徐德勤 盛曉艷

?

低壓開關柜銅母線規(guī)格選型研究

徐德勤 盛曉艷

（寧波天安（集團）股份有限公司，浙江 寧波 315700）

柜內銅母線載流量的確定和母線規(guī)格的選擇是低壓開關柜設計和制造的重要環(huán)節(jié)，是設備安全運行的重要保障。但目前國內沒有明確的標準，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。本文通過對導體溫度和柜內環(huán)境溫度的定性、定量分析，確定導體溫度，并預設導體環(huán)境溫度，修正通用載流量數(shù)據(jù)；然后按照標準推薦方法進行驗算；從而獲得符合低壓開關柜使用環(huán)境的銅母線載流量數(shù)據(jù)，為低壓開關柜銅母線載流量的計算和母線規(guī)格選型提供了一種新的思路。

載流量；溫升；導體溫度；環(huán)境溫度；外殼內空氣溫度

銅排載流量是低壓開關柜產(chǎn)品設計、制造過程中選擇母線規(guī)格的重量依據(jù)。低壓開關柜執(zhí)行的產(chǎn)品標準GB/T 7251.12—2013《低壓成套開關設備和控制設備 第2部分：成套電力開關和控制設備》，及其基礎標準GB/T 7251.1—2013《低壓成套開關設備和控制設備 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)內的其他相關國家標準中，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)品的設計和制造過程中，常常因母線選型不正確而導致事故發(fā)生[1]，或因產(chǎn)品設計方、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95%以上的低壓開關柜使用矩形銅排作為載流導體，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條件，對母線載流量進行研究。

1 載流量的本質

導體載流量是指導體通過持續(xù)電流的能力。載流量的本質是，導體通過電流時，其內部產(chǎn)生的熱量一部分使導體本身的溫度升高，另一部分散失到周圍介質中，它們之間呈動態(tài)分配，直至導體發(fā)熱達到穩(wěn)態(tài)[2]為止。此時通過的電流就是該環(huán)境條件下，該導體溫升下的導體載流量。導體載流量不考慮熱慣性時間[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)、母線溫度以及開關柜內溫度等，甚至與天氣有關[4]。其中最重要的因素有兩個：①環(huán)境溫度，②導體允許溫升，即導體溫度[5]。對于一些影響較小的因素，在工程應用中可以忽略。

確定銅排在低壓開關柜內的載流量，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體溫度和導體環(huán)境溫度；最后對通用載流量進行修正，得到本文需要的低壓開關柜內母線載流量數(shù)據(jù)，從而確定各額定電流的對應銅母線規(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)電流的計算》，是銅排載流量方面較權威的國際標準。標準中的表1給出了海撥1000m以下，交流至60Hz，環(huán)境溫度35℃，導體溫度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)格接近于國內牌號為TMY的矩形母排。忽略較小規(guī)格銅排的部分數(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)進行計算獲得。

3 銅排導體溫度確定

GB/T 7251.1—2013的表6規(guī)定了低壓開關柜內不同部件的溫升限值。開關柜內用于連接外部絕緣導線的端子溫升應不超過70K。柜內不作為外接端子的銅排在任何情況下溫升應不超過105K；在此條件下，可由制造商自行確定溫升限值[7-8]。行業(yè)內通常會在產(chǎn)品型式試驗時，按柜內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]。因此將銅排在柜內的最終工作溫度確定為105℃，在技術標準上是允許的。

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)熱時的軟化溫度約為100℃～200℃[9]，銅排最終工作溫度應低于軟化溫度。

綜上所述，將銅排最終工作溫度即導體溫度確定為90℃是合理的。

4 低壓開關柜內部空氣溫度確定

要確定低壓開關柜銅母線的載流量，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柜而言的，不是對柜內母線而言的，在設計階段選擇銅排規(guī)格時，不能直接按環(huán)境溫度為35℃時的銅排載流量取值。

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

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

查閱我公司13份低壓開關柜第三方型式試驗報告的記錄，以進線柜的主母線周圍空氣溫升數(shù)據(jù)作為柜內空氣溫升數(shù)據(jù)，以進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)計相關溫升試驗數(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；當環(huán)境溫度為35℃時，對應最高溫升的母線最終溫度為82.1℃，低于前文確定的銅排導體溫度90℃。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，本文暫將通風型低壓開關柜內空氣溫升預設為不高于20K。

表2 型式試驗報告部分溫升數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 低壓開關柜銅母線規(guī)格的初定

按前文確定的銅排導體溫度為90℃；柜內空氣溫度為預期環(huán)境溫度35℃，加上通風型低壓開關柜的預期溫升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母線規(guī)格，見表4。表中還推薦了相應進線斷路器規(guī)格和適用變壓器的容量。

6 低壓開關柜內部空氣溫度的計算驗證

為進一步確認上述初定母線規(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，通過理論計算得到柜內空氣溫度，當環(huán)境溫度為35℃時，若柜內空氣溫升不大于20K，即柜內溫度不高于55℃，則可驗證該母線規(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 初定低壓開關柜常用電流銅母線規(guī)格表

下面依據(jù)GB/T 24276—2017《通過計算進行低壓成套開關設備和控制設備溫升驗證的一種方法》，試算柜內空氣溫度。

GB/T 24276—2017等同于IEC/TR 60890—2014《低壓開關設備和控制設備通過計算溫升驗證的方法》標準。該標準在引言中指出，相關的因數(shù)和系數(shù)來自大量成套設備的測量數(shù)據(jù)，且由計算方法得出的結論已與試驗結果進行過比較和驗證[10]；因此通過該標準的計算方法所得到的開關柜內部空氣溫升數(shù)據(jù)，具有廣泛的指導意義。

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

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

首先需要掌握以下數(shù)據(jù)：開關柜的寬度、高度、深度；外殼的安裝類型；外殼是否帶通風口；內部水平隔板的數(shù)量；外殼內安裝元件的功率損耗；外殼內導體的功率損耗等。

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

表5 典型方案功耗計算表

表6 典型方案相關參數(shù)表

表7 外殼內空氣溫升計算表[10]

該柜外殼內空氣溫升的特性曲線如圖1所示。

圖1 外殼內空氣溫升特性曲線

用相同方法計算2500A電流以下各電流等級進線柜外殼內的空氣溫升結果見表8。按主母線安裝位置，取開關柜高度90%位置的空氣溫度是合適的，因此取D0.9數(shù)據(jù)作為外殼內空氣溫升值。表8中D0.9都小于20K，符合前文的預設值，所選2500A及以下電流對應母排規(guī)格通過了外殼內空氣溫升值的驗證。

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)格暫不進行上述計算驗證。

7 結論

本文在權威國際標準中給出的通用載流量數(shù)據(jù)基礎上，通過對導體溫度和柜內環(huán)境溫度的定性、定量分析，獲得修正后的低壓開關柜內母線載流量數(shù)據(jù)。該方法是針對低壓開關柜母線選型資料缺乏的現(xiàn)狀，提出的一種新的柜內銅母線載流量計算方法，可以推廣應用于低壓開關柜的熱設計、母線規(guī)格選型驗證及3C認證的溫升設計驗證等工作中，具有較高的應用價值。

表8 額定電流2500A及以下進線柜溫升計算結果

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

[1] 王策, 張磊. 一起電容器起火事故分析及防范措施[J]. 電氣技術, 2015, 16(2): 126-128.

[2] 葉芳, 馬崇, 張健, 等. 計及線路熱慣性效應的模型預測控制安全經(jīng)濟調度模型[J]. 電工技術學報, 2018, 33(8): 1875-1883.

[3] 馬麗葉, 賈彬, 盧志剛, 等. 基于靜態(tài)安全性和實時供電能力的輸電網(wǎng)安全等級研究[J]. 電工技術學報, 2014, 29(6): 229-237.

[4] 呂安強, 寇欣, 尹成群, 等. 三芯海底電纜中復合光纖與導體溫度關系建模[J]. 電工技術學報, 2016, 31(9): 59-65.

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

[6] GB/T 7251.1—2013. 低壓成套開關設備和控制設備第1部分: 總則[S]

[7] GB/T 7251.12—2013. 低壓成套開關設備和控制設備 第2部分: 成套電力開關和控制設備[S]

[8] 軒吉濤, 張建奇, 崔赟杰, 等. 風冷技術對降低框架斷路器溫升的研究及應用[J]. 電氣技術, 2014, 15(3): 108-110.

[9] GB/T 24276—2017. 通過計算進行低壓成套開關設備和控制設備溫升驗證的一種方法[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，本科學歷，高級工程師，主要從事低壓開關柜設計和開發(fā)工作。