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基于集肤效应的新型开关柜母线探讨摘要：本文利用集肤效应电流在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中的原理，提出了两种新型母线，铜管母线和铜包铝母线，从而达到提高材料利用率，降低生产成本，增强企业竞争力。【关键词】：母线、集肤效应、开关柜、磁场1.概论随着国民经济的快速、稳步增长，城市建设和电力工业的飞速发展，企业、居民用电量呈直线上升，变电站主变容量的不断加大，出线电流变得越来越大，主变容量、额定电流以及短路电流在系统中比重都增大，在以往工程中采用多片矩形常规母线已逐渐不适工作在大电流回路。另一方面，近年来铜资源的短缺和消费快速增长的矛盾，致使铜价近几年在全球范围内出现了前所未有的暴涨。从资源角度来看，未来铜价仍将具有较大上升空间，铜材价格持续升高，导致生产企业制造成本迅速上升，电气装备行业尤为明显，年需上百万吨铜母线。面对日益激烈的竞争市场，降低生产成本，公司迫切需求能够找出增大材料利用率或者能够取代现有铜母排新型材料。本文从肌肤效应入手，结合市场新型材料应用，提出了新的开关柜母线运用。2.母线母线，也称母排或载流排，是承载电流的一种导体。在开关设备和控制设备中主要用于汇集、分配和传送电能，连接一次设备。根据母线的材质不同，在同一温度下其载流量也不同。开关设备和控制设备中主要以矩形铜母线为主矩形铝母线为辅。通过对母线载流量的统计，总结出立放时母线载流量（交流）的简易计算公式。40℃时单层矩形铜母线的载流量Id（A）：Id=k（b+8.5）h(1)式中，b为母线厚度（mm）；h为母线宽度（mm）；k为系数（A/mm）。40℃时双层铜母线与单层母线载流量载流量的关系式:I2=（1.56～1.58）Id(2)式中,I2为双层铜母线的载流量（A）；Id为为单层铜母线的载流量（A）。1.56～1.58为系数，一般100×10母线选1.58；80×10，80×8选1.57,60×6选1.56。40℃时3层铜母线与单层铜母线的载流量的关系式为:I3=2Id(3)式中,I3为四层铜母线的载流量（A）。说明：2层及以上铜排是指两层母线间有等于母线厚度的空气间隙。母线在环境温度为40℃时和环境温度为25℃时的换算关系为：I40=0.85I25(4)式中,I40为40℃时母线的载流量（A）；I25为25℃时母线的载流量（A）。相同规格的铜母线和铝母线在相同环境温度条件下载流量的换算关系为：IAl=Icu/1.3(5)式中,ICu为铜母线的载流量；IAl为铜母线的载流量。TMY母排载流量表额定电流（A）铜排规格（单片㎜）185以下16×1.6、15×3、10×424220×330025×3、16×535530×3、20×442030×4、20×655040×4、30×5、20×1061550×3、40×5、30×6、25×875560×3、50×5、40×6、30×1084060×4、50×6、40×8、25×1690080×3、60×599060×6、50×8、40×10、30×16116080×4、60×8、50×10、40×161300100×4、80×6、60×10、50×121490100×5、80×8、60×12、50×161590100×6167080×10、60×161830120×6、100×8、80×122030100×102110120×8、100×12、80×162330160×6、120×10、100×16额定电流（A）铜排规格（双片㎜）153060×6230080×8273080×102690100×83180100×103610120×10表1铜母排载流量表3.肌肤效益集肤效应(skineffect)又叫趋肤效应,表皮效应，电流在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。当交变电流通过导体时电流将趋于导体表面流过，这种现象叫集肤效应。图2导体集肤效应示意3.1集肤效应原理当导线流过交变电流时，根据楞次定律会在导线内部产生涡流,与导线中心电流方向相反,。由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动[1]。图3楞次定律示意图1H=I/πd导线中心包围的电流少，磁场H弱，由中心向外延伸，包围的电流逐渐加大，到达导体表面时，包围了全部。图3楞次定律示意图2电流通入时，在导体内外产生变化的磁场（1-2-3和4-5-6），方向垂直于电流。平面L和N产生感应电动势。这个感应电动势在导体内整个长度方向产生的涡流阻止磁通的变化。图4楞次定律示意图3a、b和e、f边的电流与主电流OA方向一致b、c和d、e边与主电流OA相反主电流和涡流之和在导线表面加强，趋向导线中心越弱，电流趋向于导体表面。这种现象是由通电铁磁性材料，靠近未通电的铁磁性材料，在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场，有了磁场就会产生切割磁力线的电流，这个电流就是所谓的涡旋电流，这个现象就是集肤效应。我们可以计算交变电流集肤效应的深度：δ=1/sqrt(1/2*w*σ*μ)其中，w是交流电频率σ是导体电导率μ是导体磁通率3.2电流中集肤效应特点1．电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动。在导体表面及近表层的结构元与导体表面基本平行，电子在其间换位流动阻力较小。而在导体内部结构元呈上下、左右、前后空间排列，电子在其间定向流动要受到五个方向的阻力，（而在表面只有三个方向的阻力）可见电子在导体表层附近运行的阻力要比在内部小得多，这样就导致了电流的集肤效应。2.当电子在导线内移动时，在其运动的垂直方向伴生着磁场，（右手定则）其它电子在磁场的作用下向逐步向周边发散移动，于是移向了导线的表层附近，形成了电流的集肤效应3.温度的影响，在导体内部，电阻产生的热不易散发，温度较高，价和电子运转的速率高，线路不是很扁平，这样就导致了电子通路相对窄小，电阻就高。在导体的表面，散热快、温度低，价和电子运转的速率低，线路扁平，这样就导致了电子通路相对宽大，而故导体表面电阻小，外来电子运行较快，这也是电流集肤的原因之一。尖端放电当导体的某部分做得很细很尖时，尖端部分的表面积相对较大，换位移动到此的电子密度相对较大，在尖端部分甚至有些拥挤，有部分电子在拥挤中从尖端溢出，于是就导致了尖端放电现象。4.基于集肤效应运用的新型母线4.1铜包铝母线我公司现用母线为矩形铜母排和矩形铝母排。铜表面抗氧化性能强，且氧化后仍具有导电性，不影响供电安全，但价格高昂；铝母排表面氧化后形成绝缘层，接触电阻增大而发热，发热又加剧了氧化速度，导致恶性循环，造成接触面断电甚至烧毁，因此，铝母线替代不了铜母线。若外层用铜，内芯用铝，制成铜铝复合材料母线，既保持了铜母线表面抗氧化能力强的特点，又充分利用了铝重量轻，价格低的优点，且由于趋肤效应的影响，其导电性能比铝高得多，比铜略低，是替代铜母线的最佳材料。它导电率高、重量轻、价格低，且抗拉强度、延伸率、弯曲性能都能满足电气装备的要求，但是这种复合材料铜、铝复合界面必须达到冶金结合，界面具有足够的强度[2]。图5铜包铝母线示意图在20世纪60年代，欧美一些国家就开始研究和应用铜包铝材料，并最早制定导体标准。铜包铝在欧美被称为继铜、铝后第三代新型导体，各国都有相关行业标准，现已进入实用化阶段，广泛应用于自动化、冶金、高低压电器、建筑行业及冶金行业等行业。由于我国的铜资源匮乏，我国的电工电气企业在使用纯铜排时的成本很高。为了节约铜资源和降低企业成本，通过以铝代铜，国家科技部组织“973”计划和“863”科技公关项目研究铜包铝材料。北京有色金属研究总院通过科技部“973”计划和“863”科技公关项目支持，早在90年代末期成功制备出各种规格铜包铝等双金属复合材料。图6铜包铝母线铜包铝排是一种高科技节能型导体材料，是一种以铝为基体，外层包覆铜的双金属复合材料。通过特定的工艺，使铝芯与铜管之间形成永久性原子间冶金结合的材料，产品表面光亮，圆整，无缺陷，能加工成符合使用要求的尺寸。它是将铜的高质量稳定导电性能与铝的较为稳定低成本、低密度相结合的新型材料，接触电阻低，载流量是纯铜排的85%以上，可全面替代纯铜排，铜包铝排中，铜占比重的40%，铝占比重的60%，相同规格情况下是纯铜排的2.5倍长，载流量接近T2纯铜排，选择稍微大一点的规格可完全达到相同载流量，符合客户需要的线径及力学和电学性能技术要求。铜包铝排的密度仅为纯铜排的37％-40％，同等重量的长度（体积）是纯铜排的2.5-2.7倍。铜包铝排经过特殊的热处理工艺，具有一定的可塑性，有利于冲孔、剪切、弯曲加工产品不开裂、不分离。为了提高抗腐蚀性能，可在铜层表面进行镀锡、镀锌处理。铜包铝具有良好的延展性和可靠性，铜包铝排，可专门用于替代铜排，铝排。铜母线TMY、铝母线LMY及铜铝复合母线TLMY电气性能比较如下：性能指标铜铝复合母线铜母线铝母线密度（g/㎝3）3.638.892.720℃时电阻率（Ω㎜2/m）0.02340.01780.029导电率（IACS）≥75≥97≥59.5表面接触性能与铜母线相同氧化速度慢，氧化后仍具有导电性能，不影响供电安全。在空气中极易氧化，氧化物为绝缘性，在接触面因氧化造成电阻增大，发热并形成恶性循环，导致接触面烧毁。同等载流量时每米价格（铜母线为1）54%150%表2铜母线TMY、铝母线LMY及铜铝复合母线TLMY电气性能比较4.2铜管母线铜管母线代替矩形母线的方法来改善母线材料的有效利用率，提高母线机械强度，从而增大母线桥的跨度距离，利用半绝缘、全绝缘的新工艺有效地防止人身触电及金属物落到母线上产生相间短路等问题；在实际工作中得到应用为变电站的安全运行、提高供电可靠性、降低损耗起到了积极作用[3]。图7铜管母线示意图电气绝缘铜管母线原材料介质采用环氧树脂浸渍纤维及聚四氟乙烯材料作主绝缘，可在-60℃-+150℃中工作，有优良的电气性能和化学稳定性，介质损耗小、阻燃、耐老化，绝缘式铜管母线采用密封屏蔽绝缘方式具有，电场分布均匀，控制电位和限制电场突变，避免在绝缘表面产生局部放电，传导泄漏电流和充电电流，对危险的接触电压进行防护，外壳接地，电位为零，母线电场分布均匀，端部设有均压电容屏，绝缘强度高，取消穿墙套管和支柱绝缘子。管型母线为导电体，铜管或铝管母线导体为预制式长度为6-8米，管与管连接端子为管型或方型，采用现场专用的连接母线工艺技术和可拆装连接方式。载流量大，管型屏蔽绝缘铜管母线采用铜管为主导体，管外表为圆形表面，表面积大，其导体表面电流密度分布均匀，而矩形母线有棱角。表面电荷容易聚集在棱角处，引起母线局部发热，造成能源的浪费。另外，导体为空心管，温升低于36K,单位截面载流量大于常规矩形母线。集肤效应低、功率损耗小，铜管母线的集肤效应系数低，交流电阻小，因而母线的功率损失小，若采用多片矩形导体，随着片数的增加，集肤效应系数不断扩大，单位截面积的有效载流量下降，片与片之间电流分布不均匀，附加损耗加大，散热条件差。温升性能好，铜管母线为空心导体，母线内径风道自然形成热空气对流(室内和室外的气压差，能自然形成热空气对流)自然散热条件好。机械强度高，铜管母线的允许应力为矩型母线的4倍，运行载荷可承受的短路电流大，机械强度高，使得母线支撑跨距加大；在50KA短路电流情况下，Φ80X6mm铜管母线跨距可达12米，由于母线跨距大，可直接进入高压室与户内开关柜连接，减少了相应的支柱绝缘子、母线金具以及土建构架基础。抗电气震动性能强，直接将绝缘铜管母线固定在铜构架上或混凝土支架上，不受环境干扰可靠性高，绝缘式铜管母线每相是密封屏蔽绝缘，内部无凝露产生，且消除了外界潮气、灰尘以及外物所引起的接地和相间短路故障，运行具有高度的可靠性，相比之下裸母线排暴露在环境中，容易受人、小动物以及其他物体偶然接触而产生接地和短路，有利于安全运行。5.结论1.基于集肤效应原理，外层用铜，内芯用铝，制成铜铝复合材料母线，既保持了铜母线表面抗