การคำนวณการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิบัสบาร์: สูตร ตัวอย่าง ขีดจำกัด IEC และ UL

ในระหว่างการทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิตามปกติ แผงสวิตช์ 2000 A ล้มเหลวเนื่องจากบัสบาร์หลักมีอุณหภูมิสูงถึง 112 K เหนือสภาพแวดล้อม - เกินขีดจำกัด 7 K ขนาดตัวนำถูกคัดลอกมาจากการออกแบบก่อนหน้านี้ซึ่งวิ่งได้เย็นกว่า ความแตกต่างไม่ใช่ภาระ เป็นความสมดุลของความร้อนที่กำหนดโดยการระบายอากาศของตู้ การเลือกใช้วัสดุ และรูปทรงของตัวนำ

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะควบคุมระดับต่อเนื่องของบัสบาร์ อายุการใช้งานของฉนวน และความปลอดภัยของข้อต่อแบบสลักเกลียว บทความนี้จะอธิบายการคำนวณการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิบัสบาร์จากสมดุลความร้อน แสดงตัวอย่างการออกแบบ 2000 A และสรุปขีดจำกัดใน IEC 61439-1 และ ยูแอล 891

เริ่มต้นด้วยสมดุลความร้อนในสภาวะคงตัว

ในสภาวะคงตัว บัสบาร์จะมีอุณหภูมิคงที่เมื่อความร้อนที่เกิดจากความต้านทานของตัวมันเองเท่ากับความร้อนที่ถูกปฏิเสธไปยังบริเวณโดยรอบ กล่าวโดยย่อ: บัสบาร์ไม่มีคะแนนคงที่เดียว มีกราฟอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อมในการทำความเย็น

ความร้อนที่เกิดขึ้นคือความร้อนของจูล: Q_gen = I² × R_ac .

ความร้อนที่ถูกปฏิเสธออกไปโดยการพาความร้อนและการแผ่รังสี: Q_diss = h × S × ∆T ε × σ × S × (T _s ⁴ - ต _a ⁴ ) .

สำหรับงานออกแบบ เส้นทางการสูญเสียทั้งสองจะรวมกันเป็นสัมประสิทธิ์ h ที่เท่ากัน โดยให้:

ΔT = (I² × R_ac) / (ส × ส)

ที่ไหน:

I - กระแส RMS (A)
R_ac - ความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับที่อุณหภูมิใช้งาน (Ω)
h - ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนและการแผ่รังสีแบบรวม (W/m²·K)
S - พื้นที่ผิวทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพ (ตร.ม.)
ΔT - อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเหนือสภาพแวดล้อม (K)

ความสัมพันธ์เป็นแบบกำลังสอง หากกระแสเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า จะสูญเสียเป็นสี่เท่า แท่งเหล็กที่จะคงความเย็นที่ 800 A อาจทำให้ร้อนมากเกินไปที่ 1250 A ในห้องเล็ก ๆ เดียวกัน

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเทียบกับกระแสสำหรับแท่งทองแดงขนาด 160 × 10 มม

สูตรการวัดขนาดที่ใช้งานได้จริง

เพื่อการประมาณค่าที่รวดเร็ว วิศวกรจะจัดเรียงสมดุลความร้อนใหม่ให้อยู่ในรูปแบบแอมแปซิตี:

ผม = K × √(A × ΔT)

โดยที่ A คือส่วนตัดขวางในหน่วย mm², ΔT คือค่าที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาตของ K และ K คือค่าคงที่เชิงประจักษ์ที่รวมเอาความต้านทาน ผิวสำเร็จของพื้นผิว และการระบายอากาศเข้าด้วยกัน ส่วนขั้นต่ำคือ:

A = I² / (K² × ΔT)

ค่า K เชิงประจักษ์สำหรับ I = K·√(A·ΔT) โดยที่ A เป็น mm² และ ΔT ใน K ค่าที่ต่ำกว่าเหมาะกับชิ้นส่วนที่มีการระบายอากาศไม่ดี
การจัด	ทองแดง (K)	อะลูมิเนียม (K)
บาร์เดี่ยวในอากาศฟรี	11-13	8.5-10
บาร์ในตู้ที่มีการระบายอากาศ	9-11	7-8.5
แท่งในตู้ที่ปิดสนิทหรือไม่มีการระบายอากาศ	7-9	5.5-7

ถือว่าค่าคงที่เหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้น การออกแบบขั้นสุดท้ายต้องได้รับการตรวจสอบโดยการคำนวณหรือการทดสอบประเภท โดยเฉพาะในชุดประกอบที่มีขนาดกะทัดรัด

ตัวอย่างการทำงาน: 2000 A ทองแดง Busbar

กำหนดขนาดบัสบาร์บอร์ดกระจาย LV ขนาด 2000 A ที่มีการเพิ่มขึ้นที่อนุญาต 40 K ภายในตู้ที่มีการระบายอากาศ

ขั้นตอนที่ 1 - เลือกค่าคงที่ของวัสดุ

สำหรับทองแดงในตู้ที่มีการระบายอากาศ ให้ใช้ K = 8.5 (ช่วงกลาง)

ขั้นตอนที่ 2 - คำนวณส่วนตัดขวางขั้นต่ำ

A = 2000² / (8.5² × 40) = 4,000,000 / 2890 = 1384 มม.²

ขั้นตอนที่ 3 - เลือกแถบมาตรฐาน

แท่งขนาด 160 × 10 มม. ให้พื้นที่ 1600 มม.² ซึ่งสูงกว่าค่าขั้นต่ำประมาณ 16% แท่งขนาด 125 × 12 มม. (1500 มม.²) ยังเหมาะกับเค้าโครงแผงหลายแบบอีกด้วย

ขั้นตอนที่ 4 - ตรวจสอบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่เกิดขึ้น

ΔT = (2000 / 8.5)² / 1600 = 34.6 เคลวิน ต่ำกว่าขีดจำกัด 40 K ที่ 2,400 A แท่งเดียวกันจะเพิ่มขึ้นเป็น 49.8 K - เกินขีดจำกัด กระแสไฟฟ้า 20% สุดท้ายทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นประมาณ 44%

ทองแดงกับอะลูมิเนียม: การเปลี่ยนแปลงอะไรในการคำนวณ

การเลือกใช้วัสดุจะเปลี่ยน K และส่วนทางกายภาพด้วย อลูมิเนียมมีความต้านทานสูงกว่าทองแดงประมาณ 64% ดังนั้นจึงต้องการพื้นที่หน้าตัดประมาณ 1.6 ถึง 1.7 เท่าสำหรับกระแสและกระแสที่เท่ากัน ในทางกลับกัน น้ำหนักจะลดลงประมาณ 70% ซึ่งช่วยลดภาระในการรองรับและสามารถชดเชยราคาชิ้นส่วนที่ใหญ่ขึ้นในระยะยาวได้

การเปรียบเทียบวัสดุสำหรับกระแสและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเท่ากัน อะลูมิเนียมช่วยลดน้ำหนักแต่ต้องใช้ส่วนที่ใหญ่กว่าและการเตรียมข้อต่ออย่างระมัดระวัง
คุณสมบัติ	ทองแดง	อลูมิเนียม
ความต้านทานที่ 20 °C (Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (1/K)	0.00393	0.00403
ความทึบสัมพัทธ์ที่หน้าตัดเดียวกัน	1.00	~0.78
ภาพตัดขวางจำเป็นสำหรับความกระจ่างเท่ากัน	พื้นฐาน	~1.6x
น้ำหนักเพื่อความกระจ่างเท่าเดิม	พื้นฐาน	น้อยลง ~50%

สำหรับตัวอย่าง 2000 A, 40 K อลูมิเนียมต้องการประมาณ 2367 มม.² โดยทั่วไปแท่งขนาด 100 × 12 มม. สองแท่งต่อเฟส ข้อต่ออะลูมิเนียมยังต้องมีการเตรียมพื้นผิวอย่างระมัดระวัง เนื่องจากฟิล์มออกไซด์ของพื้นผิวจะเพิ่มความต้านทานต่อการสัมผัสและสร้างจุดร้อน

หน้าตัดที่จำเป็นสำหรับ 2000 A ที่เพิ่มขึ้น 40 K

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

บัสบาร์แบบท่อโลหะผสมแมกนีเซียม-อลูมิเนียมสำหรับสถานีไฟฟ้าแรงสูง สายบัสบาร์แบบท่อนี้ครอบคลุมโลหะผสมหลายประเภทและคลาสแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 1,000 kV ทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงเมื่อกำหนดขนาดตัวนำสำหรับสถานีย่อยกลางแจ้งที่มีกระแสไฟสูงซึ่งทั้งขีดจำกัดความร้อนและความแข็งแรงเชิงกลมีความสำคัญ ดูผลิตภัณฑ์ →

อลูมิเนียมยังเป็นเรื่องธรรมดาในฐานะตัวนำท่อในสถานีย่อยกลางแจ้ง ตรรกะทางความร้อนจะเหมือนกัน แต่ท่อมีพื้นผิวการทำความเย็นต่อหน่วยหน้าตัดน้อยกว่าแท่งแบน ดังนั้น การเลือกบัสบาร์ท่ออลูมิเนียมอัลลอยด์ที่เหมาะสม เริ่มต้นด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่ยอมรับได้ จากนั้นจึงพิจารณาความแข็งแรงทางกล

เอฟเฟกต์ผิวหนังและรูปร่างของแท่ง

ที่ 50/60 Hz ความต้านทาน AC เกินความต้านทาน DC เนื่องจากกระแสฝูงชนเข้าหาพื้นผิว แท่งขนาดบางกว้าง เช่น 160 × 10 มม. มีอัตราส่วน AC-to-DC ที่ดีกว่าแท่งขนาด 50 × 32 มม. ของส่วนเดียวกัน เนื่องจากมีวัสดุอยู่ใกล้พื้นผิวทำความเย็นมากกว่า

รักษาอัตราส่วนความกว้างต่อความหนาให้สูงกว่า 10:1 หากเป็นไปได้ สำหรับแท่งหลายแท่งต่อเฟส ให้เว้นระยะห่างด้วยความหนาอย่างน้อยหนึ่งแท่งเพื่อให้แต่ละพื้นผิวสามารถกระจายความร้อนได้

อุณหภูมิโดยรอบ สิ่งห่อหุ้ม และการลดพิกัด

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนั้นแตกต่างกัน ในขณะที่พิกัดของฉนวนและอุปกรณ์คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ การเพิ่มขึ้น 40 K จะปลอดภัยที่อุณหภูมิแวดล้อม 35 °C แต่ยอมรับไม่ได้ที่อุณหภูมิแวดล้อม 45 °C แปลงค่าที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาตให้เป็นอุณหภูมิตัวนำสัมบูรณ์เสมอ: T = T_สภาพแวดล้อม ∆T .

ปัจจัยการลดพิกัดโดยประมาณที่ใช้กับพิกัดอากาศอิสระ คูณความหนาแน่นของอากาศอิสระด้วยปัจจัยที่เกี่ยวข้อง
สภาพ	ปัจจัยที่ลดลง
ตู้ระบายอากาศ	0.85-0.92
ตู้ปิดผนึก (ไม่มีการระบายอากาศ)	0.70-0.80
อุณหภูมิโดยรอบ 40 °C แทนที่จะเป็น 35 °C	0.93-0.98
ระดับความสูง 2,000 ม	~0.95

การออกแบบกล่องหุ้มทำให้เกิดความล้มเหลวมากกว่าการคำนวณตัวนำเอง ตู้ปิดผนึก IP54 สามารถลดระดับลงได้ 20-30% เมื่อเทียบกับอากาศฟรีเนื่องจากการพาความร้อนเกือบจะหายไป

การพาความร้อน - 70%
รังสี - 22%
รองรับ - 8%

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

พาวเวอร์บัสเวย์แบบปิดที่มีพิกัดกระแสไฟสูง เนื่องจากการออกแบบตู้สามารถลดความทึบแสงลงได้ 20–30% บัสเวย์ที่สร้างจากโรงงานนี้จึงมีอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและพิกัดที่ผ่านการทดสอบแล้วสูงถึง 6300 A ทำให้ไม่ต้องคาดเดาสำหรับการติดตั้งใน IP54 หรือสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิท ดูผลิตภัณฑ์ →

บัสเวย์ที่สร้างขึ้นจากโรงงานพร้อมตู้ที่รู้จักและการทดสอบที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิช่วยขจัดการคาดเดานี้ไปได้มาก ระดับแค็ตตาล็อกสะท้อนถึงการทดสอบความร้อนที่กำหนดไว้แล้ว

มาตรฐานและขีดจำกัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาต

ข้อมูลจำเพาะสวิตช์เกียร์ส่วนใหญ่อ้างอิง IEC 61439-1 หรือ UL 891 ทั้งสองตรวจสอบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นบนผลิตภัณฑ์ที่ประกอบ ไม่ใช่บนตัวนำเปลือย ค่าด้านล่างคือขีดจำกัดที่ใช้โดยทั่วไป ฉบับสัญญาของมาตรฐานจะมีความสำคัญกว่า

ขีดจำกัดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่อ้างอิงโดยทั่วไปสำหรับระบบบัสบาร์ภายใน ตรวจสอบกับมาตรฐานโครงการ
มาตรฐาน	ส่วนประกอบ	ขีดจำกัดทั่วไป
IEC 61439-1	ขั้วต่อสำหรับตัวนำภายนอก	70 ก
IEC 61439-1	การเชื่อมต่อภายในทองแดงเปลือย	105 ก
IEC 61439-1	การเชื่อมต่อภายในอลูมิเนียมเปลือย	90 ก
UL 891	บัสบาร์หลักในแผงสวิตช์	65 ก

เมื่อตัวนำถูกหุ้มฉนวน ขีดจำกัดการเพิ่มขึ้นจะลดลงเนื่องจากวัสดุฉนวนมีอุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องสูงสุด จากนั้นการตรวจสอบจะกำหนดเป้าหมายจุดร้อนที่ส่วนต่อระหว่างตัวนำกับฉนวน และความหนาของฉนวนจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของความต้านทานความร้อน

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

บัสบาร์แบบท่อหล่ออีพอกซีเรซินพร้อมฉนวนในตัว ฉนวนและแผ่นป้องกันแบบฉีดขึ้นรูปครั้งเดียวของผลิตภัณฑ์นี้ระบุตำแหน่งฮอตสปอตที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวนำและฉนวน โครงสร้างที่มีอายุการใช้งานยาวนานและหน่วงไฟเหมาะกับการใช้งานที่ต้องมีการตรวจสอบอุณหภูมิตัวนำและอุณหภูมิพื้นผิวอย่างต่อเนื่อง ดูผลิตภัณฑ์ →

บัสบาร์แบบท่อหุ้มฉนวนอย่างสมบูรณ์ จึงต้องตรวจสอบสองครั้ง: อุณหภูมิของตัวนำและอุณหภูมิพื้นผิวด้านนอก สำหรับสภาวะการลัดวงจร การคำนวณแบบต่อเนื่องนี้ใช้ไม่ได้ - ให้ใช้สมการอะเดียแบติกสำหรับความทนทานต่อข้อบกพร่องแทน

ข้อผิดพลาดในการคำนวณทั่วไปที่ควรหลีกเลี่ยง

ใช้ความต้านทาน DC แทนความต้านทาน AC - ผลกระทบทางผิวหนังและความใกล้ชิดเพิ่มการสูญเสีย 10-30% ในแถบขนาดใหญ่
การใช้การให้คะแนนอากาศอิสระกับบัสบาร์แบบปิด - ตู้ที่ปิดสนิทจะลดระดับลง 20-30%
ละเลยพื้นฐานโดยรอบ - การเพิ่มขึ้น 90 K ถือว่าใช้ได้ที่อุณหภูมิ 35 °C แต่เกินขีดจำกัดฉนวนหลายอย่างที่อุณหภูมิ 50 °C
ลืมฮาร์โมนิค - ฮาร์โมนิคสามเท่าจะเพิ่มกระแส RMS และความร้อนเกินค่าพื้นฐาน
ปรับขนาดตามภาระที่กำหนดแทนภาระฉุกเฉิน - ตรวจสอบกระแสการทำงานสูงสุดที่น่าเชื่อถือเสมอ
ละเลยข้อต่อและการสิ้นสุด - ข้อต่อเกลียวที่ไม่ดีจะพังก่อนที่ตัวนำหลักจะพัง

คำถามที่พบบ่อย

คุณจะคำนวณอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของบัสบาร์ได้อย่างไร?

ใช้ ∆T = (I/K)²/A หรือสมดุลความร้อน ∆T = I²R/(hS) จากนั้นเปรียบเทียบผลลัพธ์กับขีดจำกัดมาตรฐานที่ใช้บังคับสำหรับส่วนประกอบ

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาตสำหรับบัสบาร์คือเท่าใด

โดยทั่วไป IEC 61439-1 อนุญาต 105 K สำหรับการเชื่อมต่อภายในด้วยทองแดงเปลือย UL 891 มีความเข้มงวดกว่าสำหรับบัสบาร์แผงสวิตช์ที่ 65 K ตัวนำฉนวนจะเป็นไปตามระดับอุณหภูมิของฉนวนแทน

อลูมิเนียมจะร้อนกว่าทองแดงที่กระแสเท่ากันหรือไม่?

ด้วยหน้าตัดและกระแสเดียวกันใช่แล้ว อลูมิเนียมต้องการพื้นที่หน้าตัดของทองแดงประมาณ 1.6 เท่าเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในสภาวะคงตัวเท่าเดิม

ควรใช้อุณหภูมิแวดล้อมเท่าใดในการคำนวณ

ใช้ the maximum specified ambient, usually 35 °C or 40 °C. The conductor temperature equals ambient plus the calculated rise, and both must stay within the material or insulation limit.

การคำนวณอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของบัสบาร์ไม่ใช่เชิงวิชาการ โดยจะตัดสินว่าสวิตช์บอร์ดผ่านการทดสอบประเภทหรือไม่ บัสเวย์จ่ายกระแสไฟในช่วงบ่ายที่อากาศร้อนหรือไม่ และฉนวนจะเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควรหรือไม่ คำนวณที่กระแสไฟที่น่าเชื่อถือสูงสุด ใช้การลดพิกัดของตู้จริง และเลือกตัวนำที่มีวัสดุและหน้าตัดตรงกับสภาพแวดล้อมทางความร้อน

เมื่อการใช้งานเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าสูงหรือพื้นที่จำกัด ผู้ผลิตที่มีผลิตภัณฑ์บัสบาร์และบัสเวย์ที่ผ่านการทดสอบแล้วสามารถจัดหาทั้งฮาร์ดแวร์และเอกสารประกอบการระบายความร้อนที่รองรับ