基于新工藝的銅鋁復合母線溫升研究

汪 洋，陳建兵，李亞星

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海電器科學研究院，上海 200063)

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基于新工藝的銅鋁復合母線溫升研究

汪 洋1，陳建兵2，李亞星1

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海電器科學研究院，上海 200063)

隨著新工藝在銅鋁復合母線中的應用，對銅鋁復合母線替代銅母線需滿足的技術參數提出了要求。文中通過實驗研究了新工藝對銅鋁復合母線溫升的影響程度，以及相同電流規(guī)格下銅鋁復合母線的溫升與截面積的變化規(guī)律，分析了銅鋁復合母線替代銅母線需滿足的截面比關系。結果表明，采用新工藝的銅鋁復合母線溫升降低了3%；銅鋁復合母線寬度增加20%或厚度增加33%，滿足替換銅母線的要求。

銅鋁復合母線；新工藝；銅母線；溫升

電流流過導體損耗的能量基本全部直接轉化為熱能，其中一部分散失在周圍介質中，另一部分則用以加熱導體，使之升溫[1]。當導體本身溫度超過規(guī)定的限值后，導體材料的機械強度會明顯降低，造成較大的安全隱患。因此，研究銅鋁復合母線在長期工作狀態(tài)下的發(fā)熱，保證銅鋁復合母線各部分最高溫度不超過規(guī)定的限值，保障電器安全可靠運行。

本文研究的銅鋁復合母線采用連鑄直接成形的新工藝，銅鋁接觸面實現冶金結合，界面結合強度高，導電性能優(yōu)異[2]。研究基于新工藝的銅鋁復合母線溫升性能，明確新工藝對銅鋁復合母線溫升影響程度，有助于導體復合材料制造工藝的進步，對銅鋁復合母線替代銅母線在低壓成套設備中的應用與推廣以及低壓成套設備設計時減輕重量，節(jié)約原材料以及延長使用壽命等方面具有重要作用[3-6]。

1 溫升理論計算與分析

1.1 載流導體穩(wěn)定溫升計算

導體承載工作電流會產生能量的傳遞與損耗，其過程遵守熱平衡原理。導體發(fā)熱穩(wěn)定時，輸入導體的熱量與散熱相等，即為牛頓公式[1]

p=KTAτw

(1)

式中,p為散熱功率；KT為綜合散熱系數；A為有效散熱面積；τw為導體穩(wěn)定溫升。依據式(1)可知,載流導體在工作時穩(wěn)定溫升為[7-8]

(2)

式中，Kf為趨膚系數；i為導體中的電流；ρ為導體的電阻率；l為導體長度；S為導體的截面積。

1.2 新工藝對銅鋁復合母線溫升的影響

新工藝下銅鋁復合母線采用25%的銅層體積比，電阻率為0.024 98 Ω·mm2/m。目前低壓成套設備中應用的銅鋁復合母線采用熱復合平立連軋直接成型工藝，具有20%銅層體積比，電阻率為0.025 54 Ω·mm2/m[9-10]。在兩種產品尺寸規(guī)格，加載電流以及綜合散熱系數均相同的情況下，由式(2)計算出兩種產品的溫升比值為

(3)

計算得出新工藝下銅鋁復合母線的溫升較現有產品降低2.2%。

1.3 銅鋁復合母線替換銅母線截面比計算

設導體厚度為a，寬度為h，截面積S=a×b，散熱表面積A=2(a+h)L，銅母線溫升τWT與銅鋁復合母線溫升τWTL為

(4)

(5)

銅母線電阻率為0.017 77 Ω·mm2/m,選取100×10與60 ×6兩種規(guī)格，依據式(4)和式(5)計算，當τWT=τWTL時，分別擬合銅鋁復合母線寬度增加比與厚度增加比如圖1和圖2所示。

圖1 100 ×10截面增加比

圖2 60 ×6截面增加比

為計算方便，將趨膚系數Kf視為常數，銅鋁復合母線的散熱系數大于銅母線。為了計算的可靠性，將銅母線的散熱系數和銅鋁復合母線的散熱系數視為相等，均為常數[9]。這樣計算出來的截面比將比實驗值大。

理論上只要銅鋁復合母線的寬度增加比與厚度增加比符合上述曲線關系，在溫升性能上，就滿足替換銅母線的要求。其中保持銅鋁復合母線厚度不變，只增加寬度，最節(jié)省材料。

2 溫升試驗

溫升試驗目的是研究新工藝對銅鋁復合母線溫升的影響，分析銅鋁復合母線溫升與導體截面變化規(guī)律，驗證相同溫升下銅鋁復合母線與銅母線截面比關系。

為保障溫升試驗數據的準確性與可靠性，溫升實驗回路為“引出排+試驗樣品”[11]，測量點為試驗母線三相的進線端，中間端與出線端，每個測量點放置兩個T型熱電偶，采用溫升數據采集系統，間隔15 min采集一次。每個測量點的溫升在1 h內變化不超過1 K，可以認為溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)[12]。計算穩(wěn)定狀態(tài)下所有測量點的平均溫升值，即為試驗母線的最終溫升。

2.1 新工藝對銅鋁復合母線溫升的影響

選擇60×5與120×8兩種不同生產工藝的銅鋁復合母線，分別加載425A與1350A的電流[11-13]，在相同環(huán)境下進行溫升試驗，試驗結果如表1所示。

表1 不同生產工藝下對銅鋁復合母線的溫升

表2 不同規(guī)格銅鋁復合母線溫升數據

表3 銅鋁復合母線與銅母線溫升結果對比

由表1可知，新工藝下銅鋁復合母線溫升降低3%以上，高于上述理論計算值。其原因是理論計算中沒有考慮產品工藝的差異對銅鋁復合母線散熱過程的影響，導致理論計算值與試驗結果有所偏差。

2.2 銅鋁復合母線溫升隨截面變化規(guī)律

銅鋁復合母線規(guī)格按寬度變化選取120×12、80×12、100×12規(guī)格，按厚度變化選取120×8、120×10、120×12規(guī)格，分別加載1 350 A的實驗電流，實驗數據如表2所示。依照表2畫出銅鋁復合母線溫升隨截面變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 溫升隨截面變化規(guī)律

由圖3可知，當銅鋁復合母線寬度保持不變，厚度增加20%與25%時，溫升分別降低2.36 K與5.66 K；當厚度保持不變，寬度增加20%與25%時，溫升分別降低6.9 K與9.19 K。相同比例寬度變化比相同比例厚度變化對溫升的影響大，主要由于導體寬度變化更大程度改變了導體有效散熱面積[14-15]。

相同截面積下，銅鋁復合母線寬度與厚度比增大2.25倍時，溫升降低8.07 K；寬度與厚度比增大1.44倍時，溫升降低4.54 K。截面不變的情況下，增大銅鋁復合母線的寬度與厚度比值能有效增加導體的散熱面積，有利于導體溫升的降低。

2.3 相同溫升下銅鋁復合母線截面增加比

為驗證上述計算的正確性，選擇銅母線規(guī)格為100×10和60×6，銅鋁復合母線規(guī)格為120×10和60×8，分別加載1 350 A與630 A電流進行溫升試驗，試驗結果如表3所示。

由表3可知，銅鋁復合母線寬度增加20%時，溫升較銅母線降低0.58 K；銅鋁復合母線厚度增加33%，溫升較銅母線高0.15 K。銅鋁復合母線與銅母線溫升差值均在1 K以內，在溫升性能上滿足替換銅排的要求[16]。銅鋁復合母線寬度增加20%較理論計算值19.45%偏大，實驗溫升比銅母線低，滿足替換要求。厚度增加33%較理論計算值36.1%偏低，原因是計算中將銅鋁復合母線與銅母線的散熱系數視為相等，在實際中銅鋁復合母線的散熱系數大于銅母線，導致計算結果偏高。受制于銅鋁復合母線生產加工尺寸，導致圖1與圖2中曲線關系無法驗證，但可作為企業(yè)生產選型參考。

3 結束語

新工藝下銅鋁復合母線溫升降約低3%，生產工藝的發(fā)展有利于提高產品的溫升性能；在截面積不變的情況下，增加銅鋁復合母線的寬度與厚度比值能有效降低溫升；銅鋁復合母線可以通過增加截面比達到銅母線的溫升水平，其中銅鋁復合母線的厚度保持不變，寬度增加20%或者寬度保持不變，厚度增加33%，滿足替換銅母線的要求。

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Study for Temperature Rise of TLF Bus Bar Based on New Process

WANG Yang1，CHEN Jianbing2，LI Yaxing1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China;2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063,China)

With this new process used in the TLF bus bar, TLF bus bar on the new process instead of copper bus bar under the technical parameters required to meet the proposed requirements. In this paper the experimental studies of the impact of new process on the TLF bus bar temperature rise, and the relationship of temperature rise and cross-sectional area on the TLF bus bar under the same current specification. It analyzes the TLF bus bar instead of copper bus bar should meet a cross-section than the relationship. The results show that TLF bus bar temperature rise under the new process is reduced by 3%; TLF bus bar could be an effective alternative to copper bus bar when its width is increased by 20% or the thickness is increased by 33%.

TLF bus bar；new process；copper bus bar；temperature rise

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.049

2016- 02- 28

滬江基金資助項目(B1402/D1402)

汪洋(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。陳建兵(1965-)，男，教授。研究方向：低壓電器與成套產品認證與檢測。

TN304

A

1007-7820(2016)12-180-03