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低压母线槽散热结构分析王署斌

发表时间：2021/8/4 来源：《基层建设》2021年第14期作者：王署斌

[导读] 母线槽是电力输电系统的关键设备，作为配电系统的大动脉，母线槽的产品质量和寿命对配电系统的安全性和可靠性起到极大的作用

        威腾电气集团股份有限公司江苏省镇江市 212212；
        杭州今元标矩科技有限公司广州分公司广东省广州市 510635
        摘要：母线槽是电力输电系统的关键设备，作为配电系统的大动脉，母线槽的产品质量和寿命对配电系统的安全性和可靠性起到极大的作用。由于母线槽本身承载的电流极大，在运行中发热很严重，因此在母线槽结构设计中的散热问题就极为关键，能否有良好的散热能力成为母线本身安全与否的关键因素。本文通过几种散热结构的对比分析，提供解决方案，从而为供电的安全可靠提供保障。
        关键词：母线槽；散热；安全；节能

        母线槽的主要作用是负责电力的传输和分配，在工业、民用、商用建筑、公共基础设施、数据中心、轨道交通等行业应用广泛，因此其对于输配电系统的作用就像人体的动脉血管一样重要。母线槽散热结构的设计会对母线槽的质量和寿命产生重要的影响，从而对整个配电系统的供电可靠性产生影响。科学合理地设计母线槽的散热结构，才能够使母线槽运行更稳定，更节能，更可靠，为配电系统的稳定性提供保障。
        一、低压母线槽分类
        根据GB7251.6的定义，低压母线槽是指应用在直流1500V或交流1000V以下输配电系统中的母线槽。由于应用环境极为广泛，因此母线槽的种类繁多，母线槽根据应用环境不同，低压母线槽分为动力母线槽、耐火母线槽、数据中心母线槽、照明母线槽、风电母线槽等，根据结构的不同产品又可以分为空气型母线槽、密集型母线槽、浇注式母线槽、滑触式母线槽等，本文重点根据结构的不同来分析各种不同的母线槽散热结构进行分析。
        空气型母线槽是指外壳为金属材料，外壳和导体通过绝缘件支撑固定，导体之间以空气为主绝缘结构的母线槽。各相导体之间的间距要满足爬电距离和电气间隙的要求，一般为10~15mm。空气型母线槽在小电流母线槽中应用比较广泛。
        密集型母线槽是指一般是指外壳为金属材料，各相导体密集排列，导体之间通过绝缘薄膜或流化绝缘来进行处理的母线槽。密集型母线槽在一般的动力配电中大量使用，是目前应用最广泛一种母线槽结构型式。
        浇注型母线槽是指各相导体之间通过模具浇注一次成型的母线槽，浇注料一般为环氧树脂、固化剂和填料按照一定的配方比例混合而成。浇注母线槽一般应用在IP防护等级要求比较高的应用环境，比如户外供电场所或船厂、石化等行业应用较多。
        滑触式母线槽是指母线的插接箱可以任意位置和母线本体插接的一种母线槽，在数据中心行业广泛应用。
        二、各种不同结构的母线槽的散热分析
        母线槽在设计时必须考虑结构的良好散热能力，但同时也要兼顾结构方面其他的要求，总体而言，根据GB7251.6-2015的要求，母线槽散热结构设计时，需要综合考虑以下几个方面，导体（及连接部位）的温升不超过70K；外壳的温升（对于金属材料不常接触的部位）不超过55K；介电强度（包括工频耐压和冲击耐压）的要求；IP防护等级的要求；短时耐受电流的要求；耐受机械负载的要求。
        热的传递主要通过传导、对流和辐射三种方式进行，传递效率依次降低，根据不同的热传递效率来进行不同结构的散热分析。
        1空气型母线槽
        由于空气的导热系数只有0.023W/m•k，散热能力很差，因此空气型母线槽需要通过外壳增加散热口的方式来增加散热能力，但由于空气型母线槽主要应用在配电房内或竖井管道内，即使增加了散热口，但由于没有空气流动，因此散热仍很差，为了解决散热问题，确保产品的温升符合国家标准，需要通过增加导体截面积的形式来解决，造成母线槽的整体成本偏高。
        2密集型母线槽（常见的如下图所示的四种结构）

（左往右依次为为施耐德iLine系列、西门子XL系列、威腾LV系列，MM母线）

        密集型母线槽的外壳多为金属结构，目前主流的低压密集母线槽产品除施耐德电气的ilineII系列之外，外壳均为6063铝镁合金壳，具有良好的散热能力导热系数达到190W/m•k以上，由于导体和外壳直接紧密接触，因此传导散热的效率最高，总体的母线成本最低；
        为了提高散热效率，行业内部分厂家比如威腾的LV系列母线通过外壳一体化设计，减少外壳的连接点，来有效降低热阻，提高散热效率，还有部分厂家通过外壳增加散热齿的方式来提高外壳的散热效率比如MM母线，通过实际的温升数据分析，这种结构对产品的散热都起到较好的作用。
        3浇注母线槽（如右图所示）

        浇注型母线槽导体的发热主要通过浇注料传导的方式进行散热，浇注料由环氧树脂和二氧化硅填料按照一定比例混合而成，导热系数一般在10~20W/m•k之间，因此浇注型母线槽的散热能力介于空气型和密集型之间。但密集型母线由于整体浇注，所以防护等级会比较高。
        4滑触式母线
        滑触式母线为了解决插接箱的方便插接，目前行业内主要采用类似空气型的结构。但由于其运用环境主要在数据机房中使用，而数据中心机房中的环境大多采用空调进行恒温控制，因此其外壳的对流散热情况页比较好，因此外壳的设计往往会增加散热齿来提高散热的效率。
        三、改善母线槽结构散热的措施
        由于母线槽经过国内几十年的开发与研究，现有的技术已经比较成熟，因此加强创新成为改善产品性能的必由之路，产品的创新可以从以下几个方面入手结构创新。增加内部、外部对流散热的结构设计，改善散热齿的设计，提高散热效率。
        改变导体在内部的布置方式，例如采用分体密集式的母线结构来扩大散热面积，提高散热效率。
        改善接头和插接口的设计方案，减少局部发热的情况，改善产品的整体寿命；
        材料创新。研究新的材料，提高导体的导电率，提高外壳材料的导热系数；研究新的浇注型材料的配方，保持绝缘性能同时改善材料的导热系数；研究开发新的绝缘技术，降低绝缘材料的热阻。
        表面处理的创新。改善导体表面处理技术，例如运用石墨烯表面处理，降低接触电阻，降低导体的发热；
        研发新的外壳表面处理技术，例如改善表面静电粉末喷涂的粗糙度和颜色，提高外壳辐射散热的效率；
        增加温度在线实时监控系统。利用新的物联网、移动互联网、新型传感技术增加在线温度监控系统，可以更准确的了解不同结构的实时温升情况，为进行更加科学的改善和创新提供科学的依据。
        四、结束语
        综上所述，母线槽的设计要根据应用环境的不同，采取不同的结构设计方案，综合考虑母线槽的整体性能要求，设计选用科学适用的产品，除
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