母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計探討*

張小英

(天水長城控制電器有限責(zé)任公司,甘肅 天水 741025)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，電力需求不斷旺盛，母線槽產(chǎn)品使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，母線槽主要用于：第一是在工業(yè)廠房、船舶廠、石油、化工、冶金、煤礦、電廠等大型傳統(tǒng)行業(yè)的低壓供電系統(tǒng)，作為主要輸配電設(shè)備；第二是近年來興起的房地產(chǎn)建筑行業(yè)中，作為高層住宅、大型商場、學(xué)校、醫(yī)院、體育場等建筑場合的輸配電設(shè)備。母線槽產(chǎn)品在如此廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中作為輸配電設(shè)備，常常需要從主干線上分配輸出不同電流，來滿足不同用電回路的需要，這一功能的實現(xiàn)通常使用插入式饋電分接單元來實現(xiàn)，那么插座結(jié)構(gòu)裝置成為饋電分接單元能否安全可靠實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置，有些插座底座與插件壓制成一體式，全部帶有三相五線制導(dǎo)電夾，體積大，需要加工模具數(shù)量多，安裝復(fù)雜，不能根據(jù)輸出電流的大小及母線槽線制靈活選擇插件大小和數(shù)量，成本高；有些母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置在分接單元插接時，因沒有安裝推進(jìn)、定位、固定裝置，導(dǎo)致插接費力、插接不到位、槽體與分接單元固定不牢固等；有些母線槽插件插腳與槽體導(dǎo)體的接觸方式的設(shè)計上存在問題，導(dǎo)致插接點容易松動、接觸電阻大、溫升提高、插拔壽命短；有些母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置插接頭插入時，缺少導(dǎo)入定位絕緣裝置，也會引起插腳頭插入錯位或插入點爬電距離不夠引起故障等不安全因素。

綜述市場上現(xiàn)有母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置存在的問題，研究設(shè)計一種新型母線槽的插座結(jié)構(gòu)裝置，通過對絕緣底座、相線插件、固定器、絕緣插口器的優(yōu)化設(shè)計，使分接單元使用時更加安全可靠。

1 概 述

1.1 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的構(gòu)成

在母線槽作為輸配電設(shè)備的導(dǎo)電回路中，母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置是一種從母線槽直線干線單元上，分接單元導(dǎo)電部件插腳頭與母線槽導(dǎo)體之間通過插拔連接的接觸方式，實現(xiàn)輸出分配電流時需要的一種插座結(jié)構(gòu)裝置，主要由安裝在分接單元插件箱外殼底部的插座部件、固定器、安裝在母線槽腔體內(nèi)插口部位的絕緣插口器、插口器固定支架等組成，主要組成部分見圖1。

圖1 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1.插座部件 2.固定器 3.插口器固定支架 4.絕緣插口器 5.固定器掛鉤 6.安裝孔螺母 7.PE線插件 8.相線插件

1.2 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的主要技術(shù)參數(shù)

額定電壓：AC400 V、AC690 V；額定電流：20 A、40 A、63 A、100 A、160 A、250 A、400 A、630 A；線制：三相三線制、三相四線制、三相五線制；頻率：50 Hz；插拔壽命：50次；溫升：≤70 K。

2 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的設(shè)計

2.1 插座部件的設(shè)計

插座部件是插座結(jié)構(gòu)裝置的關(guān)鍵部件，主要由插件絕緣底座、相線插件和PE線插件組成。

2.1.1 插件絕緣底座

插件絕緣底座采用DMC玻璃纖維模塑料，由模具一次壓制成型。絕緣底座設(shè)計了四個相線插件安裝孔及PE線插件安裝孔，這五個安2裝孔的中心點按A、B、C、N、PE相的次序錯位式設(shè)計成倒W形，解決了插件安裝空間小的問題，增大插入點之間的間距。絕緣底座插件安裝孔排布示意圖見圖2。

圖2 絕緣底座插件安裝孔排布示意圖

母線槽導(dǎo)體相間距只有20 mm，進(jìn)行這種相鄰相間插入點錯開設(shè)計后，A相與B相左右相間距還是20 mm,但是A相與B相中心點縱向間距設(shè)計成82 mm,這樣五個插入點的橫向隔相(A相與C相、B相與N相、N相與PE相之間)間距成40 mm,縱向間距成82 mm，使插入點的電氣間隙和爬電距離遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的8 mm和12 mm的數(shù)值，提高了插座裝置的安全性能。

2.1.2 相線插件

相線插件是母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置中直接與母線槽導(dǎo)體進(jìn)行插接實現(xiàn)電接觸的部件，設(shè)計是否合理直接影響插座結(jié)構(gòu)裝置的性能與使用安全。

(1) 影響插件性能的因素

母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置在長期使用過程中，插接點容易發(fā)熱而引起故障，發(fā)熱的原因主要是電流流過接觸點時在接觸電阻上的熱損耗。為了使插座結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計更加完善、安全可靠，應(yīng)使接觸電阻盡可能小，盡可能使接觸電阻有一個穩(wěn)定的數(shù)值，為此來分析影響接觸電阻的諸多因素。

接觸電阻的計算公式：

(1)

式中：F為接觸壓力(N)；Rj為接觸電阻(μΩ)；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，從數(shù)據(jù)表中查出查的(0.7～0.8)；Kj為與接觸材料、表面情況、接觸方式有關(guān)的系數(shù)(Kj=100)見表1。

表1 材料的Kj值

接觸電阻由收縮電阻和膜電阻兩部分電阻組成。收縮電阻與材料的電阻率成正比，與材料的布氏硬度HB平方根成正比，與壓力F和接觸點數(shù)n的平方根成反比；膜電阻主要是與接觸導(dǎo)體的金屬表面形成的塵埃膜、吸附膜、無極膜有關(guān)。影響接觸電阻的因素：

① 接觸壓力 根據(jù)接觸電阻的計算公式可知，增加接觸壓力可以使接觸電阻減小，其原因是可以增加接觸點的有效接觸面積以及有效地抑制表面膜的產(chǎn)生，前者可以使收縮電阻減小，后者可以使膜電阻減小，當(dāng)增大接觸壓力F時，在接觸點壓強(qiáng)超過一定的值，可使接觸表面氣體分子層等吸附膜減小到2～3個分子層，當(dāng)超過材料屈服點強(qiáng)度時，產(chǎn)生塑性變形，表面膜被壓碎，使接觸電阻迅速下降，并得到較為穩(wěn)定的值。

② 接觸形式 接觸形式分為，點接觸、線接觸和面接觸，點接觸的接觸點數(shù)少，收縮電阻大，但接觸點的壓強(qiáng)大，膜電阻小，適合小電流的繼電器觸頭等；面接觸的接觸點數(shù)多，收縮電阻小，但膜電阻大，適合固定連接的接觸形式；線接觸的接觸電阻介于兩者之間，在可分式接觸中，一般采用線接觸。

③ 材料性質(zhì) 選材料從減小收縮電阻和膜電阻綜合考慮，即材料的物理性質(zhì)，包括電導(dǎo)率、材料的機(jī)械強(qiáng)度及硬度，材料的化學(xué)性質(zhì)，材料表面是否會快速形成氧化膜等。

除以上幾個主要因素外，還與接觸面的加工情況、接觸處面周圍介質(zhì)狀況等因素有關(guān)。

(2) 相線插件結(jié)構(gòu)

相線插件由導(dǎo)電夾、彈性夾、絕緣壓板、圓頭鉚釘組成，相線插件結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 相線插件結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 接觸壓力最大的導(dǎo)電夾插腳頭設(shè)計

導(dǎo)電夾采用3 mm厚的T2銅排沖壓成型，導(dǎo)電夾插腳頭設(shè)計成S形，共兩件，成左右對稱，在插腳外設(shè)計了對稱的兩件65Mn彈簧鋼彈性夾，使用圓頭鉚釘鉚接后卡入絕緣壓板的限位槽內(nèi)，形成一個強(qiáng)有力的大夾子。插腳頭插入母線槽導(dǎo)體上時，形成雙面搭接，對稱S形插腳頭和彈性夾保證插入點足夠的接觸壓力，減小接觸電阻，降低接觸點溫升。導(dǎo)電夾銅排不同的規(guī)格對應(yīng)插座結(jié)構(gòu)裝置不同的電流等級，插座結(jié)構(gòu)裝置規(guī)格從表2選取。

表2 插座結(jié)構(gòu)裝置規(guī)格與導(dǎo)電夾規(guī)格對照表

(4) 線性接觸形式

市場上大多插座結(jié)構(gòu)裝置的插腳頭設(shè)計成直線形面對面的搭接形式，這種設(shè)計增大了接觸面積，但試驗證明，對從母線槽系統(tǒng)干線單元通過插接形式輸出電流的插座結(jié)構(gòu)裝置，線性接觸的接觸電阻最小，因此對稱S形插接頭與母線槽導(dǎo)體的接觸接近線性接觸。

(5) 導(dǎo)電夾材料的選擇及表面處理

銅的導(dǎo)電率、機(jī)械強(qiáng)度、硬度、價格在母線槽供配電系統(tǒng)中為最優(yōu)良最常用的導(dǎo)體材料，但銅表面容易形成氧化膜，即CuO或Cu2O，銅的電阻率為1.75×10-8Ω·m，CuO的電阻率為2×108Ω·m，Cu2O的電阻率為5×108Ω·m，所以一旦銅表面被氧化，接觸電阻就會迅速劇增幾十倍至幾百倍，插件插腳頭接觸處發(fā)熱，當(dāng)接觸表面溫度大于70～80℃時，氧化便劇烈起來，并使接觸電阻劇增，其結(jié)果導(dǎo)致插座進(jìn)一步發(fā)熱甚至被破壞。為防止接觸面氧化而引起故障，對導(dǎo)電夾插腳頭進(jìn)行浸錫或鍍銀處理。

(6) 導(dǎo)電夾插接頭表面粗糙度及周圍環(huán)境

接觸表面粗糙度對接觸電阻也有一定的影響，插座結(jié)構(gòu)的接觸方式屬線接觸，一般通過接觸點的電流大于20A,為保證更多的接觸點，將插接頭表面的粗糙度設(shè)計成Ra1.6。同時為了減小接觸電阻中膜電阻的形成，盡量減少周圍介質(zhì)對接觸點的腐蝕，在加工制造插座結(jié)構(gòu)裝置過程中，盡量保持周圍環(huán)境清潔，保持插腳頭不受油污、塵埃及化學(xué)侵蝕，為避免母線槽插口處導(dǎo)體接觸良好，要在加工、運輸、存放、安裝過程做好防塵防護(hù)。

2.2 固定器設(shè)計

固定器由螺桿和掛鉤兩部分組成，螺桿一端穿過分接單元插件箱外殼底部的安裝孔，用螺母固定；掛鉤一端卡入母線槽蓋板的彎邊上，插座裝置插件插入時，緊固螺桿一端螺母，插件插腳頭逐步插入到位，同時將分接單元和母線槽固定成一個整體，起到推進(jìn)、定位、固定作用。在系統(tǒng)長期運行過程中，由于母線槽系統(tǒng)自身運行時產(chǎn)生電動力，或者線路發(fā)生故障時產(chǎn)生沖擊電流引起的電動力，如果固定不牢固，插座裝置插入點會出現(xiàn)松動或者移位，引起插入點發(fā)熱、甚至燒毀引起故障。

2.3 絕緣插口器設(shè)計

絕緣插口器采用絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高的玻璃纖維膜DMC一次壓制成型，插口器不分電流大小，適用不同電流等級母線槽使用，通用性強(qiáng)，安裝方便，成本低。四個插入口導(dǎo)槽設(shè)計成梯形，插入點母線槽導(dǎo)體包圍在絕緣梯形導(dǎo)槽腔內(nèi)，插件容易導(dǎo)入，避免誤插，安全可靠。絕緣插口器結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 絕緣插口器結(jié)構(gòu)示意圖

3 母線槽插座結(jié)構(gòu)裝置的具體實施方式

將四個固定器先安裝在分接單元插件箱底部外固定架上，插座部件用螺釘固定在分接單元插件箱外殼的底部，絕緣插口器卡入母線槽插口位置腔體內(nèi)的導(dǎo)體上，再使用插口器固定支架壓緊固定在母線槽側(cè)板上。當(dāng)分接單元插件箱插入插口時，先松開固定器一端螺栓側(cè)的螺母，轉(zhuǎn)動掛鉤，使母線槽蓋板彎邊卡入掛鉤內(nèi)。這時用力推壓插件箱，相線插件、PE線插件插腳頭通過絕緣插口器梯形導(dǎo)槽與母線槽腔體內(nèi)的導(dǎo)體搭接，實現(xiàn)電接觸。插件箱插入插口時，由于插腳頭及彈簧鋼彈性夾的反作用力，當(dāng)插件裝置電流較大時，比較費力，不容易插接到位，因此推壓的同時緩慢緊固固定器的安裝螺母，使插件箱底部與母線槽蓋板完全貼平，緊固固定器，當(dāng)緊固力矩達(dá)到6 N·m時，插腳頭與母線槽導(dǎo)體搭接按計算尺寸接觸到位，插接箱與母線槽固體成一個整體，實現(xiàn)安全輸出所需要的電流。

4 結(jié) 語

(1) 插腳頭設(shè)計成對稱S形，實現(xiàn)了導(dǎo)電夾與母線槽導(dǎo)體能夠形成線性接觸的接觸方式；插件插腳頭外側(cè)對稱鉚壓65Mn錳鋼的彈性夾，增大接觸壓力；導(dǎo)電夾材料選用優(yōu)質(zhì)銅，接觸點導(dǎo)體表面進(jìn)行了浸錫或鍍銀處理，減小材料的Kj值，這幾項技術(shù)(專利技術(shù))的應(yīng)用，大大減小了插件插入點的接觸電阻，降低插入點溫升，解決了母線槽插座裝置插入點容易發(fā)熱燒毀這一技術(shù)難題。

(2) 成倒W形的插件絕緣底座錯位安裝技術(shù)及使用梯形導(dǎo)槽的絕緣插口器安全導(dǎo)入導(dǎo)電夾的技術(shù)，解決了因母線槽導(dǎo)體相間距太小，導(dǎo)致的插入點電氣間隙不夠的問題，使插座裝置使用更加安全可靠。

(3) 獨立插件設(shè)計，易于維修更換，使插座裝置根據(jù)需要選擇選擇大小、數(shù)量，降低分接單元制造成本。

(4) 固定器的設(shè)計，對分接單元起到了推進(jìn)、固定定位作用，解決了分接單元插入時費力，使用過程出現(xiàn)插入點松動而引起發(fā)熱的問題。