大电流开关柜内主回路母线固定方式设计

钱良文

摘  要：大电流开关柜一次元件包括大电流断路路、电动隔离开关、穿芯式电流互感器、主母线、引入引出母线等。通过分析5 000 A大电流开关柜主母线立式、叠加式固定2种方式，选用4根TMY-125×10铜母线进行立式固定设计，经试验分析，立式固定对母排设计、加工及温升等要求更具有优势。通过立式固定方式的设计，解决了主母线加工、安装固定难题，并成功应用到实际工程项目中。

关键词：开关柜;大电流;散热面积;温升

中图分类号：TM642        文献标志码：A

0 引言

随着用电量骤增，用于接收和分配电能的大电流开关柜需求量增大，选用大电流发电机出口柜也不断增加，额定电流达到4000 A～6300 A的12 kV中压交流金属封闭开关设备的市场需求在快速增长。但大电流开关柜在温升、结构强度、电气参数方面要求高，为满足客户需求，行业内都在做相应的研究和试验，优化主回路设计。力争在产品设计、采购成本、加工成本、维修成本等方面做到成本最优。

1主回路母线叠加式固定方式

1.1 叠加式固定方式结构（图1）

4根TMY-125×10铜母线按图1叠加在一起，中间留母线厚度的间隙，在间隙中放入铜垫块，将铜母线、垫块、绝缘子固定在一起，再用M16的六角螺栓，将绝缘子固定在开关柜的安装梁上，完成此部分铜母线的安装。

1.2 叠加式固定方式的优势、劣势分析

优势：叠加式方法固定主回路母线，原理简单，固定直接，只需要在铜母线上开一个φ17的安装孔即可，不需作特别设计就能固定母线，被部分用户接受，多数场合可以采用此种方法。

此种方法固定大电流主回路母线，将4根TMY-125×10铜母线水平或竖直叠加固定在一起，由3组母线构成开关柜三相交流载流回路，由表1可知：单相主回路载流量=排宽（mm）×厚度系数=125×44.1=5512.5A，当用于额定电流5000A的主回路中，可以满足1.1倍额定电流的载流量。

劣势：大电流开关柜中的电动隔离开关、断路器等一次元件，其制造厂家，考虑元器件自身技术原因，为保证触头本身散热面积、载流量能力以及结构稳定性，隔离开关、断路器的触头设计时采取立式出线方式，母线搭接方式只能按照元件本身形状来设计，象知名品牌3AH3 712-4 5000-63kA发断，如图2所示。采用叠加固定方式，柜内主母线需贴合断路器出线触头外形设计，铜母线与断路器出线母线不在一个平面上，在空间上存在90°夹角，此时，主母线与断路器触头搭接处需做转接母排，导致开关柜内主母线设计、加工、安装很因难，且增加铜材用量。

2 主回路母线立式固定方式设计

2.1 立式固定方式结构（图3）

立式固定方式构成：上下不锈钢夹板、固定绝缘子、不锈钢螺杆。安装顺序：①将二根M12×190不锈钢螺杆旋入固定绝缘子;②套入下夹板，将4根TMY-125×10铜母线放入下夹板凹槽中，调整铜排位置;③固定上夹板。

2.2 立式固定方式零件设计

夹板设计：材质：00Cr（304）不锈钢，板厚：3.0 mm，公称抗拉强度：520 MPa，公称屈服强度：205 MPa，能保证主回路母线立式固定方式结构的稳定性。夹板设固定铜母线的槽，槽宽12，设有孔距为56.5 mm ，18×13长腰孔的不锈钢螺杆安装孔，左右两端折边，高度为25 mm，尖角均R1.5。夹板采用激光切割加工工艺，切割后转数控折弯加工而成。设计图如图4所示。

固定绝缘子设计：材质：环氧树酯，机械强度：拉弯强度>23kN，爬电距离：20 mm/kV，固定绝缘子底部留有嵌件M16×33、頂部嵌件4-M12×16和M16×23螺纹孔。固定绝缘子采用高温压制工艺。设计图如图5所示。

不锈钢螺杆的设计：材质：φ12 mm圆钢 00Cr（304）不锈钢，性能等级：4.8级，公称抗拉强度：400 MPa、公称屈服强度：320 MPa、有效剪切面积：89 mm2，长度为190 mm全螺纹螺杆。

3 主回路母线立式固定方式验证

3.1 结构件温升试验

温升按GB/T 11022—2011 6.5条款，试验在户内，大体上无空气流动的室温（20 ℃）环境下进行。在温升试验规定的条件下，当周围空气温度不超过40 ℃时，开关设备和控制设备任何部分的温升不应该超过裸铜的温度75℃、温升极限35 K。

试验应持续足够长时间以使温升达到稳定，若在1 h内温升不超过1 K，就认为达到这一状态，通常这一判据在试验持续时间达到受试设备热时间常数的5倍时就会满足。

试验电流5 500 A，在铜母线固定热电偶，温度测量参数见表2，其温升值在允许范围内（温升极限35 K， 温度极限75 ℃），且表现值较优越，对开关柜温升要求是一种好的结构形式。

3.2 散热面积分析

假设铜母线规格为4层TMY-125×10，母线长1.5 m，有效散热表面积指的是铜母线所有表面积之和。叠加固定方式有效散热表面积：S1=1.43m2，主回路母线立式固定方式有效散热表面积：S2=1.63m2，S1/S2×100%=1.43/1.63×100%=87.7%。

叠加固定方式有效散热表面积S1为立式固定方式有效散热表面积S2的87.7%，母线立式固定有效散热表面积具有明显优势，且不锈钢螺杆、不锈钢夹板均采用不导磁材料，避免结构件本身产生涡流而发热。

4 主回路母线立式固定方式优点

设计与加工：优化了母排的复杂形状、加工尺寸难控制等，减掉了转接排（无需转接）。避免了因加工而导致铜排尺寸与断路器配合产生的一系列问题等，节约了加工、测量、采购成本，缩短了加工周期。

安装与运行：母排与断路器能自然吻合，不损伤断路器，铜排无需其他联接，避免了断路器受外力影响而损伤，保证了开关柜安全运行。

5 实践与应用

某电站发电机出口开关柜，主回路母线采用立式固定。该电站设备参数见表3，且都满足出厂要求。发电机出口柜主母线立式固定实物如图6所示。

6 结语

立式固定方式解决了大电流开关内主母线的固定与联接，不损伤断路器和隔离开关出线触头，且同时保证了结构件的机械强度、母线散热、母线温升，是一种新颖的方法，此方法也可用于大电流母线槽、低压成套柜、母线桥等。该种立式设计方案，值得推广。

参考文献

[1]张博.10 kV开关的电气与机械特性运行状态试验研究[D].沈阳工程学院，2017.

[2]费少伟.额定电流4000安培中压开关柜的研制[D].苏州大学，2016.

[3]王进.某大电流高分断封闭式金属开关柜的设计与研究[D].东南大学，2015.