环氧树脂浇注母线导体规格选型对于温升影响的研究

吕忠河

大连第一互感器有限责任公司  辽宁省大连市 116200

摘要  目前，国内生产的固体绝缘管型母线绝缘种类繁多，加工方法差异很大，各制造厂在母线导体规格的选择上通常根据自家生产设备的情况和物资采购情况来定，这样造成各个厂家的母线产品差异很大， 且很不规范，给工程设计中绝缘管型母线的选择造成很大困难。制造厂在整个工程实施过程中不能提供详细的母线载流量计算书。不同的制造厂对同种绝缘类型、同一电压电流等级的固体绝缘管型母线提供的母线导体规格差异很大，也没有考虑母线不同敷设方式、不同环境温度对载流量的修正。由于母线导体的规格没有形成系列，给母线的相关计算带来了非常大的困难，工程设计中对固体绝缘管型母线缺少载流量、机械强度和电容电流等必要的计算，严重影响了固体绝缘管型母线的设计和施工质量。整体来讲，国内外对固体绝缘管型母线的系列化研究较少， 技术投入严重不足。

关键词：  全绝缘母线；环氧树脂；导体规格；温升

引言

本研究配合相关标准编制，开展了针对环氧树脂浇注固体绝缘管型母线工艺产品不同产家的导体选型产生的温升影响的研究工作。针对国内常用的 10kV 固体绝缘管型母线产品，我们对国内两家主要的环氧树脂浇注固体绝缘管型母线制造厂的产品情况进行调查研究。

1.不同电流等级固体绝缘管型母线导体规格及相应的载流量计算；

2.不同电流等级的固体绝缘管型母线导体规格在同一环境温度下的导体温升及接头处温升；

针对上述两点内容，调查结果如下：

管型母线导体规格及相应载流量

各制造厂提供的与母线载流量对应的铜管导体规格和铝管导体规格

表 1-1各厂采用的铜管母导体规格（单位：mm）

额定电流 （A）	A 厂		B 厂
	导体规格（mm）	电流密度(A/mm²)	导体规格（mm）	电流密度（A/mm²)
1600	Ф50/10	1.27	Ф60/5	1.85
2000	Ф60/10	1.27	Ф60/7	1.72
2500	Ф65/12.5	1.21	Ф60/9	1.73
3150	Ф80/12.5	1.19	Ф60/10	2.0
4000	Ф90/12.5	1.31	Ф80/10	1.82
5000	Ф130/10	1.33	Ф100/10	1.77
6300	Ф150/10	1.43	Ф130/10	1.67
7000	Ф170/10	1.38	Ф150/10	1.6

抽取两个厂家其中两种电流密度差值较大的的导体规格进行温升曲线分析：

A厂3150A：

设定相应参数：

12.0 kV	额定电压
3150 A	额定电流
50 Hz	频率
40.0 °C	环境温度
80.00 mm	导体外径
12.50 mm	壁厚
105.00 mm	树脂外径
40 kA	额定短时热电流
90.0 °C	最高导体温度

得出计算温升曲线为：

----------上曲线导体温度                   ----------下曲线表面温度

B厂3150A：

设定相应参数：

12.0 kV	额定电压
3150 A	额定电流
50 Hz	频率
40.0 °C	环境温度
60.00 mm	导体外径
10.0 mm	壁厚
85.00 mm	树脂外径
40 kA	额定短时热电流
90.0 °C	最高导体温度

得出计算温升曲线为：

----------上曲线导体温度                   ----------下曲线表面温度

A厂4000A：

设定相应参数：

12.0 kV	额定电压
4000 A	额定电流
50 Hz	频率
40.0 °C	环境温度
90.00 mm	导体外径
12.50 mm	壁厚
115.00 mm	树脂外径
50 kA	额定短时热电流
90.0 °C	最高导体温度

得出计算温升曲线为：

----------上曲线导体温度               ----------下曲线表面温度

B厂4000A：

设定相应参数：

12.0 kV	额定电压
4000 A	额定电流
50 Hz	频率
40.0 °C	环境温度
80.00 mm	导体外径
10.0 mm	壁厚
105.00 mm	树脂外径
50 kA	额定短时热电流
90.0 °C	最高导体温度

得出计算温升曲线为：

----------上曲线导体温度                 ----------下曲线表面温度

取环境温度40°C,对比A厂和B厂的管母线，他们的导体选型规格在正常负载下的温度有较大的差别，在3150A额定电流下，A厂的导体表面温度60°C左右，表面温度83°C左右。而B厂的导体表面温度90°C左右，表面温度142°C左右。在4000A额定电流下，A厂的导体表面温度70°C左右，表面温度95°C左右。而B厂的导体表面温度90°C左右，表面温度135°C左右。依据《DLT 1658-2016 35kV及以下固体绝缘管型母线》行业标准中提出，母线的温升需要≤50K可以得出A厂在3150A的导体选型上是可以达到标准规范的，4000A的导体选型稍微超出标准温升值几K的值 。而B厂的导体选型则远远超出标准值。

为了验证理论计算的结果，选取4000A的两家管母线进行实验，也得到了同样的结论。

温度 时间	1	11	5	6	2	10	13	9	4	7	环温
9：00	32	31	32	32	32	31	32	32	32	32	35
10：00	48	56	47	57	47	56	48	56	47	57	35
11：00	60	70	59	72	59	71	59	72	59	71	35
12：00	62	78	61	79	61	79	62	78	61	78	35
13：00	62	81	63	81	62	82	63	83	62	81	35
14：00	65	85	64	86	65	85	65	86	64	85	35
15：00	66	85	64	87	65	86	65	86	64	86	35
16：00	68	86	67	87	68	87	67	86	68	86	35

从实验结果分析，在各几个主要点的不同时间下，同一位置的两家管母线成品表面温升变化基本遵循了计算曲线的走势。B厂的铜管选型温升不能达到使用要求。参考A厂4000A的的临界温升值，可以知道，在选取导体规格上，可以先从最基本的电流密度上作为主要的参考依据，选取电流密度在1.3A/mm²及以下的规格导体。其次当考虑集肤效应的影响，不能一味的增加壁厚来满足截面积的增大，在此需要引进一个集肤深度的概念，此深度的电流密度大小恰好为表面电流密度大小的1/e倍：

一般用集肤深度Δ来表示集肤效应，其表达式为：

其中：γ为导体的电导率，μ为导体的磁导率，f为工作频率。

参照公式，可计算出管母壁厚应选取≤12mm的规格。

对于导体选型，还应考虑机械强度层面，管母壁厚不宜太薄，在工程项目中，经常会出现一些复杂的空间走向，管母线就需要进行折弯处理，如果管壁太薄，在一段管母线上出现多点连续折弯，就会产生裂纹现象，从而影响母线的机械强度，机械强度根据母线截面模量公式，管型母线截面模量公式为：

W= π/32*(D4 - d4)， 其中D 为管母外径，d 为管母内径。

母线导体承受的应力与导体的截面系数成反比，管母导体的规格尺寸越小，其承受的应力越大。

参考值壁厚应取≥5mm为宜。

另一层面是制造能力，不同厂商在加工导体采取的模具是不同的，导体转弯半径通常取导体直径的3倍以上。对于6300A以上的大电流的绝缘母线，在选取导体规格时，应考虑其制造能力是否可满足需求，8000A的转弯半径往往能达到700mm以上。导体选取直径越大其转弯半径越大，其加工难度就会越困难。

结 论：

绝缘母线在变电站中主要是变压器到GIS室最主要的线路能源供应，其稳定性直接决定了整个变电站的安全可靠运行。作为检查在网运行最为简单的一项指标，温升检测起到了很重要的作用。温升长期处于一个超饱和的状态，对于绝缘层会产生一个疲劳消耗，对稳定性有很大隐患。本研究给出了环氧树脂浇注绝缘母线在控制温升方面对导体的选型规格给出了一些借鉴的方向及参数，对于提升全绝缘环氧树脂浇注母线的合理化设计起到一些积极作用。

参考文献：

[1]DLT 1658-2016 35kV及以下固体绝缘管型母线

[2] DLT 754-2013 母线焊接技术规程

[3] DLT 1059-2007 电力设备母线用热缩管

[4] GBT 3048－2007电线电缆电性能试验方法

[5] GBT 8349.2000 金 属 封 闭 母 线

[6] GBT 16927.1-1997　高电压试验技术

[7] 6-35kv输电线路接地系统分析

[8] GB 156-1993　标准电压

[9] GB 311.1-1997　高压输变电设备的绝缘配合

[10] GB 50150-1991　电气装置安装工程电气设备交接试验标准