大容量主变低压侧母线的选择
［摘要］文章提出用绝缘铜管母线代替常规矩形母线桥的设计方法，并在实际工程中加以应用，改善母线材料的有效利用率，提高母线机械强度，防止人身触及带电母线及金属物落到母线上产生相间短路等，对变电站的安全运行、提高供电可靠性、降低损耗起到积极的作用。
［关键词］绝缘铜管母线；大容量主变；设计；选择
［作者简介］谭美燕，海南电力设计研究院，海南海口，570203
［中图分类号］ TM245［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2010）10-0122-0003
一、前言
随着经济持续稳定发展，人民生活水平不断提高，整个社会用电的需求也就越来越大。对于电力行业而言，继续加大对电力基础设施的建设、保证现有各级变电站对用户持续可靠的供电是保障经济社会发展、树立起自身服务于社会的良好企业形象的重要举措。同时，作为提高电网的科学管理水平和科技进步程度的重要标志，目前城乡变电站的无人值班化正在成为趋势。因此，对用户持续可靠地供电，给供电部门在变电站内的设备选择、平面布置及运行方式上提出了更高的要求。
二、提出问题及改进方法
随着变电站主变容量的加大，变压器低压侧母线额定电流不断增加，在以往工程中采用多片矩形导体已不适应工作在电流大的回路，而且矩形母线在技术和结构上都很难满足母线发热和电动力的要求，由此引起附加损耗、集肤效应系数的增大，造成载流能力下降、电流分布不均匀。主变低压侧不仅有母线桥本身电动力问题、发热问题，还有母线桥支柱绝缘子、钢构架以及母线桥附近混凝土柱、基础内的钢筋在交变强磁场中感应涡流引起的发热问题，一旦母线短路，敞露母线、支柱绝缘子、变压器绕组都会遭受损伤，影响变电站的安全运行、供电的可靠性。目前很多变电站均给母排增加绝缘护套，但无形中也增加了耗材及施工工作量。因此，本文提出以绝缘铜管母线替代矩形母线的设计方法，并在实际工程中加以应用，不仅改善了母线材料的有效利用率，提高母线机械强度，防止人身触及带电母线及金属物落到母线上产生相间短路等，对变电站的安全运行、提高供电可靠性、降低损耗起到了积极的作用，也为今后变电站的安全可靠运行提供参考作用。
三、绝缘铜管母线优于常规矩形母线之处
（一）载流量大
绝缘铜管母线为空心导体，表面积大，导体表面电流密度分布均匀，例如铜管导体为Φ100×5mm，截面积1491mm2，载流量4000A，电流密度2.68（A/mm2）；铜管导体为Φ100×10mm，截面积 2826mm2，载流量6000A，电流密度2.12（A/mm2）。由此可见，绝缘母线特别适合工作电流大的回路。（二）集肤效应低、功率损失小
单片矩形铜导体具有集肤效应系数小的优点，由于受载流量限制，只适用于I≤2000A的回路。对于大电流回路，常规选择的多片矩形铜导体的集肤效应系数比单片大，所以附加损耗增大。因此，载流量不是随导体片数增加而线形增加的，尤其是每相超过三片以上时，导体的集肤效应系数显著增大。
就管形导体的种类而言，目前实际应用的有铝锰合金管、铝镁合金管及绝缘铜管母线。由于是空芯导体，因此集肤效应系数小。由于铜导体的直流电阻大于铝锰及铝镁合金导体，因此其集肤效应系数随着管径增大（管壁厚度保持不变）而更趋向于1，使得导体载流特性更好。
（三）散热条件好、温升低
矩形母线随着导体片数的增加，集肤效应系数不断加大，单位截面的有效载流量下降，片与片之间电流分布不均匀，附加损耗增大，散热条件差等。而绝缘铜管母线为空心导体，母线内径风道能自然形成热空气对流（室内和室外的气压差，能自然形成热空气对流），散热条件好。
（四）允许应力[σ]大，机械强度高
绝缘铜管母线的允许应力为矩形母线的4倍，可承受的短路电流大，机械强度高，其母线支撑跨距相应可加大。绝缘铜管母线可直接进入高压室与户内限流电抗器或10kV开关柜连接，减少了相应的支柱绝缘子、母线金具以及土建支架基础。
（五）电气绝缘性能强
绝缘铜管母线采用密封屏蔽绝缘方式，外壳接地电位为零。由于电气屏蔽具有：（1）使电场分布均匀；（2）控制电位和限制电场；（3）避免在绝缘表面产生局部放电；（4）传导泄漏电流和充电电流；（5）对危险的接触电压进行防护等特性。因此，这种带屏蔽的绝缘铜管母线电场分布均匀，电气绝缘性能强。
（六）绝缘材料耐热系数高
管形绝缘母线主绝缘材料采用聚四氟乙烯，可在－250℃～＋250℃中工作，有优良的电气性能和化学稳定性，介质损耗小、阻燃、耐老化，使用寿命≥40年。
（七）抗电器震动能力强
直接将管形绝缘母线固定在钢构架上或混凝土支架上，取消穿墙套管和支柱绝缘子，具有较强的抗震动能力。
（八）不受环境干扰，可靠性高
管形绝缘母线的每相是封闭屏蔽绝缘，内部无凝露产生，且消除了外界潮气、灰尘以及外物所引起的接地和相间短路故障，运行具有高度的可靠性。相比之下，矩形母线暴露在环境中，容易受人、动物（如老鼠等）以及其他物体偶然接触而发生接地和短路，不利于安全运行。
（九）架构简明、布置清晰、安装方便、维护工作量少
绝缘铜管母线敷设根据计算敷设跨距较大，因此所需的绝缘子等支持金具和土建支架基础的用量小得多。采用绝缘铜管母线，其与主变压器端子和10kV开关柜的连接也十分简单，并且铜的温度线膨胀系数小于铝及其合金导体，因此根据计算，在不长的距离内铜管母线无需加装母线伸缩节（导体与主变端子之间必须装设）。根据目前绝缘铜管母线的市场供货情况来看，常规条件下，供货厂商基本负责管母线现场施工、安装的所有费用，对于用户而言，可大大简化施工内容。
四、硬导体的选型
根据《导体和电器选择设计技术规定》的原则，硬导体除满足工作电流、机械强度和电晕要求外，导体形状还应满足下列要求：
（1）电流分布均匀（即集肤效应系数尽可能低）；
（2）机械强度高；
（3）散热良好；
（4）有利于提高电晕起始电压；
（5）安装、检修简单，连接方便。
因此，选择导体方案参照上述各条定性进行。
五、工程实例计算
根据以上论述绝缘铜管母线优于铜母排的特点及硬导体的选型原则，在海口长流220kV变电站中选用10kV绝缘铜管母线。以下为该工程实例计算。
（一）工程实例
图1为海口长流220kV变电站的#1主变进线敷设长度25m。
海口长流变的主变压器容量比为：180/180/90MVA；
电压等级为：230±8×1.25%/115/10.5kV；
考虑到10kV负荷最大为50MVA，则主变10kV侧进线额定电流：
经济电流密度查表得：J=1.2A/mm2；
经济截面S=IN/J=2887/1.2=2406(mm2)；
按照常规方式，导体可选择3×TMY-125×10，载流量约为4731A；
并且导体支持绝缘子的跨距为不大于2m（按照机械强度及机械共振要求）。以下对管形母线载流量及所受的电动力进行校验。
（二）动热稳定计算
根据主变10kV额定电流，选择10kV,4000A的铜管母线。
基本参数：
1.气象条件：最大风速Vmax=40m/s，内过电压风速Vn=25m/s。
2.三相短路电流峰值：ich=211KA。
3.结构尺寸：跨距为7m，支持金具总长为3m，计算跨距Ljs=4m，相间距离a=60cm，按单跨梁进行计算。
4.铜管母线参数：φ100×10，温度线膨胀系数为16.42×10-6/℃，弹性模具E=107N/cm2，惯性半径3.2016cm，导体截面积2826mm2，自重q1=25.2kg/m，导体截面系数W=59.04cm3,导体惯性矩I=289.665cm4，密度为8.9g/cm3，拉制铜管最大允许应力σmax≥31500 N/cm2，管形母线振动系数β=0.58。
（1）正常状态时母线所受的最大弯矩Mmax和应力σmax的计算正常状态时母线所受的最大弯矩由母线自重产生的垂直弯矩及最大风速产生的水平弯矩组成，计算如下：
母线自重产生的水平弯矩Mcz为：
由表查得均布荷载最大弯矩系数为0.125，则弯矩为：
Mcz=0.125q1Ljs2×9.8=0.125×25.2×4×4×9.8=494Nm
最大风速产生的水平弯矩Msf，取风速不均匀系数av=1，取空气动力系数Kv=1.2，最大风速Vmax=40m/s，则风压为：
Fv=avKvD1Vmax2/16=1×1.2×0.1×402/16=
12kg/m
Msf=0.125FvLjs2×9.8=0.125×12×4×4×9.8=235.2Nm
正常状态时母线所承受的最大弯矩及应力为：
σmax=100×Mmax/59.04=927N/cm2 ＜铜管最大的允许应力31500 N/cm2。
（2）短路状态时母线所受的最大弯矩Md和σd的计算：
短路状态时母线所受的最大弯矩由导体自重、短路电动力及对应于内过电压情况下的风速所产生的最大弯矩组成：
短路电动力产生的水平弯矩Msd及短路电动力fd为：
σmax=100× Md/59.04=100×14958/59.04
=25336N/cm2＜铜管最大允许应力31500N/cm2。
（3）地震时母线所受的最大弯矩Mdz和σdz的计算：
1）地震力产生的水平弯矩Mdx为：
c、地震时母线所承受的最大弯矩及应力
σmax=100×Mdz/59.04=949 N/cm2 ＜铜管最大允许应力31500 N/cm2。
（上接第124页）
（4）挠度效验计算：
母线自重产生的挠度，在x＝0.4215lfs处有最大挠度均布荷重挠度计算系数0.521
（三）结论
该母线选型完全符合动稳定设计要求。因此，本工程选择10kV额定电流为4000A的绝缘铜管母线代替常规的铜母排，不仅大大减少了支柱绝缘子及其安装金具的数量，提高了母线机械强度，提高供电可靠性，降低了损耗，使施工过程也简化了，而且整体布局上较美观、整洁。
六、结语
本文提出了用绝缘铜管母线代替常规矩形母线桥的设计方法，该方法已在全国多个变电所中实行，运行情况良好，是无人值班变电所的优先选择，可在今后的工程建设中进行推广应用，对变电所的安全运行、提高供电可靠性、降低损耗起到积极的作用。
［参考文献］
［1］西北电力设计院.电力工程电气设计手册［S］.北京:中国电力出版社,1996.
［2］导体和电器选择设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社,2005.
［3］220kV～500kV变电所设计技术规程DL/T5218-2005［S］. 北京:中国电力出版社,2005.