浅析离相式封闭母线外壳局部过热与处理
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【摘要】本文通过定性和定量分析了封闭母线外壳连接处局部过热的问题及产生的原因，并以实例数据进行了计算验证，为封闭母线外壳局部过热的处理提供理论依据。
某发电厂发电机出口至主变低压侧间采用全连式分相封闭母线连接，每相母线各装在单独的外壳内，外壳两端通过短路板连接构成闭合回路。一端在发电机引母线处短路连接，一端在主变本体低压侧出线处短路连接。整条封闭母线外壳对地绝缘，在两侧短路连接处各设一个安全接地点。在发电机出口至主变低压侧间设有分相SF6断路器。主变低压侧、发电机引出线至断路器间的封闭母线外壳为铝制，分段制造，安装时各段之间焊接为一个整体。断路器外壳与两侧封闭母线外壳之间采用环形均匀分布的螺栓紧固连接，在各螺栓连接处用铝制短路条跨接接合面。
一、封闭母线外壳发热的原因分析
首台机组在升流试验期间，当升流到70%的额定电流时，封闭母线外壳连接处局部有严重过热现象。尤其在发电机出口封闭母线外壳连接处显得特别突出，局部温度达到185℃;当升流到100%的额定电流时，在局部过热点测得的最高温度达到320℃，造成封母外壳支撑紧固螺栓发红。
引起封闭母线外壳发热的因素：（1）铝制的封闭母线外壳处在母线所产生的交变磁场中，产生电流，引起发热;（2）封闭母线导体上大电流产生的热量以辐射、空气对流的方式传递到封闭母线外壳，导致其温度逐渐升高。显然，上述两个因素中，在机组正常运行工况下，母线发热辐射、对流到封闭母线外壳的热量，不会引起封闭母线外壳温度超过100℃。
根据电磁学的有关理论，运行中的每相母线的交流电流在其周围空间内产生呈正弦规律变化的磁场。该磁场在铝制的封闭母线外壳上产生感应电势，由于全连式分相封闭母线三相间在两端短路连接构成回路，该感应电势在封闭母线外壳上产生感应电流，感应电流的大小所产生的磁场能抵消母线上的交流电流产生的磁场，即：感应电流的大小基本上与发电机负荷电流相等。对整个封闭母线外壳而言，发电机负荷电流越大，封闭母线整体发热越严重，而对于封闭母线外壳连接处的局部区域而言，该部位的发热量与其电阻的大小、流过此处的电流的平方成正比。即：电阻越大、电流密度越高的地方，发热越严重。一旦某一连接处出现温度过高现象时，接触连接面会发生强烈氧化，使得接触电阻增大，温度进一步上升，导致接触处松动或烧熔。同时，由于每相封闭母线外壳上感应电流的磁场与母线电流的磁场不可能完全抵消，会产生一定的漏磁通，在其他相的外壳上产生涡流，引起封闭母线外壳发热。但由于漏磁通较小，涡流引起的封闭母线外壳发热程度并不严重。
二、封闭母线外壳连接处局部过热的原因分析
1.连接处导流面积不足，电流密度大
封闭母线安装时，将主变低压侧、发电机三相引出线侧封闭母线外壳各段之间进行焊接，形成一个整体。发电机负荷电流在封闭母线外壳上产生的感应电流在外壳两侧与其两侧封闭母线连接处只能流经紧固螺栓及短路条，由于紧固螺栓及短路条形成的导流面积与整个封闭母线外壳的接合面面积相比较小。因此，各螺栓及短路条上的电流密度要高于整个封闭母线外壳其它地方的电流密度，引起螺栓及短路条在大负荷工况下过热。
2.连接处接触电阻大
封闭母线外壳两侧与其两侧封闭母线连接时使用的螺栓与压紧垫片、压紧垫片与短路条短路条与封闭母线外壳间，不可避免地会形成一定的接触电阻。该接触电阻的阻值必然会远远高于封闭母线外壳其他部位的铝材电阻，造成断路器外壳与封闭母线外壳连接处的发热量明显高于其他地方。
3.封闭母线外壳连接处局部过热的计算分析
前面对封闭母线外壳连接处局部过热进行了定性分析，下面根据封闭母线有关技术资料及测量数据，进行简单的定量分析。
发电机额定功率250MW、额定电压15.75KV;电流10182.5A。主封闭母线外壳为圆筒形，主回路额定电流设计为15000A，母线铝管内径为450X15mm，外壳铝管内径为φ1050X10mm。断路器外壳与封闭母线外壳连接处接合面的宽度为50mm，结合面采用64条直径为16mm的钢制螺栓连接在每条螺栓处用宽度为50mm、厚度为5mm的铝制短路条跨接接合面。据以上数据，可以计算比较设计的接合面的电流密度及实际接合面可能达到的最小电流密度。
（1）设计接合面的导电截面积S：
（2）设计的接合面的电流密度J：
（3）实际接合面最大导电截面积S1：
（4）接合面可能达到的最小电流密度J1：
（5）导体发热量计算公式：
式中：I―电流，A;R―电阻，Ω;t―时间，S
若在实际接合面上、设计的接合面上各取一块面积、长度相等的导体在相同时间内进行发热量比较，由于导体材料相同，故两者的ρ、L、S、t相等，R也相等。实际接合面与设计接合面发热量之比为：
上式说明，实际接合面上与设计的接合面上取面积、长度相等的导体，在相同时间内的发热量之比要高出4倍。通过以上分析发现，电流密度大是引起断路器外壳与封闭母线外壳连接处发热量高的的根本原因，解决该问题的关键措施是增加断路器外壳与封闭母线外壳连接处接合面的导电面积，以降低该处的电流密度。
三、封闭母线外壳过热的危害
1.封闭母线外壳过热严重时，将使封闭母线外壳变形产生应力，作用在固定其上的支撑绝缘子，可能造成支撑绝缘子位移，严重时导致支撑绝缘子破碎，引起发电机单相接地。
2.长期过热导致封闭母线外壳变形严重时，可能使外壳与母线间距离变小，容易引起外壳与母线间放电，引起单相接地。
3.局部高温可能导致封闭母线铝制外壳、短路条局部融化，引起单相接地。
4.封闭母线外壳过热严重时，导致封闭母线内部温度升高，母线冷却条件恶化。
5.封闭母线外壳严重过热区域附近的绝缘子长期受到高温的作用，绝缘材料将逐步变脆和老化，以致绝缘失去弹性和绝缘性能下降，使用寿命大为缩短。
6.铝制封闭母线外壳温度长期超过100℃时，抗拉强度急剧下降，使用寿命大大降低。
四、解决封闭母线外壳发热的措施
1.将断路器外壳两侧与两侧封闭母线外壳连接处的橡胶密封垫换成铝制密封垫，增加导电面积，减小电流密度。
2.调整各接合面加工平整，保证各接合面间能紧密接触在一起，在各接合面上涂上导电膏，尽量减小接触电阻。
3.短路条与压紧垫片、短路条与封闭母线外壳间的接触面进行检查处理平整，并在各接合面上涂上导电膏，尽量减小接触电阻。
4.对紧固螺栓按要求力矩要求进行重新检查紧固，对出现接合面局部翘曲进行了处理，减少了局部区域接触电阻过大。
5.消除因运行中振动及过热导致的螺栓松动、螺栓压紧垫片变形等引起的局部过热现象。
6.拆除封闭母线固定支架与母线外壳的绝缘垫，母线外壳通过支架直接接地。
五、结语
通过定量分析，在实际接合面上与设计的接合面上取面积、长度相等的导体，在相同时间内的发热量之比高出4倍。因此，接合面处单位面积电流密度大是引起断路器外壳与封闭母线外壳连接处发热量高的的根本原因，解决封闭母线外壳发热的问题应采用技术措施和加强运行维护管理，以保证封闭母线安全可靠的运行。
参考文献
[1]水电站机电设计手册.电气一次[M].水利电力出版社，1989（8）.
[2]吴励坚.大电流母线的理论基础与设计[M].水利电力出版社，1985（12）.
[3]封闭母线安装说明书[S]..江苏长江沃特电气有限公司，2013.
作者简介：唐鹏程（1968―），男，大学本科，高级工程师，现供职于中国水利水电第三工程局有限公司制造安装分局，主要从事电气设备的安装及调试工作。