對中壓開關(guān)柜中硬導(dǎo)體的矩形導(dǎo)體的選擇進(jìn)行了計(jì)算和分析。計(jì)算結(jié)果表明，矩形硬導(dǎo)體的選擇以導(dǎo)體的載流量為依據(jù)，而導(dǎo)體的載流量又與導(dǎo)體的材質(zhì)、形狀、顏色、安裝形式及所處的環(huán)境溫度有關(guān)。
中壓開關(guān)柜中的硬導(dǎo)體包括滅弧室的動(dòng)、靜導(dǎo)電桿，斷路器手車的觸臂和開關(guān)柜中的主母線、支母線、靜觸刀等。這些元件就決定了中壓開關(guān)柜在正常工作時(shí)的載流能力，因而在中壓開關(guān)柜的生產(chǎn)和選用過程中硬導(dǎo)體的選擇是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。本文僅就開關(guān)柜中的主母線、支母線、靜觸刀等矩形硬導(dǎo)體的選擇進(jìn)行探討。
硬導(dǎo)體的種類
1）載流導(dǎo)體一般使用鋁或鋁合金材料，其缺點(diǎn)是載流量小于銅導(dǎo)體，焊接困難，一般用在額定電流2500A以下的范圍。
銅導(dǎo)體一般在下列情況下使用：位于化工廠（其排除大量腐蝕性氣體對鋁質(zhì)材料有影響者）附近的屋外配電裝置；發(fā)電機(jī)出線端子處位置特別狹窄以及鋁排截面太大穿過套管有困難時(shí)；持續(xù)工作電流在4000A以上的矩形導(dǎo)體，由于安裝有要求且采用其它形式的導(dǎo)體有困難時(shí)。但從實(shí)際的應(yīng)用來看，銅導(dǎo)體的應(yīng)用較普遍。
2）我國目前常用的硬導(dǎo)體形式有矩形、槽形和管形等。
單片矩形導(dǎo)體具有集膚效應(yīng)系數(shù)小、散熱條件好、安裝簡單、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于工作電流≤2000A的回路中。
多片矩形導(dǎo)體集膚效應(yīng)系數(shù)比單片導(dǎo)體的大，所以附加損耗增大。因此載流量不是隨導(dǎo)體片數(shù)增加而成倍增加的，尤其是每相超過三片以上時(shí)，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)顯著增大。在工程實(shí)用中多片矩形導(dǎo)體適用于工作電流≤4000A的回路。
當(dāng)工作電流為4000A以上時(shí)，導(dǎo)體則應(yīng)選用有利于交流電流分布的槽形或圓管形的成型導(dǎo)體。槽形導(dǎo)體和管形導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)小，電流分布比較均勻，散熱條件好，機(jī)械強(qiáng)度高，但造價(jià)較高，安裝也不方便。
矩形導(dǎo)體截面的選擇計(jì)算
導(dǎo)體截面的選擇有多種方法，考慮到中壓開關(guān)柜一般都是長期工作制（大于8小時(shí)），故常用的是按工作電流進(jìn)行選擇計(jì)算。在長期工作制時(shí)電流流過導(dǎo)體時(shí)的產(chǎn)熱和散熱存在如下關(guān)系：
產(chǎn)生的熱功率=散熱功率+自身溫升的吸熱功率，經(jīng)過一定時(shí)間后，溫升不再升高，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，產(chǎn)生的熱功率=散熱功率。
以上參數(shù)的取值可參考表1~4。
表1 周圍介質(zhì)溫度（環(huán)境溫度）
表2 矩形導(dǎo)體的集膚系數(shù)Kf
表3 周圍空氣溫度為+40℃時(shí)的允許溫升
表4 母線的物理參數(shù)
應(yīng)用舉例
（以硬銅母線為例，假設(shè)母線厚度為a，寬度為b，環(huán)境溫度40℃，海拔高度1000m及以下。）
以上結(jié)果是理論計(jì)算的數(shù)值，與實(shí)際情況還有一定的差別，應(yīng)根據(jù)具體情況加以修正。例如母線表面涂無光澤的黑漆時(shí)，黑度系數(shù)約從0.5左右增加到0.9，散熱效果明顯增強(qiáng)，從而提高了載流量。
另外，當(dāng)母線外包熱導(dǎo)率很小的絕緣層時(shí)，會(huì)造成絕緣層外的溫度低于絕緣層內(nèi)的溫度，從而降低了載流量。目前常用的是工作電流630~1250A用硬銅母線TMY80X10，工作電流1600~2000A用硬銅母線TMY80X10雙排，工作電流2500~3150A用硬銅母線TMY100X10雙排。
有關(guān)矩形導(dǎo)體載流量的數(shù)據(jù)
表5 矩形鋁導(dǎo)體長期允許載流量（A）
注：1）當(dāng)導(dǎo)體為四條時(shí)，平放、豎放第2、3片間距離皆為50mm；2）銅截面銅導(dǎo)體載流量為表中鋁導(dǎo)體載流量的1.27倍； 3）本表應(yīng)用條件為導(dǎo)體工作溫度+70℃，環(huán)境溫度+25℃，導(dǎo)體表面涂漆，無日照，海拔高度1000m及以下。其他情況需將表中載流量數(shù)值乘以下表中的校正系數(shù)；4）電器的零部件溫度過高，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低和絕緣破壞，對于銅導(dǎo)體在100℃時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低到60%。
表6 矩形鋼導(dǎo)體長期允許載流量（A）
母線接頭處理
1）為降低接頭的接觸電阻，接頭組裝前必須對接觸面進(jìn)行適當(dāng)處理，常用是涂中性凡士林。
2） 清除接觸表面的氧化膜。
清除氧化膜的方法包括銼、輕便的機(jī)械加工或用強(qiáng)力的鋼絲刷在中性油脂下進(jìn)行刷，加工好的接頭表面面積不應(yīng)小于原母線段等長度截面的97％；
3）為了提高母線的允許運(yùn)行溫度，母線接頭需經(jīng)過鍍銀或搪錫處理。
導(dǎo)體中銀的性能最好，電阻率和硬度都小，低溫下不易氧化，高溫下其氧化物易還原成金屬銀，其氧化物電阻率也低，由于價(jià)格太貴，只能用于鍍層。
錫的優(yōu)點(diǎn)是硬度小，氧化膜的機(jī)械強(qiáng)度也很低，尤其是在大電流導(dǎo)體需要工作溫度較高的情況下，在銅、鋁接頭上鍍銀和搪錫都有現(xiàn)實(shí)意義。
其連接原則如下：
銅—銅：在干燥的屋內(nèi)可直接連接，屋外、高溫且潮濕的屋內(nèi)或?qū)?dǎo)體有腐蝕性的屋內(nèi)，接觸面必須搪錫；
鋁—鋁：在任何情況下可直接連接，有條件時(shí)宜搪錫；
鋼—鋼：在任何情況下接觸面必須搪錫或鍍鋅；
銅—鋁：在干燥的屋內(nèi)可直接連接，屋外或特別潮濕的屋內(nèi)，應(yīng)使用銅鋁過度接頭；
鋼—鋁：在任何情況下鋼的接觸面必須搪錫；
4）母線與母線、引下線或設(shè)備端子連接時(shí)，一般按通過電流及所連接的金屬材料的電流密度計(jì)算所需的接觸面積，以免接頭過熱。矩形導(dǎo)體接頭的搭接長度不應(yīng)小于導(dǎo)體的寬度。當(dāng)設(shè)備端子的接觸面積不夠時(shí)，可加設(shè)過渡端子。當(dāng)母線與螺桿端子連接時(shí)，應(yīng)用特殊加大的螺帽。導(dǎo)體無鍍層接頭接觸面積的電流密度不應(yīng)超過下表數(shù)值。
表7 無鍍層接頭的電流密度（A/mm2）
母線表面的處理
1）對沿海露天及電化腐蝕嚴(yán)重的其他腐蝕性較強(qiáng)的大氣中，還應(yīng)涂抗氧化漆。
2）母線表面涂無光澤的黑漆時(shí)，黑度約增加到0.9，以易于輻射散熱，不利處是對太陽輻射熱的吸收增強(qiáng)，因而最好的辦法是母線表面和開關(guān)柜的內(nèi)表面涂無光澤的黑漆，開關(guān)柜的外表面涂淺色油漆。
表8 各種材料的黑度系數(shù)
結(jié)論
以上是中壓開關(guān)柜中部分矩形導(dǎo)體的選用計(jì)算過程，其計(jì)算得到的結(jié)果與表5提供的數(shù)值是比較接近，說明這種選擇計(jì)算方法是正確有效的。其它形狀的導(dǎo)體，如棒狀，管形，槽形導(dǎo)體的選用計(jì)算與此類同（選用的參數(shù)不同）。
以上的計(jì)算對我們在中壓開關(guān)柜的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，對載流導(dǎo)體的選擇具有很大的幫助。
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