母线和电缆的选择,有例题讲解

第六节 母线和电缆的选择

一、母线的选择与校验

母线一般按① 母线材料、类型和布置方式；② 导体截面；③ 热稳定； ④ 动稳定等项进行选择和校验；⑤ 对于110kV 以上母线要进行电晕的校验；⑥ 对重要回路的母线还要进行共振频率的校验。

(一) 母线材料、类型和布置方式

（1）配电装置的母线常用导体材料有铜、铝和钢。铜的电阻率低，机械强度大，抗腐蚀性能好价格较贵。

（2）常用的硬母线截面有矩形、槽形和管形。矩形母线常用于35kV 及以下、电流在4000A 及以下的配电装置中。槽形母线机械强度好，载流量较大，集肤效应系数也较小，一般用于4000~8000A 的配电装置中。管形母线集肤效应系数小，机械强度高，管内还可通风和通水冷却，因此，可用于8000A 以上的大电流母线。

（3）母线的散热性能和机械强度与母线的布置方式有关

(二) 母线截面的选择

除配电装置的汇流母线及较短导体(20m 以下)按最大长期工作电流选择截面外，其余导体的截面一般按经济密度选择。

1.按最大长期工作电流选择

母线长期发热的允许电流I al ， 应不小于所在回路的最大长期工作电流I max ，即

KI al ≥I max （7-31）

式中 I al 一相对于母线允许温度和标准环境条件下导体长期允许电流；

K 一综合修正系数，与环境温度和导体连接方式等有关。

2.按经济电流密度选择

按经济电流密度选择母线截面可使年综合费用最低，年综合费用包括电流通过导体所产生的年电能损耗费、导体投资和折旧费、利息等。从降低电能损耗角度看，母线截面越大越好，而从降低投资、折旧费和利息的角度，则希望截面越小越好。综合这些因素，使年综合费用最小时所对应的母线截面称为母线的经济截面，对应的电流密度称为经济电流密度。

按经济电流密度选择母线截面按下式计算

S ec =ec

J I max (7-32) 式中 I max —通过导体的最大工作电流； J ec —经济电流密度

在选择母线截面时，应尽量接近按式(7-32)计算所得到的截面，当无合适规格的导体时，为节约投资，允许选择小于经济截面的导体。并要求同时满足式（7-31）的要求。

(三) 母线热稳定校验

按正常电流及经济电流密度选出母线截面后，还应按热稳定校验。按热稳定要求的导体最小截面为

s dz K t C I S ∞

=min （7-33）

式中 ∞I —短路电流稳态值 （A ）

K s —集肤效应系数，对于矩形母线截面在100mm 2以下，K s =1。

t dz —热稳定计算时间； C 一热稳定系数

（四）母线的动稳定校验

各种形状的母线通常都安装在支持绝缘子上，当冲击电流通过母线时，电动力将使母线产生弯曲应力， 因此必须校验母线的动稳定性。

安装在同一平面内的三相母线，其中间相受力最大，即

F max =1.732×10-7K f a

l i sh 2 (N) (7-34) 式中 K f —母线形状系数，当母线相间距离远大于母线截面周长时， K f =1。

l —母线跨距(m)； a —母线相间距(m)。

母线通常每隔一定距离由绝缘瓷瓶自由支撑着。因此当母线受电动力作用时，可以将母线看成一个多跨距载荷均匀分布的梁，当跨距段在两段以上时，其最大弯曲力矩为

10

max l F M = (7-35) 若只有两段跨距时，则 8max l F M =

(7-36) 式中 F max —— 一个跨距长度母线所受的电动力（N ）。

母线材料在弯曲时最大相间计算应力为

W

M ca =σ (7-37) 式中 W 一母线对垂直于作用力方向轴的截面系数，又称抗弯矩（m 3），其值与母线截面形状及布置方式有关。

要想保证母线不致弯曲变形而遭到破坏，必须使母线的计算应力不超过母线的允许应力，即母线的动稳定性校验条件为

al ca σσ≤ （7-38）

式中 al σ 一母线材料的允许应力，对硬铝母线民al σ=69MPa;对硬铜母线al σ=137MPa 。 如果在校验时， al ca σσ≥，则必须采取措施减小母线的计算应力，具体措施有：将母线由竖放改为平放；放大母线截面，但会使投资增加；限制短路电流值能使ca σ大大减小，但须增设电抗器；增大相间距离a ；减小母线跨距l 的尺寸，此时可以根据母线材料最大允许应力来确定绝缘瓷瓶之间最大允许跨距，由式7-35和式7-37可得

1

max 10F W l al σ= （7-39） 式中 F 1—单位长度母线上所受的电动力（N/m ）

当矩形母线水平放置时，为避免导体因自重而过分弯曲，所选取的跨距一般不超过1.5~2m 。考虑到绝缘子支座及引下线安装方便，常选取绝缘子跨距等于配电装置间隔的宽度。

例7-4 试就[例7-1]已知条件选择10kV 的矩形母线以及绝缘瓷瓶。已知母线以及绝缘瓷瓶拟装于JYN2-10型高压开关柜中呈垂直布置，且矩形母线平放于支持瓷瓶上，母线相间距离为a=250mm,跨距长取决于柜宽，即l=1000mm ，取母线的形状系数K f =1，年最大负荷利用小时数为6000h 。环境温度为300C

解：在[例7-1]中已求得通过母线的工作电流为I w..max =433A,根据允许发热条件，按附录6选取40×5mm 2的矩形铝母线，其允许电流为515A ，考虑到环境温度修正系数，实际允许载流量为：

I alθ=N N I KI 2500max --=θθθ= 51525

703070?--=485A>433A 如果母线较长，尚应按经济电流密度选择母线截面。据表7-7查得J ec =0.9A/mm 2,则经济截面为

S ec =ec

J I max = 9.0433=481mm 2 67 为节省母线材料选取相邻较小的标准截面S=63×6.3 mm 2,可见应初选S=63×6.3 mm 2的矩形铝母线,并按热、力稳定性进行校验。

从[例7-1]己知短路电流I"=I ∞=5. 5kA,短路电流热效应的计算时间为t k =1.1s ,并由表7-8查得计算系数C=95,按公式7-33，并查附录6得集肤效应系数为1.02，则可求得满足热稳性的最小允许截面

2

2min 3.6633.6102.11.1955500mm mm K t C I S s dz ?<=?==∞

可见,按短路电流的热稳性校验是合格的。

三相母线中间相上最大受力为

)(13625

.01)550055.2(1073.11073.12727N a l i F ch =??=?=--67 母线上如接有多条引出线,需多个开关柜,故其跨距数大于2,则母线的弯曲力矩为

)(6.1310

113610max Nm l F M =?== 矩形铝母线的截面系数（抗弯矩）为

)(102.40063.0063.0167.0167.03622m b W -?=??==δ 故母线的计算应力为)(1024.3102

.46.1366Pa W M ca ?=?==

σ 显然,计算应力ca σ小于允许应力)(10696Pa al ?=σ，满足动稳定性要求。 最后，由附录5选取ZA-10Y 型母线支持瓷瓶,并查得其破坏荷重为3675N,允许荷重为0.6×3675=2205N,此值大于计算力136N 。故选用ZA-10Y 型瓷瓶是合适的。

二、电缆的选择与校验

电缆的基本结构包括导电芯、绝缘层、铅包（或铝包）和保护层几个部分。按其缆芯材料分为铜芯和铝芯两大类。按其采用的绝缘介质分油浸纸绝缘和塑料绝缘两大类。

电缆制造成本高，投资大，但是具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、不碍观瞻等优点。

（一）按结构类型选择电缆(即选择电缆的型号

根据电缆的用途、电缆敷设的方法和场所，选择电缆的芯数、芯线的材料、绝缘的种类、保护层的结构以及电缆的其它特征，最后确定电缆的型号。常用的电力电缆有油浸纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡胶电缆等。

(二) 按额定电压选择

可按照电缆的额定电压U N 不低于敷设地点电网额定电压U Ns 的条件选择，即

Ns N U U ≥ (7-39)

(三) 电缆截面的选择

一般根据最大长期工作电流选择，但是对有些回路，如发电机、变压器回路，其年最大负荷利用小时数超过5000h ，且长度超过20m 时，应按经济电流密度来选择。

1.按最大长期工作电流选择

电缆长期发热的允许电流I al ， 应不小于所在回路的最大长期工作电流I max ，即

KI al ≥I max （7-40）

式中 I al 一相对于电缆允许温度和标准环境条件下导体长期允许电流；

K 一综合修正系数。

2.按经济电流密度选择

按经济电流密度选择电缆截面的方法与按经济电流密度选择母线截面的方法相同，即按下式计算：S ec =ec

J I max (7-41) 按经济电流密度选出的电缆，还必须按最大长期工作电流校验。

按经济电流密度选出的电缆，还应决定经济合理的电缆根数，截面S ≤150mm 2时，其经济根数为一根。当截面大于150 mm 2时，其经济根数可按S/150决定。例如计算出S ec 为200mm 2，选择两根截面为120 mm 2的电缆为宜。

为了不损伤电缆的绝缘和保护层，电缆弯曲的曲率半径不应小于一定值(例如，三芯纸绝缘电缆的曲率半径不应小于电缆外径的15倍)。为此，一般避免采用芯线截面大于185 mm 2的电缆。

(四) 热稳定校验

电缆截面热稳定的校验方法与母线热稳定校验方法相同。满足热稳定要求的最小截面可按下式求得

dz t C I S ∞

=min （7-42）

式中 C 一与电缆材料及允许发热有关的系数，如表7-8所示。

验算电缆热稳定的短路点按下列情况确定:

(1)单根无中间接头电缆，选电缆末端短路;长度小于200m 的电缆，可选电缆首端短路。

(2)有中间接头的电缆，短路点选择在第一个中间接头处。

(3)无中间接头的并列连接电缆，短路点选在并列点后。

(五)电压损失校验

正常运行时，电缆的电压损失应不大于额定电压的5%，即

%5%1003%max ≤?=?S

U L I U N ρ （7-43） 式中 S 一电缆截面（mm 2）

ρ一电缆导体的电阻率，铝芯ρ=0.035 Ωmm 2/m(50℃);铜芯ρ=0.0206Ω mm 2/m(50℃)。