浅谈10KV共箱封闭母线的设计与计算

浅谈10KV共箱封闭母线的设计与计算

张佳

威腾电气集团股份有限公司

摘要：本文研究了GFM系列10KV共箱封闭母线的设计与计算，通过深入分析母线系统中的导体设计、外壳与屏蔽保护功能，以及稳定性提升措施，实验与结果分析部分详细计算了母线发热量与散热量，验证了系统设计的可行性，旨在提升共箱母线系统的传输效率与安全性，通过精确的设计与材料选择，GFM系列母线能够满足热平衡要求，保证了长期稳定运行。

关键词:10KV；共箱封闭母线；热平衡；计算

一、绪论

在现代大型电力系统的构建与运行中，母线作为一种重要的电气设备承担着连接发电机、变压器、分配装置等电力设施的核心角色，保障电力系统的高效与安全。随着电力市场的快速发展和电网负荷的日益增加，对电力系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。尤其是在发电机组和变电站这样的关键环节，母线的设计和性能直接关联到整个电力系统的稳定运行和供电安全。10KV共箱封闭母线以其独特的设计理念和技术优势，成为当前电力系统设计中不可或缺的一部分。[1]该技术通过将母线密封在共同的保护箱内，有效避免了环境因素对母线系统的影响，提升了电力传输的可靠性和安全性。同时，采用先进的材料和设计方案，如矩形、槽形、管形导体，以及铝制或弱磁钢板外壳，不仅进一步提高了母线的电流传输能力和系统的整体稳定性，而且在维护工作量和运行成本上也有所降低。本文通过对GFM系列共箱封闭母线的技术特点及设计要点进行系统分析，为电力系统的未来发展提供技术支持和理论参考。

二、GFM系列共箱封闭母线

GFM系列共箱封闭母线作为一种先进的电力传输设备，在现代电力系统中的应用愈发广泛。其主要应用于发电机组厂用回路、小水电机组出线与主变压器之间的连接主回路，以及变电站变压器联络回路中，承担着电流传输的重要任务。此类母线的设计旨在提高电力系统的传输效率与安全性，满足高负荷电力传输的需求。

GFM系列共箱封闭母线的核心优势在于其高性能的设计方案。首先，电流等级的设计范围广，从1000A扩展至6800A，电压等级也涵盖了6.3kV至35kV，满足不同规模电力系统的需求；其次，导体材料的选择上具有多样性，包括矩形、槽形、管形铜或铝材，为工程设计提供了灵活性。在外壳材料选择上，采用铝制或弱磁钢板屏蔽保护，这种设计不仅减轻了结构重量，还有效降低了电磁干扰，同时也大幅度减少了维护工作量。[2]

为了进一步提高系统的可靠性和稳定性，GFM系列共箱封闭母线采用了配套电缆伴热装置，确保了母线内部绝缘性能不受外界环境的影响，有效防止了由于温度变化导致的绝缘性能降低，提升了系统的稳定性。此外，为了实时监控母线的运行状态，该系列母线还可以配套导体温度便携式或在线式监测系统，通过实时数据采集和分析，提高了母线系统运行的安全性。

在附属设备的配置上，GFM系列共箱封闭母线同样表现出色。配套的附属设备柜及元器件，包括电压互感器与避雷器组合柜、励磁柜、中性点接地柜、母线式电流互感器、避雷器等，为整个电力系统的稳定运行提供了强有力的保障。这些配套设备的设计和配置，充分考虑了系统的整体性能和安全需求，确保了电力传输的高效性和稳定性。[3]

注：上表均为海拔1000米及以下共箱封闭母线及其附属设备的参数。

三、设计要点分析

1、铜和铝作为导体基材各有优劣

铜和铝则是最常用的封闭母线导体材料。铜材料因其优越的导电性和耐热性，被广泛应用于各种电气系统的导体设计中。铜导体能够提供更高的电流载流能力和更低的电阻损失，适合于要求严格的电力传输应用。相比之下，铝材料虽然在导电性能上略逊于铜，但其轻质、成本低廉的特点使其成为大型电力系统中的另一种经济高效的选择。

[4]铝导体特别适用于那些对重量和成本敏感的应用场景。导体材料的选择不仅影响电流传输能力，还直接关联到系统的经济性和可靠性。铜导体虽然提供了更高的性能，但其成本也相对较高；而铝导体则提供了一种成本效益较高的解决方案。在实际应用中，导体的选择需要综合考虑电流传输需求、系统成本、维护便利性以及安装环境等因素。

2、导体形状设计

导体的截面形状和材料选择直接影响到母线的动热稳定和导电性能，矩形、槽形、管形是导体常见的三种截面形状。每种形状和材料的选择都基于其特定的物理性能和应用需求，从而对电流传输能力产生不同的影响。

矩形导体因其较大的表面积，通常用于电流需求较高的应用场景。其设计优化了导体与外壳之间的空间利用，使得热量散发更为有效，从而降低了运行过程中的温升。此外，矩形导体在制造和安装过程中也显示出较高的灵活性。槽形导体设计则进一步增加了表面积，提供了更好的热散失性能，特别适用于超高电流传输需求的情况。管形导体由于其独特的空心结构，提供了良好的散热和电流集肤效应，适合于高频电流传输。

3、外壳设计与屏蔽保护设计

外壳与屏蔽保护功能是指减少母线运行的电磁效应，以及保护导体方便维护维修。铝制或弱磁钢板作为外壳材料的选择，不仅考虑了其物理和化学特性，还考虑了其在电磁屏蔽方面的优势。外壳的主要功能是为母线系统提供物理保护，防止外界环境因素如灰尘、水分和机械冲击对母线的影响，同时也为母线系统提供了必要的电磁屏蔽，减少了电磁干扰（EMI）对系统性能的影响；铝制外壳因其轻质、导电性好和成本相对较低的特点，被广泛应用于共箱封闭母线系统。铝材料能有效反射和吸收电磁波，从而减少了外部电磁干扰的影响。同时，铝制外壳在设计中还考虑了散热性能，帮助母线系统有效散发运行过程中产生的热量，保持系统的稳定性；弱磁钢板外壳在提供物理保护和电磁屏蔽的同时，还考虑了其在屏蔽低频磁场方面的特性。弱磁材料可以有效降低低频磁场对母线系统内部电路的影响，减少能量损耗，提高系统的能效和可靠性。此外，弱磁钢板具有较好的机械强度，能够承受更大的外部冲击，为母线系统提供了坚固的物理屏障。

4、伴热装置的设计

伴热装置设计可以提升母线运行的稳定性。该技术通过控制母线系统内部的温度，避免由于外界温度变化导致的内部绝缘性能下降，从而提高了系统的稳定性和可靠性。电缆伴热装置的工作原理基于电热效应，即当电流通过导体时，导体的电阻会将电能转换为热能。通过精确控制通过伴热导体的电流大小，可以实现对母线系统内部环境温度的精确调节。具体而言，伴热装置通过感应或直接加热的方式，保持母线系统内部在一个预设的温度范围内，防止低温下绝缘材料因冷缩而引起的绝缘性能降低，或是高温条件下绝缘材料老化加速，影响系统的安全运行。

四、实验与结果分析

本节对封闭母线系统进行了详细的热平衡分析，考察了在额定电流3500A条件下，系统的发热量与散热量之间的关系。通过精确计算旨在验证系统在特定工作条件下的热稳定性，确保其长期稳定运行。实验采用的母线系统规格为两片母排，每片尺寸为125mm*10mm，相间中心距250mm，外壳尺寸为宽度880mm，高度550mm。

首先，对母线的发热量进行了计算。对封闭母线系统的母线发热量进行了计算。根据额定电流I=30A和母排截面积S=2500mm²，发热量的计算依据以下公式：

其中，为铜导体在20℃时的电阻率，为温度系数，为集肤效应系数。通过代入计算，得到85℃时每相母线的交流电阻。

利用上述电阻值，进一步计算三相母线的总发热量Pm：

代入和，计算得到的三相母线总发热量。

外壳的散热计算考虑了对流散热和辐射散热两个方面。对流散热量根据以下公式计算：

其中，是对流换热系数，通过努谢尔特数计算得出，是每米外壳的散热面积。辐射散热量依据斯特藩-玻尔兹曼定律计算：

计算得到的每米外壳总散热量448.1W。母线导体的散热量计算分为对流散热和辐射散热两部分。对流散热量通过对流换热系数计算得出，而辐射散热量则考虑到辐射角系数的影响，分别对中相和边相导体进行了计算。中相母线每米总散热量为143W/m，边相母线每米总散热量为153W/m，由此可以确认封闭母线系统在设计工作条件下的热平衡状态。

五、总结

本文探讨了GFM系列10KV共箱封闭母线的设计要点及其在电力系统中的应用效果。通过对导体设计、外壳与屏蔽保护以及稳定性提升措施的深入分析，结合实验与结果验证，确认了其优化电力传输效率与安全性的能力。实验结果表明，GFM系列母线能够有效满足热平衡要求，确保系统的长期稳定运行。对10KV共箱母线的设计研发提供了重要参考。

参考文献

[1]阮刚. 10kV共箱封闭母线进户中间穿墙结构优化技改小结[J]. 中氮肥, 2022, (06): 77-80.

[2]仇汉桢. 共箱封闭母线绝缘下降、闪络的解决方法[J]. 今日制造与升级, 2022, (09): 89-93.

[3]雷翔胜, 王彦峰. 全绝缘浇注母线在10kV母线连接中的性能研究[J]. 能源与环保, 2022, 44 (08): 190-193.

[4]许震. 1000MW机组发电机励磁交直流共箱母线技改为全绝缘浇注母线的方法[J]. 电世界, 2020, 61 (08): 25-26.