绝缘铜管母线在新建工程中的应用

宝钢集团新疆八一钢铁有限公司能源中心 王海涛

1 概述

COREX搬迁新建能源配套工程建设项目中，锅炉配套的60MW、30MW发电机主引出线至75MVA、40MVA升压主变低压侧（10kV系统）母线的电流比较大，最大达到4700A左右。在以往此类工程中母线形式多采用多片矩形铜母线组装的封闭母线方式进行连接，已不能很好的适应大电流（3000A以上）的工作回路，同时由此引起附加损耗大、电流分布不均、趋肤效应系数增大造成载流能力下降和接点发热等现象也较突出。为保证发电机的安全可靠运行，选用新型母线材料提升发电机出口母线可靠性势在必行。

封闭母线用在中压系统较大电流的回路，一般4000A以下用共箱母线。封闭母线安装简单，外形整洁，但通风散热较困难，有凝露、绝缘子闪烙等问题，大电流（3000A以上）时偶有接头发热现象，需定期检修、试验。

鉴于封闭母线在中压系统中存在的一些不足，近年来国内制造厂研制出一种新型母线——绝缘铜管母线。绝缘铜管母线载流量大（可达20000A），以其体积小，外形美观，机械强度较高，并能防止人身触及带电母线及金属物落到母线上产生相间短路等优势，已经在实际工程中得到广泛应用。

2 绝缘铜管母线结构及其特点

2.1 绝缘铜管母线结构

绝缘铜管母线的基本结构见下图1：

全绝缘屏蔽管母线采用空芯的铜管作为导体，铜管的外表有导热绝缘层、均压屏蔽层、绝缘防水层、接地屏蔽层、外绝缘保护管层，以及抗紫外线的绝缘三色护套外保护层构成，主绝缘采用聚四氟乙烯材料，均压层(屏敝层)采用编织铜网，绝缘护套采用聚烯烃高聚物材料。全绝缘屏蔽管母线的结构有些像电缆外层结构，母线在密封绝缘的环境中安全可靠的运行。

2.2 绝缘铜管母线特点

（1）载流量大，集肤效应低、功率损失小

绝缘铜管母线为空心导体，表面积大，导体表面电流密度分布均匀，集肤效应系数低，相对于多片矩形导体，在相同的载流量下，高压绝缘管型母线的交流电阻小，因而母线的功率损失小。

（2）散热条件好、温升低

高压绝缘管型母线为空心导体，母线内径风道能自然形成热空气对流，因而散热条件较好。

（3）截面系数大，机械强度高

由于导体采用管形，其截面系数大，机械强度高，可采用大跨距布置，同时减少母线支撑件的数量。在50kA短路电流情况下，Φ100×5mm铜管母线悬空跨距达9米，利用母线托架支撑，母线跨距可达到13米。

（4）电气绝缘性能强

高压绝缘管型母线采用密封屏蔽绝缘方式，外壳接地电位为零。这种带屏蔽的绝缘管型母线电场分布均匀，电气绝缘性能强，耐恶劣气候性能好。

（5）抗震能力强、安装简化

可以直接将高压绝缘管型母线固定在钢结构架上或混凝土支架上，可取消穿墙套和支柱绝缘子，具有较强的抗震能力。母线架构简明、布置清晰、安装方便、实现免维护运行。

（6）绝缘材料耐热、耐老化、绝缘性能高

高压绝缘管型母线主绝缘材料采用聚四氟乙烯，可在-250℃~+340℃中工作，有优良的电气性能和化学稳定性，介质损耗小、阻燃、耐老化、使用寿命≥30年。

（7）不受环境干扰，可靠性高，维护工作量小

高压绝缘管型母线是包覆封闭绝缘的，内部无凝露产生，且消除了外界潮气、灰尘等因素的影响，具有高度的可靠性。高压绝缘管型母线采用单机密封屏蔽绝缘，接地可靠，可彻底避免一切短路故障，具有较高的可靠性，而且检修维护量小。

3 绝缘铜管母线与封闭母线、裸母线的比较

序号 产品性能 绝缘铜管母线 矩形铜排1 集肤效应系数 Kf≤1(铜管母线为空心导体)Kf≥1.8(矩形铜排为实心导体,在高频交流下,电荷主要分布在表面,中间部位根本起不到载流作用。)2 同等载流量下导体温升≥70K(因集肤效应高，单位截面载流量小，同时相相之间、片片之间因电磁场的干扰，增大了阻抗，从而引起温升过高。)3 导体连接部位温升≤40K(铜管为空心导体,具有天然的散热条件,其次是集肤效应低,单位截面载流量大，表面全绝缘减少了相间干扰。)因采用大截面铜抱箍,连接部位温升低于导体温升母线与伸缩节、母线与穿墙套管间连接部位发热严重。4 允许跨距悬空跨距最大可达9米，采用双托结构可达14米，安装简洁，美观大方，能适合各种环境下使用。跨距＜1.5米5 电动力 抗短路电流大于160kA/4s 因采用瓷瓶绝缘，穿墙套管和支柱瓷绝缘子常有炸裂现象发生。6 机械强度铜管允许应力为294MPa，抗拉强度为320MPa，从而显示出的物理特性如：柔性，弹性，抗拉性非常好铜排允许应力为59MPa，抗拉强度为196MPa，远远不如铜管。7 绝缘材料采用性能十分稳定的聚四氟乙烯（又名铁氟龙）为主绝缘材料，故具有很强的耐高温和低温性能，而且电气绝缘性能高，使用寿命长，正常使用为40年。表面无绝缘材料，完全依靠瓷瓶绝缘。在雨季及污染严重地带常有爬电现象。8 绝缘性能 采用聚四氟为主绝缘材料能耐受105kV/1m in 42kV/1m in 9 表面电位 因采用铜带接地屏蔽，表面电位为零 表面有电，不注意的情况下，会危害人的生命安全及设备安全。10 防污距离高于国家标准规定的25mm/10kv,最高部位达到80mm/10kv,母线相间距离与平行布置的电缆标准一样,即等于母线外径的两倍.依照国家标准，三级防污距离为230mm/kv 11 使用寿命 ＞30年 一般为10年左右，且每年都要停电维护，清洁瓷瓶。

4 绝缘铜管母线与封闭母线、裸母线的经济对比分析

假设条件：10kV母线额定电流为4000A，主变10kV套管至发电机小室距离60米。

4.1 选用矩形铜排成本

选用铜排规格：10×125×6000

并联铜排经济电流密度：取0.9A/mm

每根铜排载流量：I=10×125×0.9=1125（A）

每相所需铜排根数：N=4000/1125=3.56（根）取4根

铜排总重量：G=60米×4根×3相×11.13kg/米=8014（kg）

铜排单价按：58元/kg

铜排总价为：Υ=8014×58=46.48（万元）

支撑点所需费用立水泥柱费用：60米÷3米/根×5000元/根=10（万元）

绝缘子费用：60米÷1.5米/3支×500元/支=2.0（万元）

固定金具费用：60米÷1.5米/套×500元/套=2.0（万元）

绝缘防护费用：60米×3相/米×200元/米=4.0（万元）

费用合计：10+2+2+4=18(万元)

安装施工费用：预估施工各项费用：20万元

用铜排综合成本：46.48+18+20=84.48（万元）

4.2 选用绝缘铜母线综合成本：

全绝缘铜母线费用：60米×3相×5000元/米=90（万元）

立水泥柱费用：7根×5000元/根=3.5(万元)

合计费用：90+3.5=93.5（万元）

由上对比分析不难看出，采用绝缘铜管母线投资较封闭母线投资高10%左右，但绝缘铜管母线比封闭母线节约铜材40%。用绝缘铜管母线代替封闭母线可以有效地提高母线材料的利用率，增加母线机械强度，防止人身触及带电母线及金属物落到母线上产生相间短路等。同时可以节约大量有色金属资源，降低电能损耗。

5 绝缘铜管母线安装要求

5.1 绝缘铜管母线到货检查

每根母线要求具有一定的平直度，无划痕，色泽一致，无扭曲变形和机械损伤，单位长度（m）内的弯度要小于2mm。

5.2 绝缘铜管母线的焊接

1) 坡口加工：采用专用坡口机械加工坡口，坡口角度在65~75°之间，坡口平滑均匀、无毛刺和飞边。焊接前将母线坡口两侧各50mm范围内清刷干净，无氧化膜、水分和油迹。

2) 管型母线焊接设备和焊接材料的选择：管型母线焊接采用氩弧自动焊机，盘式焊丝根据管型母线材质成分和焊机设备选用符合现行国家标准的合格焊丝。

3) 焊接工艺与措施：焊工必须持证上岗，现场每种管型母线焊接试验样品均须经过试验，试验合格后进行管型母线正式焊接。计算各管型母线段焊口的数量和位置，保证焊接后每相管型母线的各管型母线段的焊缝位置保持一致，A、B、C三相管型母线的焊缝位置搭配合理。焊接工作开始前，需先将管型母线支撑架放置好，支架中心为同一水平直线（用水平仪找平）。中心偏移不大于0.5mm，以保证焊接时两段管型母线位于同一轴线上，对口间隙应在2~3mm范围内，以保证焊接接头的焊接质量。管型母线焊缝均呈圆弧形，焊缝光滑，无毛刺或凹凸不平之处。

4) 其它焊接预防措施：为提高焊接质量，需选用99%以上纯度的氩气作为保护气体。如焊接在户外进行，需搭移动式焊接小棚防止天气变化而影响焊接质量。

5.3 管型母线吊装

1) 管母线吊装前应在每段管内穿入阻尼线并安装好封端盖或终端球，终端球应油好相色漆。注意终端球的滴水孔应向下。

2) 在管母吊装时，对有导电要求的接触面应用砂纸或钢丝刷去掉表面的氧化层，用布擦干净油污，再涂上电力脂后方可进行安装。吊装时应按之前在管母线上编好的标号进行吊装，避免管母线就位后位置不正确。

3) 为了使吊装过程中管母线不发生弯曲变形，应采用多点吊装，以提高吊装的精确度，一般单跨可用两点吊装，两跨及以上应采用三点吊装。

4) 管母线吊装前，应将该管母线的线夹预装上，一次吊装。管母线上的绑扎点应考虑防滑和易于解脱，绑绳夹角应不大于120度，另应在管母两端加缆风绳，以免管母与其他设备碰撞。

5.4 管型母线就位后的调整和检查

管型母线就位后，检查所有金具齐全完好，安装位置、方向正确，弹性销全部穿上，每段管型母线在中间一点固定，应平直无扭曲变形，且表面光滑。每段管型母线保持水平，同相管型母线保持在同一直线上，各相管型母线处于同一水平面内，检查相间距离及对地距离符合设计要求并满足规程要求。

6 绝缘铜管母线在工程中的应用

绝缘铜管母线的电压等级为6kV、10kV、35kV、110kV，电流范围为630~20000A。已经分别应用在发电厂和变电站中。

7 结束语

国内绝缘铜管母线的研制生产，弥补了国内中压母线产品单一的问题，给工程设计人员以及用户提供了多样选择。另外，采用屏蔽式绝缘铜管母线可以节省大量人工，在工期紧张的情况下，更能满足工程进度要求。因此，选用绝缘铜管母线形式来代替现有的母线形式将是未来发展的趋势。