如何选择合适的母线材料和截面形状？

变电站屋内和屋外配电装置的主母线、变压器等电气设备与配电装置母线之间的连接导线、各种电器之间的连接导线，统称为母线。

选择配电装置中的母线主要考虑：母线的材料；母线截面形状；母线截面积的大小；校验母线的热稳定和动稳定；对110kV以上的母线还应校验是否发生电晕。

(一)母线材料的选择

配电装置的母线材料有铜、铝和钢。铜的电阻率低，机械强度大，抗腐蚀性强，是很好的母线材料。但它在工业上有重要的用途，而且储量不多，价值较贵，因此铜母线只用在空气中含腐蚀性气体（如靠近海岸或化工厂）的屋外配电装置中。铝的电阻率为铜的1.7～2倍，重量只有铜的30%，而且储量多，价值也低，因此，在屋内和屋外配电装置中广泛采用铝母线。但当铝与铜或其他金属连接时，由于铝在常温下迅速氧化，生成一层氧化铝薄膜，它的电阻很大（电阻率达1010Ω·m），而且不容易清除。同时铜铝之间有电位差，使铝受到严重腐蚀，接触电阻更大，造成运行中温度增高，高温下腐蚀会加快，这样的恶性循环致使接触处温度更高。解决这个问题的方法，一般采用特制的铜铝过渡连接器（由铜板和铝板焊成的部件），但其效果不太理想。因此，人们又研究出一个新的方法，即利用超声波搪锡工艺，将铝和铜的接触表面挂上一层薄锡，效果很好，成功地解决铜铝电化学腐蚀问题。

钢电阻率为铜的6～8倍，而且用在交流电路中还会产生很大的涡流损耗和磁滞损耗，因此，在实际应用中使用得较少。但钢母线价格低、机械强度高，故在变电站中，可适用于电压互感器和小容量变压器的高压侧。

(二)母线截面形状的选择

母线的截面形状应保证集肤效应系数尽可能低，散热良好，机械强度高，安装简单，连接方便。变电站配电装置中的母线截面目前多采用矩形、圆形和绞线圆形，如图6-2所示。

图6-2　母线截面形状

1.矩形截面母线

矩形母线主要用在35kV及以下的屋内配电装置中。其原因是：同样截面的矩形母线周长比圆形母线的周长要长，散热面积大，冷却条件好；其次，由于集肤效应的影响，矩形母线的电阻比圆形的小，因而在同一允许工作电流下，矩形母线截面积要比圆形母线的截面积小，用金属量少。所以，屋内配电装置中采用矩形截面母线比圆形截面母线优越。

为了增加散热面积，减少集肤效应的影响，并兼顾机械强度，母线的厚度b与宽度h之比一般是1/12～1/5。为了避免集肤效应过大，单条母线的截面积不应大于1200mm2。如果工作电流超过单条母线最大截面的允许电流时，每相可采用两条或三条矩形母线固定在支持绝缘子上。每条之间的距离规定等于一条母线的厚度b，以保证较好地散热。但每相条数增加时，散热条件变坏，增加了邻近效应和集肤效应的影响，其允许电流不能成正比地增加。例如，60mm×6mm的单条竖放铝母线的允许持续电流为870A，而两条竖放的允许持续电流只有1350A。当每相有3条时，中间一条的电流约占总电流的20%，两边的各占40%。因此，不宜采用每相有4条以上的母线。

2.圆形截面母线

图6-3　矩形母线的布置方式

（a）、（b）水平布置；（c）垂直布置

圆形母线主要用在35kV以上的屋外配电装置中。采用圆形截面的目的是为了防止产生电晕，因为圆形截面母线消除了电场集中的现象，而矩形截面母线的四角电场强度集中，易引起电晕。

3.绞线圆形截面母线

绞线圆形截面母线多采用钢芯铝绞线，其耐张性能比单股母线好，在允许电流相同的条件下，钢芯铝绞线的直径比单股母线直径大，其表面附近的电场强度小于单股母线，而且绞线的芯线为钢，机械强度较大，因此，它通常用在35kV及以上的屋外配电装置中。

截面形状不对称母线的散热和机械强度与母线的布置方式有关。图6-3所示为矩形母线的布置方式，当三相母线水平布置时，图6-3（a）与图6-3（b）相比，前者散热较好，载流量大，但机械强度低，而后者则相反。图6-3（c）所示的布置方式兼顾了图6-3（a）和图6-3（b）的优点，但配电装置高度有所增加，因此，母线的布置方式应根据载流量的大小、短路水平和配电装置的具体情况确定。

(三)母线截面积的选择

1.按最大长期工作电流选择母线截面

各种电压等级的配电装置中，主母线和引下线以及临时装设的母线，一般均按最大长期工作电流选择截面。因此，必须满足在正常运行中，通过母线的最大长期工作电流不应大于母线长期允许电流，即

式中 Iy——相应于某一母线布置方式（见图6-3）和环境温度为+25℃时的母线长期允许电流，可由母线载流量表查出，A；

Kθ——温度修正系数，Kθ=，其中θ0=25℃，θy为母线的长期允许温度，用螺栓连接时，θy=70℃；用超声波搪锡连接时；θy=85℃；

Ig·zd——通过母线的最大长期工作电流，按表6-1计算。

2.按经济电流密度选择母线截面

对于长度在20m以上的输送容量很大的回路母线，如主变压器回路的母线，为降低年运行费，须按经济电流密度选择。

当负荷电流通过导体时，将产生电能损耗。此电能损耗与负荷电流的大小、母线截面（或母线电阻）有关。载流导体的年运行费主要由电能损耗费、设备维修费和折旧费组成。导线截面越大，电能损耗费越小，而相应的修理费、折旧费则要增加。当导体具有某一截面时，年运行费为最低，与此相应的截面称为经济截面。

对应于经济截面的电流密度，称为经济电流密度。为了按经济条件选择母线或导线截面，我国规定了母线和裸导体的经济电流密度值，见表6-2。

按经济电流密度选择母线截面，首先应计算经济截面，即

式中 Sj——经济截面，m2；

J——经济电流密度，A/m2；

Ig·zd——正常工作情况下电路中的最大长期工作电流，A。

表6-2　经济电流密度　单位：A/m2

计算Sj以后，按此选择母线标准截面S，使其尽量接近经济截面Sj。若无合适的标准截面，允许略小于Sj。

必须指出，按经济电流密度选择的母线截面，还须按正常工作的最大长期工作电流校验它的发热温度[即满足式（6-5）]，不过它一般总是大于按最大长期工作电流所选择的母线截面。

(四)校验母线热稳定

按上述条件选择的母线截面S，还必须按短路条件校验其热稳定，其方法通常采用最小截面法，即所选的母线截面S应不小于按照热稳定条件决定的导体的最小允许截面，即

式中 S——母线截面，m2；

Szx——最小允许截面，m2；

I∞——稳态短路电流，A；

C——母线材料的热稳定系数；

tdz——短路发热的等值时间，s；

Kj——集肤效应系数，矩形铝母线截面在100mm2以下、矩形铜母线截面在60mm2以下、圆形铝与铜母线直径在20mm以下，Kj=1；截面超过以上各数值时，Kj值可查设计手册。

(五)校验母线动稳定

短路冲击电流通过母线时，将产生电动力而使母线弯曲。所以，校验固定在支持绝缘子上的母线，应以母线受电动力而弯曲的情况进行应力计算。其材料应力若超过允许应力，母线遭到损坏。因此，按短路条件校验母线动稳定时，应对母线进行应力计算，并满足下列条件

式中 σy——母线材料允许应力（硬铝为69×106Pa，硬铜为137×106Pa，钢为157×106Pa），Pa；

σzd——母线最大计算应力，Pa。

各种形状的母线，它们受到机械力的作用虽有所不同，但计算方法是相似的。下面介绍单条矩形母线、双条矩形母线和圆形母线的应力计算方法。

1.单条矩形母线应力计算

母线材料最大计算应力为

式中 M——母线所受的最大弯矩，N·m；

W——截面系数（见表6-3），它是指母线对垂直于力作用方向的轴而言的抗弯矩，m3。

表6-3　母线截面系数W和惯性半径rI

假定母线为一多跨距的梁，自由放在母线支柱上，受均匀负荷的作用。根据力学公式，母线在电动力作用下，所受的最大弯矩为

式中 F——母线所受的电动力，N；

L——支柱绝缘子间的跨距，m。(www.xing528.com)

将式（6-10）代入式（6-9）得

在实际设计中，可以根据母线材料的允许应力σy确定最大允许跨距Ly·zd，使计算简单。由式（6-11）可推导出

式中 Ly·zd——母线最大允许跨距，m；

f——母线单位长度上所受的电动力，

只要选择的跨距L＜Ly·zd，就能满足母线动稳定的要求。但是，如果Ly·zd较大时，为防止水平放置的母线因自重而过分弯曲，选取跨距时不得超过1.5～2m。10kV配电装置中的母线跨距一般取配电间隔，即1.2m。

如果校验结果σy＜σzd，则说明选择的母线不满足动稳定要求，应减小母线应力，其办法有：采取限制短路电流的措施；增大相间距离；增大母线截面；减小绝缘子跨距。其中以减小跨距最为有效。

2.双条矩形母线的应力计算

对每相由双条母线组成的母线组，其最大计算应力是由相间作用应力和同相条间作用应力组成，即

式中 σx——相间应力，Pa；

σt——同相条间应力，Pa。

（1）σx的计算：相间应力σx的计算公式与单条矩形母线相同。截面系数Wx见表6-3。

（2）σt的计算：由于母线条间的距离很近，σt通常很大，为了减少σt，在同相各条母线之间每隔30～50cm敷设一个衬垫，如图6-4所示。衬垫数量取决于母线机械应力的计算，衬垫不宜过多，因为多设将使母线散热不良，多消耗金属材料，使安装复杂。

同相条间应力为

图6-4　装有衬垫的双条母线

式中 Mt——同相条间弯矩，N·m；

Wt——同相条间截面系数，m3。

对于双条母线，竖放时，为Wt

假设母线条间电动力为Ft，衬垫间的跨距为Lc，母线条间所受的弯矩，按两端固定的均匀荷载计算，即

式中 ft——单位长度上同相两条母线间的电动力，其中，Kx为母线截面形状系数，N/m；

Lc——衬垫间的跨距，Lc=0.3～0.5mm；

Wt——同相条间截面系数，m3。

在Ft的计算中，同相两条母线中的电流认为在两条中平均分配，每条中的电流为0.5ich。

（3）最大允许的衬垫跨距：设计中为了简化计算，通常根据允许应力σy来决定最大允许的衬垫跨距Lc·zd，根据

由式（6-16）可得

式中：=σty为相条间允许应力。如果实际选取的Lc＜Lc·zd，则母线就能满足动稳定的要求。

为了防止同相各条矩形母线，在相条间作用力下产生弯曲而互相接触，母线衬垫跨距Lc还必须小于临界跨距Ll（即当均匀荷载作用于其上时，母线条开始相碰时的跨距），即

式中 λ——系数，双条铝λ=1003，双条铜λ=1144。

3.圆形母线应力计算

圆形母线应力计算与矩形母线相同，只是截面系数不一样，其中W=0.1d3，d为母线直径。

【例6-1】 某10kV配电装置主母线长期最大负荷电流为280A，流过母线的最大短路电流I″（3）=13.5kA，I=10kA，I=5kA。继电保护动作时间tb=1.5s，断路器的全分闸时间tf=0.1s。三相母线水平布置平放，相间距离a=0.5m，跨距L=1m，周围空气实际温度θ=40℃，试选择矩形铝母线。

解：（1）根据题意，按最大长期工作电流选择母线截面。

根据Ig·zd=280A，母线平放和母线计算环境温度θ0=25℃，查母线载流量表，选择30mm×4mm的铝母线，Iy=347A，温度修正系数为

则实际环境温度为40℃时的母线允许电流

满足长期工作时的发热条件。

（2）校验母线短路时的热稳定。短路时间t=tb+tf=1.5+0.1=1.6s＞1s，故不考虑短路电流非周期分量的影响。因I（∞3）＞I，

则按三相短路校验热稳定为

从短路电流周期分量等值时间曲线查得周期分量等值时间tz=1.43s。

母线正常运行时的最高温度为

查得，C=87×106。按热稳定条件所需的最小母线截面为

故不满足热稳定要求。重选40mm×4mm的铝母线，进行动稳定核验。

4.校验母线短路时的动稳定

短路冲击电流

母线所受的电动力

母线所受的最大弯矩

截面系数

母线最大计算应力为

此值小于铝母线的允许应力（69×106Pa），故满足动稳定要求。