宽度大的型号，例如:能选择80×5的母线不选择50×8的母线，因为其周长更长，可以更利于散热。

(5)环境温度:母线的载流能力受成套设备在正常运行时温度的限制，不同环境温度下载流量不同。

(6)防护等级(IP):安装在成套设备中的母线其安装的方式、安装的位置以及母线的散热(如:散热孔)都会受到成套设备防护等级的限制。

(7)谐波含量:电源的谐波含量越高对母线温升稳定值(K)越大。

(8)海拔高度:海拔越高的地方，空气就越稀薄，母线的散热性能也就越差。

(9)短路耐受强度:母线须能够承受短路电流产生的热效应和电动力效应。热效应用额定短时耐受电流Icw表示电动力效应用额定峰值耐受电流Ipk表示。

3 母线的热效应

(1)母线的热效应是指母线在规定的时间内能够承载的电流所产生的热效应。在低压成套开关设备中指在规定的时间内，母线承载的额定短时耐受电流Icw。

(2)根据短时耐受电流确定母线的最小截面积。

根据GB/T 3906-2006附录D中公式[5]:

式中，I＝电流有效值，单位为(A)；

a为材质系数，铜为13；

t为额定短路持续时间(s)；

△θ对于裸导体一般取180K。

依据此公式推算出常用低压成套开关设备额定短时耐受电流的最小母线截面积(如表1所示)。

表1

4 母线的电动力效应

(1)母线是承载电流的导体，母线通过电流周围会产生磁场，磁场作用于其范围的母线使其受力，从而使俩条电流方向相同的母线产生相互吸引的力，这个力就叫做母线的电动力。母线受到的电动力与电流的大小、母线的厚度、母线的宽度、母线排列的方式，母线间的距离相关。

(2)根据额定峰值耐受电流Ipk计算两个支撑件允许最大距离。

根据母线上的作用应力kg/cm≤母线允许应力；

其中:L:母线支撑间距(cm)；Ipk:额定峰值耐受电流(kA)；a—相间距离(cm)；W—母线截面系数(矩形)；△y:母线允许应力(铜为1400)；

根据上式导出:

母线截面系数:

(1)母线宽度相对时:W＝0.167b2h；TMY-[100×10]＝1.67；

(2)母线厚度相对时:W＝0.167bh2；TMY-[100×10]＝16.7；

其中:b(cm):母线厚度，h(cm):母线宽度

例如:对于Icw＝100kA、Ipk＝220kA的 MNS低压成套开关柜a＝7对于主母线TMY-6[100×10]型母线的最大跨距。

LMAX＝910.77(mm)

例如:对于Icw＝100kA、Ipk＝220kA的 MNS低压成套开关柜a＝7对于水平母线母线TMY-5[120×10]型母线的最大跨距。

LMAX＝2629.17(mm)

依据此公式推算出常用低压成套开关设备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)，如表2所示。

表2

5 母线的一般要求

5.1 母线的材质与表面要求

铜母线应符合国家标准GB/T 5585.1-2018《电工用铜、铝及其合金母线第1部分:铜和铜合金母线》[6]要求。等级和规格应符合设计要求。经过3C认证的产品应符合产品说明的要求。应特别注意母线的表面状况(硬或软)。它对母线的峰值耐受电流有影响(母线的电动力效应)有很大的影响。

5.2 外观要求

母线的表面应光滑平整，不应有皱纹，裂纹，夹杂物，扭曲和变形。因此，应保护母线免受腐蚀性气体腐蚀和机械损坏。

5.3 重叠表面的处理

汇流排的搭接表面应光滑，且表面(包括镀层)不应有锤痕，凹痕，剥离和缺陷。搭接表面的表面处理包括:酸洗钝化(铜母线)、碱清洗(铝母线)、镀锡、镀银、导电胶涂层等。某些产品还需要在重叠的表面上进行压花。

不同材料(例如铜包铝)的母线不能直接连接到裸露的母线。母线应镀锡，镀银并涂上导电胶。

5.4 母线涂装

母线表面应根据设计要求进行涂漆，并且涂漆层应均匀且无，诸如剥落、皱纹、流挂和异物夹杂的缺陷。母线涂漆的颜色应符合表3的要求。

表3

当每一相都使用黑漆时，应粘贴A、B、C、N相序标识，标识可贴在两端或中间显著位置。

每相母线涂漆的分界线应清晰整齐，一般相差至少5mm，母线固定连接处应与涂漆的分界线应有至少10mm以上的距离，用于外部供接线用的搭接接触面不应刷漆，长度应至少等于母线的宽度，且大于50mm。

涂漆不仅可以起到母线耐腐蚀的作用，还可以起到加强散热的作用，相比于裸母线，同条件下会降低温升稳定值(K)。

5.5 紧固件

用于安装的紧固件，包括螺栓、螺母、平垫、弹垫均应有镀层，不可使用发蓝、发黑的紧固件。可以使用标准型平垫，不需使用加大、加厚的平垫，试验证明标准型平垫与使用加大、加厚的平垫相比温升稳定值(K)相差很小。

5.6 母线的安装

(1)母线的搭接面须涂抹导电膏。

(2)如果母线平行安装，螺栓应由下向上穿，如果母线垂直放置，螺栓应朝向便于观察的穿，以便于检查和拆卸，螺栓长度宜凸出螺母2扣以上，以保证螺栓的有效连接。

(3)螺栓之间相邻的平垫的最短距离应大于3mm。

(4)螺栓受力应依据对应低压成套设备标准力矩。

5.7 母线的支撑与固定

(1)母线支撑的安装要充分考虑其短时额定峰值耐受电流Ipk大小，其抗弯、抗扭强度能否满足电动力效应要求。

(2)用于母线固定的绝缘子在承受较大的电动力时，要校验绝缘子的抗弯强度是否满足结构设计的要求。

(3)母线夹板应可以承受由于额定峰值耐受电流而引起的电动力。

(4)母线支撑件不应构成闭合磁路，以防止产生涡流。

(5)单相多片的矩形母线之间，其间距应不小于母线的厚度。

6 结束语

母线是低压成套开关设备重要的组成部分，对于母线的选用应参考许多因素。因为在封闭的低压成套开关设备中母线的各种性能受到了影响，应当理论结合试验，理论上参考母线的热效应，母线的电动力效应为主，分析母线截面积及支撑距离是否符合理论依据，结合试验对其判断。对于3C产品中覆盖的母线尺寸及支撑距离应符合母线热效应和母线的电动力效应的公式计算结合试验经验来确定。