CN101473504A - 多道母线槽系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高安培电力传输的母线槽系统，每一相包含多道导体，该多道导体包含多个彼此平行的长形条，其特征在于每个长形条的表面积/体积比的范围在0.45mm²/mm³到1.15内。增加的表面积降低了集肤效应比，而集肤效应比视条形导体的宽度/厚度比而定(当条的厚度增加，集肤效应增加)。因此，作为交流电导体，多个薄铜条比单一厚铜条更有效率。

Description

多道母线槽系统

技术领域

本发明涉及一种多道母线槽系统，更具体而言，本发明涉及一种用于高安培电流传输的多相母线槽系统。

背景技术

传统上，由于线槽的尺寸较小，母线槽制造厂商专心致力于单条载流导体的生产，而非多条载流导体。与其他类型的导体相比，铜导体亦被广泛使用。

然而，单条导体具较高的铜含量。这些导体存在磁通(back-EMF，反电动势)切割该导体的问题，减少了单条载流导体可载的电流密度。条形导体的中央受磁通影响最为显着，造成电流集中在导体表面(skin)上。这种现象称为「集肤效应」(skin effect)。此外，来自导体的磁通影响相邻的条，磁通切割相邻的条，亦造成反电动势。

因此，需要有一种新型式的电流传输母线槽，对于相同的给定安培使用较少的铜并因而节省了母线槽制造过程中所需的成本。

发明内容

因此，本发明提供一种高安培电力传输用母线槽系统，每一相包含一多道导体，该多道导体包含多个相互平行的长形条，其特征在于每个该长形条的表面积/体积比在0.45mm²/mm³到1.15范围内。

增加的表面积降低了集肤效应比，集肤效应比视条的宽度/厚度比而定，且随着条厚度增加，集肤效应增加。因此，多个薄铜条与单一厚铜条相比，在用于交流电时更为有效。

本发明由某些在下文中完整描述及附图所示并特别在所附的权利要求中指出的具新颖性的特征及组合部件所组成，可以理解，对于细节上的各种变更将不会悖离本发明的范畴或有损本发明的任何优点。

附图说明

为便于理解本发明，请阅读后文较佳实施方式及相关附图说明，并连同考虑下述说明书时，本发明、其构造及运作及包括其众多优点将被容易理解和接受。

图1为导体厚度与A.C电流之间的关系图；

图2为导体厚度与集肤效应比之间的关系图；

图3为使用单条的母线槽的剖面图；

图4为使用3条的多道导体的剖面图；

图5为使用11条的多道导体的剖面图；

图6显示多道导体相互连接及其分接点；

图7为安装该多道导体的制造流程；

图8示意多道母线槽的电流分接。

具体实施方式

本发明涉及一种多道母线槽系统。更具体而言，本发明涉及一种用于传送高安培电流的多相母线槽系统。后文中，该多道母线槽系统根据本发明的优选实施例并参考后文及附图为依据进行说明。然而，对本发明的优选实施例的说明内容及图式限制仅为使本发明的论述更加方便，且可以预测本领域的技术人员可能设计出的各种修改并不背离本专利申请附属的权利要求的范畴。

在母线槽系统中，影响效能的两个主要因素为：

1.因铜导体特性引起的集肤效应。

2.因较大表面积(即表面积与体积之比较大)所引起的热耗散。

下表显示在给定的阻抗与电阻值下，随着宽度相对于厚度越大，集肤效应如何趋向于越小。

表1：集肤效应比

下表2清楚证实在传统1公尺长的母线槽系统中，宽度愈大，每公尺表面积对体积比随之增加。这有益于减少集肤效应比。

表2：表面积/体积比

 

道数	宽度mm	厚度mm	截面积mm2	体积mm3	表面积mm2	表面积/体积
							1	50	5	250	250000	110500	0.442
2	25	5	250	250000	120500	0.482
							5	10	5	250	250000	150500	0.602
							1	60	5	300	300000	130600	0.435
2	30	5	300	300000	140600	0.469
							5	12	5	300	300000	170600	0.569
							1	80	5	400	400000	170800	0.427
2	40	5	400	400000	180800	0.452
							5	16	5	400	400000	210800	0.527

表3：单条与多条比较

参考表3，每公尺表面积与体积的比值在多道系统中高出许多。因此，多道系统明显因为在减少集肤效应比上较为显著而较有利。

对导体而言，交流电(a.c.)的表观电阻值(apparent resistance)总是比直流电(d.c.)高。导体存在有交流电，该交流电与导体相互作用，而造成交变磁通(反电动势)的问题，因而减少了单条所能携载的电流密度。由磁通所产生的电流与正常的电流方向相反。

条形导体中央的磁力线的数量最多，越靠近导体边缘，磁力线的数量越少。在自感方式下产生的电动势在导体的不同截面的磁力线数量及相位都有所改变，中央较大而愈靠外侧愈小。

这造成电流集中在反电动势最小的导体表面上，在环形导体的表面或扁平条的边缘，产生所谓的「集肤效应」。所导致的不均匀电流密度将增加导体表观电阻，因而引起功率损失。

「集肤效应」比可定义为表观d.c.与a.c.电阻比，即：

S＝R_f/R_o其中R_f＝导体的a.c.电阻

                   R_o＝导体的d.c.电阻

                   S＝集肤效应比

集肤效应的数值与影响效果随导体频率、大小、形状与厚度的增加而增加，但与电流强度大小无关。

应注意当导体温度增加，集肤效应减少，使其比上升温度时的预期a.c.电阻低。||效果对同样截面积的铜导体比铝导体来的显著，这是因为铜导体具有较低的电阻性，特别是在大母线区段。

最常用做电力传输材料的固体铜杆的集肤效应比可由Maxwell，Rayleigh and others(Bulletin of the Bureau of Standards，1912)推导的方程式计算出：

$S=\frac{\left[\mathrm{Square\; root}(1+x^4/48)\right]+1}{2},$    当x≤3

$S=\frac{x}{2\sqrt{2}}+0.26,$    当x>3

其中S＝集肤效应比

$x=\mathrm{\Πd}\left[\mathrm{Square\; root}\left[\frac{2\mathrm{f\μ}\×{10}^{-5}}{\mathrm{\ρ}}\right]\right]$

d＝杆直径，mm

f＝频率，Hz

ρ＝电阻率，μΩcm

μ＝铜的磁导率(＝1)

对20℃，ρ＝1.724μΩcm的HC铜，故

x＝1.069×10^-2d

x＝1.207×10^-2

其中A＝导体的截面积，mm²

图1和图2为由Dwight及Arnold方程式所绘制的图式，显示不同导体截面的集肤效应值。管状铜导体中的集肤效应为管壁厚度及该厚度与管直径的比的函数。对预设的截面面积，集肤效应可藉增加管直径并减少管壁厚度来减少。

例如，在铜管例子中(图1)，明显可看出，如果可能的话，保证t/d及

的数值较低是较理想的。对给定的截面面积，薄铜管的集肤效应比其他形式的导体的略低。总结来说，铜管做为交流电导体，特别是那些高频率的高通量的交流电，具有最大效率。

图2表示扁平条集肤效应的值。扁平铜条中的集肤效应为厚度及宽度的函数。对预设截面面积而言，薄的条形导体或带状导体的集肤效应比在通常情况下较环形铜杆小但比薄管大，其视条形导体的宽度与厚度比而定。随着条的厚度增加，集肤效应增加。因此，薄铜条(2mm至5mm范围内)做为交流电导体比厚铜条更有效。

因此，母线槽系统包含多道铜条从而能够减少较多百分比的铜，故更具成本效益。表4显示多道母线槽系统在不同安培系统中与传统相较，铜减少的百分比。

表4：多道导体节省的铜

图3至图5显示在不同宽度及安培系统中使用不同数量的条形导体的各类多道系统的剖视图。

在制造过程中，将多道系统保护在充分硬化的钢外套中是相当重要的。这是为了加强机械强度以耐得住短路电流并增加散热。

如图7所示，铜条1放置于钢板2圈住的区域中。钢板2被弯曲成遮盖自四周而来的多个条的C形槽道。在封入的区域内该多个条形导体统一排放在均一隔开的区域内。该区域是由块状成型材料制成的预先成型的(pre-molded)支架3。这些支架3乃设置于母线槽两端上而非母线槽的中央。

由母线条支架3夹持并放置于封入的钢板2中的铜条，该多个条的裸露端4将安装在使用栓于钢板上的预先成型钢夹具上，形成图7的最终封闭的区域。

使用搅拌机，搅拌环氧树脂(液状)、二氧化硅/石英(粉状)及硬化剂(液状)，并自钢板顶部倒入封闭的区域内。在完成此项程序后，盖上顶部钢盖5并用螺栓固定。在约24小时内，钢密封区内的混合物将完全硬化。

不需环氧树脂、二氧化硅及硬化剂的另一种方法为只使用粉状环氧树脂材料。铜条将被预先加热，然后放入注满环氧树脂粉末的液化槽中。藉由将铜条浸入槽中，粉末将融化并黏附于铜条上形成环氧树脂绝缘材料涂层。该条之后将被放回约200℃的炉固化1小时并均匀形成一具高机械强度、耐热及介电强度的涂覆表面。

当铜条完成时，此半成品将被手动放入钢密封区内使其成一成品。

很明显的是，具有多个条形导体的优点为降低铜含量并取得与传统母线槽相同的电流容量。然而容量设计及最后产品要参照相关标准。有两个适用的基本类别：

1.低电压系统—适用标准IEC60439-1及IEC60439-2

2.中电压系统—适用标准IEC60694

「通过」标准为在额定电流可施加到母线槽的最高温度限制。

若是额定值为2000安培的特定母线槽，故该额定电流将被注入母线槽系统。在电流注入期间，母线槽运作温度将上升，且温度的上升将判别「通过」的标准。对低电压系统而言，钢壳最大的温度上升为偏离环境温度55℃。更多的细节请参考适用标准。

该测试传统多道系统的方法将证实本发明的效益。

如所察觉的，多道导体藉将各条分开来增加表面积总和。在高楼大厦每层楼中将这些母线槽分线且沿这些母线槽具有供配电用的开口。在母线槽构造中，形成有分线点的结构。参考图8，分线将只在分配电流的顶部铜条上。若电源分配只在沿整个母线槽长度的顶部铜条上，顶部铜条将会过载。因此需要有平衡整个顶部铜条的解决方案。

解决方案为压出在特定分线点能允许完成焊接的形状。参考图6，假设平衡点精确设在分线点之下，该平衡点能在所有多个条中分享。若平衡点在分线点之前，将导致顶部条上的短瓶颈。

多个条的母线槽系统的优点为减少功率损失并因而增加电流传输。对高安培系统，即1750A、2000A、2500A、3000A、4000A、5000A与6000A更加有利。再者，安装多个条的成本将因大大节省铜而降低。

在前述内容中已藉优先实施例说明了本发明，许多细节为仅做为说明目的，明显熟知本项发明技术者容易得知其他实施例且可对在此说明的细节做相当的变化而不悖离本发明的基本原则。

Claims (7)

1.一种高安培功率传输用多相母线槽系统，每相包含多个彼此相互平行的长形条，其特征在于每个长形条的表面积/体积比为在0.45至1.15mm²/mm³范围内。

2.如权利要求1所述的母线槽系统，其中：每个导体的长形条彼此以有序的间隔由导电材料连接在一起，该间隔与分线点相对应，其特征在于，连接处与分线点对齐并与该长形条的长度垂直。

3.如权利要求1所述的母线槽系统，其中长形条大体为矩形。

4.如权利要求3所述的母线槽系统，其中长形条的厚度为在2mm至8mm范围内且长形条的宽度为在25mm至200mm范围内。

5.如权利要求1所述的母线槽系统，其中长形条的形状为矩形条、中空方块、实心杆、中空杆、U形通槽、C形通槽、I形通槽、I形梁、实心三角形或中空三角形。

6.一种堆栈多条相的方法，包含下列步骤：

a.藉平行设置多个长形条并依相应与分线点间隔的有序间隔连接以产生多条相，其特征在于接点沿垂直于长形条的长度方向排列；

b.将钢片(2)弯曲成遮盖自四周而来的多条相(1)的C形槽道，形成封闭的区域；

c.使用预先成型的支撑架(3)将多条相(1)一起设置在均一隔开的区域内；

d.将钢夹具贴附在钢片上，覆盖多条相位(4)的暴露端；

e.将环氧树脂、二氧化硅及硬化剂的混合物注入封闭的区域；

f.置放并栓上顶部钢盖。

7.如权利要求6所述的堆栈多条相的方法，其中所有多条相具有一致的长度、厚度及宽度。

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