浇筑母线在某工程的应用和思考

北京特种工程设计研究院 李龙刚 李 洁 军事科学院国防工程研究院 余春燕

某工程位于四川绵阳市，属北亚热带山地湿润季风气候区，平均温为14.7～17.3℃，极端最高气温为36.1～39.5 ℃，降水量比较充沛，降水量的年际变化很大，年均降水量825.8～1417毫米[1]。工程所在区域地下水位较高，部分场区地表1m 以下就能出地下水。

该工程的厂房体量大，单层面积两万多平方米，东西长约为150m，南北长约为170m。10kV 配电室、10/0.4kV 变配电室各两处，分别设在相邻的西北角和东中部。根据设备的工艺要求，用电设备布置较为分散，单个设备的用电集中且量大，电压等级为10kV 和0.4kV。受到设备和运输荷载的限制，厂房内部设置电缆沟路径非常有限，大部分的大设备电能输送只能通过室外到室内设备处。

在施工等环节、后期混凝土的掩护等方面会出现电缆沟、通廊在磨具交界处、伸缩缝处不可避免出现漏水的现象，使得室外电缆沟、通廊存在被地下水淹没的现象，在工程设计阶段选用合适的电能输送介质是值得重视的问题。在选择时不但要考虑各设备用电量的要求，还要考虑敷设条件，线路的防水等方面的因素。下面结合某工程用电设备和现场的特点做简要的探讨。

1 某工程用电情况统计

某项目的单个设备用电量大，10/0.4kV 的变电所有两座，单个变电所的变压器安装容量分别为20MVA 和15MVA，10kV 的用电设备约为20MVA，主要较大设备负荷具体情况见表1。

10kV 的配电系统均采用单母线分段中间加装母联开关的供电模式，每个变电所的10kV 电源都是从在本项目正南方的220kV 中心变电站引来10kV电源，距离见表1。部分0.4kV 电源在建筑物内没有可通行的路由，只能从室外经电缆通廊、电缆沟及夹层引接。由于地下水位较高，室外的电缆通廊、电缆沟整体几乎都是淹没在水里，由于施工工艺，电缆通廊、电缆沟内不可避免存在积水，部分阶段还存在充满的极端情况，致使内部的电缆和电气设备有被淹泡的风险。

表1 主要用电较大设备统计表

2 电流载体的比较和选择

从表1中负荷要求通过的电流的需求，电流值分布在1000A～3000A 之间，电压等级在10kV 和0.4kV 两个等级，载流体敷设在电缆夹层、地沟、通廊内。下面就以代表性的冷冻站系统用电为0.4kV的800kW 负荷来做比较。功率因素按0.8计算，计算电流为1519.3A。

2.1 电缆

电缆具有输电性能稳定、技术成熟、绝缘水平高、维护工作量小和安全性高等优点。但当电流值较大时，单根大截面的电缆基本不能满足需求，这时就要采用多根并联的方式，例如载流量要求1519.3A，考虑到敷设环境对电流量的影响[2]，电缆的载流量要降低，按环境温度为25℃时载流量的0.8计算，此时要采用3根截面为3×300+1×150mm2的YJV 电缆，载流量为1548A，单根电缆直径约为60mm，重量约为10.3kg/m，按照《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB 50168-2016中表5.1.7中电缆的最小转弯半径明确指出不应小于10D，即所选电缆的转弯半径不应小于0.6m，那就要求在转直角弯处需增加0.6m 的转弯空间，使转弯处需要转弯空间增加。

再者多根电缆参数不存在差异，电流在各电缆中分配不是按比例等分的[3]，会存在安全隐患。另外由于电流大导致电缆截面较大，单根电缆生产、运输组装长度有限，就不可避免中间有电缆连接接头，由于电缆头的制作工艺影响，无论是冷缩电缆头还是热缩电缆头，造成电缆整体的防护性能有所下降。

2.2 密集型母线

密集型母线采用“三明治”结构，导体与导体之间、导体与外壳用填充绝缘材料，例如聚四氟聚丙烯树脂等，母线的整体尺寸较小，单段母线一般长3米，能够解决单根母线承载大电流要求，敷设空间要求不高，可以直接转直角弯，但防护水平取决于铝镁合金等材质外壳的密闭水平，一般都不超过IP54。若密集型母线长期浸泡在水中，会出现外壳锈蚀、绝缘下降，甚至破坏造成短路情况。

2.3 管型母线

管型母线增大导体表面积，减少集肤效应的影响，降低了温升，使其额定电流温升从50K 降低至30K（降低40%），减少绝缘材料老化进程，降低线路损耗，由于管型母线的“套筒”结构特点，受加工工艺的限制，一般在2000A 以上大载流量及大短路电流、110kV 高电压回路中使用较为普遍，造价较高。管状母线单段长度为8m，中间接头一般都在现场施工，采取抱窟的方式，绝缘层和防护层通过热缩方式制作完成[4]，防护等级受现场施工工艺、操作精确度等因素影响大，防护等级可到达IP67。

2.4 浇筑型母线

采用绝缘复合材料将母线直接浇注密封的母线槽。电压等级在10kV 以下，电流值一般在1000A以上使用。由于其是浇筑结构，对浇筑绝缘材料要求性能要求比较高，要求既有良好的传热性、又对致密性要求高，同时要求有很好的机械性能，要保证其有一定强度。整体浇筑使得母线整体防护等级能达到IP68。从电气性能和物理防护水平等综合考虑，结合安装条件等因素，本工程中选择采用浇筑型母线作为电能输送载体，敷设在室外电缆通廊和电缆沟内。

3 采用浇筑母线在工程中选择的思考

随着我国制造工业的发展，国内生产浇筑母线的厂家如雨后春笋似的出现了很多，国家也相应推出了了国家规范《浇筑母线》JB/T13690-2019，但在选择浇筑母线的时候应该结合自己工程的特点，综合考虑浇筑母线指标，例如绝缘防护层的绝缘性、绝缘材料的热传导性等考查指标。下面几点是值得工程师在选择浇筑母线时应注意的几点建议。

3.1 防护层的绝缘性

浇筑母线结构紧凑，成品尺寸较小，母线各相线铜牌之间的距离较近，在相间填充绝缘复合要求绝缘性能要求高，在《浇筑母线》JB/T13690-2019中明确要求相间的电阻值不小于200MΩ，两节母线浇筑连接后，连接处浸水96小时，要求相间绝缘电阻不小于150MΩ。在我国绝大多数都是采用环氧树脂添加一部分改良材料作为浇筑材料，在干燥的环境中都可以达到规范要求的绝缘值。但在被水浸泡的环境绝缘水平让人担忧。

像在本工程中敷设环境为电缆夹层、室外地沟、电缆通廊，该场区地下水位高，由于施工工艺等种种原因，存在室外地沟、室外电缆通廊内积水较多的可能性，甚至在雨季排水不正常时，部分地势较低的部分会出现全淹没的情况，整个电缆通道都被水淹没情况，这样就要求母线的防护等级应该尽量高。母线的防护等级高，就是要求绝缘材料的水密性越好，即绝缘介子的孔隙不应大于水分子的直径0.4纳米。目前市面上有个别厂家为了追求质量轻，添加某些轻质多孔材料，在浸泡过程中极有可能出现相间绝缘电阻降低情况。

3.2 绝缘材料的热传导性

浇筑母线结构紧凑，母线尺寸较小，相间距离近，散热性能相对较差，会影响导体的载流量，就要求绝缘材料的传热性好，及时将导体的产生的热量传递出去，不能使母线温度上升过高，会出现绝缘材料的电阻、击穿强度、机械强度等性能都会降低。在JB/T13690中明确要求，给出的温升限值要求在使用条件下周围空气平均温度不超过35℃。并指出母线槽绝缘复合材料浇注体应经受干热试验：温度为125℃±20℃，自然通风，试验持续168h 后，试样恢复96h。试验后表面应没有可见裂纹，其材料也没有变为粘性或油脂性。

温升限值具体值如下：用于连接外部绝缘导线的端子温升70K；母线固定连接处温升70K；可接近的外壳绝缘材料表面温升40K，对在正常工作情况下不需触及的外壳，温升限值可以是55K。可知浇筑母线的绝缘层耐热性最低不能低于115℃。应考虑到敷设环境的密闭等因素，选用的浇筑母线的耐热等级不应低于F 级，温度为155℃。同时绝缘材料还应有很好的导热性。因此在选择浇筑母线的绝缘材料时，应选用导热系数大、比热容较小的物质作为环氧树脂添加剂的复合绝缘材料。

3.3 导体的截面积

个别厂家在为了增强竞争力，就缩小铜导体的截面、减少造价，但为了通过温升试验，就减少外层的绝缘层厚度，牺牲了绝缘性能。从浇筑母线的结构特点，当其安装在电缆支架时浇筑母排与铜牌支架上一般都加装绝缘垫，使得浇筑母线的铜排和接地的电缆之间就形成了电容器的结构，电容器中有两种介质，一层为环氧树脂负荷材料、一层为空气。结构形式相当于两个电容串联。

由电容串联电压分配计算公式：C=εS/d（公式1）、1/C=1/C1+1/C2（ 公式2）、C=(ε1ε2S)/(ε1d2+ε2d1)（公式3），两个电容上的电荷Q 一样，由Q=CU（公式4）得到U1×C1=U2×C2，即U1/U2=C2/C1，电压分布和电容容量成反比。可以看出，当给浇筑母线施加足够高的电压时，浇筑母排与电缆支架之间等值电容值十分小时可能会出现局部放电的放电的情况。建议10kV 及以上高压线路中应用浇筑母线时，首先应按照国家规范要求的各种型式试验指标，同时应按经济密度规定母排的截面积增加金属外壳，外壳要可靠接地，避免在运行中出现人员安全事故。

3.4 母线伸缩节的设置

母线伸缩节是指补偿母线因温度变化引起的变形和振动变形的伸缩性连接件。母线伸缩节，俗称软连接，是用来补偿母线温差变形和振动变形的伸缩性连接件，由多层铜（铝）片和侧铜（铝）板焊接而成，有一定的伸缩性，安装后铜（铝）片一般呈Ω 形。

浇筑母线内的导体是铜，热膨胀系数17.7×10-6米/℃,按照温升达到规范的70℃，本工程母线的最长量为700m，铜母线的伸长量为0.01m，即为1cm，可以忽略这点变化量，在母线中间可以不设伸缩节。但要在浇筑母排敷设时固定时水平夹尽量留一定余量，不要把母线固定太死，在与配电柜连接处设置伸缩节连接，弥补因温度变化引起母线长短的变化量。

综上，本文结合某工程用电量及地理环境特点，对电能输送导体进行了综合的比较，最终确定运用环氧树脂浇筑母线作为电能输送介质。并在浇筑母线选择中应该注意的问题进行综合的论述，对10kV和0.4kV 大电流能量输送应用有一定的借鉴意义。