北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 李龍剛 李 潔 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 余春燕

某工程位于四川綿陽(yáng)市，屬北亞熱帶山地濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，平均溫為14.7～17.3℃，極端最高氣溫為36.1～39.5 ℃，降水量比較充沛，降水量的年際變化很大，年均降水量825.8～1417毫米[1]。工程所在區(qū)域地下水位較高，部分場(chǎng)區(qū)地表1m 以下就能出地下水。

該工程的廠(chǎng)房體量大，單層面積兩萬(wàn)多平方米，東西長(zhǎng)約為150m，南北長(zhǎng)約為170m。10kV 配電室、10/0.4kV 變配電室各兩處，分別設(shè)在相鄰的西北角和東中部。根據(jù)設(shè)備的工藝要求，用電設(shè)備布置較為分散，單個(gè)設(shè)備的用電集中且量大，電壓等級(jí)為10kV 和0.4kV。受到設(shè)備和運(yùn)輸荷載的限制，廠(chǎng)房?jī)?nèi)部設(shè)置電纜溝路徑非常有限，大部分的大設(shè)備電能輸送只能通過(guò)室外到室內(nèi)設(shè)備處。

在施工等環(huán)節(jié)、后期混凝土的掩護(hù)等方面會(huì)出現(xiàn)電纜溝、通廊在磨具交界處、伸縮縫處不可避免出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象，使得室外電纜溝、通廊存在被地下水淹沒(méi)的現(xiàn)象，在工程設(shè)計(jì)階段選用合適的電能輸送介質(zhì)是值得重視的問(wèn)題。在選擇時(shí)不但要考慮各設(shè)備用電量的要求，還要考慮敷設(shè)條件，線(xiàn)路的防水等方面的因素。下面結(jié)合某工程用電設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)做簡(jiǎn)要的探討。

1 某工程用電情況統(tǒng)計(jì)

某項(xiàng)目的單個(gè)設(shè)備用電量大，10/0.4kV 的變電所有兩座，單個(gè)變電所的變壓器安裝容量分別為20MVA 和15MVA，10kV 的用電設(shè)備約為20MVA，主要較大設(shè)備負(fù)荷具體情況見(jiàn)表1。

10kV 的配電系統(tǒng)均采用單母線(xiàn)分段中間加裝母聯(lián)開(kāi)關(guān)的供電模式，每個(gè)變電所的10kV 電源都是從在本項(xiàng)目正南方的220kV 中心變電站引來(lái)10kV電源，距離見(jiàn)表1。部分0.4kV 電源在建筑物內(nèi)沒(méi)有可通行的路由，只能從室外經(jīng)電纜通廊、電纜溝及夾層引接。由于地下水位較高，室外的電纜通廊、電纜溝整體幾乎都是淹沒(méi)在水里，由于施工工藝，電纜通廊、電纜溝內(nèi)不可避免存在積水，部分階段還存在充滿(mǎn)的極端情況，致使內(nèi)部的電纜和電氣設(shè)備有被淹泡的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 主要用電較大設(shè)備統(tǒng)計(jì)表

2 電流載體的比較和選擇

從表1中負(fù)荷要求通過(guò)的電流的需求，電流值分布在1000A～3000A 之間，電壓等級(jí)在10kV 和0.4kV 兩個(gè)等級(jí)，載流體敷設(shè)在電纜夾層、地溝、通廊內(nèi)。下面就以代表性的冷凍站系統(tǒng)用電為0.4kV的800kW 負(fù)荷來(lái)做比較。功率因素按0.8計(jì)算，計(jì)算電流為1519.3A。

2.1 電纜

電纜具有輸電性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟、絕緣水平高、維護(hù)工作量小和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)電流值較大時(shí)，單根大截面的電纜基本不能滿(mǎn)足需求，這時(shí)就要采用多根并聯(lián)的方式，例如載流量要求1519.3A，考慮到敷設(shè)環(huán)境對(duì)電流量的影響[2]，電纜的載流量要降低，按環(huán)境溫度為25℃時(shí)載流量的0.8計(jì)算，此時(shí)要采用3根截面為3×300+1×150mm2的YJV 電纜，載流量為1548A，單根電纜直徑約為60mm，重量約為10.3kg/m，按照《電氣裝置安裝工程電纜線(xiàn)路施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50168-2016中表5.1.7中電纜的最小轉(zhuǎn)彎半徑明確指出不應(yīng)小于10D，即所選電纜的轉(zhuǎn)彎半徑不應(yīng)小于0.6m，那就要求在轉(zhuǎn)直角彎處需增加0.6m 的轉(zhuǎn)彎空間，使轉(zhuǎn)彎處需要轉(zhuǎn)彎空間增加。

再者多根電纜參數(shù)不存在差異，電流在各電纜中分配不是按比例等分的[3]，會(huì)存在安全隱患。另外由于電流大導(dǎo)致電纜截面較大，單根電纜生產(chǎn)、運(yùn)輸組裝長(zhǎng)度有限，就不可避免中間有電纜連接接頭，由于電纜頭的制作工藝影響，無(wú)論是冷縮電纜頭還是熱縮電纜頭，造成電纜整體的防護(hù)性能有所下降。

2.2 密集型母線(xiàn)

密集型母線(xiàn)采用“三明治”結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體與導(dǎo)體之間、導(dǎo)體與外殼用填充絕緣材料，例如聚四氟聚丙烯樹(shù)脂等，母線(xiàn)的整體尺寸較小，單段母線(xiàn)一般長(zhǎng)3米，能夠解決單根母線(xiàn)承載大電流要求，敷設(shè)空間要求不高，可以直接轉(zhuǎn)直角彎，但防護(hù)水平取決于鋁鎂合金等材質(zhì)外殼的密閉水平，一般都不超過(guò)IP54。若密集型母線(xiàn)長(zhǎng)期浸泡在水中，會(huì)出現(xiàn)外殼銹蝕、絕緣下降，甚至破壞造成短路情況。

2.3 管型母線(xiàn)

管型母線(xiàn)增大導(dǎo)體表面積，減少集膚效應(yīng)的影響，降低了溫升，使其額定電流溫升從50K 降低至30K（降低40%），減少絕緣材料老化進(jìn)程，降低線(xiàn)路損耗，由于管型母線(xiàn)的“套筒”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受加工工藝的限制，一般在2000A 以上大載流量及大短路電流、110kV 高電壓回路中使用較為普遍，造價(jià)較高。管狀母線(xiàn)單段長(zhǎng)度為8m，中間接頭一般都在現(xiàn)場(chǎng)施工，采取抱窟的方式，絕緣層和防護(hù)層通過(guò)熱縮方式制作完成[4]，防護(hù)等級(jí)受現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、操作精確度等因素影響大，防護(hù)等級(jí)可到達(dá)IP67。

2.4 澆筑型母線(xiàn)

采用絕緣復(fù)合材料將母線(xiàn)直接澆注密封的母線(xiàn)槽。電壓等級(jí)在10kV 以下，電流值一般在1000A以上使用。由于其是澆筑結(jié)構(gòu)，對(duì)澆筑絕緣材料要求性能要求比較高，要求既有良好的傳熱性、又對(duì)致密性要求高，同時(shí)要求有很好的機(jī)械性能，要保證其有一定強(qiáng)度。整體澆筑使得母線(xiàn)整體防護(hù)等級(jí)能達(dá)到IP68。從電氣性能和物理防護(hù)水平等綜合考慮，結(jié)合安裝條件等因素，本工程中選擇采用澆筑型母線(xiàn)作為電能輸送載體，敷設(shè)在室外電纜通廊和電纜溝內(nèi)。

3 采用澆筑母線(xiàn)在工程中選擇的思考

隨著我國(guó)制造工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)澆筑母線(xiàn)的廠(chǎng)家如雨后春筍似的出現(xiàn)了很多，國(guó)家也相應(yīng)推出了了國(guó)家規(guī)范《澆筑母線(xiàn)》JB/T13690-2019，但在選擇澆筑母線(xiàn)的時(shí)候應(yīng)該結(jié)合自己工程的特點(diǎn)，綜合考慮澆筑母線(xiàn)指標(biāo)，例如絕緣防護(hù)層的絕緣性、絕緣材料的熱傳導(dǎo)性等考查指標(biāo)。下面幾點(diǎn)是值得工程師在選擇澆筑母線(xiàn)時(shí)應(yīng)注意的幾點(diǎn)建議。

3.1 防護(hù)層的絕緣性

澆筑母線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，成品尺寸較小，母線(xiàn)各相線(xiàn)銅牌之間的距離較近，在相間填充絕緣復(fù)合要求絕緣性能要求高，在《澆筑母線(xiàn)》JB/T13690-2019中明確要求相間的電阻值不小于200MΩ，兩節(jié)母線(xiàn)澆筑連接后，連接處浸水96小時(shí)，要求相間絕緣電阻不小于150MΩ。在我國(guó)絕大多數(shù)都是采用環(huán)氧樹(shù)脂添加一部分改良材料作為澆筑材料，在干燥的環(huán)境中都可以達(dá)到規(guī)范要求的絕緣值。但在被水浸泡的環(huán)境絕緣水平讓人擔(dān)憂(yōu)。

像在本工程中敷設(shè)環(huán)境為電纜夾層、室外地溝、電纜通廊，該場(chǎng)區(qū)地下水位高，由于施工工藝等種種原因，存在室外地溝、室外電纜通廊內(nèi)積水較多的可能性，甚至在雨季排水不正常時(shí)，部分地勢(shì)較低的部分會(huì)出現(xiàn)全淹沒(méi)的情況，整個(gè)電纜通道都被水淹沒(méi)情況，這樣就要求母線(xiàn)的防護(hù)等級(jí)應(yīng)該盡量高。母線(xiàn)的防護(hù)等級(jí)高，就是要求絕緣材料的水密性越好，即絕緣介子的孔隙不應(yīng)大于水分子的直徑0.4納米。目前市面上有個(gè)別廠(chǎng)家為了追求質(zhì)量輕，添加某些輕質(zhì)多孔材料，在浸泡過(guò)程中極有可能出現(xiàn)相間絕緣電阻降低情況。

3.2 絕緣材料的熱傳導(dǎo)性

澆筑母線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，母線(xiàn)尺寸較小，相間距離近，散熱性能相對(duì)較差，會(huì)影響導(dǎo)體的載流量，就要求絕緣材料的傳熱性好，及時(shí)將導(dǎo)體的產(chǎn)生的熱量傳遞出去，不能使母線(xiàn)溫度上升過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)絕緣材料的電阻、擊穿強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度等性能都會(huì)降低。在JB/T13690中明確要求，給出的溫升限值要求在使用條件下周?chē)諝馄骄鶞囟炔怀^(guò)35℃。并指出母線(xiàn)槽絕緣復(fù)合材料澆注體應(yīng)經(jīng)受干熱試驗(yàn)：溫度為125℃±20℃，自然通風(fēng)，試驗(yàn)持續(xù)168h 后，試樣恢復(fù)96h。試驗(yàn)后表面應(yīng)沒(méi)有可見(jiàn)裂紋，其材料也沒(méi)有變?yōu)檎承曰蛴椭浴?/p>

溫升限值具體值如下：用于連接外部絕緣導(dǎo)線(xiàn)的端子溫升70K；母線(xiàn)固定連接處溫升70K；可接近的外殼絕緣材料表面溫升40K，對(duì)在正常工作情況下不需觸及的外殼，溫升限值可以是55K?？芍獫仓妇€(xiàn)的絕緣層耐熱性最低不能低于115℃。應(yīng)考慮到敷設(shè)環(huán)境的密閉等因素，選用的澆筑母線(xiàn)的耐熱等級(jí)不應(yīng)低于F 級(jí)，溫度為155℃。同時(shí)絕緣材料還應(yīng)有很好的導(dǎo)熱性。因此在選擇澆筑母線(xiàn)的絕緣材料時(shí)，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容較小的物質(zhì)作為環(huán)氧樹(shù)脂添加劑的復(fù)合絕緣材料。

3.3 導(dǎo)體的截面積

個(gè)別廠(chǎng)家在為了增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，就縮小銅導(dǎo)體的截面、減少造價(jià)，但為了通過(guò)溫升試驗(yàn)，就減少外層的絕緣層厚度，犧牲了絕緣性能。從澆筑母線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)其安裝在電纜支架時(shí)澆筑母排與銅牌支架上一般都加裝絕緣墊，使得澆筑母線(xiàn)的銅排和接地的電纜之間就形成了電容器的結(jié)構(gòu)，電容器中有兩種介質(zhì)，一層為環(huán)氧樹(shù)脂負(fù)荷材料、一層為空氣。結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于兩個(gè)電容串聯(lián)。

由電容串聯(lián)電壓分配計(jì)算公式：C=εS/d（公式1）、1/C=1/C1+1/C2（ 公式2）、C=(ε1ε2S)/(ε1d2+ε2d1)（公式3），兩個(gè)電容上的電荷Q 一樣，由Q=CU（公式4）得到U1×C1=U2×C2，即U1/U2=C2/C1，電壓分布和電容容量成反比。可以看出，當(dāng)給澆筑母線(xiàn)施加足夠高的電壓時(shí)，澆筑母排與電纜支架之間等值電容值十分小時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)局部放電的放電的情況。建議10kV 及以上高壓線(xiàn)路中應(yīng)用澆筑母線(xiàn)時(shí)，首先應(yīng)按照國(guó)家規(guī)范要求的各種型式試驗(yàn)指標(biāo)，同時(shí)應(yīng)按經(jīng)濟(jì)密度規(guī)定母排的截面積增加金屬外殼，外殼要可靠接地，避免在運(yùn)行中出現(xiàn)人員安全事故。

3.4 母線(xiàn)伸縮節(jié)的設(shè)置

母線(xiàn)伸縮節(jié)是指補(bǔ)償母線(xiàn)因溫度變化引起的變形和振動(dòng)變形的伸縮性連接件。母線(xiàn)伸縮節(jié)，俗稱(chēng)軟連接，是用來(lái)補(bǔ)償母線(xiàn)溫差變形和振動(dòng)變形的伸縮性連接件，由多層銅（鋁）片和側(cè)銅（鋁）板焊接而成，有一定的伸縮性，安裝后銅（鋁）片一般呈Ω 形。

澆筑母線(xiàn)內(nèi)的導(dǎo)體是銅，熱膨脹系數(shù)17.7×10-6米/℃,按照溫升達(dá)到規(guī)范的70℃，本工程母線(xiàn)的最長(zhǎng)量為700m，銅母線(xiàn)的伸長(zhǎng)量為0.01m，即為1cm，可以忽略這點(diǎn)變化量，在母線(xiàn)中間可以不設(shè)伸縮節(jié)。但要在澆筑母排敷設(shè)時(shí)固定時(shí)水平夾盡量留一定余量，不要把母線(xiàn)固定太死，在與配電柜連接處設(shè)置伸縮節(jié)連接，彌補(bǔ)因溫度變化引起母線(xiàn)長(zhǎng)短的變化量。

綜上，本文結(jié)合某工程用電量及地理環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)電能輸送導(dǎo)體進(jìn)行了綜合的比較，最終確定運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂澆筑母線(xiàn)作為電能輸送介質(zhì)。并在澆筑母線(xiàn)選擇中應(yīng)該注意的問(wèn)題進(jìn)行綜合的論述，對(duì)10kV和0.4kV 大電流能量輸送應(yīng)用有一定的借鑒意義。