李晓伟 杜海波 余钦
云南省临沧市云县漫湾镇漫湾电厂 云南临沧 675805
摘要：高竖井、小空间因其环境限制，对母线选型提出了更高要求，需考虑母线安装、后续检修及维护等诸多方面。发电机出口母线通常额定电压在13.8-18kV,额定电流在5000-12000A，这对母线的动、热稳定提出了更高的要求，同时母线接头结构也将影响母线运行温升及使用寿命。本文列举了多种型式的母线，比较其优缺点，得出最适合应用在高竖井、小空间环境下的大电流母线型式。
关键词：高竖井；小空间；大电流；母线
1前言
某水电站受地理条件限制，母线竖井高度达55m，且截面半径较小；发电机出口额定电压13.8kV,额定电流5300A。在进行发电机出口母线的选型时，根据发电机技术参数计算母线技术参数，考虑应用环境因素，对比了共箱母线、小离相封闭母线、电缆母线、全绝缘母线、半绝缘母线、全绝缘浇筑母线的优缺点。
2发电机出口母线参数选择及校验
2.1回路持续工作电流选择
Ixu≥Ig
Ixu—相应于导体在某一运行温度、环境条件及安装方式下长期允许的载流量，通常按工作温度+70℃、环境温度+25℃、导体表面涂漆、无日照、海拔高度1000m及以下条件进行计算。
Ig—导体回路持续工作电流，发电机回路按1.05倍发电机额定电流计算。
Ig=1.05×5300=5565A
根据母线常规工作电流及安全裕度考虑，本工程Ig取6300A。
2.2按经济电流密度选择导体截面
Sj=Ig/j
Sj—经济截面（mm2）；
Ig—导体回路持续工作电流；
j—经济电流密度（A/mm2）。
2.3导体截面校验
对导体截面开展短路热稳定校验、短路动稳定校验、母线热平衡计算。
3发电机出口母线选型
3.1共箱母线
共箱封闭母线是指三相导体封闭在同一外壳中的金属封闭母线，按照载流量的不同，其导体有铜导体和铝导体之分，其外壳也有薄钢板和薄铝板之分。如果额定载流量在2500A及以上，由于多片导体间集肤效应严重，一般采用铜导体，为防止涡流发热，同时封闭母线的外壳应采用薄铝板。导体采用支柱绝缘子支撑，共箱母线也有隔相式，即相与相间采用隔板分隔。共箱封闭母线在电厂工程中应用最为广泛，导体有铜排、铝排、铝管等几种型式。
共箱母线由于其自身结构特点等因素存在诸多问题：
1)运行可靠性问题：共箱型交直流励磁母线一般设有风窗，在潮湿污秽条件下，共箱封闭母线可能发生绝缘闪络，发生单相或多相短路故障，导致机组事故停机。
2)运行维护工作量大：机组正常停机后再起机时，共箱封闭母线由于不是气密型产品，当潮气进入时，其绝缘下降，在机组起机前需对其进行除湿处理，增加了电厂的维护工作量。
3)材料价格增幅较大：导体通常用铜排，价格相对较贵，由于成本问题，4000A以下共箱封闭母线多选用铝导体，箱体稍大一些。
4)检查维护工作量较大：母线存在大量的可拆结构，大大增加了检修维护工作量。
5)发热问题：共箱型交直流励磁母线外壳规格较小，导致母线内部温度较高，在工程中偶有出现环氧板支撑结构烧毁的情况。
受高竖井、小空间环境因素限制，共箱母线安装后的空间裕度较小，且共箱母线运行、检修维护工作量大，较小的空间裕度不利于开展维护工作，因此不适用于高竖井、小空间的应用环境。
3.2小离相封闭母线
小离相封闭母线每相由单相导体和圆形金属外壳构成，三相导体的金属外壳由短路板连接，导体采用铝管，外壳采用铝薄板弯制而成。小离相母线一般用于额定电流要求大、临海或台风地区电厂，其三相具有独立的铝合金外壳，内部充有空气绝缘，要定期维护频率较高，但性能较共箱母线好，价格也相对较高。
小离相封闭母线的优点如下：
1)防护等级高，可达IP65；
2)与共箱母线相比其运行的可靠性高提高了一个等级；
3）导体采用铝管，价格低；
4)段间连接采用焊接，运行可靠；
5)磁场完全被屏蔽，避免了磁场对外界的影响；
6)由于结构上采用三相隔离，即使发生短路，也仅是单相对地短路，基本不会发生两相、三相短路故障。如发生单相短路故障，对变压器等设备的危害很小；
7)大大削弱了母线相间短路电动力，可采用较轻型的支持结构；
8)运行维护工作较为方便。
由于小离相封闭母线自身结构特点，亦存在一些缺点：
1)在布置上，小离相封闭母线比常规共箱母线占用的空间大；
2)现场安装工作量比共箱母线大；
3)小离相封闭母线对地基沉降的要求较高；
4)为保证壳内绝缘子安全可靠运行，减少绝缘故障，制造厂必须提高焊接质量、加强密封。
由于小离相封闭母线比常规共箱母线占用的空间大，因此也不适用于高竖井、小空间的应用环境。
3.3电缆母线
电缆母线的每相由一至数根单芯电力电缆组成，每根电缆之间保持一定间距，彼此间相互平行、直线式地全部装在罩箱内。整套装置均由工厂成套供货，现场架空安装。
电缆母线的优点如下：
1)安全可靠，适用于各种恶劣运行环境。电缆母线装置中的导线采用铜芯电缆，长度不受限，一般无中间接头。由于电缆芯线绝缘，也根除了人员触电的危险；
2)装置内部布置紧凑，体积小，占用空间小，易于布置；
3)一经投入使用，基本上是免维护、免检修；
4)与设备连接方便；
5)电缆现场敷设，可大幅度补偿现场误差。
电缆母线亦存在诸多缺点：
1)电缆母线的一次投资较大；
2)在布置上直角转弯较难，需考虑电力电缆的转弯半径；
3)电缆母线T接制作工艺要求较高；
4)电缆间存在电流分布不均现象，母线较长时还需换相换位。
电缆母线一般应用于额定电流≤4000A的回路，不适用于发电机至主变等大电流回路。
3.4全绝缘铜管母线
发电机至变压器回路电流较大，对全绝缘铜管母线接头局放要求较高，因其接头多采用螺栓或焊接连接，且需在接头位置安装屏蔽，一旦接头位置局放超标，很容易造成绝缘击穿，国内已有多起全绝缘铜管母线接头位置绝缘击穿故障案例，部分企业已在反措中明文禁止选用全绝缘铜管母线，因此不推荐选用全绝缘铜管母线。
3.5全绝缘浇注母线
全绝缘浇注母线是采用添加火山岩无机矿物质成分的环氧树脂系统作为产品绝缘材料的一种中低压母线产品，问世已近40年，在国外核、火电业绩已超过30年，国内曾在岭澳核电厂、台湾桃园大潭电厂(6×750MW)、华能苏州热电厂、浙能台州发电厂四期(2×300MW使用)、中山嘉明燃机电厂、东莞中电新能源燃机电厂、东糖燃煤电厂等运行使用，深获好评。该产品具有体积小巧、安装灵活、终身免维护、可靠性高、电气、机械、热性能突出等特点：
1)机械强度高。全浇注母线的三相导体被整体浇注后，形成一个机械强度很高的刚体，能承受较大的短路电动力，防撞等级IK10，并通过0.8g地震试验；
2)防护等级高。整条母线安装完毕后，绝缘材料形成的外壳防护等级高达IP67，密封效果良好，可浸水运转48小时；
3)阻燃、难燃。极佳的防火特性，不自燃、不助燃及自熄等特性，符合IEC60331-11规定的要求；
4)耐化学腐蚀。环氧绝缘材质化学性质稳定，其耐受酸碱类物质或油脂、液体的腐蚀性能较佳，能在污染环境中长期稳定运行超过50年；
5)绝缘性能稳定。即使在污秽的恶劣条件下，极其潮湿的环境下依然能正常运行。可用于临海或台风地区，高温/低温或温差大地区，灰尘高污染地区及相对湿度高的地区；
6)散热性能好。添加火山岩无机矿物质成分的环氧树脂热传导性能良好，防止母线温升过高。温升为50K情况下，在满足额定电流时，所需的铜导体截面积小于传统母线；
7）优良的环保性能。无毒、无害、不产生有毒气体、环保节能；
8)寿命较长。环氧树脂绝缘材料通过了60年老化试验；
9）运行过程中免维护。产品段间连接模具为免拆模形式，方便现场安装，无螺栓连接等结构，运行过程中免维护；
10)占地面积小。全绝缘浇注母线小型化、集成化，占地面积较小。
全绝缘浇筑母线优点虽然突出，但存在一些缺点：
1）全绝缘浇注母线常规产品的额定载流量一般不超过5000A，要满足本次更换母线的参数要求，需采用两条额定载流量为3150A的母线并联使用。
2）全绝缘浇注母线外形尺寸较小，但转弯处均为直角，灵活性较差，对前期测量、设计及现场安装处理带来一定的困难。
3）全绝缘浇注母线对运行电压超过12kV的大电流产品，需加装铝外壳，以限制涡流和环流带来的危害，铝外壳的加装，会不利于散热并需降容使用。
4）全绝缘浇注母线多用于厂用电母线或发电机励磁母线，厂用电母线通常在运行中不会长期通过大电流，励磁母线的运行电压较低，通常不超过1kV,应用在发电机出口至主变低压侧的连接较少，且应用业绩运行时间较短。
5）造价较高。
全绝缘浇筑母线具有体积小、方便安装等特点，适合在高竖井、小空间环境下使用。本工程发电机至变压器回路母线额定电流为6300A，使用全绝缘浇筑母线需采用双支并列的形式，造价较高。
3.6半绝缘铜管母线
半绝缘铜管母线每相由单相铜管导体组成，铜管外套高压热缩套，使用支撑绝缘子固定。因其非全绝缘型式，对接头处的局放无要求，母线接头只需满足载流要求即可，采用铜抱箍连接，现场安装时使铜抱箍与母线全面贴合，使用螺栓连接或焊接紧固。母线托架采用不导磁的不锈钢材料，表面热镀锌钝化防腐蚀处理，采用螺栓连接结构，无需现场焊接，具有安装方便，拆卸方便的优点。
半绝缘铜管母线的优点如下：
1）机械强度大，抗电气振动能力强，最大跨距可达6m；
2）铜管母线由于无外壳，散热较好，相同截面的导体的载流量大，管状导体肌肤效应系数低，功率损耗低，是等截面矩形母线的1/4；
3）占地面积小，走向清晰，便于检修和巡查，几乎免维护；
4）绝缘性能好，耐腐蚀；
5）半绝缘铜管母线由于无外壳防护，仅使用于架空或者人员不可及处。
半绝缘铜管母线占地面积小，适合在小环境空间下使用，且竖井内通常不会有人员进入，更加适合使用半绝缘铜管母线，但其单位重量相对全绝缘浇筑母线较重，更安装施工增加一定难度。
4结论
在发电机出口至主变压器的大电流回路上，应用于高竖井、小空间环境，需考虑母线通流能力，且易于安装，维护方便，经对比多种形式母线的特点，全绝缘浇筑母线和半绝缘铜管母线均适用于以上应用条件。区别是前者造价较高，但易于安装，免维护；后者造价相对较低，但安装难度相对较大，运行中需对接头位置进行测温。
参考文献
[1] 电力工程电气设计手册—电气一次部分 北京:中国电力出版社 2015.03
[2] 电力工程电气设备手册—电气一次部分 北京:中国电力出版社 2015.09
[3] GB/T 8349-2000 金属封闭母线 国家质量技术监督局 2000.12.01
[4] DL/T 5222-2005 导体和电器选择设计技术规定 中华人民共和国国家发展和改革委员会 2005.06.01
李晓伟 杜海波 余钦
云南省临沧市云县漫湾镇漫湾电厂 云南临沧 675805
摘要：高竖井、小空间因其环境限制，对母线选型提出了更高要求，需考虑母线安装、后续检修及维护等诸多方面。发电机出口母线通常额定电压在13.8-18kV,额定电流在5000-12000A，这对母线的动、热稳定提出了更高的要求，同时母线接头结构也将影响母线运行温升及使用寿命。本文列举了多种型式的母线，比较其优缺点，得出最适合应用在高竖井、小空间环境下的大电流母线型式。
关键词：高竖井；小空间；大电流；母线
1前言
某水电站受地理条件限制，母线竖井高度达55m，且截面半径较小；发电机出口额定电压13.8kV,额定电流5300A。在进行发电机出口母线的选型时，根据发电机技术参数计算母线技术参数，考虑应用环境因素，对比了共箱母线、小离相封闭母线、电缆母线、全绝缘母线、半绝缘母线、全绝缘浇筑母线的优缺点。
2发电机出口母线参数选择及校验
2.1回路持续工作电流选择
Ixu≥Ig
Ixu—相应于导体在某一运行温度、环境条件及安装方式下长期允许的载流量，通常按工作温度+70℃、环境温度+25℃、导体表面涂漆、无日照、海拔高度1000m及以下条件进行计算。
Ig—导体回路持续工作电流，发电机回路按1.05倍发电机额定电流计算。
Ig=1.05×5300=5565A
根据母线常规工作电流及安全裕度考虑，本工程Ig取6300A。
2.2按经济电流密度选择导体截面
Sj=Ig/j
Sj—经济截面（mm2）；
Ig—导体回路持续工作电流；
j—经济电流密度（A/mm2）。
2.3导体截面校验
对导体截面开展短路热稳定校验、短路动稳定校验、母线热平衡计算。
3发电机出口母线选型
3.1共箱母线
共箱封闭母线是指三相导体封闭在同一外壳中的金属封闭母线，按照载流量的不同，其导体有铜导体和铝导体之分，其外壳也有薄钢板和薄铝板之分。如果额定载流量在2500A及以上，由于多片导体间集肤效应严重，一般采用铜导体，为防止涡流发热，同时封闭母线的外壳应采用薄铝板。导体采用支柱绝缘子支撑，共箱母线也有隔相式，即相与相间采用隔板分隔。共箱封闭母线在电厂工程中应用最为广泛，导体有铜排、铝排、铝管等几种型式。
共箱母线由于其自身结构特点等因素存在诸多问题：
1)运行可靠性问题：共箱型交直流励磁母线一般设有风窗，在潮湿污秽条件下，共箱封闭母线可能发生绝缘闪络，发生单相或多相短路故障，导致机组事故停机。
2)运行维护工作量大：机组正常停机后再起机时，共箱封闭母线由于不是气密型产品，当潮气进入时，其绝缘下降，在机组起机前需对其进行除湿处理，增加了电厂的维护工作量。
3)材料价格增幅较大：导体通常用铜排，价格相对较贵，由于成本问题，4000A以下共箱封闭母线多选用铝导体，箱体稍大一些。
4)检查维护工作量较大：母线存在大量的可拆结构，大大增加了检修维护工作量。
5)发热问题：共箱型交直流励磁母线外壳规格较小，导致母线内部温度较高，在工程中偶有出现环氧板支撑结构烧毁的情况。
受高竖井、小空间环境因素限制，共箱母线安装后的空间裕度较小，且共箱母线运行、检修维护工作量大，较小的空间裕度不利于开展维护工作，因此不适用于高竖井、小空间的应用环境。
3.2小离相封闭母线
小离相封闭母线每相由单相导体和圆形金属外壳构成，三相导体的金属外壳由短路板连接，导体采用铝管，外壳采用铝薄板弯制而成。小离相母线一般用于额定电流要求大、临海或台风地区电厂，其三相具有独立的铝合金外壳，内部充有空气绝缘，要定期维护频率较高，但性能较共箱母线好，价格也相对较高。
小离相封闭母线的优点如下：
1)防护等级高，可达IP65；
2)与共箱母线相比其运行的可靠性高提高了一个等级；
3）导体采用铝管，价格低；
4)段间连接采用焊接，运行可靠；
5)磁场完全被屏蔽，避免了磁场对外界的影响；
6)由于结构上采用三相隔离，即使发生短路，也仅是单相对地短路，基本不会发生两相、三相短路故障。如发生单相短路故障，对变压器等设备的危害很小；
7)大大削弱了母线相间短路电动力，可采用较轻型的支持结构；
8)运行维护工作较为方便。
由于小离相封闭母线自身结构特点，亦存在一些缺点：
1)在布置上，小离相封闭母线比常规共箱母线占用的空间大；
2)现场安装工作量比共箱母线大；
3)小离相封闭母线对地基沉降的要求较高；
4)为保证壳内绝缘子安全可靠运行，减少绝缘故障，制造厂必须提高焊接质量、加强密封。
由于小离相封闭母线比常规共箱母线占用的空间大，因此也不适用于高竖井、小空间的应用环境。
3.3电缆母线
电缆母线的每相由一至数根单芯电力电缆组成，每根电缆之间保持一定间距，彼此间相互平行、直线式地全部装在罩箱内。整套装置均由工厂成套供货，现场架空安装。
电缆母线的优点如下：
1)安全可靠，适用于各种恶劣运行环境。电缆母线装置中的导线采用铜芯电缆，长度不受限，一般无中间接头。由于电缆芯线绝缘，也根除了人员触电的危险；
2)装置内部布置紧凑，体积小，占用空间小，易于布置；
3)一经投入使用，基本上是免维护、免检修；
4)与设备连接方便；
5)电缆现场敷设，可大幅度补偿现场误差。
电缆母线亦存在诸多缺点：
1)电缆母线的一次投资较大；
2)在布置上直角转弯较难，需考虑电力电缆的转弯半径；
3)电缆母线T接制作工艺要求较高；
4)电缆间存在电流分布不均现象，母线较长时还需换相换位。
电缆母线一般应用于额定电流≤4000A的回路，不适用于发电机至主变等大电流回路。
3.4全绝缘铜管母线
发电机至变压器回路电流较大，对全绝缘铜管母线接头局放要求较高，因其接头多采用螺栓或焊接连接，且需在接头位置安装屏蔽，一旦接头位置局放超标，很容易造成绝缘击穿，国内已有多起全绝缘铜管母线接头位置绝缘击穿故障案例，部分企业已在反措中明文禁止选用全绝缘铜管母线，因此不推荐选用全绝缘铜管母线。
3.5全绝缘浇注母线
全绝缘浇注母线是采用添加火山岩无机矿物质成分的环氧树脂系统作为产品绝缘材料的一种中低压母线产品，问世已近40年，在国外核、火电业绩已超过30年，国内曾在岭澳核电厂、台湾桃园大潭电厂(6×750MW)、华能苏州热电厂、浙能台州发电厂四期(2×300MW使用)、中山嘉明燃机电厂、东莞中电新能源燃机电厂、东糖燃煤电厂等运行使用，深获好评。该产品具有体积小巧、安装灵活、终身免维护、可靠性高、电气、机械、热性能突出等特点：
1)机械强度高。全浇注母线的三相导体被整体浇注后，形成一个机械强度很高的刚体，能承受较大的短路电动力，防撞等级IK10，并通过0.8g地震试验；
2)防护等级高。整条母线安装完毕后，绝缘材料形成的外壳防护等级高达IP67，密封效果良好，可浸水运转48小时；
3)阻燃、难燃。极佳的防火特性，不自燃、不助燃及自熄等特性，符合IEC60331-11规定的要求；
4)耐化学腐蚀。环氧绝缘材质化学性质稳定，其耐受酸碱类物质或油脂、液体的腐蚀性能较佳，能在污染环境中长期稳定运行超过50年；
5)绝缘性能稳定。即使在污秽的恶劣条件下，极其潮湿的环境下依然能正常运行。可用于临海或台风地区，高温/低温或温差大地区，灰尘高污染地区及相对湿度高的地区；
6)散热性能好。添加火山岩无机矿物质成分的环氧树脂热传导性能良好，防止母线温升过高。温升为50K情况下，在满足额定电流时，所需的铜导体截面积小于传统母线；
7）优良的环保性能。无毒、无害、不产生有毒气体、环保节能；
8)寿命较长。环氧树脂绝缘材料通过了60年老化试验；
9）运行过程中免维护。产品段间连接模具为免拆模形式，方便现场安装，无螺栓连接等结构，运行过程中免维护；
10)占地面积小。全绝缘浇注母线小型化、集成化，占地面积较小。
全绝缘浇筑母线优点虽然突出，但存在一些缺点：
1）全绝缘浇注母线常规产品的额定载流量一般不超过5000A，要满足本次更换母线的参数要求，需采用两条额定载流量为3150A的母线并联使用。
2）全绝缘浇注母线外形尺寸较小，但转弯处均为直角，灵活性较差，对前期测量、设计及现场安装处理带来一定的困难。
3）全绝缘浇注母线对运行电压超过12kV的大电流产品，需加装铝外壳，以限制涡流和环流带来的危害，铝外壳的加装，会不利于散热并需降容使用。
4）全绝缘浇注母线多用于厂用电母线或发电机励磁母线，厂用电母线通常在运行中不会长期通过大电流，励磁母线的运行电压较低，通常不超过1kV,应用在发电机出口至主变低压侧的连接较少，且应用业绩运行时间较短。
5）造价较高。
全绝缘浇筑母线具有体积小、方便安装等特点，适合在高竖井、小空间环境下使用。本工程发电机至变压器回路母线额定电流为6300A，使用全绝缘浇筑母线需采用双支并列的形式，造价较高。
3.6半绝缘铜管母线
半绝缘铜管母线每相由单相铜管导体组成，铜管外套高压热缩套，使用支撑绝缘子固定。因其非全绝缘型式，对接头处的局放无要求，母线接头只需满足载流要求即可，采用铜抱箍连接，现场安装时使铜抱箍与母线全面贴合，使用螺栓连接或焊接紧固。母线托架采用不导磁的不锈钢材料，表面热镀锌钝化防腐蚀处理，采用螺栓连接结构，无需现场焊接，具有安装方便，拆卸方便的优点。
半绝缘铜管母线的优点如下：
1）机械强度大，抗电气振动能力强，最大跨距可达6m；
2）铜管母线由于无外壳，散热较好，相同截面的导体的载流量大，管状导体肌肤效应系数低，功率损耗低，是等截面矩形母线的1/4；
3）占地面积小，走向清晰，便于检修和巡查，几乎免维护；
4）绝缘性能好，耐腐蚀；
5）半绝缘铜管母线由于无外壳防护，仅使用于架空或者人员不可及处。
半绝缘铜管母线占地面积小，适合在小环境空间下使用，且竖井内通常不会有人员进入，更加适合使用半绝缘铜管母线，但其单位重量相对全绝缘浇筑母线较重，更安装施工增加一定难度。
4结论
在发电机出口至主变压器的大电流回路上，应用于高竖井、小空间环境，需考虑母线通流能力，且易于安装，维护方便，经对比多种形式母线的特点，全绝缘浇筑母线和半绝缘铜管母线均适用于以上应用条件。区别是前者造价较高，但易于安装，免维护；后者造价相对较低，但安装难度相对较大，运行中需对接头位置进行测温。
参考文献
[1] 电力工程电气设计手册—电气一次部分 北京:中国电力出版社 2015.03
[2] 电力工程电气设备手册—电气一次部分 北京:中国电力出版社 2015.09
[3] GB/T 8349-2000 金属封闭母线 国家质量技术监督局 2000.12.01
[4] DL/T 5222-2005 导体和电器选择设计技术规定 中华人民共和国国家发展和改革委员会 2005.06.01