绝缘铜管型母线在水电站的应用

绝缘铜管型母线在水电站的应用

曹苡铭

四川省水利规划研究院 610072

摘要：随着信息技术发展，电网技术也在逐渐完善，伴随而来的新技术、新材料和新设备也在我国普遍应用。绝缘铜管型母线是我国近年来的新兴技术产品，由于其安全性在我国电力产业逐渐普及，应用范围越来越广泛。本文对绝缘管型母线进行研究，并找出绝缘管型母线运用在水电站中应用的优势，并与其他型式母线进行对比，确保绝缘管母线应用优势，并促进绝缘管型母线技术发展。

关键词：绝缘；铜管型母线；水电站；应用；

随着水电站在我国建设越来越广泛，传统中小型水电站的发电机出口的母线一般采用电力电缆及共箱封闭母线进行链接。随着水电站发电机额定容量的扩大，其发电机出口多数用共箱封闭母线进行连接，然而共箱封闭母线技术和结构无法满足短路电动力和母线散热条件较差的情况，所以容易增加母线损耗，导致截流能力下降，造成电流分布不均匀现象。并且共箱封闭母线体积较大，不能满足紧凑化的要求。所以绝缘管型母线出现可以对以上问题进行有效解决，增加材料使用率，提高母线机械强度，减少空间的使用。

1、母线的选择

我国水电站中小发电机出口额定电压一般在13.8kV及以下，额定电流在4000A以下，由于传统发电机出口由电缆或共箱封闭母线连接，所以在电缆选择需要多根电缆进行并联，所以存在安装困难等方面诸多问题。共箱封闭母线的使用同样需要多跟矩形铜导体进行并联处理，导致其集肤效应系统增大，增加铜导体热量，导致截流能力降低，使电流分布极度不均，导致水电站运行不稳定。然而绝缘铜管母线是根据各用电行业的需求，所研制出的新型产品，其载流量大集肤效应低，损耗小温升低，为水电站运行提供良好基础，并有效确保其运行安全，并且绝缘铜管母线的生产结合我国节能环保的理念，确保其发展具有可持续性^[1]。

由于我国水轮发电机出口电压在13.8kV以下，电流在4000A以下，所以对传统母线和绝缘管型母线进行对比，得结论如下：持续工作电流在1000A以下时，可以选用电缆进行链接，电缆可以满足水电站运行，同时减少经济使用，但是由于电缆强度较低，所以在电缆内电流运输过程较长时运输比较困难；持续工作电流在1000A-3000A时，电机出口选用电缆连接时，需要采用多根并联的方式，并且仍然会出现电流分布不均匀的情况，且在电缆链接接头处理较为麻烦，且要求较高，运用共箱封闭母线连接不仅造成材料应用过多，还会对自身造成极大损耗，并且容易使温度过高，造成故障点过多对其检修成本较高；持续工作电流在3000A以上时，电缆和共箱封闭母线无法满足大电流需求，所以绝缘管型母线的出现，解决了传统母线的危机，运用其强度高、导电效能好、损耗低和性价比高的特点在同样行业突出。

2、绝缘铜管母线的结构和优点

2.1 结构

绝缘管型母线结构如下图：

图一 绝缘管型母线结构

①导电铜管；②半导电铜管；③主绝缘层；④均压层；⑤金属屏蔽层；⑥绝缘管；⑦绝缘护套管组成。绝缘铜管的制作是运用弯管进行加工，之后在恒温无尘的情况下，对其进行绝缘处理。其绝缘管在运用中，应该是铜管母线与出口进行链接，并运用弧形金属板和螺栓将软铜线进行固定，确保在运行时电阻为零或忽略不计，并可保证在运行过程中温度低于其他导体。在母线与母线连接时，应该运用进口铜套或不锈钢套在链接母线上进行固定，防止运行过程电阻过高，降低运行时产生的温度。

2.2 优点

（1）相较于其他母线，绝缘管型母线载流量较大，由于绝缘管型母线的导体是导电铜管或猛铝合金等材料组成，导体为空心圆管，相较于电缆和共箱封闭母线中的矩形导体具有面积大的特点，且铜管导体表面分布电流和电场均匀和起始可用电压高等特点。同时铜管导体集肤效应系数较小接近1，且电流和电阻在运行过程也较小，所以母线的损耗率较小。根据以上分析绝缘管型母线是在水电站运行过程中最理想的材料^[2]。

（2）绝缘管型母线具有集肤效应低、电流分布均匀、电阻小和母线损耗较低的优点。

（3）绝缘管型母线为屏蔽式母线，管套为绝缘材料，并且其外表屏蔽外壳具有屏蔽金属、密封和防水的金属材料，在其接触地面时电阻为零。

在绝缘管型母线制作时主绝缘材料厚度为5.0mm，其工作频率为每分钟55kV，在运行过程中35kV母线的耐压程度可达到200kV，并且可以隔绝外部潮湿环境和灰尘对其影响，有利于防止意外和人为操作过程中发生的短路状况，确保运行效率和安全性。

4. 在应用对比过程中绝缘管型母线允许通过的电流是共箱封闭母线的几倍，其铜管母线可以有效承受短路对其造成的损害，并且铜管母线机械强度大，可以支持电流跨越较长距离。同时绝缘管型母线有制作结构简单、布置清晰、安装简捷和减少工作量的特点。

5. 由于绝缘管型母线内导体为空心，所在内径中可以产生空气对流，并且具有散热好和降低温度等特性。并且在连接后阻力较小、温度低的特点，和终端连接头和中间链接均采用管或套对其进行链接，使连接接口受力均匀，且有效增加其基础的表面积，防止接头滑落现象。

3、绝缘铜管母线设计

下图为某水电站运用绝缘管型母线进行连接的设计方案：

图二 绝缘管型母线连接设计

在上图中绝缘管型母线内导体支撑结构部件之间跨距为6m，其中水电站电机容量为3×40MW。所选用的铜管母线为φ80/8（外直径为80，管壁厚度为8）。

（1）设置短路电机内水平弯矩为M，短路电动力为f_d，其计算公式如下：

（2）根据电站和系统电路的电流进行计算，10kV短路电流为：

Ich=2.55×Id=2.55×37.57=95.81kA ;

（3）当导体间隔距离为α=300mm，管型母线震动数为β=0.58，因此

fd=1.75（95.81/30）×0.58=312.29kg/m ；M=0.125×f_d×L²×9.8=0.125×95.81×36×9.8=4225.3NM ;

（4）当电机短路时，其母线所承受的最大应力为σ=100M/W，铜管导体的截面系数为W=0.1[(D2-d2)/D]=59.04。所以当σ=100（4225.3/59.04)=7156.7N/cm²该值小于铜导体最大允许应力13720N/cm²，所以符合短路电动力需求。

根据以上公式和计算可以得出，在母线需跨越长距离时，水电站10kV绝缘铜管母线的跨越距离为6m时可以满足短路电动力的需求，并且对内部支撑结构部件进行相对减少，母线结构简洁明显、并且极大程度减少安装时的工程量，从而达到电站稳定运行的最终目的^[3]。

结束语：

综上所述，为顺应时代发展，并且由于传统母线无法更好满足水轮发电机额定容量日益扩大，水电站空间紧凑、运行条件较差的特点，所以新兴技术绝缘管型母线顺应形势而出。绝缘管型母线具有很多优点，其最主要优势为强度高、损耗小、载流能力强、结构紧凑的特点，虽然造价成本较高，但相对性价比也较高，以上提出了用绝缘铜管母线作为发电机出口母线的设计方案,已在水电站中进行了应用,投产以来设备运行情况良好,达到了为电站节能降耗的要求。

参考文献：

[1]阮羚,李成磊,杨帆,李鹏虎,朱思瑞,高乃奎,金海云.绝缘管型母线的发展现状及研究动向[J].高压电器,2021,54(04):43-53.

[2]杨国清,寇长珍,王德意,刘菁,李平,杨昭.碳纳米管-玻璃纤维绝缘导热复合材料的制备及性能研究[J].大电机技术,2020(02):1-8.

[3]廖言宝,江炊福,龙洋,游勇华.渗水对10 kV全绝缘管型母线屏蔽筒的影响研究[J].江西电力,2020,44(12):6-9+13.