低壓開關(guān)柜銅母線規(guī)格選型研究

徐德勤 盛曉艷

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低壓開關(guān)柜銅母線規(guī)格選型研究

徐德勤 盛曉艷

（寧波天安（集團(tuán)）股份有限公司，浙江 寧波 315700）

柜內(nèi)銅母線載流量的確定和母線規(guī)格的選擇是低壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)和制造的重要環(huán)節(jié)，是設(shè)備安全運(yùn)行的重要保障。但目前國內(nèi)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，影響載流量的因素又比較多，銅母線規(guī)格選擇相對困難且沒有說服力。本文通過對導(dǎo)體溫度和柜內(nèi)環(huán)境溫度的定性、定量分析，確定導(dǎo)體溫度，并預(yù)設(shè)導(dǎo)體環(huán)境溫度，修正通用載流量數(shù)據(jù)；然后按照標(biāo)準(zhǔn)推薦方法進(jìn)行驗(yàn)算；從而獲得符合低壓開關(guān)柜使用環(huán)境的銅母線載流量數(shù)據(jù)，為低壓開關(guān)柜銅母線載流量的計(jì)算和母線規(guī)格選型提供了一種新的思路。

載流量；溫升；導(dǎo)體溫度；環(huán)境溫度；外殼內(nèi)空氣溫度

銅排載流量是低壓開關(guān)柜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中選擇母線規(guī)格的重量依據(jù)。低壓開關(guān)柜執(zhí)行的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.12—2013《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：成套電力開關(guān)和控制設(shè)備》，及其基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.1—2013《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》中都沒有明確的銅排載流量數(shù)據(jù)。行業(yè)內(nèi)的其他相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中，對此類數(shù)據(jù)亦鮮有描述。

由于沒有明確、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支持，所以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程中，常常因母線選型不正確而導(dǎo)致事故發(fā)生[1]，或因產(chǎn)品設(shè)計(jì)方、制造方、用戶方在載流量問題上出現(xiàn)分歧而產(chǎn)生合同爭端，給行業(yè)的發(fā)展帶來不利影響。

目前國內(nèi)95%以上的低壓開關(guān)柜使用矩形銅排作為載流導(dǎo)體，少量產(chǎn)品使用異型銅排或鋁排。因此，本文以矩形銅排垂直放置作為基礎(chǔ)條件，對母線載流量進(jìn)行研究。

1 載流量的本質(zhì)

導(dǎo)體載流量是指導(dǎo)體通過持續(xù)電流的能力。載流量的本質(zhì)是，導(dǎo)體通過電流時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量一部分使導(dǎo)體本身的溫度升高，另一部分散失到周圍介質(zhì)中，它們之間呈動態(tài)分配，直至導(dǎo)體發(fā)熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)[2]為止。此時(shí)通過的電流就是該環(huán)境條件下，該導(dǎo)體溫升下的導(dǎo)體載流量。導(dǎo)體載流量不考慮熱慣性時(shí)間[3]的影響。

影響母線載流量的因素很多，包括母線截面積和截面的形狀、母線布置方式、母線根數(shù)、母線溫度以及開關(guān)柜內(nèi)溫度等，甚至與天氣有關(guān)[4]。其中最重要的因素有兩個：①環(huán)境溫度，②導(dǎo)體允許溫升，即導(dǎo)體溫度[5]。對于一些影響較小的因素，在工程應(yīng)用中可以忽略。

確定銅排在低壓開關(guān)柜內(nèi)的載流量，首先要獲得銅排的通用載流量數(shù)據(jù)；其次要確定合適的導(dǎo)體溫度和導(dǎo)體環(huán)境溫度；最后對通用載流量進(jìn)行修正，得到本文需要的低壓開關(guān)柜內(nèi)母線載流量數(shù)據(jù)，從而確定各額定電流的對應(yīng)銅母線規(guī)格。

2 通用載流量數(shù)據(jù)的確定

DIN 43671—1975《銅匯流排；持續(xù)電流的計(jì)算》，是銅排載流量方面較權(quán)威的國際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中的表1給出了海撥1000m以下，交流至60Hz，環(huán)境溫度35℃，導(dǎo)體溫度65℃條件下；垂直放置，每相單根或每相多根其間距為銅排厚度的矩形裸銅排的載流量[6]；其規(guī)格接近于國內(nèi)牌號為TMY的矩形母排。忽略較小規(guī)格銅排的部分?jǐn)?shù)據(jù)，得到本文的常用銅排載流量數(shù)據(jù)，見表1。

表1 常用銅排載流量表[6]

對于不同環(huán)境溫度、不同導(dǎo)體溫度下的銅排載流量，可根據(jù)DIN 43671—1975圖2的修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲得。

3 銅排導(dǎo)體溫度確定

GB/T 7251.1—2013的表6規(guī)定了低壓開關(guān)柜內(nèi)不同部件的溫升限值。開關(guān)柜內(nèi)用于連接外部絕緣導(dǎo)線的端子溫升應(yīng)不超過70K。柜內(nèi)不作為外接端子的銅排在任何情況下溫升應(yīng)不超過105K；在此條件下，可由制造商自行確定溫升限值[7-8]。行業(yè)內(nèi)通常會在產(chǎn)品型式試驗(yàn)時(shí)，按柜內(nèi)所有母線溫升不超過70K控制。上述溫升限值要求的正常使用條件（GB/T 7251.1—2013 7.1.1條）規(guī)定，開關(guān)柜周圍空氣溫度在24h的平均溫度不超過35℃[7-8]。因此將銅排在柜內(nèi)的最終工作溫度確定為105℃，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上是允許的。

從產(chǎn)品性能方面來說，溫升越小越有利。較小的柜內(nèi)溫升，可減小電能傳輸?shù)膿p耗，提高傳輸效率，也可延長產(chǎn)品使用壽命。

考慮到銅排長期發(fā)熱時(shí)的軟化溫度約為100℃～200℃[9]，銅排最終工作溫度應(yīng)低于軟化溫度。

綜上所述，將銅排最終工作溫度即導(dǎo)體溫度確定為90℃是合理的。

4 低壓開關(guān)柜內(nèi)部空氣溫度確定

要確定低壓開關(guān)柜銅母線的載流量，還需要確定母線的環(huán)境溫度。GB/T 7251.1—2013 7.1.1條規(guī)定的環(huán)境條件是對低壓開關(guān)柜而言的，不是對柜內(nèi)母線而言的，在設(shè)計(jì)階段選擇銅排規(guī)格時(shí)，不能直接按環(huán)境溫度為35℃時(shí)的銅排載流量取值。

對于母線而言，開關(guān)柜內(nèi)部的空氣溫度才是母線的環(huán)境溫度。柜內(nèi)空氣溫度跟設(shè)備安裝地海拔高度、外部環(huán)境溫度、開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)、柜內(nèi)各元件的發(fā)熱量、導(dǎo)體的發(fā)熱量、各元件和導(dǎo)體的安裝位置等眾多因素有關(guān)，精確計(jì)算內(nèi)部環(huán)境溫度難度較大。本文在現(xiàn)有條件下，參考低壓開關(guān)柜型式試驗(yàn)有關(guān)柜內(nèi)空氣溫度的記錄，先設(shè)定一個柜內(nèi)空氣溫度預(yù)期值，然后根據(jù)導(dǎo)體溫度確定銅排載流量，再根據(jù)載流量選定母線規(guī)格，最后通過理論計(jì)算的方法對預(yù)期空氣溫度值進(jìn)行驗(yàn)證，是一種可行的方法。

低壓開關(guān)柜按防護(hù)等級分類，可分為通風(fēng)型和非通風(fēng)型兩類；防護(hù)等級IP42及以下的產(chǎn)品為通風(fēng)型；防護(hù)等級IP54及以上的產(chǎn)品為非通風(fēng)型。通風(fēng)型產(chǎn)品可以通過外殼的散熱裝置實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)外的空氣對流，完成與外界的熱量交換；比不通風(fēng)型產(chǎn)品更容易散熱，因此外殼內(nèi)空氣溫度相對較低。非通風(fēng)型產(chǎn)品使用量較小，本文不作論述。

查閱我公司13份低壓開關(guān)柜第三方型式試驗(yàn)報(bào)告的記錄，以進(jìn)線柜的主母線周圍空氣溫升數(shù)據(jù)作為柜內(nèi)空氣溫升數(shù)據(jù)，以進(jìn)線柜分支母線與主母線搭接處的溫升近似視為主母線溫升數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)相關(guān)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，主母線周圍空氣溫升平均值為14.1K，主母線銅排溫升平均值為35.5K，其最高溫升為47.1K；當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)，對應(yīng)最高溫升的母線最終溫度為82.1℃，低于前文確定的銅排導(dǎo)體溫度90℃。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文暫將通風(fēng)型低壓開關(guān)柜內(nèi)空氣溫升預(yù)設(shè)為不高于20K。

表2 型式試驗(yàn)報(bào)告部分溫升數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 低壓開關(guān)柜銅母線規(guī)格的初定

按前文確定的銅排導(dǎo)體溫度為90℃；柜內(nèi)空氣溫度為預(yù)期環(huán)境溫度35℃，加上通風(fēng)型低壓開關(guān)柜的預(yù)期溫升20K，即55℃。查DIN 43671—1975的圖2，獲得修正系數(shù)2=1.057[6]。用2修正表1中的數(shù)據(jù)，得到新的載流量數(shù)據(jù)表，見表3。

按照表3的數(shù)據(jù)，初步選定常用電流對應(yīng)母線規(guī)格，見表4。表中還推薦了相應(yīng)進(jìn)線斷路器規(guī)格和適用變壓器的容量。

6 低壓開關(guān)柜內(nèi)部空氣溫度的計(jì)算驗(yàn)證

為進(jìn)一步確認(rèn)上述初定母線規(guī)格的適用性，可以對各電流規(guī)格的常規(guī)配置低壓柜方案，通過理論計(jì)算得到柜內(nèi)空氣溫度，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)，若柜內(nèi)空氣溫升不大于20K，即柜內(nèi)溫度不高于55℃，則可驗(yàn)證該母線規(guī)格是合適的；若高于55℃，則說明初定的母線規(guī)格不適用，需要加大母線截面，重新驗(yàn)證其適用性。

表3 常用銅排規(guī)格修正載流量表

表4 初定低壓開關(guān)柜常用電流銅母線規(guī)格表

下面依據(jù)GB/T 24276—2017《通過計(jì)算進(jìn)行低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備溫升驗(yàn)證的一種方法》，試算柜內(nèi)空氣溫度。

GB/T 24276—2017等同于IEC/TR 60890—2014《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備通過計(jì)算溫升驗(yàn)證的方法》標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在引言中指出，相關(guān)的因數(shù)和系數(shù)來自大量成套設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，且由計(jì)算方法得出的結(jié)論已與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行過比較和驗(yàn)證[10]；因此通過該標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法所得到的開關(guān)柜內(nèi)部空氣溫升數(shù)據(jù)，具有廣泛的指導(dǎo)意義。

GB/T 24276—2017規(guī)定了計(jì)算方法的適用條件，主要內(nèi)容有：內(nèi)部元件的功耗數(shù)據(jù)可以獲得；總供電電流不大于3150A；如外殼帶通風(fēng)口，排氣口的截面積至少是進(jìn)氣口截面積的1.1倍；柜內(nèi)水平隔板不超過3層等。這些條件是可以通過對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的控制加以保證的。

開關(guān)柜按功能類型可以分為：進(jìn)線和聯(lián)絡(luò)柜、饋線柜、無功補(bǔ)償柜、變頻和軟起動柜等。進(jìn)線柜內(nèi)安裝進(jìn)線斷路器等元件，回路電流是進(jìn)線電流，元件損耗和導(dǎo)體損耗最大。饋線柜的主母線電流一般小于進(jìn)線電流，每個饋線回路的電流較小，元件損耗和導(dǎo)體損耗小于進(jìn)線柜。部分無功補(bǔ)償柜中配置有電抗器，變頻、軟起動柜內(nèi)含有電力電子元件；因此發(fā)熱量較大。但這幾種柜型一般都配置強(qiáng)制排風(fēng)裝置，柜內(nèi)溫升較低，不具有代表性。考慮到本文的研究對象是主母線的載流量，本文以進(jìn)線柜為數(shù)據(jù)計(jì)算柜型。

首先需要掌握以下數(shù)據(jù)：開關(guān)柜的寬度、高度、深度；外殼的安裝類型；外殼是否帶通風(fēng)口；內(nèi)部水平隔板的數(shù)量；外殼內(nèi)安裝元件的功率損耗；外殼內(nèi)導(dǎo)體的功率損耗等。

以一臺外形尺寸為1000mm（寬）×1000mm （深）×2200mm（高）的常規(guī)配置的2500A進(jìn)線柜為例，其內(nèi)部元件和導(dǎo)體的損耗功率見表5。其中導(dǎo)體的功耗按GB/T 24276—2017附錄B的銅母線功耗計(jì)算公式計(jì)算，導(dǎo)體周圍環(huán)境溫度按55℃計(jì)，導(dǎo)體最終溫度按90℃計(jì)。計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)列舉在表6，計(jì)算的結(jié)果見表7。

表5 典型方案功耗計(jì)算表

表6 典型方案相關(guān)參數(shù)表

表7 外殼內(nèi)空氣溫升計(jì)算表[10]

該柜外殼內(nèi)空氣溫升的特性曲線如圖1所示。

圖1 外殼內(nèi)空氣溫升特性曲線

用相同方法計(jì)算2500A電流以下各電流等級進(jìn)線柜外殼內(nèi)的空氣溫升結(jié)果見表8。按主母線安裝位置，取開關(guān)柜高度90%位置的空氣溫度是合適的，因此取D0.9數(shù)據(jù)作為外殼內(nèi)空氣溫升值。表8中D0.9都小于20K，符合前文的預(yù)設(shè)值，所選2500A及以下電流對應(yīng)母排規(guī)格通過了外殼內(nèi)空氣溫升值的驗(yàn)證。

因GB/T 24276—2017未給出三排、四排規(guī)格的母線功耗和電流數(shù)據(jù)，所以2500A以上電流規(guī)格暫不進(jìn)行上述計(jì)算驗(yàn)證。

7 結(jié)論

本文在權(quán)威國際標(biāo)準(zhǔn)中給出的通用載流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過對導(dǎo)體溫度和柜內(nèi)環(huán)境溫度的定性、定量分析，獲得修正后的低壓開關(guān)柜內(nèi)母線載流量數(shù)據(jù)。該方法是針對低壓開關(guān)柜母線選型資料缺乏的現(xiàn)狀，提出的一種新的柜內(nèi)銅母線載流量計(jì)算方法，可以推廣應(yīng)用于低壓開關(guān)柜的熱設(shè)計(jì)、母線規(guī)格選型驗(yàn)證及3C認(rèn)證的溫升設(shè)計(jì)驗(yàn)證等工作中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

表8 額定電流2500A及以下進(jìn)線柜溫升計(jì)算結(jié)果

本文中表4所給出的低壓開關(guān)柜常用電流銅母線規(guī)格，是在上述計(jì)算方法基礎(chǔ)上提出的母線規(guī)格選型方案，其理論依據(jù)充分，說服力強(qiáng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。可以作為低壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)和制造過程中的母線選型依據(jù)；也可作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)方、制造方、使用方爭議處理的依據(jù)。

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[5] DIN 43671—1975. 銅匯流排; 持續(xù)電流的計(jì)算[S]

[6] GB/T 7251.1—2013. 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分: 總則[S]

[7] GB/T 7251.12—2013. 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分: 成套電力開關(guān)和控制設(shè)備[S]

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[9] GB/T 24276—2017. 通過計(jì)算進(jìn)行低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備溫升驗(yàn)證的一種方法[S].

Research on the selection of copper busbar in low voltage switchgear

Xu Deqin Sheng Xiaoyan

(Ningbo Tianan (group) Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315700)

The determination of current-carrying capacity of copper busbar in the cabinet and the selection of busbar specifications are not only an important part of the design and manufacture of the low voltage switchgear cabinet , but also a significant guarantee for the safe operation of the equipment . However, there is no clear standard in China at present, because of the existence of lots of factors affecting the load flow and the specification selection of copper bus is relatively difficult and unconvincing. Through the qualitative and quantitative analysis of the conductor temperature and the ambient temperature in the cabinet, the conductor temperature is determined, and the conductor ambient temperature is preset to correct the general carrier discharge data in this paper. Then checking the calculation according to the standard recommendation method. In this way, the load capacity data of copper busbar which are suitable for low voltage switchgear in the using environment are obtained, meanwhile provides a new idea for the calculation of load flow of copper busbar of low voltage switchgear and the selection of busbar specifications.

carrying capacity; temperature rise; conductor temperature; ambient temperature; air temperature inside the shell

2018-05-12

徐德勤（1970-），男，浙江衢州人，本科學(xué)歷，高級工程師，主要從事低壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。