一种绝缘管型母线结构设计方法技术

本发明专利技术提供一种绝缘管型母线结构设计方法，包括明确实际工程对绝缘管型母线所要满足电压及电流等级的设计要求；根据绝缘管型母线实际工程中的电流等级设计要求及所应用实际环境因素综合选定绝缘管型母线铜管导体的管径；根据绝缘管型母线实际工程中所要求正常工作条件下的电压等级要求，基于最大场强公式对主绝缘层进行结构设计，也即确定主绝缘层的厚度；根据绝缘管型母线实际工程中所要求正常工作条件的电流等级要求，基于等效热阻法对铜管导体进行结构设计，也即确定在特定管径下的铜管导体壁厚。本发明专利技术为绝缘管型母线样品设计方案成品定型并进一步开展样品试验验证提供参考，填补了目前这一行业的技术空白。

【技术实现步骤摘要】
一种绝缘管型母线结构设计方法
本专利技术涉及输配电设备
，具体是一种绝缘管型母线结构设计方法。
技术介绍
随着国民经济的高速发展，整个社会对电力的需求日益增大，变电站主变容量不断加大，变压器低压进线侧的额定电流也在不断加大，以及变电站结构日趋紧凑化的背景下，传统矩形母线、槽型母线及电缆母线在技术上和结构上越来越难满足母线发热和短路电动力的要求，绝缘管型母线作为一种替代常规矩形母线的新型输电设备，因其具有载流量大、机械强度高、电气绝缘性能强、节省占地空间等显著技术优势而在变电站和大型发电厂等工程领域获得越来越多的应用。由于目前并没有针对绝缘管型母线的国家、国际标准，且绝缘管型母线在我国的应用相对较晚，对其认知程度也相当有限，加之受制于技术研发能力、绝缘材料性能等因素的制约，当前，该行业在国内存在产品种类繁多、材料选型、结构设计及生产工艺各异、产品质量与稳定性参差不齐等突出问题。近年来绝缘管型母线设备故障已遍及湖北、广东、新疆等近十个省份的数十座变电站，对电网安全稳定运行及供电可靠性造成了极为恶劣的影响，其主要原因在于目前针对绝缘管型母线的基础性研究相对薄弱，在结构设计、材料选型、生产、运输、安装及运行等各环节缺乏必要的指导规范，尤其在结构设计方面存在严重的盲目设计问题。在一定的电压及电流等级设计要求下，目前绝缘管型母线产品普遍存在绝缘厚度偏厚、载流导体截面积偏大的问题，一方面造成了大量资源的浪费；另一方面由于盲目增加绝缘厚度可能导致产品的安全性和可靠性不增反减。因此，非常有必要针对绝缘管型母线这类输变电辅助类电力设备的结构设计方法进行研究，这对于制造厂家具有非常重要的现实指导意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种绝缘管型母线结构设计方法，一方面可用以指导新产品的设计研发；另一方面可用以现有典型结构的核算及改进优化。为了达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种绝缘管型母线的结构设计方法，主要涉及在已知电压及电流等级设计要求的前提下，设计载流导体截面尺寸和主绝缘层厚度，也即铜管导体的管径、壁厚和主绝缘层厚度。所述绝缘管型母线结构设计方法，主要包括以下步骤：(1)根据绝缘管型母线实际工程中的电流等级设计要求及所应用实际环境因素综合选定绝缘管型母线铜管导体的管径；(2)根据绝缘管型母线实际工程中所要求正常工作条件下的电压等级要求，基于最大场强公式确定主绝缘层的厚度；(3)根据绝缘管型母线实际工程中所要求正常工作条件的电流等级要求，基于等效热阻法确定在特定管径下的铜管导体壁厚；(4)基于步骤(1)-(3)得到的铜管导体的管径、主绝缘层的厚度及铜管导体壁厚进行绝缘管型母线结构设计。进一步的，所述步骤(1)中所涉及绝缘管型母线铜管导体管径的选定标准如下：进一步的，对于电流等级为2000A的，铜管管径选定为55-65mm；对于电流等级为4000A的，铜管管径选定为85-95mm；对于电流等级为6000A的，铜管管径选定为135-145mm。进一步的，，对于电流等级为2000A的，铜管管径选定为60mm；对于电流等级为4000A的，铜管管径选定为90mm；对于电流等级为6000A的，铜管管径选定为140mm。进一步的，所述步骤(2)中所涉及最大电场公式具体如下：Emax＝U0/(rcln(re/rc))(1)根据所采用绝缘材料的击穿场强必须大于绝缘管型母线绝缘层中最大电场，进而利用最大电场强度公式可得出主绝缘层厚度具体如下：ti＝rc(exp(mU/(Grc)-1))(2)式中，re表示绝缘管型母线主绝缘层外径的一半，单位为m；rc表示导体屏蔽层外径的一半，单位为m；U0表示绝缘管型母线绝缘层承受的电压，单位为V；G表示绝缘材料的击穿强度，单位为kV/mm；m为安全裕度。进一步的，所述步骤(3)中所涉及基于等效热阻法对铜管导体进行结构设计具体步骤如下：(1)在选定铜管导体管径的基础上确定得出主绝缘层厚度，进而得到结构参数:绝缘管型母线铜管导体管径Dc、绝缘屏蔽层外径Di、金属接地屏蔽层外径Ds、外护层外径De；(2)搭建绝缘管型母线的等值热路图，进而得到绝缘管型母线热平衡方程如下：Δθ＝θc-θ0＝(Wc+0.5Wd)T1+[(1+λ)Wc+Wd](T3+T4)(3)式中，Δθ是铜管导体高于周围媒质的温度，也即铜管导体温升，单位为K；θc是绝缘管型母线铜管导体温度，单位为K；θ0是绝缘管型母线敷设外界环境温度，单位为K；λ是绝缘管型母线金属接地屏蔽层损耗与铜管导体损耗的比值，也称为金属接地屏蔽层损耗因数；T1表示绝缘管型母线的等效热阻，单位为TΩ·m；T3表示绝缘管型母线外护层的等效热阻，单位为TΩ·m；T4表示绝缘管型母线敷设环境中介质的热阻，一般为空气，单位为TΩ·m。(3)计算绝缘管型母线热平衡方程中所涉及电气参数，涉及绝缘管型母线单位长度有效交流电阻R、等效电容C，具体如下：R＝R'θ(1+Ys+Yp)(1+λ)(4)式中，R为单位长度绝缘管型母线工作温度下铜管导体的有效交流电阻，单位为Ω/m；Rθ′为单位长度绝缘管型母线工作温度下铜管导体的有效直流电阻，单位为Ω/m；Ys为集肤效应系数，即由于集肤效应而增加的铜管导体电阻的百分比；Yp为邻近效应系数，即由于邻近效应而增加的铜管导体电阻的百分比；εr为绝缘管型母线主绝缘层材料的相对介电常数；C为单位长度绝缘管型母线的电容，单位为F/m。又有式中，ρ20为绝缘管型母线铜管导体在20℃下的电阻率，单位为Ω/m；ρθc为绝缘管型母线铜管导体在工作温度下的电阻率，单位为Ω/m；(4)计算绝缘管型母线热平衡方程中所涉及各部分损耗，涉及绝缘管型母线铜管导体的损耗Wc、绝缘管型母线绝缘层介质损耗Wd、金属接地屏蔽层损耗Wj，具体如下：Wj＝λWc(10)其中Ic是流经绝缘管型母线等效电容的容性电流值，R为绝缘管型母线单位长度有效交流电阻，f为频率，C为等效电容，U0表示绝缘管型母线绝缘层承受的电压，tanδ表示介质损耗正切，λ为金属接地屏蔽层中总损耗因数；(5)计算绝缘管型母线热平衡方程中所涉及各部分热阻，涉及绝缘管型母线绝缘层热阻T1、外护层热阻T3、周围煤质热阻T4具体如下：又有式中，ρT1、ρT3分别表示绝缘层、外护层的热阻系数，单位为K·m/W；h为散热系数，单位为W/(m2·K5/4)；Δθs为超过环境温度的绝缘管型母线表面温升，单位为K；σ为日照条件下绝缘管型母线表面的吸收系数，对于聚氯乙烯材料取为0.6，聚乙烯材料取为0.4；H为日光辐射强度，对于大多数维度取1000W·m-2；不考虑阳光照射时，计算(Δθs)1/4的公式中不计Δθds一项。(6)根据所搭建绝缘管型母线等值热路图，并将所涉及电气参数、各部分损耗、各部分热阻等相关数据代入热平衡方程中，推导得出绝缘管型母线铜管导体内径D0，进而得出特定管径下的壁厚参数tc，具体如下：进而得出特定管径下的壁厚参数tc＝(Dc-D0)/2。进一步的，式(28)进一步简化可得如下：上述方法中，可以适用于现行条件下国内6kV-35kV各种工艺类型(目前主要呈现出环氧树脂浇注类、聚四氟乙烯或聚脂薄膜绝缘带绕包类、硅橡胶或三元乙丙橡胶挤包类三种类型绝缘管型母线共存的局面)的绝缘管型母线的结构设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绝缘管型母线结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据绝缘管型母线实际工程中的电流等级设计要求及所应用实际环境因素综合选定绝缘管型母线铜管导体的管径；(2)根据绝缘管型母线实际工程中的电压等级要求，基于最大场强公式确定主绝缘层的厚度；(3)根据绝缘管型母线实际工程中所要求正常工作条件的电流等级要求，基于等效热阻法确定在特定管径下的铜管导体壁厚；(4)基于步骤(1)‑(3)得到的铜管导体的管径、主绝缘层的厚度及铜管导体壁厚进行绝缘管型母线结构设计。

【技术特征摘要】
1.一种绝缘管型母线结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据绝缘管型母线实际工程中的电流等级设计要求及所应用实际环境因素综合选定绝缘管型母线铜管导体的管径；(2)根据绝缘管型母线实际工程中的电压等级要求，基于最大场强公式确定主绝缘层的厚度；(3)根据绝缘管型母线实际工程中所要求正常工作条件的电流等级要求，基于等效热阻法确定在特定管径下的铜管导体壁厚；(4)基于步骤(1)-(3)得到的铜管导体的管径、主绝缘层的厚度及铜管导体壁厚进行绝缘管型母线结构设计。2.如权利要求1所述的绝缘管型母线结构设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中所涉及绝缘管型母线铜管导体管径的选定标准如下：对于电流等级为2000A的，铜管管径选定为55-65mm；对于电流等级为4000A的，铜管管径选定为85-95mm；对于电流等级为6000A的，铜管管径选定为135-145mm。3.如权利要求2所述的绝缘管型母线结构设计方法，其特征在于：对于电流等级为2000A的，铜管管径选定为60mm；对于电流等级为4000A的，铜管管径选定为90mm；对于电流等级为6000A的，铜管管径选定为140mm。4.如权利要求1所述的绝缘管型母线结构设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中所涉及最大电场公式具体如下：Emax＝U0/(rcln(re/rc))(1)根据所采用绝缘材料的击穿场强必须大于绝缘管型母线绝缘层中最大电场，进而利用最大电场强度公式可得出主绝缘层厚度具体如下：ti＝rc(exp(mU/(Grc)-1))(2)式中，re表示绝缘管型母线主绝缘层外径的一半，单位为m；rc表示导体屏蔽层外径的一半，单位为m；U0表示绝缘管型母线绝缘层承受的电压，单位为V；G表示绝缘材料的击穿强度，单位为kV/mm；m为安全裕度。5.如权利要求1所述的绝缘管型母线结构设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中所涉及基于等效热阻法对铜管导体进行结构设计具体步骤如下：(1)在选定铜管导体管径的基础上确定得出主绝缘层厚度，进而得到结构参数：绝缘管型母线铜管导体管径Dc、绝缘屏蔽层外径Di、金属接地屏蔽层外径Ds、外护层外径De；(2)搭建绝缘管型母线的等值热路图，进而得到绝缘管型母线热平衡方程如下：Δθ＝θc-θ0＝(Wc+0.5Wd)T1+[(1+λ)Wc+Wd](T3+T4)(3)式中，Δθ是铜管导体高于周围媒质的温度，也即铜管导体温升，单位为K；θc是绝缘管型母线铜管导体温度，单位为K；θ0是绝缘管型母线敷设外界环境温度，单位为...

【专利技术属性】
技术研发人员：任想，阮羚，朱思瑞，李文佩，刘睿，杨帆，
申请(专利权)人：国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42