母线槽结构及材料对其性能的影响

2013-01-07张红军

装备制造技术 2013年5期

张红军

（镇江西门子母线有限公司技术部，江苏镇江 212200）

母线槽因为电流容量大、过载能力强、分接方便、散热性好、维护方便等诸多优点，自从上世纪后期引进中国以来，市场需求量直线上升，根据相关行业资料显示，2006年中国市场的母线槽产品总需求量已过100亿元，近几年市场增长率近20%。如此数量的市场需求，使母线槽产品得以迅速发展并在电力系统中广泛应用。

母线槽按其结构分为密集型、空气型母线槽(目前市场占有率，前者明显高于后者)；按其外壳材料分为钢外壳、铝合金外壳和钢铝混合外壳母线槽(当今市场上使用前两种外壳材料的厂家90%)；按其导体材料分有铜导体和铝导体母线槽(国内需求以前者为主，国外尤其是欧美国家使用后者居多)。本文笔者将从市场上常见的各类母线槽的结构及使用材料入手，对各自性能特点展开分析。

1 母线槽结构

1.1 密集型母线槽结构及其性能

密集型母线槽采用内部导体各相整体包覆高性能绝缘材料(一般绝缘等级达B级，使用寿命50年左右)后，再利用金属外壳将其包裹成“三明治”主体结构(见图1)，绝对密集的母线槽在其插口装置位置的主母排仍然是密集式，仅在段间连接处相间设置10 mm的空隙以达到连接的目的。

图1 密集型母线槽主体截面图

密集型母线槽的这种结构，首先给人的外观感觉是结构紧凑，小巧美观。在实际安装时占用空间小，易于母线槽自身在管道繁多的建筑内顺利穿行。

除体积小这个优越性能外，密集型母线槽优良的散热性是空气型母线槽无法比拟的。密集型母线槽结构使得导体之间无空气间隔，在通电运行过程中，导体产生的热量以传导的方式迅速将热量传递至外壳，然后作为一个整体直接向外对流散热。由于衡量母线槽运行是否安全的一个重要指标就是温升，密集型母线槽这种快速的散热能力使得该型母线槽的性能定位于优。

密集型母线槽虽然主体密集，但是有些厂家的密集型母线槽产品，因追求插口装置处的工艺简单可靠，在插口处将主母排拍弯，形成局部的空气式结构，在插口处，插接箱的插脚以接触式插接到主母排以达到分流的目的，此部位的温升势必高于别处，再加上此处具有空气式结构散热性差的缺点，因此此处温升将高得更加明显。

密集型母线槽在其段间连接处，限于目前母线槽产品接头处的导体连接方式均是压接式，不得不将连接处的母排局部分开 (一般相间净距离10 mm)以达到两段导体连接起来的目的。此处的形式乍一看似乎有些和上段提到的部分厂家在插口处的设置方式相似，其实不然，一方面，接头处局部分开部分在插入连接器后基本仍可还原至接近主体的密集式结构;另一方面，连接器内部的连接铜排截面已被很多厂家设计为高于主母排的截面，这样仍可保证接头处温升不至太高。

1.2 空气型母线槽结构及其性能

空气型母线槽主要依靠相间绝缘隔块将各相导体隔开(一般相间净距离10 mm左右)后，再利用金属外壳进行整体包裹成“删格”式结构(见图2)，这种结构母线一般全长相间距保持不变，属于全长空气型。

图2 空气型母线主体截面图

空气型母线槽的结构，首先给人的感觉是电气运行安全，因为其内部导体完全分离开，相间绝缘电阻很大，运行初期相间短路的可能性很低。

这种结构的母线槽，因为导体被包围在完全密闭的空间内，且有空气这种导热能力相对较差的介质围绕，当母线槽运行时，导体产生的热量首先要通过辐射的热传递方式将热量传递到外壳上，再由外壳通过与外界流动空气的对流热交换，最终把内部热量传递出来，因此空气型结构母线槽的散热能力相对较差显而易见。所以要想将母线槽整体温升控制在国家规范内就必须要加大导体截面，以达到足够的载流能力，保证导体在运行时自身发热较小。也许会有人说可以在母线外壳冲散热孔的方式来促进母线槽内部热量的向外传递，确实这样可以对空气型母线槽的散热能力得到明显提升，但是也牺牲了母线槽另外一个优越性——安全性，外壳冲制散热孔的空气型母线槽的防护等级最高只能达到IP31，这种防护等级别说在消防，热力等管道错纵复杂的恶劣安装环境下根本不能使用，就是在环境较好的配电室内，其实际使用寿命也大打折扣，因为日积月累的粉尘将逐渐堆满导体间狭小的空隙，最终引起短路。

1.3 密集型母线槽和空气型母线槽比较

（1）外观：密集型母线槽相对空气型母线槽结构显得更加紧凑，体积更加小，在安装时受空间限制相对也小。

（2）散热能力：纵上所述，在防护等级相同的前提下，密集型母线槽明显优于空气型母线槽，此处不再累述。

（3）电气安全性：由于空气型母线槽结构给人的感觉似乎相对安全，但这还得深入分析，空气型母线槽由于其导体间有空气绝缘，所以往往生产厂商在绝缘隔块的材料选择上一般不会去选择性能更好的材料，而是选用性能一般的PVC材质的绝缘材料，其使用寿命自然一般;密集型母线槽由于其导体紧密相贴，这就势必需要生产厂商必须选择绝缘性能，耐热性能，使用寿命都有着高参数的绝缘材料，否则出厂检验的耐压试验将难以通过。据调查，市场上品牌较好的一些生产厂商的密集型母线槽产品的绝缘材料都为美国杜邦聚乙烯绝缘薄膜，绝缘等级达到B级，耐热130℃，正常使用寿命达50年。所以电气安全性上，从材料入手进行判定显得更为准确。

（4）安装方式：密集型母线槽在工程安装时，行走姿态比较自由，以内部导体方位来说，母线槽可以立放，也可平放，对于母线槽的通电运行影响较小，但是，空气型母线槽如果平放，则势必影响它的散热能力进而影响其性能。

正是以上性能的差别，当今密集型母线槽逐渐霸占了绝大部分市场，而且目前很多母线槽厂商的下一代新产品仍然是基于在密集型进行产品更新。

2 材料

2.1 外壳材料

外壳材料对于母线槽来说就是肌肉和皮肤，其选材相当重要。目前，市场上母线槽外壳材料分为钢制外壳、铝合金外壳和钢铝混合外壳母线槽。其中，钢铝混合外壳只有个别厂家使用，在此不作分析。

钢的硬度较高，所以钢制外壳母线槽有着很强的抗内外机械冲击能力，这就使得钢制外壳的母线槽安装后，整体机械稳定性较高;铝合金外壳要想达到和钢制外壳相同的机械强度就必须增加外壳厚度。

钢的密度明显高于铝合金，所以铝合金外壳的母线槽重量要比钢制外壳母线槽轻，有利于现场安装。

铝合金外壳因加入微量合金元素，提高了化学稳定性，使得抗腐蚀能力远远高于钢制外壳。

在散热能力上，铝合金的导热能力远高于钢，这就使得铝合金外壳母线槽有着钢制外壳无法比拟的散热能力，钢制外壳母线槽要想达到符合规范的温升相对于铝合金外壳母线槽就必须要加大导体截面，导致增加成本。

另外，钢是典型的磁性材料，而铝合金则属弱磁性材料，铝合金外壳母线槽相对于钢制外壳母线大大降低了母线运行时的磁滞涡流效应，减少母线槽自身发热，从而提高整体电气性能。

由上显而易见，除了材料机械强度，铝合金外壳母线槽的其它性能均远优于钢制外壳母线槽。铝合金外壳母线槽只需选择相对厚的铝合金材料，以保证外壳有足够支撑自身的机械强度，便可以完胜钢制外壳母线槽。纵观中国市场，自西门子率先引进铝合金外壳母线槽以来，国内几大品牌母线槽生产厂家也均争相开发出铝合金外壳母线槽，并很快投入市场，保持强有力的竞争力。目前，仅有施奈德暂仍力推钢制外壳母线槽，但铝合金外壳母线槽的趋势不可逆转。

2.2 绝缘材料

母线槽部件中，绝缘材料是用以隔开各相，以保证相间有足够绝缘电阻，并使母线槽达到一定耐压等级。一旦因绝缘材料破损或因品质不达标造成相间短路，极易引起爆炸或火灾，结果将不堪设想。所以绝缘材料可谓是母线槽的神经，尤为重要。根据经验:密集型母线槽的绝缘材料一般比空气型母线槽选用等级要高;市场占有率高，品牌形象好的生产厂商选用的绝缘材料一般要优于私人作坊式的小厂家，这就需要用户在选用时要格外谨慎。

2.3 导体材料

绝缘材料是母线槽的神经，那么导体则是母线槽的心脏，因为其担负着输送电流的重担，其选材则更显重要。母线槽的导体材料可分铜导体和铝导体，目前国内市场以前者为多数。导体材料的质地直接关系到母线槽的电气性能的高低，拿铜导体为例，母线槽行业一般均选用T2电解铜作为铜排的原材料，这是因为T2电解铜有着很高的纯度 (99.9%以上)，同时少量的杂质又可保证铜排自身的机械强度。其它型号电解铜，如T1型则自身机械强度不够，T3和T4杂质过多，电阻率过大，温升较高，电能损耗大。

铜、铝导体金属材料比较：铜的密度8.9 g/cm3，铝的密度2.7g/cm3；铜的导电性仅次于银，IACS值100%（国际标准退火电解铜标准值），高纯铝（99.996%）和工业纯铝（99.5%）的IACS值为64.94%和59%，即铜的导电性约比铝高35%～40%，这就使得铝导体母线槽在导体截面选择上相对铜导体要加大，同时体积也就相对较大；铜在大气中的化学稳定性较好，铝较为活泼，目前铝导体母线槽在生产过程中一方面在原料铝材中加入少量合金元素，另一方面对铝排表面作特殊处理(镀铜，镀锡)进而提高其化学稳定性；铜的强度和硬度较好，纯铝稍差，但因铝自身质轻，其综合强度不低于铜；自然中铜资源相对有限，价格较高，铝资源相对丰富，价格低廉。

纵上所述，在保证导体材质的优质的前提下，铜和铝均可作为母线槽合理的导体材料。但本着为社会节约大量宝贵资源，建设节约性社会，笔者则倾向国内母线槽厂家继续对铝导体母线槽进行不断改进，引导用户选择铝导体母线槽。事实上，铝导体母线槽的制造技术和加工工艺已趋成熟，国内与国外产品已基本相近，在欧美国家铝导体母线槽暂母线槽市场绝大多数，在国内，许多品牌的母线槽也早已成功用于各大型建筑。