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1、前言随着生产和科学技术的发展，电能已成为工业、农业、国防、交通及国民经济各个部门不可缺少的动力，成为改善和提高人们物质文化的重要因素，一个国家电力工业的发展水平，往往是反映国民经济发达程度的重要标志。母线是发电厂和变电所电能输送设备的重要组成部分，其性能关系到发电厂和变电所及整个电力系统的安全运行， 母线发生故障,将造成发电厂和变电所停电,从而对电力系统的安全运行带来严重危害,因此,对母线设计的可靠性提出了很高的要求.将带电的母线用外壳加以封闭保护，即为封闭母线。封闭母线主要用于联结大容量发电机的主出线和主变的低压侧。它的导体和外壳均由铝板卷制后焊接而成，导体和外壳之间由支柱绝缘子支持，与设备
2、（发电机，变压器等）联结处，导体端部焊有带接线端子的金具，将导体端部封死。封闭母线通常分段制造，根据现场布置情况，长度从 3 米到 6 米不等，以便运输和安装。现场组装时，段与段之间由半圆弧形铝抱瓦焊接起来。导体和外壳均使用非导磁铝材，由于运行时外壳上感应出与导体电流大小近似相等而方向相反的电流，壳外漏磁场很弱，所以，可极大地减小涡流损耗和短路时的电动力，且安全可靠。因此，大容量发电机组的单元接线都采用封闭母线联结。封闭母线一般有水平安装、倾斜安装、垂直安装等形式. 通常母线采用水平安装的形式，此时,各零部件的受力情况良好,尤其是绝缘子,因处于垂直受压位置,故易满足强度要求。但随着机组容量的不
3、断增大，并受地质条件和布置空间等因素的限制,封闭母线有时只能采用倾斜和垂直安装相组合的方式.为此需对垂直安装结构的合理布置进行分析.常规的安装方法是将水平安装的结构转90 度。垂直安装设计简单,但零部件受力情况不好,尤其是绝缘子因处于水平位置,自身要受到导体重量引起的弯矩,其联接螺栓则受横向载荷及翻转力矩的共同作用,故强度差.因此,除对导体、外壳及焊缝进行强度计算外,需对联接螺栓、绝缘子、绝缘子座及联接板详细地进行受力分析和强度计算。除此之外，母线在实际运行中由于存在着电阻损耗而发热,这一热量如不能及时散失,将使母线温度升高, 导致导体的载流能力下降，发电机的输出功率下降，甚至把接头烧坏，并且
4、绝缘子的绝缘性能也会降低，从而影响母线的工作性能。为了保证垂直布置的封闭母线工作的安全性和可靠性,需对其发热问题进行热分析。目前，我国自行研制的最高垂直段离相封闭母线为 27.1 米，而国外发达国家的垂直段离相封闭母线已达 300 米以上，技术水平差距很大，现在世界上各个国家都在充分利用水力资源，大力发展低污染的水电建设，机组容量是越来越大，垂直布置的母线是越来越高，所以发展大容量高垂直段离相封闭母线已是大势所趋。根据国家“十五”电力发展规划要大力发展水电，实现西电东送，而水电建设环境比较复杂，在我国电源结构中，水电比重达到 25%，重点开发黄河上游，长江中上游及其它支流，红水河，澜长江中下游
5、和乌江等流域，需垂直布置的离相封闭母线比较多，垂直布置的离相封闭母线与水平布置的封闭母线具有不同的特点，而我国在高垂直段母线方面的技术还比较落后。目前已有很多研究人员对导体、外壳、焊缝、联接螺栓、绝缘子、绝缘子座及联接板详细地进行受力分析和强度计算，但对高垂直段封闭母线内的发热规律的研究很少，此项目完成后能够使工作人员了解掌握垂直段封闭母线内的温度分布，进而保证垂直布置的封闭母线在允许的温度范围内工作，为以后大功率、大容量机组、需要高垂直段封闭母线的水电站建设奠定理论基础。高垂直段离相封闭母线项目符合国家“西电东送”战略目标的要求通过学习传热学了解掌握导热的基本知识，进而利用导热原理来分析垂直
6、段封闭母线内的发热规律。本文对高垂直段封闭母线发热规律作了研究，使封闭母线设计和现场运行人员了解并掌握垂直段封闭母线结构及其内部温度分布规律，进而保证垂直布置的封闭母线在允许的温度范围内工作。1 母线及其分类1.1 母线结构的演变和大电流母线的技术特点1.1.1 母线的结构发电厂和变电所广泛地使用母线（或称汇流排）连接各种电机和电器，以传输电流和功率，并通过配电装置分配电能。母线一般是用电导率高的铝、铜型材质成（又称硬母线） ，用耐高电压的绝缘子（一般是陶瓷）支持。由于铝的成本低，现在除要求高机械强度等特殊情况下才用铜导体外，普遍使用铝导体。母线大部分装设户内，但也有一部分在户外。它是电站内部
7、的电力线路，应满足安全和经济运行的要求。母线的工作状况与它所承载的电流和电压有关。母线电流对母线工作状态的影响涉及电磁学、热学、和力学三种无力现象，其中最主要的是：导体中的电流分布和功率损耗；导体的散热和温升；短路时导体和绝缘子承受的电动力和机械应力。合理的设计应使温度和应力不超过允许值，同时总投资费和总运行费之和最小。电流较小的母线具有扁平的矩形截面，即所谓矩形母线和平板母线，用支柱式绝缘子支持，材料起初是高纯度的铜，在铝工业发展后逐渐被高纯度的电解铝代替。矩形截面的优点是散热面比圆形的大，并且它的平面便于螺栓连接。我们国家最大的单片矩形母线承载的工作电流可达 2KA 左右。当工作电流较大时
8、可采用 24 片组成的多片矩形母线，片间留有宽度等于片厚的通风间隙。但4 片矩形母线的载流能力一般不过四千多安。矩形母线常被用于容量为 50MW及以下的发电机或容量为 60MVA 及以下的降压变压器 10.5KV 侧的引出线及其配电装置。在各级电压的电站中，以发电机电压（在我国常用的有10.5、13.8、15.75、18、20KV 等）的母线电流最大。随着发电机额定功率的增大，其额定电压增高不多，而额定电流越来越大。目前我国电力系统中主力发电机的容量多数为 100350MW，其工作电流约为 513KA。600MW 发电机，其额定电压约为 20KV，工作电流约达 23kA。国外大型发电机容量达
9、1000MW以上，工作电流达 36kA 以上。这样大容量的发电机，一般都是经过引出母线与升压变压器（在发电厂中称主变压器）直接连接（即“单元制”接线） ，把电能送入高压电网内。这种连接母线的长度，在火电厂中一般较短，约为2040m，在水电厂中由水利工程总体布置决定，其变化范围约为 20200m，甚至更长。此外，供电给大功率负荷（例如冶金企业）的 10kV 电力线路电流也很大，通常也使用硬母线，其长度更大些，甚至可达 1km 左右。1.1.2 大电流母线的技术特点输送较大工频电流的母线，具有以下一些： 由于截面增大，电流集肤效应强烈，多片矩形已不是合理的截面形状，而让位于接近于空心圆管的形状；
10、母线的磁场能使附近的钢结构受到电磁感应而产生大量功率损耗和发热； 随着发电机组容量和电力系统容量的增大，故障时通过母线的短路电流也相应增大，这又引起导体间的巨大电动力； 现代供电的高度可靠性对母线提出了封闭的要求； 由于母线散热的困难增加和有色金属消耗的增加，在电流特别大的情况下（例如 15kA 以上） ，宜于采用强制冷却的措施。这些情况加在一起，引起母线形式结构的变化起初是截面形式的改变，以后是结构的改变。母线形式结构随电流增大而演变的过程可大体表示如下：矩形多片矩形双槽形及其它（类似空心管形）外壳不连式离相封闭母线外壳全连式离相封闭母线风冷封闭母线1.2 母线的类型和应用大电流母线可分为两
11、大类：敞露母线和封闭母线。1.2.1 敞露母线在我国大电流敞露母线的导体主要采用两个轧制的槽铝组成，即所谓双槽形母线。这两根槽铝形成一个空心方管，中间留有间隙以加强散热。不同尺寸的双槽母线可用于 2kA 到 9kA 线路。虽然从减小集肤效应（当交变电流流过导线时，导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。 ）得角度来看，这种母线不如圆管。但它的四个平面可供两端作电气连接之用。特别是具有圆角的双槽母线集肤效应比方角的小，更为优越。除了双槽形母线外，可供使用的其它截面形状还有由
12、四片矩形导体拼成的菱形和圆管形等，但实际应用不多。敞露母线按照导体的支持方式又分为两类，即支持式和悬挂式。（一）支持式母线支持式母线的导体是用适合于母线工作电压的支持式绝缘子固定在钢构架或墙板等建筑物上。最常见的是三相导体位于一个平面上，即并排布置，每相导体用一个绝缘子支持。根据厂房布置得情况，三相导体的平面多数十水平的，也有时是垂直的，此外有时也可以做成三角形布置。（二）悬挂式母线悬挂式母线的导体是利用高压架空线路用的悬式绝缘子吊挂在建筑物上。一般是三相垂直排列。在局部地点，也可以根据厂房布置得需要做成三相水平或等边三角形或其它排列形式。由于悬挂式绝缘子有很大的抗拉强度（X-4.5C型为 4
13、500kg） ，悬挂式母线可设计成 610m 的大跨距，这时双槽形导体的机械强度得到充分利用，而使支点减少，由于绝缘子击穿而发生故障的机会也减少。此外，这种母线结构简单，安装方便，附近钢构发热损耗也比较小。因此在水电厂和大功率供电线路中常被采用作较长的母线。在火电厂中，由于主厂房布置的限制，一般不用这种导线。敞露母线多用于电流在 4kA 以下的母线。大体说来 36kA 的使用外胶装绝缘子的敞露母线附近钢结构发热虽已显著，但使用内胶装绝缘子的母线由于绝缘子高度较低，钢结构离相母线较近，5kA 时已需采用专门措施。1.2.2 离相封闭母线敞露母线暴露在环境中，容易受到人、动物以及其它物体的偶然接触
14、而发生接地和短路，绝缘子还可能由于容易受到灰尘和潮气的污染而使其性能下降，这些情况在母线的全长范围内都会发生，而且定期清扫也要耗费相当多的工作量。由于供电可靠性日益重要，对母线和其它原来是敞露的电器（如隔离开关等）逐渐提出了封闭的需求。在二三十年代，曾经把每相母线装设在单独得水泥洞内或用水泥隔板隔开，以避免相间短路。这种结构虽然提高了可靠性，但是建筑复杂，维修不便。当时电流水平不过三千多安。到四十年代以后，随着电流的加大，国外开始采用金属外壳的封闭母线，其金属壳接地。这种封闭母线在制造厂中制成约 36m 的段，大大减少了现场施工的工作量，提高了母线质量而缩短了工期。最初的金属外壳是用高电阻的非
15、磁性钢（锰钢）做成，其截面是方形，好像长方形的箱子，里面装着绝缘子支持的双槽母线。此后改用电阻率低的铝壳。起初三相放在一个箱内，用隔板隔开，叫做隔板母线。后来发现当一相对箱子接地时的电弧会把箱子烧穿，接着发展为两相对地短路，因此改成每相有一个单独得外壳，叫做离相封闭母线，这样一相接地就不会直接发展成为两相对地短路，而一相接地的电流很小，机组仍可继续运行，一面进行处理。以后逐渐改用圆筒形。母线导体则随着电流增大而逐渐过渡到圆管形或八边形截面（分两半） 。由于母线电流在铝壳上感应出轴向电动势，其值在短路时可达到 100200V，对人身有危险，因此每一制造段外壳的两端做成与临段绝缘，同时将每段接地，
16、叫做不连式或分段绝缘式外壳。这种外壳的每一段上由于邻相电流的感应（邻近效应）而产生涡流，并造成一定的功率损耗。但短路时的外壳涡流，却起了阻止邻相磁场进入壳内的屏蔽作用，从而大大减少了短路时作用于母线上的电动力。到五十年代，又有了较大的改进，这就是随着铝的氩弧焊技术的完善，把沿长度各段外壳在现场焊接起来并在两端把三相外壳同铝板焊接起来，形成三相全连式的外壳，简称全连式，因为三相外壳回路中由于电磁感应而产生环流，环流数值大约等于母线电流但方向相反，这就使壳外的磁场大部分消失。全连式离相母线的出现标志着现代母线结构的完善化。它把铝壳的全部优点都发挥出来了，这就是：彻底解决了随着电流不断加大所产生的比较突出的钢结构发热问题；不连式封闭母线的母线电动力虽然减轻了，但更大的电动力却被转移到外壳上，而全连式母线的外壳环流和涡流起了双重的电磁屏蔽作用，从而进一步减轻了母线的电动力，同时外壳上的电动力也很小；进一步提高了密封性；封闭外壳可作为通风冷却用的管道，成为风冷母线，使尺寸减小。壳内空气经过风
