ระดับความทึบของการดูดซึม: วิธีอ่านและอืดบาร์ | บัสบาร์

การเลือกขนาดตัวนำทองแดงที่ถูกต้องสำหรับโครงการจำหน่ายไฟฟ้าทางอุตสาหกรรมมักเริ่มต้นด้วยคำถามเดียว: แถบหรือสายเคเบิลนี้สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยเท่าใด แผนภูมิความทึบของทองแดงจะให้คำตอบเฉพาะในกรณีที่คุณอ่านภายใต้สมมติฐานที่ถูกต้องเท่านั้น แผนภูมิทั่วไปที่คุณจะพบทางออนไลน์นั้นสร้างขึ้นสำหรับสายไฟหุ้มฉนวนภายในท่อร้อยสายตาม National Electrical Code (NEC) ตัวเลขเหล่านี้ใช้ไม่ได้โดยตรงกับบัสบาร์ทองแดงเปลือยที่ติดตั้งในอากาศฟรี บทความนี้จะอธิบายวิธีการตีความแผนภูมิทั้งสองประเภท จัดทำตารางอ้างอิงบัสบาร์ทองแดงแบบเมตริก และอธิบายปัจจัยที่กำหนดว่าขนาดที่เลือกจะรองรับการติดตั้งเฉพาะของคุณหรือไม่

Ampacity คืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญสำหรับตัวนำทองแดง

Ampacity คือปริมาณกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวนำสามารถส่งกระแสไฟได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่เกินพิกัดอุณหภูมิ ตรรกะทางกายภาพนั้นตรงไปตรงมา: กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำจะสร้างความร้อนเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้า ตัวนำจะมีอุณหภูมิคงที่เมื่อความร้อนที่เกิดขึ้นเท่ากับความร้อนที่กระจายออกสู่สิ่งแวดล้อมโดยรอบ เกินความสมดุลนั้น และอุณหภูมิจะสูงขึ้นเกินขีดจำกัดของฉนวนหรือคุณสมบัติทางกลของโลหะ

ขนาดตัวนำเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความทึบ แต่ไม่ใช่เพียงปัจจัยเดียวเท่านั้น อุณหภูมิแวดล้อม พิกัดฉนวน จำนวนตัวนำ และวิธีการติดตั้ง ล้วนแต่เปลี่ยนตัวเลขสุดท้าย แผนภูมิความทึบของทองแดงจะบันทึกตัวแปรเหล่านี้ในรูปแบบตาราง เพื่อให้คุณสามารถเลือกขนาดตามเงื่อนไขเฉพาะของคุณได้ สิ่งสำคัญคือต้องแยกแยะความแอมป์จากพิกัดกระแสหรือความจุไฟฟ้าลัดวงจร Ampacity คือขีดจำกัดสถานะคงที่อย่างต่อเนื่อง ความสามารถในการทนต่อการลัดวงจรเป็นการคำนวณแยกต่างหากโดยยึดตามพลังงานความร้อน (I²t) และต้องได้รับการตรวจสอบโดยอิสระ

วิธีอ่านแผนภูมิ Ampacity ของทองแดง

ตารางความหนาแน่นของลวดทองแดงที่มีการอ้างอิงอย่างกว้างขวางที่สุดในสหรัฐอเมริกาอ้างอิงจากตาราง NEC 310.15(B)(16) และ (B)(17) ตารางเหล่านี้ถือว่าตัวนำกระแสไฟไหลผ่านได้ไม่เกิน 3 ตัว อุณหภูมิแวดล้อม 30°C และแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 2,000 V เมื่อการติดตั้งของคุณเบี่ยงเบนไปจากสมมติฐานเหล่านี้ คุณต้องใช้ปัจจัยแก้ไข ก่อนหน้านั้น คุณต้องระบุว่าคอลัมน์ใดของตารางที่ใช้กับตัวนำของคุณ

การให้คะแนนอุณหภูมิและความหมาย

คอลัมน์ 60°C, 75°C และ 90°C ในตารางความเข้มหมายถึงอุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่อนุญาตของฉนวนของตัวนำ ไม่ใช่อุณหภูมิอากาศโดยรอบ คอลัมน์ที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับประเภทของฉนวนและพิกัดอุณหภูมิของจุดปลาย ตัวอย่างเช่น สามารถเลือกลวด THHN พิกัด 90°C ได้โดยใช้คอลัมน์ 90°C แต่หากสิ้นสุดบนอุปกรณ์ที่มีพิกัด 75°C คอลัมน์ 75°C จะควบคุมความขยายสุดท้าย นี่เป็นสาเหตุทั่วไปของข้อผิดพลาดขนาดใหญ่เกินไปในการออกแบบแผง

เงื่อนไขการติดตั้งในแผนภูมิสมมติฐาน

ค่าแอมพลิตีของ NEC ใช้ได้เฉพาะภายใต้เงื่อนไขการติดตั้งที่ระบุไว้เท่านั้น: ตัวนำไฟฟ้าไม่เกิน 3 ตัวในท่อร้อยสายหรือสายเคเบิล อุณหภูมิแวดล้อม 30°C และการติดตั้งแบบอากาศอิสระหรือท่อร้อยสายตามที่ระบุในตาราง หากคุณมีตัวนำหลายมัดรวมกัน การกระจายความร้อนจะลดลง และคุณต้องใช้ปัจจัยการลดพิกัด หากอุณหภูมิโดยรอบเกิน 30°C จำเป็นต้องมีปัจจัยการแก้ไขอุณหภูมิ ปัจจัยการปรับเหล่านี้พบได้ในตาราง NEC 310.15(B)(1) และ 310.15(B)(2) และจำเป็นสำหรับการออกแบบที่สอดคล้องกับโค้ด

ตารางด้านล่างแสดงค่าแอมแปซิชันของลวดทองแดงที่เป็นตัวแทนตามตาราง NEC 310.15(B)(16) ค่าเหล่านี้ถือว่าตัวนำกระแสไฟไหลผ่านในท่อร้อยสายสามตัวหรือน้อยกว่า อุณหภูมิแวดล้อมอยู่ที่ 30°C และ 60°C, 75°C และ 90°C พิกัดฉนวน

ค่าเหล่านี้ใช้สำหรับการเดินสายไฟในอาคารและการติดตั้งระบบไฟฟ้าทั่วไป พวกเขาไม่ได้แสดงถึงความสามารถในการรองรับกระแสของบัสบาร์ทองแดงเปลือย

ลวดทองแดงกับบัสบาร์ทองแดง: แผนภูมิที่แตกต่างกันสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน

วิศวกรจำนวนมากที่ค้นหาแผนภูมิแอมแปซิตีทองแดงลงบนโต๊ะลวดและนำไปใช้กับการเลือกบัสบาร์โดยไม่ตั้งใจ วิธีการนี้ลดขนาดบัสบาร์ลงอย่างมาก เหตุผลอยู่ที่สมมติฐานทางกายภาพ สายไฟหุ้มฉนวนภายในท่อร้อยสายมีการระบายความร้อนได้ไม่ดี เนื่องจากฉนวนทำหน้าที่เป็นแผงกั้นความร้อน และท่อร้อยสายจำกัดการไหลเวียนของอากาศ บัสบาร์ทองแดงเปลือยในอากาศอิสระจะกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นผ่านการพาความร้อนและการแผ่รังสี ดังนั้นพื้นที่หน้าตัดเดียวกันจึงสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าอย่างมาก

การเปรียบเทียบอย่างเป็นรูปธรรมทำให้สิ่งนี้ชัดเจน ลวดทองแดง AWG 2 เส้นที่มีฉนวนอุณหภูมิ 90°C สามารถจ่ายไฟได้ประมาณ 130 A ต่อ NEC บัสบาร์ทองแดงเปลือยขนาด 1/4 นิ้ว x 2 นิ้ว (ประมาณ 6.35 มม. × 50.8 มม.) สามารถบรรทุกกระแสไฟได้ประมาณ 710 A ที่อุณหภูมิสูงขึ้น 30°C ในอากาศอิสระ ตามข้อมูลบัสบาร์ทองแดงที่เปิดเผยต่อสาธารณะ ตัวนำทั้งสองมีลำดับมวลทองแดงที่คล้ายคลึงกัน แต่พื้นที่ผิวสัมผัสของบัสบาร์และการระบายความร้อนที่เหนือกว่าทำให้สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าห้าเท่า นี่คือสาเหตุที่การเลือกบัสบาร์ใช้ตารางอ้างอิงที่แตกต่างกันซึ่งขับเคลื่อนโดยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ไม่ใช่ระดับฉนวน

ตารางอ้างอิงความทึบของบัสบาร์ทองแดง (ขนาดเมตริก)

สำหรับการเลือกบัสบาร์อุตสาหกรรม พารามิเตอร์ควบคุมคืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิโดยรอบ แทนที่จะเป็นพิกัดอุณหภูมิของฉนวน ตารางด้านล่างแสดงค่าแอมแปซิตีอ้างอิงสำหรับบัสบาร์ทองแดงเปลือยในมิติเมตริก โดยอิงตามการแปลงจากข้อมูลแอมแปซิตีบัสบาร์ทองแดงที่เผยแพร่ ค่านี้ถือว่าแท่งทองแดงเปลือยแท่งเดียวในอากาศอิสระ ซึ่งทำงานที่ 60 Hz AC โดยมีสภาพเปล่งแสงประมาณ 0.4 (โดยทั่วไปสำหรับพื้นผิวที่สัมผัสกับอากาศอุตสาหกรรมเป็นเวลาประมาณ 60 วัน)

ค่าเหล่านี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางวิศวกรรมสำหรับการกำหนดขนาดเริ่มต้น ไม่ใช่ข้อมูลการออกแบบขั้นสุดท้าย ความทึบแสงที่แท้จริงขึ้นอยู่กับสภาพพื้นผิวเฉพาะ โลหะผสมที่แน่นอน การจัดเรียงบัสบาร์ และกล่องหุ้ม ยืนยันการให้คะแนนสุดท้ายกับผู้ผลิตบัสบาร์หรือผ่านการทดสอบเสมอ

ปัจจัยที่ส่งผลต่อความทึบของทองแดงในการติดตั้งจริง

แผนภูมิอ้างอิงถือว่าแท่งเปลือยแท่งเดียวอยู่ในอากาศฟรี การติดตั้งจริงทำให้เกิดเงื่อนไขที่เปลี่ยนภาพ คุณต้องคำนึงถึงปัจจัยสี่ประการก่อนที่จะตัดสินใจใช้ขนาดบัสบาร์

อุณหภูมิโดยรอบและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นคือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิในการทำงานของตัวนำกับอุณหภูมิอากาศโดยรอบ ตารางด้านบนจะใช้อุณหภูมิแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง หากสถานที่ติดตั้งของคุณมีอุณหภูมิแวดล้อมสูงกว่า กระแสไฟฟ้าเดียวกันจะทำให้อุณหภูมิตัวนำรวมสูงขึ้น ต้องลดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่กำหนดเพื่อให้ตัวนำอยู่ในอุณหภูมิการทำงานสูงสุด ตัวอย่างเช่น บัสบาร์ที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ 50°C ในสภาพแวดล้อม 30°C จนถึงอุณหภูมิรวม 80°C ในห้องแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 40°C แถบเดียวกันจะสูงถึง 90°C ที่กระแสไฟฟ้าเดียวกัน ซึ่งอาจเกินขีดจำกัดที่อนุญาต

การจัดเรียงตัวนำและสิ่งที่แนบมา

บัสบาร์หลายตัวที่ติดตั้งขนานกันจะสร้างความร้อนที่รบกวนการระบายความร้อนของกันและกัน บัสบาร์ภายในตู้ปิดเผชิญกับการไหลเวียนของอากาศที่จำกัด ซึ่งช่วยลดการกระจายความร้อน บัสเวย์แบบปิดมีความทึบแสงต่ำกว่าคานเปลือยแบบเดียวกันในที่โล่งอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อออกแบบกลุ่มผลิตภัณฑ์สวิตช์เกียร์หรือการเดินบัสเวย์ ให้ใช้การจัดอันดับที่เผยแพร่โดยผู้ผลิตสำหรับชุดประกอบทั้งหมด แทนที่จะคาดการณ์จากข้อมูลอากาศอิสระแบบแท่งเดียว สำหรับการติดตั้งในพื้นที่จำกัดและการกระจายความร้อนมีจำกัด ระบบบัสเวย์ขนาดกะทัดรัดความหนาแน่นสูงมักจะเป็นทางเลือกทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติ เนื่องจากระยะห่างของตู้และตัวนำได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมสำหรับพิกัดที่ต้องการ

ผลกระทบของผิวหนังที่กระแสสูง

ในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ กระแสสลับมุ่งไปที่พื้นผิวด้านนอกของตัวนำ นี่คือผลกระทบที่ผิวหนัง เมื่อหน้าตัดมีขนาดใหญ่ขึ้น พื้นที่นำกระแสที่มีประสิทธิผลจะลดลงเมื่อเทียบกับพื้นที่ทั้งหมด ส่งผลให้ความต้านทานที่มีประสิทธิผลเพิ่มขึ้น ตารางความหนาแน่นของบัสบาร์ที่เผยแพร่สำหรับแอปพลิเคชัน AC จะรวมอัตราส่วนเอฟเฟกต์สกินที่เพิ่มขึ้นตามขนาดแท่ง แท่งขนาด 120 × 10 มม. ที่ 60 เฮิร์ตซ์จะไม่ส่งกระแสไฟฟ้าเป็นสองเท่าของแท่งขนาด 60 × 10 มม. แม้ว่าพื้นที่หน้าตัดจะเป็นสองเท่าก็ตาม เมื่อคุณย้ายจากบัสบาร์ที่เล็กกว่าไปยังบัสบาร์ที่ใหญ่กว่ามาก ให้ใช้ปัจจัยการลดพิกัด AC จากบันทึกย่อของแผนภูมิ สำหรับกระแสที่สูงมาก ให้พิจารณาแท่งเล็กๆ หลายแท่งขนานกันแทนที่จะเป็นแท่งขนาดใหญ่เพียงแท่งเดียว ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการใช้พื้นที่ผิวและช่วยให้การจัดการทางกลง่ายขึ้น

ขั้นตอนการปฏิบัติสำหรับการกำหนดขนาดบัสบาร์ทองแดง

เมื่อคุณมีการอ้างอิงความทึบแล้ว ให้ทำตามขั้นตอนที่มีโครงสร้างเพื่อแปลข้อกำหนดโหลดเป็นขนาดบัสบาร์ ขั้นตอนด้านล่างนี้สะท้อนถึงหลักปฏิบัติทางวิศวกรรมมาตรฐานสำหรับการออกแบบการจ่ายพลังงานทางอุตสาหกรรม

1. กำหนดกระแสโหลด คำนวณกระแสโหลดต่อเนื่องทั้งหมดและเพิ่มส่วนต่างที่เหมาะสมสำหรับการขยายในอนาคต โดยทั่วไป NEC กำหนดให้ตัวนำต้องมีขนาด 125% ของโหลดต่อเนื่อง สำหรับระบบบัสบาร์ ให้ตรวจสอบรหัสที่เกี่ยวข้องและข้อกำหนดเฉพาะของโครงการ
2. ระบุเงื่อนไขการติดตั้ง บันทึกอุณหภูมิโดยรอบ ไม่ว่าแท่งจะอยู่ในอากาศอิสระหรือบัสเวย์แบบปิด จำนวนแท่งขนาน และความถี่ของระบบ (50 Hz หรือ 60 Hz) ปัจจัยเหล่านี้จะกำหนดว่าปัจจัยการแก้ไขใดบ้างที่ใช้
3. เลือกขนาดเบื้องต้นจากแผนภูมิความทึบ เลือกขนาดบัสบาร์ที่มีความทึบที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่คาดหวังใกล้เคียงที่สุดแต่ไม่ต่ำกว่ากระแสที่ต้องการ ใช้คอลัมน์ที่เพิ่มขึ้น 50°C สำหรับการใช้งานสวิตช์เกียร์ภายในอาคารทั่วไป และใช้คอลัมน์ที่เพิ่มขึ้น 30°C สำหรับการติดตั้งโดยมีอุปกรณ์ใกล้เคียงที่มีความละเอียดอ่อน
4. ใช้ปัจจัยแก้ไข คูณค่าแผนภูมิด้วยปัจจัยการแก้ไขสำหรับอุณหภูมิแวดล้อมและผลกระทบของกรอบหุ้ม หากค่าที่ลดลงยังคงเกินกระแสโหลดบวกส่วนต่าง แสดงว่าการเลือกนั้นเพียงพอแล้ว ถ้าไม่ก็ก้าวขึ้นไปสู่ขนาดแท่งถัดไป
5. ตรวจสอบขีดจำกัดทางกลและการลัดวงจร ยืนยันว่าแถบที่เลือกนั้นเหมาะสมกับพื้นที่ที่มีอยู่ และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นภายใต้เงื่อนไขของตู้จริงนั้นอยู่ภายในขีดจำกัดของฉนวนหรือการเคลือบ หากหน้าที่กระแสไฟฟ้าฟอลต์สูง ให้ทำการตรวจสอบความทนทานต่อความร้อนลัดวงจรแยกต่างหากโดยใช้ค่า I²t

พิจารณาโหลด 1,000 A ในสภาพแวดล้อม 40°C ติดตั้งภายในบัสเวย์แบบปิด เริ่มต้นจากโต๊ะอากาศอิสระ แท่งขนาด 100 × 6 มม. ที่เพิ่มขึ้น 50°C อยู่ที่ 1,290 A ปัจจัยการลดพิกัดบัสเวย์แบบปิดโดยทั่วไปสำหรับการกำหนดค่านี้คือประมาณ 0.8 ซึ่งให้ผลลัพธ์ 1,032 A ส่วนต่างของโหลด 1,000 A จะน้อยที่สุดเมื่อคุณเพิ่มระยะขอบด้านความปลอดภัยที่ต้องการ ดังนั้นแท่งขนาด 80 × 10 มม. (1,470 A × 0.8 = 1,176 A) หรือแท่งขนาด 120 × 5 มม. (1,360 A × 0.8 = 1,088 A) จะเป็นจุดเริ่มต้นที่ปลอดภัยกว่า การปรับเปลี่ยนประเภทนี้เป็นสาเหตุที่ว่าทำไมค่าแผนภูมิดิบเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอสำหรับการเลือกขั้นสุดท้าย

ทองแดงกับอลูมิเนียมบัสบาร์: เมื่อใดจึงควรเลือกทองแดง

Copper ไม่ใช่คำตอบอัตโนมัติสำหรับทุกการใช้งานบัสบาร์เสมอไป การตัดสินใจระหว่างทองแดงและอะลูมิเนียมขึ้นอยู่กับระดับปัจจุบัน พื้นที่ ต้นทุน และการสัมผัสต่อสิ่งแวดล้อม ทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้า IACS ประมาณ 100% และมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม ซึ่งหมายความว่าแท่งทองแดงอาจมีขนาดเล็กกว่าแท่งอะลูมิเนียมสำหรับกระแสไฟเดียวกัน อะลูมิเนียมที่ประมาณ 61% IACS ต้องการพื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่กว่า ประมาณ 1.6 เท่า เพื่อส่งกระแสไฟเท่ากัน แถมยังมีน้ำหนักประมาณหนึ่งในสามของทองแดง

สำหรับการใช้งานในพื้นที่จำกัดและความน่าเชื่อถือในการเชื่อมต่อเป็นสิ่งสำคัญ ทองแดงจะชนะ ชั้นออกไซด์ที่เสถียรของทองแดงยังคงเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ในขณะที่อะลูมิเนียมออกไซด์เป็นฉนวนและต้องมีการเตรียมพื้นผิวอย่างระมัดระวังและตัวเชื่อมต่อแบบพิเศษเพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อน ในสภาพแวดล้อมชายฝั่งหรืออุตสาหกรรมที่มีบรรยากาศที่รุนแรง ความต้านทานการกัดกร่อนตามธรรมชาติของทองแดงจะช่วยลดการบำรุงรักษา ในทางกลับกัน น้ำหนักที่เบากว่าของอะลูมิเนียมทำให้น่าสนใจสำหรับการวิ่งบัสบาร์ยาว และสำหรับโครงสร้าง เช่น หอคอยกังหันลม ซึ่งน้ำหนักเป็นข้อจำกัดในการออกแบบ ต้นทุนที่ต่ำกว่าก็มีความสำคัญเช่นกันเมื่อระดับปัจจุบันอยู่ในระดับปานกลางและมีพื้นที่ว่าง

หากคุณต้องการบัสบาร์แบบท่อหุ้มฉนวนซึ่งมีประโยชน์ทางกลและทางความร้อนของหน้าตัดแบบกลม ทั้งทองแดงและอะลูมิเนียมเป็นวัสดุตัวนำที่มีชีวิต การเลือกใช้ระบบฉนวน เช่น บัสบาร์แบบท่อหล่ออีพอกซีเรซิน มักมีความสำคัญมากกว่าโลหะตัวนำสำหรับประสิทธิภาพการเป็นฉนวนและความน่าเชื่อถือในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง