Pengiraan Kenaikan Suhu Busbar: Formula, Contoh, Had IEC dan UL

Semasa ujian kenaikan suhu rutin, papan suis 2000 A gagal kerana bar bas utamanya mencapai 112 K di atas ambien - 7 K melebihi had. Saiz konduktor telah disalin daripada reka bentuk terdahulu yang lebih sejuk. Perbezaannya bukanlah beban; ia adalah keseimbangan haba yang ditetapkan oleh pengudaraan kepungan, pilihan bahan dan bentuk konduktor.

Kenaikan suhu mengawal penarafan berterusan bar bas, hayat penebatnya, dan keselamatan sambungan berbolted. Artikel ini menerangkan pengiraan kenaikan suhu bar bas daripada imbangan haba, menunjukkan contoh reka bentuk 2000 A dan meringkaskan had dalam IEC 61439-1 dan UL 891.

Mulakan dengan Imbangan Haba Keadaan Mantap

Pada keadaan mantap, bar bas mencapai suhu yang stabil apabila haba yang dihasilkan oleh rintangannya sendiri sama dengan haba yang ditolak ke persekitaran. Ringkasnya: busbar tidak mempunyai penarafan tetap tunggal; ia mempunyai lengkung kenaikan suhu yang berubah dengan persekitaran penyejukan.

Haba yang dijana ialah pemanasan Joule: Q_gen = I² × R_ac .

Haba yang ditolak keluar secara perolakan dan sinaran: Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ - T _a ⁴ ) .

Untuk kerja reka bentuk, kedua-dua laluan kehilangan digabungkan menjadi pekali setara h, memberikan:

ΔT = (I² × R_ac) / (h × S)

di mana:

I - Arus RMS (A)
R_ac - Rintangan AC pada suhu operasi (Ω)
h - gabungan perolakan dan pekali sinaran (W/m²·K)
S - luas permukaan penyejukan berkesan (m²)
ΔT - kenaikan suhu melebihi ambien (K)

Hubungannya adalah kuadratik: jika arus berganda, kerugian empat kali ganda. Bar yang kekal sejuk pada 800 A boleh menjadi terlalu panas pada 1250 A dalam kubikel yang sama.

Kenaikan suhu vs arus untuk bar kuprum 160 × 10 mm

Formula Saiz Praktikal

Untuk anggaran pantas, jurutera menyusun semula imbangan haba ke dalam bentuk ampacity:

I = K × √(A × ΔT)

di mana A ialah keratan rentas dalam mm², ΔT ialah kenaikan yang dibenarkan dalam K, dan K ialah pemalar empirik yang menggabungkan kerintangan, kemasan permukaan dan pengudaraan. Bahagian minimum ialah:

A = I² / (K² × ΔT)

Nilai K empirikal untuk I = K·√(A·ΔT) dengan A dalam mm² dan ΔT dalam K. Nilai yang lebih rendah sesuai dengan pemasangan yang kurang pengudaraan.
Susunan	Kuprum (K)	aluminium (K)
Bar tunggal di udara bebas	11-13	8.5-10
Bar dalam kandang berventilasi	9-11	7-8.5
Bar dalam kandang bertutup atau tidak berventilasi	7-9	5.5-7

Anggap pemalar ini sebagai titik permulaan. Reka bentuk akhir mesti disahkan melalui pengiraan atau ujian jenis, terutamanya dalam pemasangan padat.

Contoh Bekerja: 2000 A Tembaga Busbar

Saiz bar bas papan pengedaran 2000 A LV dengan kenaikan yang dibenarkan sebanyak 40 K di dalam kepungan berventilasi.

Langkah 1 - Pilih pemalar bahan

Untuk kuprum dalam kepungan berventilasi, ambil K = 8.5 (julat pertengahan).

Langkah 2 - Kira keratan rentas minimum

A = 2000² / (8.5² × 40) = 4,000,000 / 2890 = 1384 mm²

Langkah 3 - Pilih bar standard

Bar 160 × 10 mm memberikan 1600 mm², kira-kira 16% melebihi minimum. Bar 125 × 12 mm (1500 mm²) juga sesuai dengan banyak susun atur panel.

Langkah 4 - Sahkan kenaikan suhu yang terhasil

ΔT = (2000 / 8.5)² / 1600 = 34.6 K , di bawah had 40 K. Pada 2400 A bar yang sama meningkat kepada 49.8 K - melebihi had. 20% terakhir semasa menambah kira-kira 44% peningkatan suhu.

Kuprum vs aluminium: Perubahan dalam Pengiraan

Pilihan bahan mengubah K dan oleh itu bahagian fizikal. Aluminium mempunyai kerintangan kira-kira 64% lebih tinggi daripada tembaga, jadi ia memerlukan kira-kira 1.6 hingga 1.7 kali keratan rentas untuk arus dan kenaikan yang sama. Sebagai balasan, ia mempunyai berat kira-kira 70% kurang, yang mengurangkan beban sokongan dan boleh mengimbangi harga bahagian yang lebih besar dalam jangka masa panjang.

Perbandingan bahan untuk kenaikan arus dan suhu yang sama. Aluminium menjimatkan berat tetapi memerlukan bahagian yang lebih besar dan penyediaan sendi yang teliti.
Harta benda	Tembaga	Aluminium
Kerintangan pada 20 °C (Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
Pekali suhu (1/K)	0.00393	0.00403
Kapasiti relatif pada keratan rentas yang sama	1.00	~0.78
Keratan rentas diperlukan untuk ampacity yang sama	garis dasar	~1.6x
Berat untuk ampacity yang sama	garis dasar	~50% kurang

Untuk contoh 2000 A, 40 K, aluminium memerlukan kira-kira 2367 mm², biasanya dua bar 100 × 12 mm setiap fasa. Sambungan aluminium juga memerlukan penyediaan permukaan yang teliti kerana filem oksida permukaan menambah rintangan sentuhan dan mencipta bintik panas.

Keratan rentas yang diperlukan untuk 2000 A pada kenaikan 40 K

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

Busbar Tiub Aloi Magnesium-Aluminium untuk Stesen Voltan Tinggi Talian busbar tiub ini meliputi berbilang aloi dan kelas voltan sehingga 1000 kV, menjadikannya pilihan praktikal apabila konduktor saiz untuk pencawang luar arus tinggi di mana had haba dan kekuatan mekanikal kedua-duanya penting. Lihat Produk →

Aluminium juga biasa sebagai konduktor tiub di pencawang luar. Logik terma adalah sama, tetapi tiub mempunyai permukaan penyejukan yang kurang bagi setiap unit keratan rentas daripada bar rata, jadi memilih busbar tiub aloi aluminium yang betul bermula dengan kenaikan suhu yang dibenarkan dan kemudian mempertimbangkan kekuatan mekanikal.

Kesan Kulit dan Bentuk Bar

Pada 50/60 Hz, rintangan AC melebihi rintangan DC kerana arus berkumpul ke arah permukaan. Bar nipis lebar seperti 160 × 10 mm mempunyai nisbah AC-ke-DC yang lebih baik daripada bar 50 × 32 mm pada bahagian yang sama, kerana lebih banyak bahan kekal berhampiran permukaan penyejukan.

Pastikan nisbah lebar kepada ketebalan melebihi 10:1 jika boleh. Untuk berbilang bar setiap fasa, jarakkannya dengan sekurang-kurangnya satu ketebalan bar supaya setiap permukaan boleh menghilangkan haba.

Suhu Ambien, Kepungan dan Penurunan

Kenaikan suhu adalah perbezaan, manakala penebat dan penilaian peralatan ialah suhu mutlak. Kenaikan 40 K selamat pada ambien 35 °C tetapi tidak boleh diterima pada ambien 45 °C. Sentiasa tukar kenaikan yang dibenarkan kepada suhu konduktor mutlak: T = T_ambien ΔT .

Anggaran faktor penyusutan digunakan pada penilaian siaran percuma. Darabkan keluasan udara bebas dengan faktor yang berkaitan.
keadaan	Faktor penurunan nilai
Kepungan berventilasi	0.85-0.92
Kepungan tertutup (tidak berventilasi).	0.70-0.80
Ambien 40 °C bukannya 35 °C	0.93-0.98
Ketinggian 2000 m	~0.95

Reka bentuk kepungan menyebabkan lebih banyak kegagalan daripada pengiraan konduktor itu sendiri. Kubikel IP54 yang tertutup boleh mengurangkan penarafan sebanyak 20-30% berbanding dengan udara bebas kerana perolakan hampir hilang.

Perolakan - 70%
Sinaran - 22%
Sokongan - 8%

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

Basway Kuasa Tertutup Penuh dengan Penarafan Arus Tinggi Memandangkan reka bentuk kepungan boleh mengurangkan keluasan sebanyak 20–30%, laluan bas yang dibina kilang ini menawarkan kenaikan suhu yang diuji dan penarafan sehingga 6300 A, menghilangkan tekaan untuk pemasangan dalam IP54 atau persekitaran tertutup. Lihat Produk →

Laluan bas yang dibina kilang dengan kepungan yang diketahui dan kenaikan suhu yang diuji menghilangkan banyak tekaan ini; penarafan katalognya sudah mencerminkan ujian haba yang ditentukan.

Piawaian dan Had Kenaikan Suhu Yang Dibenarkan

Kebanyakan spesifikasi suis memetik IEC 61439-1 atau UL 891. Kedua-duanya mengesahkan kenaikan suhu pada produk yang dipasang, bukan pada konduktor kosong. Nilai di bawah ialah had yang biasa digunakan; edisi kontrak standard diutamakan.

Had kenaikan suhu yang biasa dirujuk untuk sistem bar bas dalaman. Sahkan terhadap standard projek.
Standard	Komponen	Had biasa
IEC 61439-1	Terminal untuk konduktor luaran	70 K
IEC 61439-1	Sambungan dalaman tembaga kosong	105 K
IEC 61439-1	Sambungan dalaman aluminium kosong	90 K
UL 891	Bar bas utama dalam papan suis	65 K

Apabila konduktor ditebat, had kenaikan turun kerana bahan penebat mempunyai suhu operasi berterusan maksimum. Pemeriksaan kemudian menyasarkan tempat panas pada antara muka konduktor-penebat, dan ketebalan penebat menjadi sebahagian daripada rintangan haba.

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

Epoksi Resin Cast Tubular Busbar dengan Penebat Bersepadu Penebat acuan dan perisai satu pukulan produk ini menangani titik panas pada antara muka penebat konduktor; strukturnya yang tahan lama dan kalis api sesuai dengan aplikasi di mana suhu konduktor berterusan dan suhu permukaan kedua-duanya memerlukan pengesahan. Lihat Produk →

Busbar tiub berpenebat penuh oleh itu memerlukan dua pemeriksaan: suhu konduktor dan suhu permukaan luar. Untuk keadaan litar pintas, pengiraan berterusan ini tidak terpakai - sebaliknya gunakan persamaan adiabatik untuk ketahanan kerosakan.

Kesilapan Pengiraan Biasa yang Perlu Dielakkan

Menggunakan rintangan DC dan bukannya rintangan AC - kesan kulit dan kedekatan menambah 10-30% kerugian dalam bar besar.
Menggunakan rating udara percuma pada bar bas tertutup - kandang tertutup mengurangkan penarafan sebanyak 20-30%.
Mengabaikan asas ambien - kenaikan 90 K adalah baik pada 35 °C tetapi melebihi banyak had penebat pada 50 °C.
Melupakan harmonik - harmonik tiga kali ganda menaikkan arus RMS dan pemanasan melebihi nilai asas.
Saiz kepada beban nominal dan bukannya beban luar jangka - sentiasa semak arus operasi yang boleh dipercayai tertinggi.
Mengabaikan sendi dan penamatan - sambungan bolt yang lemah gagal sebelum konduktor utama gagal.

Soalan Lazim

Bagaimanakah anda mengira kenaikan suhu bar bas?

guna ΔT = (I/K)²/A atau keseimbangan haba ΔT = I²R/(hS) , kemudian bandingkan hasilnya dengan had standard yang berkenaan untuk komponen.

Apakah kenaikan suhu yang dibenarkan untuk bar bas?

IEC 61439-1 biasanya membenarkan 105 K untuk sambungan dalaman tembaga kosong; UL 891 lebih ketat untuk bar bas papan suis pada 65 K. Konduktor berpenebat sebaliknya mengikut kelas suhu penebat.

Adakah aluminium berjalan lebih panas daripada kuprum pada arus yang sama?

Dengan keratan rentas dan arus yang sama, ya. Aluminium memerlukan kira-kira 1.6 kali ganda keratan rentas kuprum untuk mencapai kenaikan suhu keadaan mantap yang sama.

Apakah suhu persekitaran yang perlu digunakan dalam pengiraan?

guna 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.

Pengiraan kenaikan suhu busbar bukan akademik. Ia memutuskan sama ada papan suis lulus ujian jenisnya, sama ada laluan bas membawa arus papan namanya pada waktu petang yang panas, dan sama ada penebat menua lebih awal. Kira pada arus yang boleh dipercayai tertinggi, gunakan pengurangan kepungan yang realistik, dan pilih konduktor yang bahan dan keratan rentasnya sepadan dengan persekitaran terma.

Apabila aplikasi melibatkan arus tinggi atau ruang terhad, pengeluar dengan bar bas dan produk busway yang diuji jenis boleh membekalkan kedua-dua perkakasan dan dokumentasi terma sokongan.