27.5 kV绝缘管型母线在铁路的应用及技术要求

邓 刚

(中国国家铁路集团有限公司工程质量监督管理局,北京 100844)

铁路牵引变电所作为电气化铁路的核心，担负着向接触网供电的重要作用。对牵引变电所的供电质量要求越来越高，负荷增大，要求设备的载流能力高，运行安全可靠性要求高[1-2]。

以往在铁路牵引变电所低压侧27.5 kV设备母线从主变压器引入高压室内通常采用高压电缆、软母线、裸铜排母线方式。时速350 km高速铁路牵引变电所采用27.5 kV GIS开关柜室内布置，低压侧27.5 kV母线从主变压器引入高压室内采用高压电缆方式；时速250 km高速铁路通常采用27.5 kV设备室外中型布置，27.5 kV低压侧母线采用软母线连接方式；时速200 km客货共线铁路及普速铁路，供电方式一般为直接供电方式，27. kV设备通常采用室内金属网栅间隔式或AIS开关柜布置，主变低压侧采用架空线进入高压室采用架空软母线、穿墙套管、裸铜排方式。综上，低压侧27.5 kV设备室内布置时采用高压电缆引入或架空线通过穿墙套管加裸铜排两种方式。安装方式采用高压电缆方式时需要预留专门的电缆夹层和电缆沟，单根电缆载流量不能满足需求；采用架空线通过穿墙套管加裸铜排方式安装时，母线固定连接点多，体积大，质量大，对房屋结构及净空要求较高，安装工序繁杂。27.5 kV管型绝缘母线作为一种新型的载流导体，占用空间小，布置简单，技术性能优良，安装维护方便，具有一定推广应用价值[3-5]。

结合27.5 kV绝缘管型母线在铁路牵引变电所实际工程应用案例，分析绝缘管型母线组成结构和主要技术特点，提出了在铁路牵引变电所的应用范围，重点阐述在铁路上应用绝缘管型母线的技术要求，试验项目、标准及安装工艺等。

1 绝缘管型母线的结构与技术特点

1.1 结构

绝缘管型母线的结构从里到外依次是：金属管、导体屏蔽层、主绝缘、绝缘屏蔽层、金属屏蔽层、外护套，如图1所示。金属管一般采用铜或铝管，导体屏蔽层、绝缘屏蔽层采用非金属半导体材料，金属屏蔽层采用铜带或铜编织带缠绕包裹，外护套可采用聚乙烯或聚氯乙烯材料。在实际工程中绝缘管型母线系统组成通常是一定长度的直线段、弧线段组合成特定形状和尺寸的组合体，包括中间接头、终端头、支撑结构和穿墙结构，形成一体式母线系统[6-8]，如图2所示。

图1 绝缘管型母线结构

图2 绝缘管型母线应用示意

1.2 技术特点

绝缘管型母线，具有如下特点。

(1)载流量大

绝缘管型母线采用金属管型结构，与其他实体导体相比内外表面积更大，电流密度分布更加均匀。在环境温度25 ℃条件下，常用截面为300 mm2架空铝绞线，载流量为700 A，电流密度为2.33 A/mm2；截面为300 mm2单芯铜材质高压电缆，载流量为733 A[9]，电流密度为2.53 A/mm2；100×10 mm规格裸铜排，截面积1 000 mm2，载流量为2 370 A，电流密度为2.37 A/mm2；93/100 mm规格管型铜母线，截面积为1 061 mm2，载流量可达3 060 A，电流密度为2.88 A/mm2。综上，管型母线单位截面的载流量大于相同截面其他结构形式的导体。

(2)表面场强低

载流量相同、截面相同的管型母线与矩形母线相比，金属管型母线表面的电场强度是矩形母线的1/10～1/15，带电运行较为安全可靠。

(3)机械强度高

管型母线截面模量公式为

W=π(D4-d4)/32

式中，D为管型母线外径；d为管型母线内径。

矩形母线截面模量公式为W=bh2/6

式中，b为矩形母线宽度；h为矩形母线厚度。

在相同载流能力的情况下，绝缘管型母线抗弯强度大于矩形裸铜排母线，更大于高压电缆的抗弯强度。其可以耐受强电动力，同时可加大固定点间距，在敷设安装时可以减少固定点。

(4)散热条件好、温升低

管型母线是中空结构，内外表面积大，同等外部条件下散热速度快，与高压电缆相比，导体温升要低。

(5)良好的电气绝缘性能

绝缘管型母线在金属管外包有主绝缘层，有良好的绝缘性能，外表面零电位，运行安全性高。

(6)环境适应性强，布置结构简单，安装维护方便。

绝缘管型母线外护套保护母线内部免受机械损坏和化学腐蚀。绝缘管型母线通过抱箍、卡具在支架上或墙体上安装，布置结构简单，安装方便。母线安装后，维护少、运行成本低[10-11]。

2 国内绝缘管型母线的应用情况

绝缘管型母线作为一种新型母线技术，国外发展起步较早，技术成熟，应用广泛，有多年的运行经验。2000年左右从德国引进技术，在电力系统开始应用。由于其电气、机械性能好，安装方便，环境适应性强，在国内电力系统得到广泛的应用，涵盖了400 V至66 kV等多个电压等级并有大量的应用实例，2015年电力行业颁布了35 kV及以下固体绝缘管型母线的行业标准，确定了相关技术要求和试验内容。

绝缘管型母线在铁路行业应用刚刚起步，在新建渝黔铁路、成蒲铁路等部分牵引变电所室内采用了27.5 kV电压等级管型绝缘母线，两条铁路均已开通运营，供电运行稳定，无不良反映。

3 铁路牵引变电所高压室内母线的选择

当牵引变电所低压侧27.5 kV设备采用室内AIS开关柜和GIS开关柜方式布置时，母线通常采用矩形裸铜排和高压电缆。通过比较选择，以绝缘管型母线代替矩形裸铜排和高压电缆，具有一定的优势。

母线如采用裸铜排，有以下不足：(1)母线安装在空气绝缘的封闭母线箱或裸露安装，体积大，质量大，对高压室房屋结构及净空要求较高；(2)母线裸露安装，通过空气绝缘，安全性较差；(3)裸铜排母线通过支持绝缘子安装固定，绝缘子数量多，损坏击穿的概率大，影响运营安全；(4)当负荷电流大时，因单根载流量有限，铜排需采用双根导体并联。

母线如采用高压电缆方式，有以下不足：(1)在房屋设计、施工阶段预留电缆沟及电缆夹层；(2)单根电缆无法满足载流量要求，多根电缆并联接入开关柜，要求柜内空间大，连接点增多，故障概率增高；(3)电缆敷设时最小弯曲半径要求大，敷设过程中绝缘层、外护套及铠装层易形成损伤;(4)电缆中间头及终端头制作工艺要求高，近年来27.5 kV单相电缆故障频发。

母线如采用27.5 kV绝缘管型母线，较裸铜排及高压电缆设计具有以下优势：(1)进线至馈线之间，进线及馈线至室外部分均采用绝缘管型母线，所占空间小、结构简单、安装方便，不改变室内设备布置。(2)绝缘管型母线本体部分表面为零电位，无需额外的绝缘防护，确保运营安全。(3)进线及馈线至室外部分导流回路直接穿过墙体与室外设备连接，无需设置额外的接口设备，减少了导流回路中的故障点。(4)绝缘管型母线载流量大，单根即可满足供电需求。

通过以上分析比较，当牵引变电所低压侧27.5 kV设备采用AIS开关柜和GIS开关柜布置时，采用绝缘管型母线代替矩形裸铜排母线和高压电缆，具有占用空间小，载流量大、安装简便、安全性高、不需要专门预留电缆夹层和电缆沟等优点，由于目前GIS开关柜多采用柜底电缆进出方式，绝缘管型母线对GIS开关柜进出线结构提出了特殊要求，需要改为柜顶进出线方式。当牵引变电所低压侧27.5 kV设备采用室外中型布置时和室内网栅间隔式时，因设备布置分散、母线安装复杂，绝缘管型母线安装方式与软母线和裸铜排相比不具有优势。

渝黔铁路供电方式为带回流线的直接供电方式，牵引变电所室内采用AIS开关柜布置，绝缘管型母线应用范围为高压室外进线至进线高压开关柜，馈线侧高压开关柜至室外馈出母线，进线侧和馈线侧母线终端均安装在室外，室内开关柜之间连接母线。

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4 27.5 kV绝缘管型母线技术参数

4.1 额定电压

参照27.5 kV单相绝缘电缆相关要求，27.5 kV绝缘管型母线的电压见表1[12-15]。

表1 27.5 kV绝缘管型母线的电压 kV

4.2 额定电流

根据渝黔铁路供电负荷要求，27.5 kV绝缘管型母线的额定电流为：2 500 A、1 600 A(分别适用于牵引变电所、分区所)。

4.3 额定频率

27.5 kV绝缘管型母线的频率为50 Hz。

4.4 绝缘水平

参照27.5 kV单相电缆相关要求，绝缘水平见表2。

表2 绝缘水平 kV

4.5 27.5 kV绝缘管型母线的动热稳定

参照27.5 kV单相电缆相关要求，动热稳定电流见表3。

表3 动热稳定电流

4.6 27.5 kV绝缘管型母线允许温度和温升

在正常使用条件下运行时，27.5 kV绝缘管型母线最高允许温度：长期工作条件下为90 ℃，短路条件下为250 ℃，长期运行条件允许最高温升50 K。

5 试验项目

通过分析27.5 kV绝缘管型母线结构特点，其与27.5 kV单相电缆相类似、电压等级相同，因此测试项目和标准可参照GB/T 28427—2012相关内容。渝黔铁路27.5 kV绝缘管型母线试验项目根据设计文件要求，试验类型包括型式试验、出厂试验、现场试验，试验方法参考相关行业标准进行。试验项目见表4。

表4 试验项目

电气型式试验时，27.5 kV绝缘管型母线系统作为整体进行试验，要求包含直线段、曲线段、中间接头、母线终端及两端软连接装置，整体长度不小于8 m。为测试母线系统温度，需建立模拟回路系统，模拟回路系统由同规格母线本体(长度不小于5 m)和软连接装置构成。

27.5 kV绝缘管型母线出厂试验在工厂预制生产完成后，在所有生产长度上进行取样试验。

6 安装及现场试验

6.1 27.5 kV绝缘管型母线安装

安装流程如下：现场测量→工厂预制→支架安装→母线固定→中间头、终端头制作→接地连接→试验及验收。

(1)根据设计图纸和现场室内开关柜、穿墙预留口位置进行测量，确定绝缘管型母线各分段制作尺寸、弯曲半径等。

(2)根据测量结果进行母线分段制作。

(3)在预埋好的支撑柱上按设计尺寸安装母线支撑架。

(4)母线固定。母线、中间接头和终端头的规格型号、尺寸应符合设计要求；母线及附件外观检查正常，表面没有裂缝、褶皱、损伤等缺陷。

母线支架固定形式符合设计要求，固定点应均匀分布，保证母线各部位受力均匀，母线最大悬空跨距不大于5 m。母线抱箍、金具、支架等紧固力矩符合要求。

(5)中间接头、终端头制作、与设备软连接。中间头、终端头安装时应在洁净环境进行，安装现场环境温度应>5 ℃，湿度≤70%，避免雨水。按设计图纸选用合适长度的软连接母线与开关柜接线板、母线与变压器端接线板，如图3所示。

图3 母线终端头与设备连接

(6)接地连接。金属支架、托架底座、母线屏蔽层的接地可靠。母线接地方式采用一端单点接地。绝缘管型母线中间接头、终端头接地线及支架接入牵引变电所地网[16-17]。

6.2 安装后现场试验

绝缘管型母线现场全部安装完成后进行电气性能试验，试验项目及技术参数应符合设计要求。试验项目包括交流耐压试验、主绝缘电阻测试。

交流耐压试验，可选择以下3种试验方式。

(1)在导体与金属屏蔽之间施加55 kV，持续60 min。

(2)在导体与金属屏蔽之间施加27.5 kV，持续24 h。

(3)在导体与金属屏蔽之间施加68.75 kV，持续5 min。

在交流耐压试验前后分别测试主绝缘电阻，主绝缘及外护套绝缘电阻应无明显差异，电阻值不小于15 000 MΩ·m[18-19]。

7 结论及建议

(1)27.5 kV绝缘管型母线与传统母线、高压电缆比较，具有占用空间小、载流量大、机械强度高、绝缘性能好、环境适应性强、不需预留电缆夹层和电缆沟、安装维护方便等优点。牵引变电所低压侧室内设备采用AIS开关柜和GIS开关柜布置时(需改进为柜顶进出线方式)，用绝缘管型母线代替矩形裸铜排母线和高压电缆具有推广应用前景。该绝缘管型母线在渝黔铁路牵引变电所得以应用实施并实际运营1年以上，对牵引变电所提高供电可靠性、运行安全、少维护、低损耗等方面具有积极的作用。

(2)27.5 kV绝缘管型母线应用中存在的问题：虽然电力行业颁布了35 kV及以下固体绝缘管型母线的行业标准，但铁路27.5 kV绝缘管型母线额定电压(U0=27.5 kV)高于电力35 kV绝缘管型母线额定电压(U0=21 kV)，与27.5 kV单相电缆也存在不同之处。27.5 kV绝缘管型母线在铁路行业应用缺乏相应的行业标准规范，相关设计单位、厂家仅参考结构类似产品(如电缆、管型母线等)的标准技术条件设计和生产[20]。因此应当尽快制定铁路行业技术标准，便于规范生产，统一技术参数。