管型母线感应电压计算及接地开关的布置

唐忠达

（南瑞集团有限公司，南京 211000）

0 前言

管型导体主要有铝镁合金管母、铝锰合金管母两大类，因其具有肌肤效应小、电晕起始电压高、占地面积小、布置清晰等优点，在变电站中的应用已越来越广泛，且主要作主母线载流导体用。

具有双母线的配电装置，在应用管型导体作主母线时，如一段母线运行，另一段检修，由于电磁耦合效应，所检修的母线会存在电磁感应电压。为保证检修安全，需在母线上装设一定数量的接地开关。母线电磁感应电压与长期工作电流、故障电流、母线长度及母线间距等因素有关，而感应电压决定着接地开关的设置部位及数量[1]，若设置不当，则会对人身安全造成很大的威胁。

1 管型母线感应电压计算

在双母线的配电装置中，当一段母线仍在运行，而另一段母线停电时，由于电磁耦合，停电检修母线上会产生电磁感应电压。施加于停电母线上的感应电压大致可以分成两种：长期工作电磁感应电压、瞬时电磁感应电压[2]。

1）长期工作电磁感应电压，是由工作中的母线通过正常工作电流产生的，作用是长期的。

2）瞬时电磁感应电压，是当工作母线发生三相或单相短路故障造成的，作用是瞬时的。

双母线布置如下图所示，假设1 M（Ⅰ母）运行，2 M（Ⅱ母）停电检修，由于电磁耦合效应，在2 M 上将出现电磁感应电压。

图1 双母线布置图

当1 M 流过正常工作电流或三相短路电流时，在2 M 的 A2 相上产生的电磁感应电压最大。在直接接地系统中，当1 M 中C1 相发生单相短路时，在2 M 的A2 相上产生的电磁感应电压最大。因此，母线电磁感应电压计算可采用2 M 中的A2 相为准，并以此作为接地开关选择的条件。

1.1 长期工作电磁感应电压

式中：

UA2—A2相母线单位长度的电磁感应电压（V/m）；

Ig—母线长期工作电流（A）；

XA2C1—2 M 中A2 相对1 M 中C1 相单位长度的平均互感抗（Ω/m）；

XA2B1—2 M 中A2 相对1 M 中B1 相单位长度的平均互感抗（Ω/m）；

XA2A1—2 M 中A2 相对1 M 中A1 相单位长度的平均互感抗（Ω/m）；

L—单组母线总长度（m）；

D—母线相间距离（m）；D1 为两组母线相邻边相的间距（m）。

1.2 瞬时电磁感应电压

1.2.1 三相短路时电磁感应电压

式中，Id为母线三相短路电流（A）。

1.2.2 单相短路时电磁感应电压

式中，I1为单相短路电流（A）。

2 接地开关安装数量及间距计算

母线上接地开关的装设数量以及相互间的间距以母线感应电压计算结果为依据，装设接地开关需考虑其相互之间的间距及与母线端部的距离，以保证人身安全。

2.1 按长期工作电磁感应电压计算

在一段母线长期工作的情况下，为保证另一段停电母线的检修安全，所装设的接地开关应能将感应电压限制在安全电压范围以内。

按我国相关安全规定，对于干燥而触电危险性较小的环境，交流安全电压规定为36 V；对于潮湿而触电危险性较大的环境，交流安全电压规定为12 V。在安全电压以内，触电时通过人体的电流可被限制在较小范围内，在一定的程度上保障了人身安全。故，为保证停电母线的检修安全，须限制其感应电压不得大于12 V[3]。由此可得出在长期工作条件下接地开关的安装间距及与母线端部的距离。

1）接地开关至母线端部的距离（m）

2）接地开关之间的间距（m）

2.2 按瞬时电磁感应电压计算

人体触电导致死亡的主要原因是电击时引起的心室纤颤，其主要决定于通过的电流大小及电击时间。按照IEEE 标准[4]，99.5%的体重大约为50 kg 的人在0.03 ～3 s 的电击时间内，可承受电击而不致发生心室纤颤导致死亡的电流与电击时间的关系式如下：

I2t=0.0135

按国内电力系统现状，故障时保护动作切除故障时间可满足上式要求。由此可知，在母线发生短路故障的情况下，为保证人身安全，允许的感应电压限制为：

式中，R为人体电阻，一般为1000 ～2000 Ω。人体受到的电击危害在故障发生之后，变电站保护动作，在极短的时间之内，故障即切除，电击时间应为保护动作时间与断路器全分闸时间之和。

人体电阻按1250 Ω 计，则感应电压允许值为：

由此，可得出在短路的条件下接地开关的安装间距及与母线端部的距离。

1）接地开关至母线端部的距离（m）

（2）接地开关之间的间距（m）

3 应用实例

某一220 kV 变电站220 kV 配电装置采用户外支撑管母中型，间隔宽度13 m，母线相间距离3.5 m，两组母线相邻边相的间距6 m，单组母线总长度176 m。母线长期工作电流3936 A，三相短路电流37.92 kA，单相短路电流35.14 kA，短路故障切除时间0.15 s。拟在各组母线上均装设两组接地开关。

图2 220 kV配电装置主母线布置图

若1 M 运行，2 M 停电检修，按照式（1）～（3），2 M 中A2 相对1 M 中的C1、B1、A1 相单位长度的平均互感抗为：

按照式（4）～式（10），各种型式下感应电压、接地开关的装设距离计算结果见表1。

由表1 可知，在发生单相短路的情况下，检修母线产生的感应电压最大，要求接地开关的间距及接地开关至母线端部距离为最小。

表1 感应电压、接地开关的装设距离计算结果表

比较三种工况下的计算结果取最小值，同时结合管母线安装要求，该220 kV 配电装置主母线两接地开关间的距离取104 m，接地开关至母线端部的距离取40.5 m，可保证在1 M 运行，2 M 停电检修的情况下的检修安全。

图3 220 kV配电装置主母线接地开关布置图

4 结束语

采用管型导体作主母线的双母线配电装置，由于电磁耦合作用，为保证电气设备及母线的检修安全，需在母线上装设接地开关。通过计算一段母线运行，另一段母线停电的工况下，停电检修母线的感应电压，以此可确定接地开关的设置位置及数量。