专利名称：减小材料需求而不降低性能的开关柜母线组件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及母线系统，并且具体地涉及用于电力分配的开关柜母线系统。
背景技术：
配电设备利用导体将断路器和其他保护设备连接于负载，所述配电设备包括配电板、开关柜和电机控制中心。取决于配电设备的期望额定电流或载流量，现有的导体包括一个以上扁平导体。随着这些导体长度的增加，自然对流引起周围空气的温度升高，从而导致差的散热效果和电流分配。在扁平导体的情况中，为消除不利的热效应，将额外的扁平导体堆叠在一起，而代价为昂贵的铜的量的增加。例如，图5A表示已知母线系统的一部分的横截面图。每个母线使用四个层叠导体501、502、503、504，每个层叠导体具有两个导体，故每个母线总计有 8 个导体(501a、501b、502a、502b、503a、503b、504a 以及 504b)。一个相关的问题是称为“趋肤效应(skin effect)”的现象，该现象认为导体表面附近的电流密度大于导体核心的电流密度。因为导体体积增大，层叠扁平导体由于趋肤效应而呈现相对差的电流分配。而且，在多相系统中，不同相的相邻导体受到称为“邻近效应” 的另一不期望的现象的影响，该现象涉及流经一相的电流如何干扰流经相邻相的电流。由于邻近效应，电流不是趋于均勻地分配于整个导体横截面，而是趋于聚集于最靠近相邻相导体的一侧。因此，一相导体的某些部分可变得比同一相的同一导体或不同导体的其他部分热，从而导致构成导电相的导体内部的电流分配不均勻。
发明内容
本发明的方面提供了一种用于配电设备中的母线系统，该母线系统包括大致呈U 形布置的导体，所述导体用于为配电系统供给极高安培数(如2000安培以上)的交流电。 相比于现有技术的导体布置，利用本发明的布置可以以较少的铜制造相导体，而铜是昂贵的金属。所述相导体还实现了更好的散热效果和电流分配，并缓解了趋肤效应，从而降低了功率损耗。通常，当使电流分配和导体温度更均勻、消除了增大导体电阻的“热点”时，功耗降低。本发明的一个具体方面还缓解了导电相的邻近效应。邻近效应与电流向最接近相邻相导体的导体表面聚集的非期望趋势有关，该效应导致相导体内电流分配不均勻和导体受热不均勻。因为趋肤效应已使电流倾向于分布于导体的表面，因此趋肤效应加剧了这种邻近效应现象。相邻相的U形母线的策略性定位有助于缓解邻近效应，并通过在导体内促进更加均勻与对称的电流密度而提高导体的总效率。使用单层厚度(相对于双层厚度)的导体使得散热得到改善，并且降低了趋肤效应。由于改善的散热和趋肤效应的降低，故显著减少了导体为维持与现有技术导体相同的额定电流而需要的铜或其他导电材料的总量。本U形母线中的U形闭合区设有附加导体，比可比的已知母线系统具有更大的表面积。更大的母线表面积还改善了散热。
通过参照附图而对各种实施例和/或方面的详细描述，本领域的技术人员会清楚本发明的前述与附加方面以及实施例，下面对附图作出简要说明。
在参照附图并阅读下列详细说明后，本发明的前述及其它优点会很明显。图1是具有近似U形的水平导电相的母线系统的等视轴图；图2是图1中的母线系统的一部分的分解视图；图3是与图1的母线系统类似的母线系统的图示了端子连接件的等视轴图；图4A和图4B是图1中的母线系统的横截面图；图5A和图5B是已知母线系统的局部横截面图。
具体实施例方式虽然将结合某些方面和/或实施例来描述本发明，但应当理解，本发明不局限于这些具体方面和/或实施例。相反，本发明旨在包含如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有替代、变化和等同配置。图1表示用于例如开关柜、配电板和电机控制中心的配电设备中的母线系统100 的等视轴图。图2以分解视图表示了母线系统100的一部分。在示例性实施例中，母线100 包括三个水平相导体或母线102a、102b、102c，为由配电设备(未图示)分配的多相交流电的每一相设有一个水平相导体或母线。母线系统100还包括对应于中性线的母线102d。母线102由诸如铜、铝等导电材料制成。母线102连接于垂直非导电支撑件108a、108b。在示例性实施例中，垂直非导电支撑件由非导电材料制成，所述非导电材料为例如以商品名 GLASTIC出售的玻璃纤维增强聚酯绝缘材料。在图示的实施例中，第一垂直非导电支撑件 108a包括第一槽形部件IlOa和第二槽形部件11 ，它们的槽的开口侧彼此面对。同样，第二垂直非导电支撑件108b包括第一槽形部件IlOb和第二槽形部件112b，它们的槽的开口侧彼此面对。在图示的实施例中，支撑件108具有布置在支撑件108(如图1所示)前侧和支撑件108后侧的导体，还具有支撑在前侧导体和后侧导体中间的导体，下面进行更充分的说明。图3表示了类似于图1的母线系统，其中图示了端子连接件301a、301b、301c。待供电的设备连接于端子连接件。在例如同一机柜或相邻机柜中，母线系统的宽度可变，并且多个母线系统可并排连接。为使一个母线系统连接至另一母线系统，例如，在支撑件108 前侧和支撑件108后侧布置的导体可以伸出支撑件108，以使母线系统易于彼此连接。类似地，为了对独立的母线系统或一组连接的母线系统中的第一母线系统供电，在支撑件108 前侧和支撑件108后侧布置的导体可伸出支撑件108，以便易于连接电源线。在示例性实施例中，下文中更加详细描述的其他“横向”导体不用于在母线系统之间进行互连，这是因为使这些导体伸出会受到支撑件108的阻碍。参照图4A和图4B，它们表示图1和图3中的母线结构的横截面，在图示的实施例中，第一水平母线10 包括第一对水平导体130a、第二对水平导体13 和第三对水平导体 13如。同样，第二水平母线102b包括第一对水平导体130b、第二对水平导体132b和第三对水平导体134b，并且第三水平母线102c包括第一对水平导体130c、第二对水平导体132c
5和第三对水平导体132c。第四水平母线102d(例如对应于中性线)可以为同样的构造，包括第一对水平导体130d、第二对水平导体132d和第三对水平导体134d。在一个实施例中，在构成母线的三对水平导体中，两对水平导体(如第一对130a 和第二对132a)位于大致彼此相互平行的平面中。第三对水平导体(如134a)位于与其他两对导体所在平面大致垂直的平面中。这三对导体共同形成基本呈U形的母线。导体130、 导体132和导体134可分别视为“前”导体、“后”导体和“中间”导体。或者，导体130、导体132和导体134可分别视为“第一”导体、“相对的”导体和“横向的”导体。具体参照图4B，本发明的一个重要方面是这里描述的母线的导体对之间存在气隙。第一水平母线10 包括第一导体对130a，第一导体对130a分别在第一水平导体 130a-l和第二水平导体130a-2之间具有间隙130a_0。其他导体对132a、13 分别在导体 13^i-l、132a-2之间以及134a_l、13如_2之间包括类似的间隙132a_0和134a-0o同样，水平母线 102b 在下述导体对(130b-l、130b-2)、(132b_l、132b_2)、(134b_l、134b_2)之间分别包括间隙130b-0、132b-0、134b-0。其他水平母线102c、102d在它们各自的导体之间也包括类似的间隙130c-0U32c-0U34c-0U30d-0U32d-0以及134d_0。简要参照图4A，在示例性实施例中，将相邻导体的各自的边缘隔开的前述间隙的宽度Wg为导体的宽度Wc的几分之一以下(如为三分之一以下)。再参照图4B，在U形母线的拐角处设有额外的间隙，所述间隙为:(135aU35a' )、(135bU35b' )、(135cU35c')以及(135d、135d’ )。以上列举的所有间隙使得空气可经过导体的内表面而排出。热空气可通过对流而通过导体上升，并穿过间隙而逸出，从而在导体内表面和导体外面的空气之间发生气体交换。随着导体长度的增加，极高安培数(2000安培以上)的交流电产生越来越多的大量的热，从而产生热点、增加电阻并降低总效率。间隙减少了该热量，从而改善了散热。可通过传统的边界层技术来计算间隙的最佳尺寸。间隙134、135、135’分别沿垂直方向对准。结果，由于对流而上升的受热后的空气相对不受阻碍地向上通过母线系统。此外，该布置显著改善了散热，并且免去了增加额外的铜来补偿升高的温度的需要。因此，可以以总体上减少了的铜实现与导体相关的相同额定电流(也称“载流量”)。相比于现有技术的设计，可显著减小为维持通过母线的相同载流量所需的铜量。 例如，相比于相同额定值的可比导体的设计，母线102a、102b、102c、102d需要的铜大致减少25 %。更具体地，在前述的图5A的已知母线系统中，每个母线使用四个层叠导体，每个层叠有两个导体，总计每个母线(即导电相)有八个导体。相比之下，在图1的母线系统中， 每个导体可由单个导体形成，而不形成层叠。在一个实施例中，每个母线(即导电相)使用总计6个(而不是8个)这样的导体，从而每个母线节约了 25%的材料。在母线的材料体积减小的同时，通过增加中间导体、即横向导体134而增大了母线的表面积。通过导体的自然对流，露出更大的表面积提高了冷却效率。通过在导体间设置间隙，空气可在间隙之间流动，而非限制于母线内部。导体的总体温度下降，这提高了导体的效率。在图1所示的母线系统中，母线102为U形。每个母线可布置为使U形的闭合部或弯曲部朝上，或者使U形的闭合部朝下。通过策略性地选择使哪些母线102的U形的闭合部朝上以及使哪些母线的U形的闭合部朝下，可缓解邻近效应。在一个实施例中，有源相(例如相对于中性线)的相邻相导体布置为使形成各个母线的U形的闭合部的导体对13^、134b、13k位于这样的位置处，S卩，如果在该处没有导体对134a、134b、134c，则电流密度便会最高。如图5B中所示，在典型的三相系统中，由于相导体之间的相位关系，邻近效应通常会增加A相相导体底部的区域510的电流密度，并分别增加B相、C相相导体顶部的区域520、530的电流密度。因此，在本母线系统的示例性实施例中，例如图4A所示，母线10 布置成使U形的闭合部朝下，母线102b、102c布置成使 U形的闭合部朝上。即，图4A中的导体134放置在与现有技术的母线系统的最高电流密度 510、520、530的区域处对应的特定相的顶部或底部。这样，通过使更加均勻与对称的电流密度通过导体，从导体134获得了最大有益效果，并缓解了邻近效应，并提高了母线102的总体效率。图2表示图1中导体系统的一部分的分解视图。在图1和图2中，导体130a称为前导体，导体13 称为后导体。图2图示了图1结构的子集，其足以表示所使用的每种连接件的至少一个例子。例如，图2仅表示了图1中的右手侧支撑件108b。通常，E形连接件 (如E形连接件222)用于接合与固定导体对，并使导体彼此之间留有间隙。如下面即将描述的，螺栓穿过每个E形连接件的中心，并穿过由E形连接件固定的导体之间的间隙。设置了各种连接元件，从而使导体彼此固定并固定于支撑组件108。更具体地参照图2，从右前方开始，螺栓210a穿过E形连接件212a、衬套214a、领状物216中的孔，最后穿过支撑件110a，并由螺母211a固定。类似地，在右后方，螺栓210b 穿过E形连接件212b、衬套214b、领状物216中的孔，最后穿过支撑件112a，并由螺母211b 固定。这样，导体对130a、132a固定于支撑件108b。在左手侧前方，螺栓220穿过E形连接件222、S形支架223和U形支架224，并由螺母221固定。螺栓230穿过E形连接件232、S 形支架223，并由螺母231固定。在后方，螺栓240穿过E形连接件242、U形支架224，并由螺母Ml固定。螺栓250穿过E形连接件252和S形支架223，并由螺母251固定。最后， 在前连接件和后连接件之间设有E形连接件沈2。螺栓沈0穿过E形连接件262和U形支架224，并由螺母(未图示)固定。S形支架223在前导体对130a和后导体对13 之间提供导电性。U形支架2M 在所得到的结构和第三导体对13 之间提供导电性。出于电气方面的考虑，S形支架223 和U形支架2M通常共同使用。U形支架224也可单独使用，特别是出于机械加固的目的时。例如，在长导体工作的情况下尤其需要这样的加固，并且该加固可避免在故障条件下由于过度的电流及其产生的磁力而出现的变形力的影响。在图1和图2中的母线系统中，前导体和后导体(例如，在母线10 的情况中的导体130a-l、130a-2、13^i-l和132a_2)在宽度和布置上可与现有母线系统的对应导体相同或类似。因此，可确保与现有母线系统基本上兼容。图中所示的导体系统100是用于三相电的分配，但在其他方面，此处公开的导体可用于单相配电系统。而且，虽然图1的母线系统中的支撑部件或组件是非导电的，但在水平导电母线和垂直导电母线连接在一起时，可使用类似的母线布置。虽然图示并说明了本发明的具体方面、实施例和应用，但应当理解，本发明不局限于此处公开的精确构造和组成，并且在不脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，显然可从前面的描述中作出各种变化、修改和变更。
权利要求
1.一种用于电力分配的母线组件，包括 第一支撑件；第二支撑件；多个母线，它们各自用于连接至多相电力系统的各自的相，每个所述母线包括 至少一个第一加长导体，其第一端由所述第一支撑件支撑，并且其第二端由所述第二支撑件支撑；至少一个相对的加长导体，其第一端由所述第一支撑件支撑，并且其第二端由所述第二支撑件支撑，使得所述至少一个相对的加长导体在其所述第一端和所述第二端处与所述至少一个第一加长导体隔开并面对；至少一个横向的加长导体，其横向地位于所述至少一个第一加长导体和所述至少一个相对的加长导体之间；以及连接件，其用于电连接所述至少一个第一加长导体、所述至少一个相对的加长导体以及所述至少一个横向的加长导体。
2.如权利要求1所述的母线组件，其中，所述连接件包括U形连接件。
3.如权利要求2所述的母线组件，其中，对于不同的所述母线，所述U形连接件的开口端面向相反方向。
4.如权利要求1所述的母线组件，其包括多个所述第一加长导体，多个所述第一加长导体的各自的边缘由宽度为所述多个第一加长导体中的至少一个的宽度的几分之一以下的间隙隔开。
5.如权利要求4所述的母线组件，其包括多个所述相对的加长导体，多个所述相对的加长导体的各自的边缘由宽度为所述多个相对的加长导体中的至少一个的宽度的几分之一以下的间隙隔开。
6.如权利要求5所述的母线组件，其包括多个所述横向的加长导体，多个所述额外的加长导体的各自的边缘由宽度为所述多个横向的加长导体中的至少一个的宽度的几分之一以下的间隙隔开。
7.如权利要求6所述的母线组件，其中，所述第一支撑件和所述第二支撑件各自包括两个相互成固定关系的槽形部件。
8.如权利要求7所述的母线组件，其中，所述两个槽形部件保持为使所述槽形部件的槽彼此面对。
9.一种用于电力分配的母线组件，其包括 第一支撑件，其具有前侧和后侧；第二支撑件，其具有前侧和后侧；第一多个加长导体，它们安装在所述第一支撑件和所述第二支撑件的前侧； 第二多个加长导体，它们安装在所述第一支撑件和所述第二支撑件的后侧； 第三多个加长导体，它们位于所述第一支撑件和所述第二支撑件的前侧与后侧中间；以及多个连接件，它们用于将所述第三多个加长导体中的每个导体电连接于所述第一多个加长导体中的至少一个导体和所述第二多个加长导体中的至少一个导体；多个母线，它们各自用于连接于多相电力系统的各自的相，每个所述母线包括至少一个所述第一加长导体、至少一个所述第二加长导体、至少一个所述第三加长导体以及用于电连接属于各自母线的所有加长导体的至少一个所述连接件；其中，所述第一多个加长导体、所述第二多个加长导体和所述第三多个加长导体都是单个的、非层叠的导体。
10.如权利要求9所述的母线组件，其中，每个所述连接件包括U形连接件。
11.如权利要求10所述的母线组件，其中，每个所述母线包括两个所述第一加长导体、 两个所述第二加长导体以及两个所述第三加长导体。
12.如权利要求11所述的母线组件，其中，对于不同的所述母线，所述U形连接件的开口端朝向相反方向。
13.如权利要求9所述的母线组件，其中，每个所述母线包括所述第一多个加长导体的多个加长导体，它们的各个边缘由宽度为所述第一多个导体中的至少一个的宽度的几分之一以下的间隙隔开。
14.如权利要求13所述的母线组件，其中，每个所述母线包括所述第二多个加长导体的多个加长导体，它们的各个边缘由宽度为所述第一多个导体中的至少一个的宽度的几分之一以下的间隙隔开。
15.如权利要求14所述的母线组件，其中，每个所述母线包括所述第三多个加长导体的多个加长导体，它们的各个边缘由宽度为所述第一多个导体中的至少一个的宽度的几分之一以下的间隙隔开。
16.如权利要求15所述的母线组件，其中，所述第一支撑件和所述第二支撑件各自包括两个相互成固定关系的槽形部件。
17.如权利要求16所述的母线组件，其中，所述两个槽形部件保持为使所述槽形部件的槽彼此面对。
18.一种用于电力分配的母线组件，其包括第一支撑件，其具有前侧和后侧；第二支撑件，其具有前侧和后侧；多个母线，它们各自用于连接至多相电力系统的各自的相，每个所述母线包括两个前加长导体，它们安装在所述第一支撑件和所述第二支撑件的前侧；两个后加长导体，它们安装在所述第一支撑件和所述第二支撑件的后侧；两个中间加长导体，它们位于所述第一支撑件和所述第二支撑件的所述前侧与所述后侧中间；以及至少一个U形连接件，其用于将每个中间加长导体电连接于至少一个所述前加长导体和至少一个所述后加长导体。
19.如权利要求18所述的母线组件，其中，对于不同的所述母线，所述U形连接件的开口端朝向相反方向。
20.如权利要求19所述的母线组件，其中，所述第一支撑件和所述第二支撑件各自包括两个相互成固定关系的槽形部件。
21.如权利要求20所述的母线组件，其中，所述两个槽形部件保持为使所述槽形部件的槽彼此面对。
全文摘要
一种用于配电设备中的母线系统，该母线系统包括大致呈U形布置的导体，该导体为配电系统提供极高安培数(例如2000安培以上)的交流电。相比于现有技术的导体布置，利用本发明的布置可以较少的作为昂贵材料的铜制成一相的导体。本发明还实现了较好的散热效果和电流分配，并且缓解了趋肤效应。因此，降低了随温度升高而增加的电阻损耗。
文档编号H02B1/21GK102334255SQ200980157576
公开日2012年1月25日 申请日期2009年12月7日 优先权日2008年12月30日
发明者毛里西奥·迪亚斯, 路易斯·伊斯拉斯 申请人:施耐德电气美国股份有限公司