摘要

　　國網湖北省電力公司電力科學研究院的研究人員任想、阮羚等，在2018年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，為保證絕緣管型母線的産品質量和運行可靠性，必須針對不同類型的絕緣管型母線的結構參數進行核算。

　　該文分析了絕緣管型母線的結構設計原則和影響因素，并以10kV/4 000A環氧樹脂澆注型為例，基于有限元法分析了母線直線段、彎管部分、中間連接的電場強度與溫度場分布。同時研究了導體外徑、導體直徑、屏蔽層數量、絕緣層厚度等關鍵設計量對其結構設計的影響，為其結構優化奠定基礎。

　　絕緣管型母線因具有載流能力強、機械強度高、電氣絕緣性能優異、環境适應性好、散熱條件好以及布置清楚、架構簡明、占用空間小等優勢而廣泛應用于電力系統，尤其在變電站、發電站等複合電流大的場合作為進出線和聯絡線得到大量應用[1-3]。

　　由于絕緣管型母線在國内應用相對較晚，對其認知程度不高，相關基礎性研究薄弱，加之并沒有針對這類電力設備的權威性标準及相關指導文件，使得國内的絕緣管型母線存在産品種類繁多，材料選型、結構設計及生産工藝各異，産品質量與穩定性參差不齊等突出問題[4-6]。因此有必要針對不同類型的絕緣管型母線進行結構參數核算，以确保其産品質量。

　　國外的絕緣管型母線産品主要為環氧樹脂澆注類，其應用最早，技術也較為成熟，産品質量的可控性較強；在國内主要呈現出環氧樹脂澆注類、聚酯薄膜或聚四氟乙烯絕緣帶繞包類、矽橡膠或三元乙丙橡膠擠包類三種型式絕緣管型母線産品共存的局面。

　　澆注式絕緣管型母線本體絕緣主要采用絕緣、半導電（粘性）電工皺紋紙帶纏繞，并經環氧樹脂真空浸漬，加溫固化，形成一體化固體絕緣。

　　在端部，通過半導電皺紋紙分層按一定尺寸纏繞主絕緣，形成類似套管中的電容屏結構，達到控制電場強度分布、減少電場強度集中的效果。澆注式絕緣管型母線接頭一般采用在導體連接外部外罩絕緣屏蔽筒的形式。

　　屏蔽筒也具有類似電容屏結構的絕緣筒裝結構，内屏與導體連接等電位，外屏為接地導體。兩端與本體密封連接，如圖1所示。

　　圖1 澆注式絕緣管型母線中間接頭結構

　　環氧浸漬紙絕緣采用的是絕緣紙與環氧樹脂的複合絕緣，導體、半導體層和絕緣紙經加溫固化後，形成緻密、緊實的一體化結構，因此既具有絕緣紙和環氧的良好絕緣和介電性能[7]，又具有良好力學特性。

　　本文以10kV/4 000A澆注類絕緣管型母線為實例，詳述其導體截面的核算及選擇依據、絕緣管型母線絕緣厚度的确定等核算過程，并分析了絕緣管型母線的導體内徑、外徑（壁厚）、屏蔽厚度、絕緣厚度等關鍵設計量的變化對其導體表面溫升、最大電場強度、端部電場強度等關鍵控制參數的影響。

　　1 絕緣管型母線的結構設計原則

　　1.1 管型導體的設計原則

　　絕緣管型母線管型導體的管徑及壁厚設計應遵從以下各因素的要求：電穩态要求，工程長期承受額定電流；電暫态要求，工程要求能承受的短時過負荷和短路電流；機械強度要求，電動力、機械力沖擊下的管型母線結構機械強度；導體在不同絕緣結構下的熱阻及已确定條件下的導體及不同絕緣的允許運行溫度；結合有關“經濟電流密度”的取值要求；針對不同電流等級的趨膚效應的影響以及管型母線剛度及運行過程中機械穩定性的要求[8]。

　　在國家電網公司企業标準Q/GDW11646—2016中規定了絕緣管型母線的電穩态要求，在正常運行下管型導體的穩定溫度不應超過所允許的最高允許工作溫度，一般取90℃；對于電暫态要求，在絕緣管型母線承受短時過負荷及短路電流時，其管型導體溫度為250℃。

　　對于機械強度要求，管型母線在遭受機械沖擊甚至短路電動力時能夠滿足動穩定性要求，即管型導體承受的最大應力應不超過最大允許應力；考慮到趨膚效應的要求，根據工程電磁場理論，銅質管型導體的電流透入深度為9.4mm；對于經濟性要求，結合經濟電流密度的要求，即在滿足電穩态要求、電暫态要求等前提下，盡量保證經濟性。

　　因此管型導體的核算主要包括：根據額定載流量及管型導體在正常運行情況下相對于周圍媒質的允許溫升來确定管型導體截面的初步設計方案，其主要涉及損耗、熱阻計算及熱平衡方程的求解等；然後通過短時過負荷和短路電流、機械強度、趨膚效應及經濟電流密度等相關理論對管型導體截面進行相應核算[9]。

　　1.2 絕緣厚度的設計原則

　　根據與絕緣管型母線産品具有類似結構的電力電纜多年的設計及運行經驗可知，單從最大電場強度公式對絕緣管型母線絕緣厚度進行設計是不夠妥善的。絕緣管型母線絕緣厚度的設計[10-12]，必須要綜合考慮其在實際運行中所承受電壓類型及大小、工藝限制、機械強度要求以及所用絕緣材料的擊穿特性。

　　對于電壓類型，包括工頻電壓、操作沖擊過電壓及雷電沖擊過電壓；對于工藝限制，對電壓等級很低的絕緣管型母線，由于絕緣層厚度太小，工藝條件所限導緻很難滿足設計要求；對于機械強度而言，絕緣管型母線在實際制造及使用過程中，不可避免地受到機械力的作用，尤其是彎曲部分絕緣層材料中存在應力集中的情況，因而絕緣管型母線必須有一定的絕緣厚度以滿足機械力的要求；對于絕緣材料的擊穿特性，主要包括絕緣材料的長期工頻擊穿電場強度和沖擊擊穿電場強度，随着電壓等級的提高，絕緣材料的擊穿特性逐漸成為決定絕緣層厚度的主要因素。

　　2 絕緣管型母線的結構核算實例（略）

　　本文以10kV/4 000A環氧樹脂澆注類絕緣管型母線為例，基于有限元法對絕緣管型母線的電場強度分布、溫度分布進行仿真分析，仿真所需材料參數見表1。

　　表1 絕緣管型母線材料參數

　　根據絕緣管型母線的結構特點，其長度與外徑相比，可以近似為無限長，故可忽略端部的電場強度及溫度場。仿真研究中假定絕緣管型母線軸向方向上無溫度梯度，即隻在徑向上存在熱流傳遞，且忽略絕緣管型母線各組成部分的接觸電阻。

　　3關鍵設計量對絕緣管型母線結構設計的影響（略）

　　絕緣管型母線的導體内徑、外徑（壁厚）、屏蔽厚度、絕緣厚度等關鍵設計量的變化，均将影響絕緣管型母線的設計原則，如對導體表面溫升、最大電場強度、端部電場強度等的影響。

　　結論

　　本文主要針對環氧樹脂澆注類絕緣管型母線的結構進行核算，并以10kV/4 000A的絕緣管型母線為實例，分别分析了其直線段、彎管部分及中間連接頭的設計原則，并基于有限元法仿真分析了導體内徑、絕緣厚度等設計量對絕緣管型母線結構性能的影響關系。主要得出以下結論：

　　1）絕緣管型母線的彎管處，其内側電場強度略小于外側電場強度。

　　2）電場強度最大值随屏蔽層數量的增多幾乎呈線性增大，最大電場強度的徑向分量也具有相同的變化趨勢；而其軸向分量則随屏蔽層數量的增多而逐漸減小。

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