銅排載流量是低壓開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中選擇母線規(guī)格的重量依據(jù)。低壓開(kāi)關(guān)柜執(zhí)行的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7251.12—2013《低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：成套電力開(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》中都沒(méi)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)此類數(shù)據(jù)亦鮮有描述。

由于沒(méi)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(guò)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(wèn)題上出現(xiàn)分歧而產(chǎn)生合同爭(zhēng)端，給行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)不利影響。

目前國(guó)內(nèi)95%以上的低壓開(kāi)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(duì)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(guò)持續(xù)電流的能力。載流量的本質(zhì)是，導(dǎo)體通過(guò)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(dòng)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(guò)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(kāi)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(gè)：①環(huán)境溫度，②導(dǎo)體允許溫升，即導(dǎo)體溫度[5]。對(duì)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(kāi)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(duì)通用載流量進(jìn)行修正，得到本文需要的低壓開(kāi)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(duì)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(guó)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(guó)內(nèi)牌號(hào)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(jiàn)表1。

表1 常用銅排載流量表

對(duì)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(kāi)關(guān)柜內(nèi)不同部件的溫升限值。開(kāi)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(guò)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(guò)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(huì)在產(chǎn)品型式試驗(yàn)時(shí)，按柜內(nèi)所有母線溫升不超過(guò)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(kāi)關(guān)柜周圍空氣溫度在24h的平均溫度不超過(guò)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。

考慮到銅排長(zhǎng)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(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空氣溫度確定

要確定低壓開(kāi)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(duì)低壓開(kāi)關(guān)柜而言的，不是對(duì)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(duì)于母線而言，開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(gè)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(guò)理論計(jì)算的方法對(duì)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(kāi)關(guān)柜按防護(hù)等級(jí)分類，可分為通風(fēng)型和非通風(fēng)型兩類；防護(hù)等級(jí)IP42及以下的產(chǎn)品為通風(fēng)型；防護(hù)等級(jí)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(guò)外殼的散熱裝置實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)外的空氣對(duì)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(duì)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(kāi)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(jiàn)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)K2=1.057[6]。用K2修正表1中的數(shù)據(jù)，得到新的載流量數(shù)據(jù)表，見(jiàn)表3。

按照表3的數(shù)據(jù)，初步選定常用電流對(duì)應(yīng)母線規(guī)格，見(jiàn)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(kāi)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(duì)各電流規(guī)格的常規(guī)配置低壓柜方案，通過(guò)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(shuō)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(kāi)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(guò)計(jì)算進(jìn)行低壓成套開(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備通過(guò)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(lái)自大量成套設(shè)備的測(cè)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(guò)比較和驗(yàn)證[10]；因此通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法所得到的開(kāi)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(guò)3層等。這些條件是可以通過(guò)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的控制加以保證的。

開(kāi)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(wú)功補(bǔ)償柜、變頻和軟起動(dòng)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(gè)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(wú)功補(bǔ)償柜中配置有電抗器，變頻、軟起動(dòng)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?？紤]到本文的研究對(duì)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(kāi)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(tái)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(jiàn)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(jiàn)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

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(jí)進(jìn)線柜外殼內(nèi)的空氣溫升結(jié)果見(jiàn)表8。按主母線安裝位置，取開(kāi)關(guān)柜高度90%位置的空氣溫度是合適的，因此取◆t0.9數(shù)據(jù)作為外殼內(nèi)空氣溫升值。表8中◆t0.9都小于20K，符合前文的預(yù)設(shè)值，所選2500A及以下電流對(duì)應(yīng)母排規(guī)格通過(guò)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。

結(jié)論

本文在權(quán)威國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中給出的通用載流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)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(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線載流量數(shù)據(jù)。該方法是針對(duì)低壓開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shuō)服力強(qiáng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。可以作為低壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)和制造過(guò)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(zhēng)議處理的依據(jù)。