澆筑母線在某工程的應用和思考

北京特種工程設計研究院 李龍剛 李 潔 軍事科學院國防工程研究院 余春燕

某工程位于四川綿陽市，屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候區，平均溫為14.7～17.3℃，極端最高氣溫為36.1～39.5 ℃，降水量比較充沛，降水量的年際變化很大，年均降水量825.8～1417毫米[1]。工程所在區域地下水位較高，部分場區地表1m 以下就能出地下水。

該工程的廠房體量大，單層面積兩萬多平方米，東西長約為150m，南北長約為170m。10kV 配電室、10/0.4kV 變配電室各兩處，分別設在相鄰的西北角和東中部。根據設備的工藝要求，用電設備布置較為分散，單個設備的用電集中且量大，電壓等級為10kV 和0.4kV。受到設備和運輸荷載的限制，廠房內部設置電纜溝路徑非常有限，大部分的大設備電能輸送只能通過室外到室內設備處。

在施工等環節、后期混凝土的掩護等方面會出現電纜溝、通廊在磨具交界處、伸縮縫處不可避免出現漏水的現象，使得室外電纜溝、通廊存在被地下水淹沒的現象，在工程設計階段選用合適的電能輸送介質是值得重視的問題。在選擇時不但要考慮各設備用電量的要求，還要考慮敷設條件，線路的防水等方面的因素。下面結合某工程用電設備和現場的特點做簡要的探討。

1 某工程用電情況統計

某項目的單個設備用電量大，10/0.4kV 的變電所有兩座，單個變電所的變壓器安裝容量分別為20MVA 和15MVA，10kV 的用電設備約為20MVA，主要較大設備負荷具體情況見表1。

10kV 的配電系統均采用單母線分段中間加裝母聯開關的供電模式，每個變電所的10kV 電源都是從在本項目正南方的220kV 中心變電站引來10kV電源，距離見表1。部分0.4kV 電源在建筑物內沒有可通行的路由，只能從室外經電纜通廊、電纜溝及夾層引接。由于地下水位較高，室外的電纜通廊、電纜溝整體幾乎都是淹沒在水里，由于施工工藝，電纜通廊、電纜溝內不可避免存在積水，部分階段還存在充滿的極端情況，致使內部的電纜和電氣設備有被淹泡的風險。

表1 主要用電較大設備統計表

2 電流載體的比較和選擇

從表1中負荷要求通過的電流的需求，電流值分布在1000A～3000A 之間，電壓等級在10kV 和0.4kV 兩個等級，載流體敷設在電纜夾層、地溝、通廊內。下面就以代表性的冷凍站系統用電為0.4kV的800kW 負荷來做比較。功率因素按0.8計算，計算電流為1519.3A。

2.1 電纜

電纜具有輸電性能穩定、技術成熟、絕緣水平高、維護工作量小和安全性高等優點。但當電流值較大時，單根大截面的電纜基本不能滿足需求，這時就要采用多根并聯的方式，例如載流量要求1519.3A，考慮到敷設環境對電流量的影響[2]，電纜的載流量要降低，按環境溫度為25℃時載流量的0.8計算，此時要采用3根截面為3×300+1×150mm2的YJV 電纜，載流量為1548A，單根電纜直徑約為60mm，重量約為10.3kg/m，按照《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》GB 50168-2016中表5.1.7中電纜的最小轉彎半徑明確指出不應小于10D，即所選電纜的轉彎半徑不應小于0.6m，那就要求在轉直角彎處需增加0.6m 的轉彎空間，使轉彎處需要轉彎空間增加。

再者多根電纜參數不存在差異，電流在各電纜中分配不是按比例等分的[3]，會存在安全隱患。另外由于電流大導致電纜截面較大，單根電纜生產、運輸組裝長度有限，就不可避免中間有電纜連接接頭，由于電纜頭的制作工藝影響，無論是冷縮電纜頭還是熱縮電纜頭，造成電纜整體的防護性能有所下降。

2.2 密集型母線

密集型母線采用“三明治”結構，導體與導體之間、導體與外殼用填充絕緣材料，例如聚四氟聚丙烯樹脂等，母線的整體尺寸較小，單段母線一般長3米，能夠解決單根母線承載大電流要求，敷設空間要求不高，可以直接轉直角彎，但防護水平取決于鋁鎂合金等材質外殼的密閉水平，一般都不超過IP54。若密集型母線長期浸泡在水中，會出現外殼銹蝕、絕緣下降，甚至破壞造成短路情況。

2.3 管型母線

管型母線增大導體表面積，減少集膚效應的影響，降低了溫升，使其額定電流溫升從50K 降低至30K（降低40%），減少絕緣材料老化進程，降低線路損耗，由于管型母線的“套筒”結構特點，受加工工藝的限制，一般在2000A 以上大載流量及大短路電流、110kV 高電壓回路中使用較為普遍，造價較高。管狀母線單段長度為8m，中間接頭一般都在現場施工，采取抱窟的方式，絕緣層和防護層通過熱縮方式制作完成[4]，防護等級受現場施工工藝、操作精確度等因素影響大，防護等級可到達IP67。

2.4 澆筑型母線

采用絕緣復合材料將母線直接澆注密封的母線槽。電壓等級在10kV 以下，電流值一般在1000A以上使用。由于其是澆筑結構，對澆筑絕緣材料要求性能要求比較高，要求既有良好的傳熱性、又對致密性要求高，同時要求有很好的機械性能，要保證其有一定強度。整體澆筑使得母線整體防護等級能達到IP68。從電氣性能和物理防護水平等綜合考慮，結合安裝條件等因素，本工程中選擇采用澆筑型母線作為電能輸送載體，敷設在室外電纜通廊和電纜溝內。

3 采用澆筑母線在工程中選擇的思考

隨著我國制造工業的發展，國內生產澆筑母線的廠家如雨后春筍似的出現了很多，國家也相應推出了了國家規范《澆筑母線》JB/T13690-2019，但在選擇澆筑母線的時候應該結合自己工程的特點，綜合考慮澆筑母線指標，例如絕緣防護層的絕緣性、絕緣材料的熱傳導性等考查指標。下面幾點是值得工程師在選擇澆筑母線時應注意的幾點建議。

3.1 防護層的絕緣性

澆筑母線結構緊湊，成品尺寸較小，母線各相線銅牌之間的距離較近，在相間填充絕緣復合要求絕緣性能要求高，在《澆筑母線》JB/T13690-2019中明確要求相間的電阻值不小于200MΩ，兩節母線澆筑連接后，連接處浸水96小時，要求相間絕緣電阻不小于150MΩ。在我國絕大多數都是采用環氧樹脂添加一部分改良材料作為澆筑材料，在干燥的環境中都可以達到規范要求的絕緣值。但在被水浸泡的環境絕緣水平讓人擔憂。

像在本工程中敷設環境為電纜夾層、室外地溝、電纜通廊，該場區地下水位高，由于施工工藝等種種原因，存在室外地溝、室外電纜通廊內積水較多的可能性，甚至在雨季排水不正常時，部分地勢較低的部分會出現全淹沒的情況，整個電纜通道都被水淹沒情況，這樣就要求母線的防護等級應該盡量高。母線的防護等級高，就是要求絕緣材料的水密性越好，即絕緣介子的孔隙不應大于水分子的直徑0.4納米。目前市面上有個別廠家為了追求質量輕，添加某些輕質多孔材料，在浸泡過程中極有可能出現相間絕緣電阻降低情況。

3.2 絕緣材料的熱傳導性

澆筑母線結構緊湊，母線尺寸較小，相間距離近，散熱性能相對較差，會影響導體的載流量，就要求絕緣材料的傳熱性好，及時將導體的產生的熱量傳遞出去，不能使母線溫度上升過高，會出現絕緣材料的電阻、擊穿強度、機械強度等性能都會降低。在JB/T13690中明確要求，給出的溫升限值要求在使用條件下周圍空氣平均溫度不超過35℃。并指出母線槽絕緣復合材料澆注體應經受干熱試驗：溫度為125℃±20℃，自然通風，試驗持續168h 后，試樣恢復96h。試驗后表面應沒有可見裂紋，其材料也沒有變為粘性或油脂性。

溫升限值具體值如下：用于連接外部絕緣導線的端子溫升70K；母線固定連接處溫升70K；可接近的外殼絕緣材料表面溫升40K，對在正常工作情況下不需觸及的外殼，溫升限值可以是55K。可知澆筑母線的絕緣層耐熱性最低不能低于115℃。應考慮到敷設環境的密閉等因素，選用的澆筑母線的耐熱等級不應低于F 級，溫度為155℃。同時絕緣材料還應有很好的導熱性。因此在選擇澆筑母線的絕緣材料時，應選用導熱系數大、比熱容較小的物質作為環氧樹脂添加劑的復合絕緣材料。

3.3 導體的截面積

個別廠家在為了增強競爭力，就縮小銅導體的截面、減少造價，但為了通過溫升試驗，就減少外層的絕緣層厚度，犧牲了絕緣性能。從澆筑母線的結構特點，當其安裝在電纜支架時澆筑母排與銅牌支架上一般都加裝絕緣墊，使得澆筑母線的銅排和接地的電纜之間就形成了電容器的結構，電容器中有兩種介質，一層為環氧樹脂負荷材料、一層為空氣。結構形式相當于兩個電容串聯。

由電容串聯電壓分配計算公式：C=εS/d（公式1）、1/C=1/C1+1/C2（ 公式2）、C=(ε1ε2S)/(ε1d2+ε2d1)（公式3），兩個電容上的電荷Q 一樣，由Q=CU（公式4）得到U1×C1=U2×C2，即U1/U2=C2/C1，電壓分布和電容容量成反比。可以看出，當給澆筑母線施加足夠高的電壓時，澆筑母排與電纜支架之間等值電容值十分小時可能會出現局部放電的放電的情況。建議10kV 及以上高壓線路中應用澆筑母線時，首先應按照國家規范要求的各種型式試驗指標，同時應按經濟密度規定母排的截面積增加金屬外殼，外殼要可靠接地，避免在運行中出現人員安全事故。

3.4 母線伸縮節的設置

母線伸縮節是指補償母線因溫度變化引起的變形和振動變形的伸縮性連接件。母線伸縮節，俗稱軟連接，是用來補償母線溫差變形和振動變形的伸縮性連接件，由多層銅（鋁）片和側銅（鋁）板焊接而成，有一定的伸縮性，安裝后銅（鋁）片一般呈Ω 形。

澆筑母線內的導體是銅，熱膨脹系數17.7×10-6米/℃,按照溫升達到規范的70℃，本工程母線的最長量為700m，銅母線的伸長量為0.01m，即為1cm，可以忽略這點變化量，在母線中間可以不設伸縮節。但要在澆筑母排敷設時固定時水平夾盡量留一定余量，不要把母線固定太死，在與配電柜連接處設置伸縮節連接，彌補因溫度變化引起母線長短的變化量。

綜上，本文結合某工程用電量及地理環境特點，對電能輸送導體進行了綜合的比較，最終確定運用環氧樹脂澆筑母線作為電能輸送介質。并在澆筑母線選擇中應該注意的問題進行綜合的論述，對10kV和0.4kV 大電流能量輸送應用有一定的借鑒意義。