一種用于中壓開關柜的新型銅管母線及其固定裝置設計

沈麗娥

（施耐德電氣（廈門）開關設備有限公司，福建廈門 361006）

0 引言

隨著世界經濟的高速發展，人們對電能的需求日益提高，與此同時，用戶對電力設備的需求已經從基本功能、參數等逐漸向高可靠性、操作維護便利性和經濟性等轉變。中壓開關柜及其控制設備是電力系統中極為重要的一環，本文介紹了一種銅管母線及其固定裝置在中壓空氣絕緣開關柜上的應用，其能夠提高開關柜的可靠性、操作性和經濟性。

1 中壓空氣絕緣開關柜傳統主回路結構

市場上的中壓空氣絕緣開關柜一般為金屬封閉開關設備，這種設備除進出線外，其余完全被接地金屬外殼封閉；而某些組成部件分別裝在接地的、用金屬隔板隔開的隔室中的金屬封閉開關設備為鎧裝式金屬封閉開關設備[1-2]。目前，很多廠家的空氣絕緣開關柜都是鎧裝式金屬封閉開關設備，根據《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》（GB/T 3906—2020）結構設計要求，這種開關柜一般由4個隔室組成：母線室、小車室、電纜室、低壓室。具體結構如圖1所示。

由圖1可知，用來傳遞電能的回路中的所有導電部件構成了開關柜的主回路[2]，主回路一般由母線、觸頭盒、靜觸頭、電流互感器、接地開關等組成，而傳統的母線一般為矩形扁母線，與之配套的固定裝置為母線靜觸頭和觸頭盒，這種矩形扁母線為實心的銅排，而與其配套的觸頭盒為相對封閉式觸頭盒。

圖1 中壓開關柜及傳統矩形扁母線、靜觸頭及觸頭盒主回路結構

2 新型銅管母線及其固定裝置的設計

圖1所示封閉式母線固定結構不利于安裝和維護，也不利于散熱，同時矩形母線周圍電場強度分布不夠均勻。眾所周知，當直流電流流經導體時，電流在導體界面上是均勻分布的，而當交變電流通過導體時，電流在導體截面上的分布將不再均勻，導體表面上各點的電流密度最大，而在導體中心軸線上的電流密度最小，由外向內從最大連續變化到最小，這種現象叫集膚效應[3]。頻率越高，集膚效應越顯著。

基于交流電的集膚效應，也為了有效利用導體材料以及方便安裝維護等操作，提出了一種新型銅管母線及其固定裝置的設計理念，如圖2所示。此設計在高頻電路中采用空心導體代替實心導體，既節省了銅導體材料，又增加了導體的機械強度，同時也改善了導體周圍的電場分布。此銅管母線與靜觸頭為一體式的集成設計，并設計配套的銅管母線固定裝置，含母線固定夾和敞開式套筒結構觸頭盒，方便安裝和操作，并且有利于散熱。同時，固定裝置結構及裝配簡單，易于加工，成本低。

圖2 新型銅管母線及其固定裝置

2.1 銅管母線

銅管母線為一種新型的載流導體，由于其為空心的管狀結構，散熱面積更大。在同等截面積下，具有更小的集膚效應系數，單位面積的載流量更大，銅材利用率更高。承載同樣大小的額定電流，銅管母線截面可以更小，有利于減少用銅量，降低生產成本；有利于減小交流電阻，降低母線功率損耗。

使用同樣的原材料，銅管母線為圓形截面，其表面電流密度分布更加均勻，機械強度更高，可耐受的電動力強于矩形截面的母線。

本設計的銅管母線端部設有通風孔，形成了熱空氣對流通道，并從結構上實現了將母線與靜觸頭融為一體，避免了傳統方案兩者連接時所產生的較大的接觸電阻，從而減少了發熱。此外，銅管母線上設計有定位孔，用于與配套的母線固定夾進行固定限位，保證銅排垂直度，其結構如圖3所示。

圖3 銅管母線與固定夾裝配

與傳統扁形母線相比，使用銅管母線可以降低開關柜的成本，提高產品競爭力，同時，管狀結構有利于提高母線的機械強度，也有利于均勻電場[4-6]，降低電場強度，提高產品的絕緣性能。

2.2 銅管母線固定夾

在現有結構的空氣絕緣中壓開關柜中使用銅管母線，設計的難點之一在于如何設計母線固定夾，以使其能夠將銅管母線有效地固定在開關柜中。本設計的銅管母線固定夾包括兩個夾具，該兩個夾具相拼接形成圓形夾持孔，用于夾緊銅管母線；每個夾具上設有連接孔，用于與觸頭盒連接配合；同時，每個夾具的拼接面分別設有導向凸臺和導向孔，導向凸臺與導向孔適配，方便對夾具進行定位固定并保證左右端面的平整度。其中一個夾具上設計有徑向貫通的定位孔，能夠實現母線夾在銅管母線的徑向可靠定位，保持銅管母線的垂直度，如圖4所示。本母線夾結構及裝配簡單，易于加工，成本低。

圖4 銅管母線固定夾

2.3 敞開式套筒結構固定觸頭盒

在現有結構的空氣絕緣中壓開關柜中使用銅管母線，存在的另一個設計難點在于如何設計觸頭盒，以適配夾持有銅管母線的組件在開關柜中的安裝。本設計的銅管母線固定觸頭盒如圖5所示，此觸頭盒為開口式套筒結構，方便母線安裝和散熱。觸頭盒本體設有通孔、通風孔及固定孔，適配上述銅管母線和母線固定夾。此外，觸頭盒本體設有絕緣保護飛邊，在銅管母線和母線室金屬隔板之間起到絕緣作用，保證銅管母線到柜體的距離符合標準的絕緣要求。觸頭盒設計的安裝孔與傳統扁形母線適配的封閉式觸頭盒安裝孔一致，實現在不改變柜體觸頭盒安裝板結構的前提下，與扁形母線適配的觸頭盒進行互換，最大限度匹配原開關柜的設計。

圖5 銅管母線固定觸頭盒

3 溫升試驗及電場模擬分析

3.1 溫升試驗

對采用本銅管母線及其固定母線裝置設計的開關柜進行溫升試驗，試驗測溫布點圖和試驗結果分別如圖6、表1所示。

圖6 試驗測溫布點圖

表1 溫升試驗結果

試驗表明，在銅排用量大大減少的情況下，此設計仍通過國家標準要求的溫升試驗。

3.2 電場模擬分析

通過計算機軟件模擬分析銅管母線及其固定裝置和傳統矩形母線及其固定裝置設計在開關柜中的電場強度，模擬模型為柜寬800 mm的開關柜母線室，如圖7所示，由圖可知，銅管對地和相間空氣凈距比矩形母線增大了。

圖7 新舊方案母線室模擬模型

圖8為模擬分析結果，由結果可知，母線由銅排改為銅管后電場分布得到了改善，銅管表面氣體中電場分布均勻度明顯提高，相同位置的場強降低了約30%，這種設計大大提高了開關柜的絕緣性能。

圖8 新舊方案銅排場強對比（A相加壓，其他兩相接地）

4 結語

隨著經濟發展，人們的用電需求日益提高，對中壓開關柜的安全性能及經濟性能的要求也越來越高，這就要求技術人員對開關柜結構設計的合理性、選材的正確性以及運行維護的方便性都給予足夠的重視和考慮。本文中壓空氣絕緣開關柜中銅管母線及其固定裝置的設計，在滿足溫升和強度要求的前提下，能夠改善開關柜的電場分布，提高開關柜的絕緣性能，節約銅排用材，降低開關柜成本，保證開關柜安全穩定高效經濟運行。