铜铝复合母线短时耐受能力研究

白志胜,陈建兵,忻尚芝

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093;2.上海电器科学研究院,上海　200063)



铜铝复合母线短时耐受能力研究

白志胜1,陈建兵2,忻尚芝1

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093;2.上海电器科学研究院,上海200063)

摘要铜铝复合母线(TLF bus bar)是一种新型复合导体材料,其既保持了铜母线(copper bus bar)表面抗氧化能力强的特点,又利用了铝重量轻,价格低的优点,是替代铜母线的极佳材料。但铜铝复合母线在低压成套设备和母线槽中应用必须对其短时耐受能力进行验证。文中通过理论计算分析了低压成套设备和母线槽中铜铝复合母线承受短耐的能力,并对理论值进行了实验验证。结果显示,铜铝复合母线在低压成套设备和母线槽中应用通过增加绝缘支撑架或改变绝缘夹之间距离L值,可使其满足短时耐受能力的要求,为其在低压成套设备和母线槽中应用提供了理论依据以及解决方案。

关键词铜铝复合母线;短路耐受;动稳定;母线槽;低压成套设备

交变电流通过导体时,会在其周围产生交变磁场,磁场中的其他载流导体受到该磁场的作用而产生电动力,该电动力的大小与载流导体之间的间距和电流的大小有关。在供配电系统中,任何运行的设备或线路的载流导体之间都会有电动力的存在,当短路故障发生时,该电动力将是正常运行状态的数倍甚至几十倍,这样,就会造成设备或线路的机械损伤,若导体短时耐受能力较高,便可能引起灾难性的后果[1-2]。铜铝复合母线是一种新型的导体复合材料,要在电器行业得到推广应用就必须对其短时耐受性能进行分析、验证[3]。

1短耐计算的数学模型

当电流流过导体时,导体之间会产生电动力。电动力包括电动斥力和电动补偿力。电动斥力决定了导体承受的机械应力,三相系统导体短路时中间B相受到最大电动力

(1)

其中,i为短路电流峰值,单位A;L为两固定导体绝缘夹之间距离,单位m;a为导体之间中心距,单位m;导体间作用力引起的弯曲应力

(2)

单位N·mm-2,其中W=1/(6 hb2)为导体立放时的截面系数,b为导体厚度,h为导体宽度,单位m;β为动态应力系数,与导体固有震动频率有关,取决于固定支架,简单支架取1,对开关柜水平母线,中间有垂直引出母线取0.73,中间没有垂直引出母线取0.5。

导体能承受短路时的弯曲应力σ ≤ qσxu,σxu是导体材料允许的最大弯曲应力。工程上取永久变形值达0.2%时所对应的应力值作为该材料的屈服极限[4]。文中按铝母线的参数作为铜铝复合母线的参数计算,由于铜铝复合母线的抗拉强度大于铝母线抗拉强度,所以铜铝复合母线的屈服极限也大于铝母线的屈服极限。 q为可塑性系数,对矩形截面取q=1.5。铜铝复合母线的qσxu=1.5×170=225N·mm-2。

2母线槽动稳定与产品结构关系

母线槽能否承受短路电流的冲击,主要取决于固定导体两绝缘夹之间的距离L,L值可由式σ ≤ qσxu求出,动态应力系数β取1。

(3)

(4)

空气母线槽中绝缘夹和侧板紧固一起后固定导体,因此导体短路时产生的弯曲应力要比计算的小,计算出的L值保险系数较大。在密集型母线槽中导体由两侧板全长紧固,L值趋于0,因此,短路时导体产生的弯曲应力较小,一般参照空气母线槽的L值紧固侧板[5]。

3 150～7 200 A为双层或3层结构立式并联,每相导体短路电流也分配到每层,双层结构每层短路电流是总短路电流的1/2除以分流系数,3层结构每层短路电流是总短路电流的1/3除以分流系数。比如双层结构,短耐80 kA,每层短路电流为40/0.85=47 kA,3层结构100 kA,每层短路电流33.3/0.75=44.4 kA。在空气母线槽中导体之间中心距a为0.019 m或0.023 m,以a=0.023 m为例计算

(5)

其中,L为两固体导体绝缘夹之间的距离;W为导体的截面系数;σxu为导体材料允许的最大弯曲应力;i为短路峰值电流。铜铝复合母线σxu取170[6-7]。

表1　额定短耐电流等级与相应额定电流范围的规定

实际最大短路电流各额定电流等级是不同的,因各额定电流下,回路变压器的电阻、电抗、配电线路的电阻、电抗均不同,总的短路阻抗也不同,在高压侧短路容量无限大时,短路电流最大,各额定电流下考核的短路电流是不同的,具体如表1所示。固定导体的绝缘夹间距也是不同的,表2中分别求出了应考核的短路电流和最大L值。

表2　考核的短路电流和最大L值

3低压开关柜动稳定与产品结构关系

标准型低压开关柜其结构一般不能改变,导体材料采用铜铝复合母线,必须满足原结构对短耐的要求[8]。以GCK2为例进行计算GCK2参数如表3所示。

表3　GCK2参数

1 600 A每相是单根导体,只需计算相间导体产生的弯曲应力,2 500 A以上主母线是由两根以上导体构成。因此,不但要考虑主母线的电动力还要考虑分支导体之间的电动力,总弯曲引力是这两部分弯曲应力之和。验证方式按GCK2柜体结构分别计算主导体的弯曲应力和分支导体的弯曲应力,两者之和是否<255 N·mm-2。主导体的电动力和弯曲应力由式(2)可得计算结果,如表4所示。

表4　弯曲应力计算结果

分支导体(同相间导体)产生的电动力计算

(6)

(7)

其中,n为并联导体数;as为分支导体间有效距离;Ls为相邻支持件或衬垫间的距离;Ws为分支导体截面系数。由此计算出分支导体产生的弯曲应力和总弯曲应力,如表5所示。

表5　分支导体产生的弯曲应力和总的弯曲应力

由计算可知,分支导体(同相)产生的弯曲应力比相间主母线产生的弯曲应力大得多,1 600 A每相是单根导体,总的弯曲应力远<255 N·mm-2,2 500 A和3 200 A总的弯曲应力也<255 N·mm-2,4 000 A和5 000 A同相导体间产生的弯曲应力都超过了铜排的允许应力340,因此铜排的GCK2=4 000和GCK2-5 000开关柜中在水平母线中间加一个绝缘支撑件,以保证Ls的最大值不超过0.45 m,这样在相导体上增加一个绝缘支撑件后,4 000 A:σs=141,σz+σ=203.45;5 000 A:σs=148,σz+σ=245.5,小于铜铝复合母线的允许应力[9]。

4铜铝复合母线和铜母线短耐试验

此次短耐试验所用铜母线硬度为HV90以上,铜铝复合母线硬度为HV65以上,每相采用单根导体的短耐等级为30 kA和50 kA,在对比试验中分别进行30 kA和50 kA两个等级的试验[10]。短耐等级50 kA,i=105 kA,时间为1 s,对应规格和固定间距为:铜母线10×100规格,L=286 mm,复合母线10×120规格,L=186 mm。短耐等级65 kA,i=143 kA,时间为1 s,对应规格和固定间距为186 mm。铜母线6×200,L=178 mm,铜铝复合母线6×200,L=106 mm,铜铝复合母线8×200规格,L=141 mm和178 mm。具体数据如表6所示。

试验依据GB7251在交流大容量断流能力试验设备上进行,试验结果全部满足GB7251的相关要求。

表6　铜铝复合母线与铜母线短耐对比试验

5结束语

铜铝复合母线在低压成套设备中应用需短时耐受试验,通过计算可知铜铝复合母线1 600 A、2 500 A和3 200 A导体间总的弯曲应力<255 N·mm-2,满足要求,4 000 A和5 000 A导体间产生的弯曲应力大于铜母线允许应力,在水平母线中间加一个绝缘支撑架可满足短耐要求。由计算理论值和实验验证可知,在母线槽中通过减小绝缘夹距离L值,可满足铜铝复合母线在母线槽中短耐要求。

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Short-time Withstand Capability of Copper Aluminum Composite Bus Bar

BAI Zhisheng1,CHEN Jianbing2,XIN Shangzhi1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093,China;2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute,Shanghai 200063,China)

AbstractTLF bus is a new composite conductor material and a good substitute for copper bus bar,which enjoys light weight and low cost of aluminum while maintaining the antioxidant ability of copper busbar surface characteristics.But TLF bus must to validate its short-time withstand capability when used in low voltage complete sets of equipment.The TLF bus short-time withstand capability in low voltage complete sets of equipment and bus duct are studied by theoretical calculation and analysis.Experiments show that TLF bus used in low voltage complete sets of equipment and bus duct meets the requirements of short-time withstand capability by adding insulation brace or change the clip distance L between values,paving the ground for its application in low voltage complete sets of equipment and bus duct.

Keywordscopper aluminum composite busbar;short-time withstand capability;dynamic stability;bus duct;low voltage complete sets of equipment

中图分类号TN304.07

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)02-109-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.029

作者简介:白志胜(1989—),男,硕士研究生。研究方向:电器工程。

收稿日期:2015- 07- 03