銅鋁復(fù)合母線(xiàn)短時(shí)耐受能力研究

白志勝,陳建兵,忻尚芝

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093;2.上海電器科學(xué)研究院,上?！?00063)

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銅鋁復(fù)合母線(xiàn)短時(shí)耐受能力研究

白志勝1,陳建兵2,忻尚芝1

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海電器科學(xué)研究院,上海200063)

摘要銅鋁復(fù)合母線(xiàn)(TLF bus bar)是一種新型復(fù)合導(dǎo)體材料,其既保持了銅母線(xiàn)(copper bus bar)表面抗氧化能力強(qiáng)的特點(diǎn),又利用了鋁重量輕,價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn),是替代銅母線(xiàn)的極佳材料。但銅鋁復(fù)合母線(xiàn)在低壓成套設(shè)備和母線(xiàn)槽中應(yīng)用必須對(duì)其短時(shí)耐受能力進(jìn)行驗(yàn)證。文中通過(guò)理論計(jì)算分析了低壓成套設(shè)備和母線(xiàn)槽中銅鋁復(fù)合母線(xiàn)承受短耐的能力,并對(duì)理論值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示,銅鋁復(fù)合母線(xiàn)在低壓成套設(shè)備和母線(xiàn)槽中應(yīng)用通過(guò)增加絕緣支撐架或改變絕緣夾之間距離L值,可使其滿(mǎn)足短時(shí)耐受能力的要求,為其在低壓成套設(shè)備和母線(xiàn)槽中應(yīng)用提供了理論依據(jù)以及解決方案。

關(guān)鍵詞銅鋁復(fù)合母線(xiàn);短路耐受;動(dòng)穩(wěn)定;母線(xiàn)槽;低壓成套設(shè)備

交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng),磁場(chǎng)中的其他載流導(dǎo)體受到該磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電動(dòng)力,該電動(dòng)力的大小與載流導(dǎo)體之間的間距和電流的大小有關(guān)。在供配電系統(tǒng)中,任何運(yùn)行的設(shè)備或線(xiàn)路的載流導(dǎo)體之間都會(huì)有電動(dòng)力的存在,當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí),該電動(dòng)力將是正常運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)倍甚至幾十倍,這樣,就會(huì)造成設(shè)備或線(xiàn)路的機(jī)械損傷,若導(dǎo)體短時(shí)耐受能力較高,便可能引起災(zāi)難性的后果[1-2]。銅鋁復(fù)合母線(xiàn)是一種新型的導(dǎo)體復(fù)合材料,要在電器行業(yè)得到推廣應(yīng)用就必須對(duì)其短時(shí)耐受性能進(jìn)行分析、驗(yàn)證[3]。

1短耐計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力。電動(dòng)力包括電動(dòng)斥力和電動(dòng)補(bǔ)償力。電動(dòng)斥力決定了導(dǎo)體承受的機(jī)械應(yīng)力,三相系統(tǒng)導(dǎo)體短路時(shí)中間B相受到最大電動(dòng)力

(1)

其中,i為短路電流峰值,單位A;L為兩固定導(dǎo)體絕緣夾之間距離,單位m;a為導(dǎo)體之間中心距,單位m;導(dǎo)體間作用力引起的彎曲應(yīng)力

(2)

單位N·mm-2,其中W=1/(6 hb2)為導(dǎo)體立放時(shí)的截面系數(shù),b為導(dǎo)體厚度,h為導(dǎo)體寬度,單位m;β為動(dòng)態(tài)應(yīng)力系數(shù),與導(dǎo)體固有震動(dòng)頻率有關(guān),取決于固定支架,簡(jiǎn)單支架取1,對(duì)開(kāi)關(guān)柜水平母線(xiàn),中間有垂直引出母線(xiàn)取0.73,中間沒(méi)有垂直引出母線(xiàn)取0.5。

導(dǎo)體能承受短路時(shí)的彎曲應(yīng)力σ ≤ qσxu,σxu是導(dǎo)體材料允許的最大彎曲應(yīng)力。工程上取永久變形值達(dá)0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為該材料的屈服極限[4]。文中按鋁母線(xiàn)的參數(shù)作為銅鋁復(fù)合母線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算,由于銅鋁復(fù)合母線(xiàn)的抗拉強(qiáng)度大于鋁母線(xiàn)抗拉強(qiáng)度,所以銅鋁復(fù)合母線(xiàn)的屈服極限也大于鋁母線(xiàn)的屈服極限。 q為可塑性系數(shù),對(duì)矩形截面取q=1.5。銅鋁復(fù)合母線(xiàn)的qσxu=1.5×170=225N·mm-2。

2母線(xiàn)槽動(dòng)穩(wěn)定與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系

母線(xiàn)槽能否承受短路電流的沖擊,主要取決于固定導(dǎo)體兩絕緣夾之間的距離L,L值可由式σ ≤ qσxu求出,動(dòng)態(tài)應(yīng)力系數(shù)β取1。

(3)

(4)

空氣母線(xiàn)槽中絕緣夾和側(cè)板緊固一起后固定導(dǎo)體,因此導(dǎo)體短路時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力要比計(jì)算的小,計(jì)算出的L值保險(xiǎn)系數(shù)較大。在密集型母線(xiàn)槽中導(dǎo)體由兩側(cè)板全長(zhǎng)緊固,L值趨于0,因此,短路時(shí)導(dǎo)體產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較小,一般參照空氣母線(xiàn)槽的L值緊固側(cè)板[5]。

3 150～7 200 A為雙層或3層結(jié)構(gòu)立式并聯(lián),每相導(dǎo)體短路電流也分配到每層,雙層結(jié)構(gòu)每層短路電流是總短路電流的1/2除以分流系數(shù),3層結(jié)構(gòu)每層短路電流是總短路電流的1/3除以分流系數(shù)。比如雙層結(jié)構(gòu),短耐80 kA,每層短路電流為40/0.85=47 kA,3層結(jié)構(gòu)100 kA,每層短路電流33.3/0.75=44.4 kA。在空氣母線(xiàn)槽中導(dǎo)體之間中心距a為0.019 m或0.023 m,以a=0.023 m為例計(jì)算

(5)

其中,L為兩固體導(dǎo)體絕緣夾之間的距離;W為導(dǎo)體的截面系數(shù);σxu為導(dǎo)體材料允許的最大彎曲應(yīng)力;i為短路峰值電流。銅鋁復(fù)合母線(xiàn)σxu取170[6-7]。

表1　額定短耐電流等級(jí)與相應(yīng)額定電流范圍的規(guī)定

實(shí)際最大短路電流各額定電流等級(jí)是不同的,因各額定電流下,回路變壓器的電阻、電抗、配電線(xiàn)路的電阻、電抗均不同,總的短路阻抗也不同,在高壓側(cè)短路容量無(wú)限大時(shí),短路電流最大,各額定電流下考核的短路電流是不同的,具體如表1所示。固定導(dǎo)體的絕緣夾間距也是不同的,表2中分別求出了應(yīng)考核的短路電流和最大L值。

表2　考核的短路電流和最大L值

3低壓開(kāi)關(guān)柜動(dòng)穩(wěn)定與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)型低壓開(kāi)關(guān)柜其結(jié)構(gòu)一般不能改變,導(dǎo)體材料采用銅鋁復(fù)合母線(xiàn),必須滿(mǎn)足原結(jié)構(gòu)對(duì)短耐的要求[8]。以GCK2為例進(jìn)行計(jì)算GCK2參數(shù)如表3所示。

表3　GCK2參數(shù)

1 600 A每相是單根導(dǎo)體,只需計(jì)算相間導(dǎo)體產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力,2 500 A以上主母線(xiàn)是由兩根以上導(dǎo)體構(gòu)成。因此,不但要考慮主母線(xiàn)的電動(dòng)力還要考慮分支導(dǎo)體之間的電動(dòng)力,總彎曲引力是這兩部分彎曲應(yīng)力之和。驗(yàn)證方式按GCK2柜體結(jié)構(gòu)分別計(jì)算主導(dǎo)體的彎曲應(yīng)力和分支導(dǎo)體的彎曲應(yīng)力,兩者之和是否<255 N·mm-2。主導(dǎo)體的電動(dòng)力和彎曲應(yīng)力由式(2)可得計(jì)算結(jié)果,如表4所示。

表4　彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

分支導(dǎo)體(同相間導(dǎo)體)產(chǎn)生的電動(dòng)力計(jì)算

(6)

(7)

其中,n為并聯(lián)導(dǎo)體數(shù);as為分支導(dǎo)體間有效距離;Ls為相鄰支持件或襯墊間的距離;Ws為分支導(dǎo)體截面系數(shù)。由此計(jì)算出分支導(dǎo)體產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和總彎曲應(yīng)力,如表5所示。

表5　分支導(dǎo)體產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和總的彎曲應(yīng)力

由計(jì)算可知,分支導(dǎo)體(同相)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力比相間主母線(xiàn)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大得多,1 600 A每相是單根導(dǎo)體,總的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)<255 N·mm-2,2 500 A和3 200 A總的彎曲應(yīng)力也<255 N·mm-2,4 000 A和5 000 A同相導(dǎo)體間產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力都超過(guò)了銅排的允許應(yīng)力340,因此銅排的GCK2=4 000和GCK2-5 000開(kāi)關(guān)柜中在水平母線(xiàn)中間加一個(gè)絕緣支撐件,以保證Ls的最大值不超過(guò)0.45 m,這樣在相導(dǎo)體上增加一個(gè)絕緣支撐件后,4 000 A:σs=141,σz+σ=203.45;5 000 A:σs=148,σz+σ=245.5,小于銅鋁復(fù)合母線(xiàn)的允許應(yīng)力[9]。

4銅鋁復(fù)合母線(xiàn)和銅母線(xiàn)短耐試驗(yàn)

此次短耐試驗(yàn)所用銅母線(xiàn)硬度為HV90以上,銅鋁復(fù)合母線(xiàn)硬度為HV65以上,每相采用單根導(dǎo)體的短耐等級(jí)為30 kA和50 kA,在對(duì)比試驗(yàn)中分別進(jìn)行30 kA和50 kA兩個(gè)等級(jí)的試驗(yàn)[10]。短耐等級(jí)50 kA,i=105 kA,時(shí)間為1 s,對(duì)應(yīng)規(guī)格和固定間距為:銅母線(xiàn)10×100規(guī)格,L=286 mm,復(fù)合母線(xiàn)10×120規(guī)格,L=186 mm。短耐等級(jí)65 kA,i=143 kA,時(shí)間為1 s,對(duì)應(yīng)規(guī)格和固定間距為186 mm。銅母線(xiàn)6×200,L=178 mm,銅鋁復(fù)合母線(xiàn)6×200,L=106 mm,銅鋁復(fù)合母線(xiàn)8×200規(guī)格,L=141 mm和178 mm。具體數(shù)據(jù)如表6所示。

試驗(yàn)依據(jù)GB7251在交流大容量斷流能力試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果全部滿(mǎn)足GB7251的相關(guān)要求。

表6　銅鋁復(fù)合母線(xiàn)與銅母線(xiàn)短耐對(duì)比試驗(yàn)

5結(jié)束語(yǔ)

銅鋁復(fù)合母線(xiàn)在低壓成套設(shè)備中應(yīng)用需短時(shí)耐受試驗(yàn),通過(guò)計(jì)算可知銅鋁復(fù)合母線(xiàn)1 600 A、2 500 A和3 200 A導(dǎo)體間總的彎曲應(yīng)力<255 N·mm-2,滿(mǎn)足要求,4 000 A和5 000 A導(dǎo)體間產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大于銅母線(xiàn)允許應(yīng)力,在水平母線(xiàn)中間加一個(gè)絕緣支撐架可滿(mǎn)足短耐要求。由計(jì)算理論值和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,在母線(xiàn)槽中通過(guò)減小絕緣夾距離L值,可滿(mǎn)足銅鋁復(fù)合母線(xiàn)在母線(xiàn)槽中短耐要求。

參考文獻(xiàn)

[1]許志紅.電器理論基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2]陸儉國(guó),何瑞華,陳德桂,等.中國(guó)電氣工程大典[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[3]國(guó)家能源局.DL/T247-2012輸變電設(shè)備用通包鋁母線(xiàn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[4]潘璇,段新高,陳大江.萬(wàn)能式斷路器的短時(shí)耐受能力校核[J].電器與能效管理技術(shù),2014(15):14-18.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB7251.1-2013低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[6]黃宏軍,賈真,袁曉光,等.銅-鋁-銅復(fù)合板導(dǎo)電特性的模擬[J].特種鑄造及有色合金,2007,27(5):354-356.

[7]羅奕兵,戴曉元,張建,等.銅鋁復(fù)合板導(dǎo)電特性的研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2013(4):146-149.

[8]劉志黨,王超.關(guān)于低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備中N母排的短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)必要性的探討[J].電氣開(kāi)關(guān),2014(1):106-108.

[9]陳秀英.低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部母線(xiàn)的選擇與安裝及電氣連接[J].電工電氣,2012(3):36-39.

[10]徐高磊,張迎暉,林木法,等.銅鋁復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[J].有色金屬加工,2008(4):6-8.

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

中圖分類(lèi)號(hào)TN304.07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)02-109-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.029

作者簡(jiǎn)介:白志勝(1989—),男,碩士研究生。研究方向:電器工程。

收稿日期:2015- 07- 03