27.5 kV絕緣管型母線在鐵路的應(yīng)用及技術(shù)要求

鄧 剛

(中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局,北京 100844)

鐵路牽引變電所作為電氣化鐵路的核心，擔(dān)負(fù)著向接觸網(wǎng)供電的重要作用。對(duì)牽引變電所的供電質(zhì)量要求越來(lái)越高，負(fù)荷增大，要求設(shè)備的載流能力高，運(yùn)行安全可靠性要求高[1-2]。

以往在鐵路牽引變電所低壓側(cè)27.5 kV設(shè)備母線從主變壓器引入高壓室內(nèi)通常采用高壓電纜、軟母線、裸銅排母線方式。時(shí)速350 km高速鐵路牽引變電所采用27.5 kV GIS開(kāi)關(guān)柜室內(nèi)布置，低壓側(cè)27.5 kV母線從主變壓器引入高壓室內(nèi)采用高壓電纜方式；時(shí)速250 km高速鐵路通常采用27.5 kV設(shè)備室外中型布置，27.5 kV低壓側(cè)母線采用軟母線連接方式；時(shí)速200 km客貨共線鐵路及普速鐵路，供電方式一般為直接供電方式，27. kV設(shè)備通常采用室內(nèi)金屬網(wǎng)柵間隔式或AIS開(kāi)關(guān)柜布置，主變低壓側(cè)采用架空線進(jìn)入高壓室采用架空軟母線、穿墻套管、裸銅排方式。綜上，低壓側(cè)27.5 kV設(shè)備室內(nèi)布置時(shí)采用高壓電纜引入或架空線通過(guò)穿墻套管加裸銅排兩種方式。安裝方式采用高壓電纜方式時(shí)需要預(yù)留專(zhuān)門(mén)的電纜夾層和電纜溝，單根電纜載流量不能滿足需求；采用架空線通過(guò)穿墻套管加裸銅排方式安裝時(shí)，母線固定連接點(diǎn)多，體積大，質(zhì)量大，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)及凈空要求較高，安裝工序繁雜。27.5 kV管型絕緣母線作為一種新型的載流導(dǎo)體，占用空間小，布置簡(jiǎn)單，技術(shù)性能優(yōu)良，安裝維護(hù)方便，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值[3-5]。

結(jié)合27.5 kV絕緣管型母線在鐵路牽引變電所實(shí)際工程應(yīng)用案例，分析絕緣管型母線組成結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)特點(diǎn)，提出了在鐵路牽引變電所的應(yīng)用范圍，重點(diǎn)闡述在鐵路上應(yīng)用絕緣管型母線的技術(shù)要求，試驗(yàn)項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)及安裝工藝等。

1 絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)

絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)從里到外依次是：金屬管、導(dǎo)體屏蔽層、主絕緣、絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層、外護(hù)套，如圖1所示。金屬管一般采用銅或鋁管，導(dǎo)體屏蔽層、絕緣屏蔽層采用非金屬半導(dǎo)體材料，金屬屏蔽層采用銅帶或銅編織帶纏繞包裹，外護(hù)套可采用聚乙烯或聚氯乙烯材料。在實(shí)際工程中絕緣管型母線系統(tǒng)組成通常是一定長(zhǎng)度的直線段、弧線段組合成特定形狀和尺寸的組合體，包括中間接頭、終端頭、支撐結(jié)構(gòu)和穿墻結(jié)構(gòu)，形成一體式母線系統(tǒng)[6-8]，如圖2所示。

圖1 絕緣管型母線結(jié)構(gòu)

圖2 絕緣管型母線應(yīng)用示意

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

絕緣管型母線，具有如下特點(diǎn)。

(1)載流量大

絕緣管型母線采用金屬管型結(jié)構(gòu)，與其他實(shí)體導(dǎo)體相比內(nèi)外表面積更大，電流密度分布更加均勻。在環(huán)境溫度25 ℃條件下，常用截面為300 mm2架空鋁絞線，載流量為700 A，電流密度為2.33 A/mm2；截面為300 mm2單芯銅材質(zhì)高壓電纜，載流量為733 A[9]，電流密度為2.53 A/mm2；100×10 mm規(guī)格裸銅排，截面積1 000 mm2，載流量為2 370 A，電流密度為2.37 A/mm2；93/100 mm規(guī)格管型銅母線，截面積為1 061 mm2，載流量可達(dá)3 060 A，電流密度為2.88 A/mm2。綜上，管型母線單位截面的載流量大于相同截面其他結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)體。

(2)表面場(chǎng)強(qiáng)低

載流量相同、截面相同的管型母線與矩形母線相比，金屬管型母線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度是矩形母線的1/10～1/15，帶電運(yùn)行較為安全可靠。

(3)機(jī)械強(qiáng)度高

管型母線截面模量公式為

W=π(D4-d4)/32

式中，D為管型母線外徑；d為管型母線內(nèi)徑。

矩形母線截面模量公式為W=bh2/6

式中，b為矩形母線寬度；h為矩形母線厚度。

在相同載流能力的情況下，絕緣管型母線抗彎強(qiáng)度大于矩形裸銅排母線，更大于高壓電纜的抗彎強(qiáng)度。其可以耐受強(qiáng)電動(dòng)力，同時(shí)可加大固定點(diǎn)間距，在敷設(shè)安裝時(shí)可以減少固定點(diǎn)。

(4)散熱條件好、溫升低

管型母線是中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面積大，同等外部條件下散熱速度快，與高壓電纜相比，導(dǎo)體溫升要低。

(5)良好的電氣絕緣性能

絕緣管型母線在金屬管外包有主絕緣層，有良好的絕緣性能，外表面零電位，運(yùn)行安全性高。

(6)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。

絕緣管型母線外護(hù)套保護(hù)母線內(nèi)部免受機(jī)械損壞和化學(xué)腐蝕。絕緣管型母線通過(guò)抱箍、卡具在支架上或墻體上安裝，布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。母線安裝后，維護(hù)少、運(yùn)行成本低[10-11]。

2 國(guó)內(nèi)絕緣管型母線的應(yīng)用情況

絕緣管型母線作為一種新型母線技術(shù)，國(guó)外發(fā)展起步較早，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。2000年左右從德國(guó)引進(jìn)技術(shù)，在電力系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用。由于其電氣、機(jī)械性能好，安裝方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，涵蓋了400 V至66 kV等多個(gè)電壓等級(jí)并有大量的應(yīng)用實(shí)例，2015年電力行業(yè)頒布了35 kV及以下固體絕緣管型母線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定了相關(guān)技術(shù)要求和試驗(yàn)內(nèi)容。

絕緣管型母線在鐵路行業(yè)應(yīng)用剛剛起步，在新建渝黔鐵路、成蒲鐵路等部分牽引變電所室內(nèi)采用了27.5 kV電壓等級(jí)管型絕緣母線，兩條鐵路均已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，供電運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)不良反映。

3 鐵路牽引變電所高壓室內(nèi)母線的選擇

當(dāng)牽引變電所低壓側(cè)27.5 kV設(shè)備采用室內(nèi)AIS開(kāi)關(guān)柜和GIS開(kāi)關(guān)柜方式布置時(shí)，母線通常采用矩形裸銅排和高壓電纜。通過(guò)比較選擇，以絕緣管型母線代替矩形裸銅排和高壓電纜，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

母線如采用裸銅排，有以下不足：(1)母線安裝在空氣絕緣的封閉母線箱或裸露安裝，體積大，質(zhì)量大，對(duì)高壓室房屋結(jié)構(gòu)及凈空要求較高；(2)母線裸露安裝，通過(guò)空氣絕緣，安全性較差；(3)裸銅排母線通過(guò)支持絕緣子安裝固定，絕緣子數(shù)量多，損壞擊穿的概率大，影響運(yùn)營(yíng)安全；(4)當(dāng)負(fù)荷電流大時(shí)，因單根載流量有限，銅排需采用雙根導(dǎo)體并聯(lián)。

母線如采用高壓電纜方式，有以下不足：(1)在房屋設(shè)計(jì)、施工階段預(yù)留電纜溝及電纜夾層；(2)單根電纜無(wú)法滿足載流量要求，多根電纜并聯(lián)接入開(kāi)關(guān)柜，要求柜內(nèi)空間大，連接點(diǎn)增多，故障概率增高；(3)電纜敷設(shè)時(shí)最小彎曲半徑要求大，敷設(shè)過(guò)程中絕緣層、外護(hù)套及鎧裝層易形成損傷;(4)電纜中間頭及終端頭制作工藝要求高，近年來(lái)27.5 kV單相電纜故障頻發(fā)。

母線如采用27.5 kV絕緣管型母線，較裸銅排及高壓電纜設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)進(jìn)線至饋線之間，進(jìn)線及饋線至室外部分均采用絕緣管型母線，所占空間小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，不改變室內(nèi)設(shè)備布置。(2)絕緣管型母線本體部分表面為零電位，無(wú)需額外的絕緣防護(hù)，確保運(yùn)營(yíng)安全。(3)進(jìn)線及饋線至室外部分導(dǎo)流回路直接穿過(guò)墻體與室外設(shè)備連接，無(wú)需設(shè)置額外的接口設(shè)備，減少了導(dǎo)流回路中的故障點(diǎn)。(4)絕緣管型母線載流量大，單根即可滿足供電需求。

通過(guò)以上分析比較，當(dāng)牽引變電所低壓側(cè)27.5 kV設(shè)備采用AIS開(kāi)關(guān)柜和GIS開(kāi)關(guān)柜布置時(shí)，采用絕緣管型母線代替矩形裸銅排母線和高壓電纜，具有占用空間小，載流量大、安裝簡(jiǎn)便、安全性高、不需要專(zhuān)門(mén)預(yù)留電纜夾層和電纜溝等優(yōu)點(diǎn)，由于目前GIS開(kāi)關(guān)柜多采用柜底電纜進(jìn)出方式，絕緣管型母線對(duì)GIS開(kāi)關(guān)柜進(jìn)出線結(jié)構(gòu)提出了特殊要求，需要改為柜頂進(jìn)出線方式。當(dāng)牽引變電所低壓側(cè)27.5 kV設(shè)備采用室外中型布置時(shí)和室內(nèi)網(wǎng)柵間隔式時(shí)，因設(shè)備布置分散、母線安裝復(fù)雜，絕緣管型母線安裝方式與軟母線和裸銅排相比不具有優(yōu)勢(shì)。

渝黔鐵路供電方式為帶回流線的直接供電方式，牽引變電所室內(nèi)采用AIS開(kāi)關(guān)柜布置，絕緣管型母線應(yīng)用范圍為高壓室外進(jìn)線至進(jìn)線高壓開(kāi)關(guān)柜，饋線側(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜至室外饋出母線，進(jìn)線側(cè)和饋線側(cè)母線終端均安裝在室外，室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜之間連接母線。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多媒體的教學(xué)手段也得到了廣泛的應(yīng)用。在教學(xué)課堂運(yùn)用多媒體進(jìn)行教學(xué)，可以創(chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境，充分激發(fā)學(xué)生的興趣，集中學(xué)生的注意力，有效提高教學(xué)效率。在進(jìn)行《跳動(dòng)會(huì)怎么樣》的教學(xué)時(shí)，利用多媒體豐富教學(xué)資源，向?qū)W生展示教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到身體在跳動(dòng)起來(lái)時(shí)體內(nèi)會(huì)發(fā)生的變化，還可以利用多媒體做一些小游戲，讓學(xué)生復(fù)習(xí)《身體結(jié)構(gòu)》的知識(shí)，加深學(xué)生的知識(shí)印象。教師運(yùn)用多媒體生動(dòng)形象的向?qū)W生展示教學(xué)內(nèi)容，彌補(bǔ)以往教學(xué)模式中的不足，使學(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)不局限在課堂上和現(xiàn)有的教學(xué)資源中，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索科學(xué)的欲望，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)造思維。

4 27.5 kV絕緣管型母線技術(shù)參數(shù)

4.1 額定電壓

參照27.5 kV單相絕緣電纜相關(guān)要求，27.5 kV絕緣管型母線的電壓見(jiàn)表1[12-15]。

表1 27.5 kV絕緣管型母線的電壓 kV

4.2 額定電流

根據(jù)渝黔鐵路供電負(fù)荷要求，27.5 kV絕緣管型母線的額定電流為：2 500 A、1 600 A(分別適用于牽引變電所、分區(qū)所)。

4.3 額定頻率

27.5 kV絕緣管型母線的頻率為50 Hz。

4.4 絕緣水平

參照27.5 kV單相電纜相關(guān)要求，絕緣水平見(jiàn)表2。

表2 絕緣水平 kV

4.5 27.5 kV絕緣管型母線的動(dòng)熱穩(wěn)定

參照27.5 kV單相電纜相關(guān)要求，動(dòng)熱穩(wěn)定電流見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)熱穩(wěn)定電流

4.6 27.5 kV絕緣管型母線允許溫度和溫升

在正常使用條件下運(yùn)行時(shí)，27.5 kV絕緣管型母線最高允許溫度：長(zhǎng)期工作條件下為90 ℃，短路條件下為250 ℃，長(zhǎng)期運(yùn)行條件允許最高溫升50 K。

5 試驗(yàn)項(xiàng)目

通過(guò)分析27.5 kV絕緣管型母線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其與27.5 kV單相電纜相類(lèi)似、電壓等級(jí)相同，因此測(cè)試項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)可參照GB/T 28427—2012相關(guān)內(nèi)容。渝黔鐵路27.5 kV絕緣管型母線試驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，試驗(yàn)類(lèi)型包括型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)項(xiàng)目

電氣型式試驗(yàn)時(shí)，27.5 kV絕緣管型母線系統(tǒng)作為整體進(jìn)行試驗(yàn)，要求包含直線段、曲線段、中間接頭、母線終端及兩端軟連接裝置，整體長(zhǎng)度不小于8 m。為測(cè)試母線系統(tǒng)溫度，需建立模擬回路系統(tǒng)，模擬回路系統(tǒng)由同規(guī)格母線本體(長(zhǎng)度不小于5 m)和軟連接裝置構(gòu)成。

27.5 kV絕緣管型母線出廠試驗(yàn)在工廠預(yù)制生產(chǎn)完成后，在所有生產(chǎn)長(zhǎng)度上進(jìn)行取樣試驗(yàn)。

6 安裝及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

6.1 27.5 kV絕緣管型母線安裝

安裝流程如下：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量→工廠預(yù)制→支架安裝→母線固定→中間頭、終端頭制作→接地連接→試驗(yàn)及驗(yàn)收。

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜、穿墻預(yù)留口位置進(jìn)行測(cè)量，確定絕緣管型母線各分段制作尺寸、彎曲半徑等。

(2)根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行母線分段制作。

(3)在預(yù)埋好的支撐柱上按設(shè)計(jì)尺寸安裝母線支撐架。

(4)母線固定。母線、中間接頭和終端頭的規(guī)格型號(hào)、尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；母線及附件外觀檢查正常，表面沒(méi)有裂縫、褶皺、損傷等缺陷。

母線支架固定形式符合設(shè)計(jì)要求，固定點(diǎn)應(yīng)均勻分布，保證母線各部位受力均勻，母線最大懸空跨距不大于5 m。母線抱箍、金具、支架等緊固力矩符合要求。

(5)中間接頭、終端頭制作、與設(shè)備軟連接。中間頭、終端頭安裝時(shí)應(yīng)在潔凈環(huán)境進(jìn)行，安裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度應(yīng)>5 ℃，濕度≤70%，避免雨水。按設(shè)計(jì)圖紙選用合適長(zhǎng)度的軟連接母線與開(kāi)關(guān)柜接線板、母線與變壓器端接線板，如圖3所示。

圖3 母線終端頭與設(shè)備連接

(6)接地連接。金屬支架、托架底座、母線屏蔽層的接地可靠。母線接地方式采用一端單點(diǎn)接地。絕緣管型母線中間接頭、終端頭接地線及支架接入牽引變電所地網(wǎng)[16-17]。

6.2 安裝后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

絕緣管型母線現(xiàn)場(chǎng)全部安裝完成后進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目及技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)項(xiàng)目包括交流耐壓試驗(yàn)、主絕緣電阻測(cè)試。

交流耐壓試驗(yàn)，可選擇以下3種試驗(yàn)方式。

(1)在導(dǎo)體與金屬屏蔽之間施加55 kV，持續(xù)60 min。

(2)在導(dǎo)體與金屬屏蔽之間施加27.5 kV，持續(xù)24 h。

(3)在導(dǎo)體與金屬屏蔽之間施加68.75 kV，持續(xù)5 min。

在交流耐壓試驗(yàn)前后分別測(cè)試主絕緣電阻，主絕緣及外護(hù)套絕緣電阻應(yīng)無(wú)明顯差異，電阻值不小于15 000 MΩ·m[18-19]。

7 結(jié)論及建議

(1)27.5 kV絕緣管型母線與傳統(tǒng)母線、高壓電纜比較，具有占用空間小、載流量大、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、不需預(yù)留電纜夾層和電纜溝、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。牽引變電所低壓側(cè)室內(nèi)設(shè)備采用AIS開(kāi)關(guān)柜和GIS開(kāi)關(guān)柜布置時(shí)(需改進(jìn)為柜頂進(jìn)出線方式)，用絕緣管型母線代替矩形裸銅排母線和高壓電纜具有推廣應(yīng)用前景。該絕緣管型母線在渝黔鐵路牽引變電所得以應(yīng)用實(shí)施并實(shí)際運(yùn)營(yíng)1年以上，對(duì)牽引變電所提高供電可靠性、運(yùn)行安全、少維護(hù)、低損耗等方面具有積極的作用。

(2)27.5 kV絕緣管型母線應(yīng)用中存在的問(wèn)題：雖然電力行業(yè)頒布了35 kV及以下固體絕緣管型母線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但鐵路27.5 kV絕緣管型母線額定電壓(U0=27.5 kV)高于電力35 kV絕緣管型母線額定電壓(U0=21 kV)，與27.5 kV單相電纜也存在不同之處。27.5 kV絕緣管型母線在鐵路行業(yè)應(yīng)用缺乏相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，相關(guān)設(shè)計(jì)單位、廠家僅參考結(jié)構(gòu)類(lèi)似產(chǎn)品(如電纜、管型母線等)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)[20]。因此應(yīng)當(dāng)盡快制定鐵路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，便于規(guī)范生產(chǎn)，統(tǒng)一技術(shù)參數(shù)。