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低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接

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电工电气 (2012 No.3) 低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接 低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接 陈秀英 (福建省产品质量检验研究院,福建福州350002) 摘要: 合理选择母线、正确安装母线及处理好母线间的电气连接将影响低压成套开关设备的使 用性能、安全性能以及使用寿命。通过温升试验、主电路的短时耐受强度试验以及成套设备实际运行 方法,表明生产企业在定货产品设计时应以通过型式试验定型的典型设计图样为基础,安装时要严格 按照定型图样、选用规范及母线绝缘导线制作安装工艺进行。 关键词: 低压成套开关设备;母线选择;电气连接 中图分类号:TM591 文献标识码:B 文章编号:1007—3175(2012)03—0036—04 Selection,Installation and Electrical Connection of Low。Voltage Switchgear Assemblies Internal Busbars CHEN Xiu—ying (FujianInspection andResearchInstituteforProductQuality,Fuzhou 350002,China) Abstract:Reasonable busbars selection,correct busbars installation and proper treatment of electrical connection between busbars will have impacts on use performance,safety performance and use life of low—voltage switchgear assemblies.Temperature rise test, main circuit short--time withstanding strength test and the assemblies actual operation method show the conclusion that the manure-・ turing enterprise should take test—passed type・fixed typical design drawing as the basis for ordered product design,strictly carrying out installation according to the type—fixed drawings,regulated busbars selection,manufacturing and installation process for insulated conductors. Key words:low—voltage switchgear assemblies;bus bars choice;electrical connection 0引言 随着国民经济的发展,人们对供电的可靠性要 求越来越高,低压成套开关设备被广泛应用于额定 电压交流不超过1 000 V,频率不超过l 000 Hz,直 流不超过l 500 V的供电、配电场所,如小区配电房 l 母线选择与安装及电气连接的要求 设备内部的母线选择与安装以及电气连接应保 证满足下列要求:温升试验应正常,不应加速与导 体相接触(或相邻的)绝缘件(材料)老化,应保证与 导体相连接的电器能正常工作,尤其是具有热过载 保护特性的电器元件保护动作正确;应具有足够的 用的固定式开关柜、母线槽,家用的配电箱等,同 时低压成套开关设备自2002年5月1日起实行强制产 品认证,即“CCC”认证,未取得“CCC”认证的企 业不得生产和销售。而低压成套开关设备内部母线 的选择与安装及电气连接直接影响低压成套开关设 机械强度,能耐受电路故障时所产生的机械应力与 热应力,正常工作时所产生的振动,不应造成载流 部件的连接有异常变化,尤其是要避免产生共振;母 线的布置与连接不应在设备内的构件或零件中产生 涡流,应避免不同金属相互搭接时,接触面产生电 备的使用性能、安全性能以及使用寿命。因此,合 理地选择母线、正确安装母线及处理好母线间的电 气连接对生产低压成套开关设备的企业有着重大的 意义。 化腐蚀作用,母线(裸露或绝缘的)的布置应使在正 常工作条件下不会发生内部短路或发生短路的可能 性极小,尤其是主母线以及保护电器电源侧的配电 母线更应如此,导体的布置应满足产品的绝缘性能 作者简介:陈秀英(1963-),女,工程师,本科,从事“CCC”认证与低压电器产品检测工作。 一36— 低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接 要求,即产品标准中的电气间隙、爬电距离以及支 撑和紧固母线的绝缘件的介电性能。载流部件间相 互连接应有足够、持久、恒定的接触压力,尤其是 要考虑到不同金属(连接螺栓与导体材料)热膨胀而 造成连接处接触不良…。 2母线选择与安装以及电气连接的特殊性 设备内部的母线选择与安装以及电气连接的特 殊性:设备内的母线选择与安装以及电气连接不当 所造成的危害后果是严重的,但它一般难以在制造 厂检验过程中直接发现,只有通过温升试验、主电 路的短时耐受强度试验以及成套设备实际运行(甚 至长期运行或电路出现故障时)才会暴露出来,正 是由于这个原因,往往造成制造厂对它的危害性认 识不足,经常发生导体选择、安装、连接随意性,甚 至即使有典型设计方案图样、母线选择规范及母线 制作、安装工艺也不去执行,总认为以前出厂的产 品都未出现过重大问题。殊不知不出问题仅仅是产 品在运行中未遇到电路出短路故障或运行时间太短 故问题尚未暴露出来。一旦问题暴露出来才恍然大 悟,或是找其他理由推脱责任。 因此,必须强调低压成套开关设备是型式试验 和部分型式试验的成套设备,而主电路的短路耐受 强度试验和温升试验项目,正是型式试验项目中代 价最昂贵的试验项目。故在定货产品设计,应以通 过型式试验定型的典型设计图样为基础,装配时要 严格按定型图样、文件(如选用规范)和母线、绝缘 导线制作安装工艺进行。 3母线的选择 3.1母线的选择与安装 GB 7251.1--2005中7.8.2明确指出成套设备内 导体截面积选择由制造厂负责。除必须承载电流 外,选择还受下列条件的支配:成套设备所承受的 机械应力、导体的敷设方法、绝缘类型(指与导体相 接触的绝缘材料耐热等级)和所连接元件种类等。 由于成套设备中导体选择涉及的问题太多了,且 情况复杂,不能仅按一般承载电流来选择导体截 面,有很多问题都是通过产品的型式试验最后来确 定成套设备内导线截面,不具备成套设备产品设计 电工电气(2012 No.3) 能力的单位一般缺少通过成套设备型式试验的定 型设计图样和有关资料。故一般工程设计单位习 惯于按工程设计承载电流来选择成套设备内部导 体截面。 导体的载流能力受成套设备在正常运行时,每 条电路最高允许温度(周围环境最高允许温度+最高 允许温升)的,而最高允许温度由下列几个因 素:导体搭接面表面加速氧化温度,当导体在 正常运行时,若其搭接处温度长时问超过加速氧化 温度时,可能造成搭接触处局部过热而出现事故,对 不同材质的导体其加速氧化温度不同,例如铝导体 表面加速氧化的温度要比铜导体低,若搭接面采取 适当措施(如搪锡)可以提高允许温度;导体承载电 流后保持特定平衡温升取于承载电流所产生热量的 速度和热量从导体上散失的速度之间的平衡,导体 中承载电流后所产生的热量其关系式为 ,其中 为承载电流, 为整个电路的电阻值。当成套开关 设备某一电路额定电流已确定,其承载电流值 不 可能改变。为了减少该电路中导体发热量,只有尽 量降低整个电路中的电阻值 ,而 由下列几个部分 组成:导体本身的直流电阻、交流集肤效应所引起 的附加电阻值、邻近效应所引起的附加电阻值导体 相互连接处接触电阻以及导体所连接电器元件的电 阻 。 在成套设备中热量从导体中散失通过对流、辐 射、传导三种方式。在成套设备中,导体中热量的 散失主要是通过对流与辐射方式。在大多数情况 通过对流和辐射散失热量决定了母线系统的载流 能力。而传导散失热量只有当热量可以流到导体 以外吸热点或流到不同冷却能力的邻近部件中才 起作用。 对流和辐射造成热量从导体中散失的比例与导 体的尺寸有关,对于小导体对流成分增加,辐射成 分减少,反之亦然。导体电热量散失速度取决于下 列因素:开启式成套设备散热速度快于封闭式成 套设备,有合理设计的通风孔成套设备,散热速度 快于无通风孔或通风孔面积不足的成套设备,扁平 导体垂直安装时,其散热速度要快于水平安装,涂 有黑色无光泽油漆的母线散热速度快于不涂漆的母 线,以及单根安装的母线散热速度快于多根母线构 造的叠层汇流排。 叠层构造的汇流排承载电流能力,当多根母线 一37— 电工电._【(2012 No.3) 平行排列使用时,总载流能力要比单根母线载流 能力乘以母线数低。这是由于母线内侧的对流与 辐射热能受阻所致。一般为了制造、连接简单,通 常在分层母线问留有和母线厚度相等的空隙,以利 散热。 母线排列方式对承载电流能力的影响,在给定 温升和铜母线截面情况下,母线交流承载能力大小 取决于母线排列方式。综上所述,成套设备中导体 选择涉及因素很多,最后决定仅能通过型式试验结 果来验证。按型式检验验证认为符合该产品标准的 定型典型方案设计图样来选择, ̄HGGD、PCL等母线 图样。 与电器直接连接的导体按下列规定进行选择:电 器元件使用说明书有明确规定的按使用说明书规 定、电器元件使用说明书无明确规定的按下列 选择:额定工作电流不大于630 A的电器元件按 GB 14048.1--2006中表9~表1 1(I ̄[JGB 7251.1--2005 中的表8、表9)规定选择导体截面;额定工作电 流大于630 A的电器元件按GB 14048.1--2006中表 1 1(即GB 7251.1~2OO5中的表9)规定选择的导体截 面,也可以按定型设计典型方案规定的母线图样。必 须明确指出,与电器元件直接连接的导体和不与电 器直接连接的导体,载面积要求不一样,前者不仅 要考虑电器元件接线端子允许最高温升;对于具有 直接热过载保护特性的电器元件,还要考虑不影响 热过载保护特性,对于额定电流不大于630 A的断 路器还要考虑利用它与电器直接连接的导体来 短路分断能力的电流值。 众所周知,低压电器元件温升试验用的连接 导体是根据试验电流值从GB 14048.1--2006中的表 9~表11中选取,在规定的导体截面积条件下考核 电器元件温升是否符合标准要求。由此可见电器元 件的温升与所连接的导体截面密切相关。电器元件 脱扣器脱扣极限和特性试验时所用的连接导体截面 与温升试验时的导体截面相同。 综上所述与电器元件直接连接的导体按 GB 14048.1—2006中的表9~表1 1规定来选择截面是 合理的,但必须注意下列两个间题:对于具有直接 热过载保护性能的电器元件和额定电流不大于630 A 的断路器导线载面不能过大超过上述规定的截面,否 则会影响电器元件的热过载保护特性和断路器分断 能力;对于不具有直接热保护特性的电器以及额定 38一 低压成套开关设备内部母线的选择与安装及电气连接 电流大于630 A的断路器,其导线截面的选择,仅 考虑接线端子温升,如果电器元件本身实测温升 比标准规定值低很多,其导线截面选择允许比 GB 14048.1--2006中表9~表11规定的小,但必须 经过成套设备型式试验验证,例如:额定电流大于 630 A断路器,但是它的热保护元件是接在电流互 感器二次侧,仅考虑接线端温升,且元件本身实测 温升比标准规定值低很多。其导线截面选择可以 按产品定型设计典型方案的图样规定选择。本文表 1~表4电流等级与相应导线截面的选择可以作为 参考。 表1 封闭式开关柜电流等级与相应导线截面的 选择(参考值) 电流等级/A铜母线截面规格/Ⅱ-n2 电流等级/A铜母线截面规格/H 3 200 3(100×10) i 000 80×8 2 500 2(100X10) 800 8O×6 2 000 120×lO 630 6O×6 1 600 100×1O 500 50×5 1 250 80×l0 表2动力箱(柜)电流等级与相应导线截面的 选择(参考值) 电流等级/A铜母线截面规格/f 电流等级/A铜母线截面规格/r 630 6O×6 250 3O×3 500 50×5 200 25×3 400 40×5 160/125 2O×3 315 3O×5 1OO 15×3 表3抽出式开关柜电流等级与相应导线截面的 选择(参考值) 电流等级/A铜母线截面规格/Ⅱ-Il2 电流等级/A铜母线截面规格/Ⅱ 4000 3(120X l2)或 2 000 2(8o×10) 2(150×12) 1 600 1OO×lO 3 150 3(100×10) 1 250 8O×1O 2 500 2(100×10) 表4配电板(箱)电流等级与相应导线截面的 选择(参考值) 电流等级/A铜母线截面规格/f1Ⅱf】2 电流等级/A铜母线截面规格/r 250 12O 63 l6.O 200 95 50、40 l0.0 160 70 32 6.0 125 5O 25 4.O 100 35 20、l6 2.5 80 25 1O 1.5 凡不属产品定型设计典型方案的图样规定的,例 如改型设计或无典型设计定型方案母线图可参照的 应按制造厂规定的《母线与绝缘导线选择规范》来 选择。制造厂在制定《母线与绝缘导线选择范围》 时应依据各种己通过定型试验验证的母线为基础 低压成套开关设备内部母线的选择s安装及电气连接 进行计算,或依据比较有权威的工程手册推荐经过 试验验证的数据,如《铜母线》英国铜开发协会 (CDA)出版物等,本文表1~表4可以作为参考。 另外低压成套开关设备的母线,其表面状态应 是半硬质的母线。因为表面状为半硬质的母线,既 能具有一定的机械强度,又便于机械加工,若选为 表面状态为软质的母线虽然便于机械加工,但机械 强度难以承受低压成套开关设备故障时所产生的电 动应力,当母线搭接时由于表面太软不能满足母线 热胀冷缩后母搭接面可靠接触的要求。 3.2载流部件之间的电气连接 载流部件之间的电气连接一般有以下两种:螺 栓连接,螺栓连接的优点具有紧凑性、可靠性和万 能性。其缺点是需要在导体上钻螺栓用孔,从而造 成电流线畸变,这种连接方式与压板连接方式相比 其接触压力很不规则,但目前这种方法仍被大量采 用;压板连接,压板夹连接的优点便于加工,且整 个搭接面均匀整齐,精心设计的夹紧装置可使接触 压力非常均匀,在连接处外加紧装置也加大了散热 面积而利于冷却,且易于安装施工。其缺点是压板 及相关固定件的费用较高。 如何控制和降低载流导体连接处的电阻值,并 在整个使用期内保持电阻值稳定是载流部件之间连 接的关键,连接处电阻主要受两个因素影响:流线 效应,收缩电阻 是由于电流通过连接处时,发生 流向偏转畸变而引起的;连接处的接触电阻或界面 电I 是由连接处表面污染物引起的。接触总电阻 ,为收缩电阻 与连接处的接触电阻 之和。影响 接触电阻主要因素有:表面条件、所加的总压力母 线搭接时两个接触表面包含大量分散的接触点,当 压力增大时,接触面的峰便被压扁,接触面积就增 大。当母线排自然暴露在空气中,其表面很快形成 一层氧化膜、水膜,在环境污染严重的地方甚至出 现硫化物膜,或其他污染物质。这些氧化物、硫化 物等污染物质的电阻率要比母线基底金属的电阻率 大得多,因此在搭接表面就形成接触电阻;当母线 在搭接之前对接触表面进行处理以防止或延缓氧化 的发生是非常重要的。尤其是长期在高温或恶劣条 件工作的母线显得更为重要。接触表面条件,母线 接触表面应平整、清洁。所谓平整,用直尺进行透 光检查,透过基本一致,用挤压而成的母线一般不 需要再进行机加工,若是采用铸造而成的母线(或 电工电气 (2012 No.3) 载流部件),如果要使连接表面足够平的话就需要 机械加工,用机械方法弄平后,粗略地清理一下,不 需要抛光。实践证明粗糙的表面要比光滑表面更好 用。所谓清洁,即表面无污染物、氧化物、硫化物 等。故母线(载流部件),不论其表面有否涂覆层,在 母线搭接之前均需要进行清洁处理,使连接处的氧 化层足够薄,在加上接触压力时,使接触面的峰容 易变形。 在连接之前防止再氧化是非常重要的,一般情 况下建议在接触表面清洁处理后,立即涂上一层很 薄的高熔点胶体油或电力复合脂(导电膏),其滴点 温度高达180 ̄220℃,即使在较高的温度下也不 会流淌,用螺栓把接触面上紧,当施加上连接压力 时,多余的高熔点油就会被挤出来,留下的油脂可 以保护连接处不恶化。若采用电力复合脂时,必 须严格按涂电力复合脂工艺进行才会有较好的效 果。另外电力复合脂中含有导电金属填料,该填 料的电位介于铜与铝之间以还缓解铜、铝连接时 电化腐蚀作用。 若采用镀锡防止表面氧化及以后性能变坏,应 在接触处最后压紧之前立刻给导体表面镀锡或二次 镀锡效果更好;但必须指出锡料中铝的含量增加,其 导电率以及抗氧化能力都会降低,并且有减少表面 镀层硬度的作用,当用螺栓把连接处压紧时会造成 镀层被挤出,以致会因过热而过早失效。 若采用涂(镀)银或镀镍,在最后连接之前需要 加以保护,因为它的表面镀层非常薄容易被损坏。建 议在大多数情况下要尽量使用自然金属连接。 压力对接触电阻的影响,增加施加在接触面上 的压力比增大接触面积对接触电阻影响更大,图1 所示为压强对接触电阻的影响曲线。 6 000 5 000 j 4000 署3 000 摇2 000 \ 1 000 { ~ } O l0 2O 3O 4O 5O 60 压强/(N・mm ) 图1压强对两个铜导体连接处的接触电阻的影响 从图l曲线中可以看出压强越大,接触电阻越 (下转第57页) 39—— 厂黾变压器的特点及设计注意事项 电工电气(2012 No.3) 闭母线的联结方式,空气流通不好,散热效果不理 想;因此在选择套管额定电流时要根据经验留有一 定的裕度或按套管厂家的要求选取,保证变压器的 安全运行。 55/125 kV、25/60—25/60 kV,但实际工程中一般要 求短时感应耐压和雷电冲击耐受电压(全波)应分别 按85/2OO kV、35/75—35/75 kV设计,对应额定电压 为35/lo kV;也就是说,虽然变压器的额定电压等 级为2o/6.3 kV,但是在设计时变压器绝缘强度及 套管的选择应按35/lO kV考虑;大大提高了变压器 的过电压能力。 随着变压器设计手段优化和制造工艺水平的进 为了保证套管接线端子与母线可靠接触,大电 流套管接线端子表面应镀银。 5.4注意技术协议中要求的试验电压 有关厂用双变压器试验电压,一般工程中的 要求均高于国家标准GB 1094.3—2003《绝缘水平、绝 缘试验和外绝缘空气问隙》的要求。例如某厂用变 压器的高、低压额定电压分别为20/6.3-6.3 kV,按 国家标准GB 1094.3—2O03该变压器的高、低压短时 感应耐受电压和雷电冲击耐受电压(全波)应分别为 步,变压器抗短路能力的不断提高,双变压器 作为厂用变压器的诸多优点得到了众多电厂的认 可,应用将越来越广泛。 收稿日期:201卜08一i1 (上接第39页) 小。所以对高效率连接通常需要大的压力。这个办 法的好处是用高的压力帮助防止连接处的恶化,当 压强大于15 N/mm 时,则进一步减少接触电阻作用 甚微。 栓尺寸及个数、螺栓分布方式和螺栓紧固力距可参 见GB 50149--2010电气装置安装工程母线装置施工 及验收规范。采用螺栓连接时要避免紧固螺栓间 形成闭合磁路,故要求相邻螺栓垫片应有3 mm上的 间隙。 在大多数情况下接触压强不应取低于7 N/r ,但 接触压力也不是越大越好,在任何情况下接触压 力都不应超过母线、螺栓、压板等材料的弹性极 限,母线在负载下发热时由于母线材料和钢的膨 胀系数不同,用螺栓固定的连接处接触压力倾向 于增大,若压力超过母线的塑性极限,母线就会 变形,当回到冷态后,接触压力就会下降,这时正 4结语 随着“CCC”认证工作的进展,低压成套开 关设备白2002年5月1日起实行强制产品认证,即 “CCC”认证,未取得“CCC”认证的企业不得生产 和销售。而低压成套开关设备内母线的选择与安装 以及电气连接是制造过程的一个非常重要的工序,如 果母线的选择、安装及电气连接不当,将影响设备 的使用性能、安全性能以及使用寿命。同时母线的 选择还要经过热稳定验证、温升试验、电气保护特 性等试验。因此在生产检验过程或工厂检查过程中 上述这些问题应引起重视。 确选择初始压力非常重要,使其在运行温度下接触 压力不致过大,为了避免这个问题的发生,故接触 压强应取10 N/mm ,且采用盘状弹簧圈,使其在冷 态和热态的工作条件下均可保持一个恒定的接触压 力。这种类型的连接处恶化,使用软质材料时似乎 非常容易发生,所以成套设备中软质材料的母线 LMR、TMR不宜使用。接触压力受到螺栓或压板的尺 寸及个数的影响,而压板可以给出更均匀的接触压 力。为了获得必要的接触压力和高效率的连接,确 定所需螺栓的个数、尺寸和分布方式是非常重要 参考文献 [1]GB 7251.i一2O05低压成套开关设备和控制设备第 1部分:型式试验和部分型式试验成套设备[s]. 的。同时还要考虑到机械方面因素。由于希望对称 的缘故,搭接重叠处的长度通常做得与宽度相等,然 而对薄而窄的母线,重叠长度可以增大些,以改善 机械强度。 采用螺栓连接方式时,母线搭接重叠长度、螺 [2]GB 7251.1—2O06低压成套开关设备和控制设备第 2部分:对母线干线系统(母线槽)的特殊要求[S]. [3]GB 14048.1—2O06低压成套开关设备和控制设备 第i部分:总则[s3. 收稿日期:201卜1卜25 —57— 

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