环氧树脂浇注类绝缘管型母线的结构参数核算
国网湖北省电力公司电力科学研究院的研究人员任想、阮羚等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，为保证绝缘管型母线的产品质量和运行可靠性，必须针对不同类型的绝缘管型母线的结构参数进行核算。
该文分析了绝缘管型母线的结构设计原则和影响因素，并以10kV/4 000A环氧树脂浇注型为例，基于有限元法分析了母线直线段、弯管部分、中间连接的电场强度与温度场分布。同时研究了导体外径、导体直径、屏蔽层数量、绝缘层厚度等关键设计量对其结构设计的影响，为其结构优化奠定基础。
绝缘管型母线因具有载流能力强、机械强度高、电气绝缘性能优异、环境适应性好、散热条件好以及布置清楚、架构简明、占用空间小等优势而广泛应用于电力系统，尤其在变电站、发电站等复合电流大的场合作为进出线和联络线得到大量应用[1-3]。
由于绝缘管型母线在国内应用相对较晚，对其认知程度不高，相关基础性研究薄弱，加之并没有针对这类电力设备的权威性标准及相关指导文件，使得国内的绝缘管型母线存在产品种类繁多，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[4-6]。因此有必要针对不同类型的绝缘管型母线进行结构参数核算，以确保其产品质量。
国外的绝缘管型母线产品主要为环氧树脂浇注类，其应用最早，技术也较为成熟，产品质量的可控性较强；在国内主要呈现出环氧树脂浇注类、聚酯薄膜或聚四氟乙烯绝缘带绕包类、硅橡胶或三元乙丙橡胶挤包类三种型式绝缘管型母线产品共存的局面。
浇注式绝缘管型母线本体绝缘主要采用绝缘、半导电（粘性）电工皱纹纸带缠绕，并经环氧树脂真空浸渍，加温固化，形成一体化固体绝缘。
在端部，通过半导电皱纹纸分层按一定尺寸缠绕主绝缘，形成类似套管中的电容屏结构，达到控制电场强度分布、减少电场强度集中的效果。浇注式绝缘管型母线接头一般采用在导体连接外部外罩绝缘屏蔽筒的形式。
屏蔽筒也具有类似电容屏结构的绝缘筒装结构，内屏与导体连接等电位，外屏为接地导体。两端与本体密封连接，如图1所示。
图1 浇注式绝缘管型母线中间接头结构
环氧浸渍纸绝缘采用的是绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘，导体、半导体层和绝缘纸经加温固化后，形成致密、紧实的一体化结构，因此既具有绝缘纸和环氧的良好绝缘和介电性能[7]，又具有良好力学特性。
本文以10kV/4 000A浇注类绝缘管型母线为实例，详述其导体截面的核算及选择依据、绝缘管型母线绝缘厚度的确定等核算过程，并分析了绝缘管型母线的导体内径、外径（壁厚）、屏蔽厚度、绝缘厚度等关键设计量的变化对其导体表面温升、最大电场强度、端部电场强度等关键控制参数的影响。
1 绝缘管型母线的结构设计原则
1.1 管型导体的设计原则
绝缘管型母线管型导体的管径及壁厚设计应遵从以下各因素的要求：电稳态要求，工程长期承受额定电流；电暂态要求，工程要求能承受的短时过负荷和短路电流；机械强度要求，电动力、机械力冲击下的管型母线结构机械强度；导体在不同绝缘结构下的热阻及已确定条件下的导体及不同绝缘的允许运行温度；结合有关“经济电流密度”的取值要求；针对不同电流等级的趋肤效应的影响以及管型母线刚度及运行过程中机械稳定性的要求[8]。
在国家电网公司企业标准Q/GDW11646—2016中规定了绝缘管型母线的电稳态要求，在正常运行下管型导体的稳定温度不应超过所允许的最高允许工作温度，一般取90℃；对于电暂态要求，在绝缘管型母线承受短时过负荷及短路电流时，其管型导体温度为250℃。
对于机械强度要求，管型母线在遭受机械冲击甚至短路电动力时能够满足动稳定性要求，即管型导体承受的最大应力应不超过最大允许应力；考虑到趋肤效应的要求，根据工程电磁场理论，铜质管型导体的电流透入深度为9.4mm；对于经济性要求，结合经济电流密度的要求，即在满足电稳态要求、电暂态要求等前提下，尽量保证经济性。
因此管型导体的核算主要包括：根据额定载流量及管型导体在正常运行情况下相对于周围媒质的允许温升来确定管型导体截面的初步设计方案，其主要涉及损耗、热阻计算及热平衡方程的求解等；然后通过短时过负荷和短路电流、机械强度、趋肤效应及经济电流密度等相关理论对管型导体截面进行相应核算[9]。
1.2 绝缘厚度的设计原则
根据与绝缘管型母线产品具有类似结构的电力电缆多年的设计及运行经验可知，单从最大电场强度公式对绝缘管型母线绝缘厚度进行设计是不够妥善的。绝缘管型母线绝缘厚度的设计[10-12]，必须要综合考虑其在实际运行中所承受电压类型及大小、工艺限制、机械强度要求以及所用绝缘材料的击穿特性。
对于电压类型，包括工频电压、操作冲击过电压及雷电冲击过电压；对于工艺限制，对电压等级很低的绝缘管型母线，由于绝缘层厚度太小，工艺条件所限导致很难满足设计要求；对于机械强度而言，绝缘管型母线在实际制造及使用过程中，不可避免地受到机械力的作用，尤其是弯曲部分绝缘层材料中存在应力集中的情况，因而绝缘管型母线必须有一定的绝缘厚度以满足机械力的要求；对于绝缘材料的击穿特性，主要包括绝缘材料的长期工频击穿电场强度和冲击击穿电场强度，随着电压等级的提高，绝缘材料的击穿特性逐渐成为决定绝缘层厚度的主要因素。
2 绝缘管型母线的结构核算实例（略）
本文以10kV/4 000A环氧树脂浇注类绝缘管型母线为例，基于有限元法对绝缘管型母线的电场强度分布、温度分布进行仿真分析，仿真所需材料参数见表1。
表1 绝缘管型母线材料参数
根据绝缘管型母线的结构特点，其长度与外径相比，可以近似为无限长，故可忽略端部的电场强度及温度场。仿真研究中假定绝缘管型母线轴向方向上无温度梯度，即只在径向上存在热流传递，且忽略绝缘管型母线各组成部分的接触电阻。
3关键设计量对绝缘管型母线结构设计的影响（略）
绝缘管型母线的导体内径、外径（壁厚）、屏蔽厚度、绝缘厚度等关键设计量的变化，均将影响绝缘管型母线的设计原则，如对导体表面温升、最大电场强度、端部电场强度等的影响。
本文主要针对环氧树脂浇注类绝缘管型母线的结构进行核算，并以10kV/4 000A的绝缘管型母线为实例，分别分析了其直线段、弯管部分及中间连接头的设计原则，并基于有限元法仿真分析了导体内径、绝缘厚度等设计量对绝缘管型母线结构性能的影响关系。主要得出以下结论：
1）绝缘管型母线的弯管处，其内侧电场强度略小于外侧电场强度。
2）电场强度最大值随屏蔽层数量的增多几乎呈线性增大，最大电场强度的径向分量也具有相同的变化趋势；而其轴向分量则随屏蔽层数量的增多而逐渐减小。