降低銅母線溫升方法的研究

李亞星，陳建兵，忻尚芝，宋小蘭，汪 洋

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海電器科學(xué)研究院，上海 200063)

降低銅母線溫升方法的研究

李亞星1，陳建兵2，忻尚芝1，宋小蘭2，汪 洋1

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海電器科學(xué)研究院，上海 200063)

銅母線作為輸配電行業(yè)中最為普遍的導(dǎo)電材料，當(dāng)銅母線在密閉悶熱條件下溫度會(huì)較高，銅母線溫度過高會(huì)影響銅母線的導(dǎo)線性能和機(jī)械強(qiáng)度，引發(fā)安全事故。針對(duì)這一現(xiàn)象，文中主要研究了降低銅母線的溫升方法，降低溫升的方法眾多，研究了風(fēng)速對(duì)銅母線溫升的影響，并結(jié)合理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論。結(jié)果表明，風(fēng)速對(duì)銅母線溫升的影響較大，且低風(fēng)速即約0.5 m/s的風(fēng)速便可顯著降低銅母線溫升。

銅母線；風(fēng)速；溫升值

對(duì)于載流部件而言，焦耳熱是引起部件發(fā)熱的主要因素，當(dāng)部件的發(fā)熱功率與散熱功率平衡時(shí)，部件會(huì)獲得一個(gè)穩(wěn)定的溫度值，這個(gè)溫度值與環(huán)境溫度的差值即是部件的溫升值。在工業(yè)供電系統(tǒng)中，銅母線作為電流傳輸?shù)闹匾考?，其性能的?yōu)劣直接決定了供電系統(tǒng)的安全性能，而判斷銅母線性能的好壞，其中最主要的一個(gè)直觀因素就是銅母線的表面溫度，當(dāng)銅母線溫度過高時(shí)，銅母線材料的導(dǎo)電性能會(huì)受到影響，從而影響銅母線的載流能力，當(dāng)銅母線超負(fù)荷載流運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，極易引發(fā)銅母線溫度持續(xù)過熱，從而損毀銅母線，造成斷電事故[6-7]。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，如何在密閉、悶熱環(huán)境下降低銅母線的表面溫度是必須要妥善考慮的問題，降低銅母線溫度的方法有多種，如何在不影響銅母線載流能力的同時(shí)又能有效降低銅母線溫升的方法就是通過安裝一定的通風(fēng)設(shè)備來有效增加銅母線的散熱能力，從而降低斷路器的溫升，避免銅母線因過熱而損毀的情況發(fā)生。本文主要研究在銅母線周圍裝加風(fēng)扇來增加銅母線的散熱能力，運(yùn)用理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的思路來研究風(fēng)速對(duì)銅母線溫升的影響[3]。

1 高溫對(duì)銅母線性能的影響

電器中損耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱能，其中一部分散失在周圍介質(zhì)中，另一部分則用以加熱電器，使之升溫。

金屬載流體銅母線的溫度超過某一極限值后，機(jī)械強(qiáng)度明顯降低。輕則發(fā)生形變，影響電器的正常運(yùn)行；重則使電器損壞，以致影響其所在系統(tǒng)的工作。此外，與銅母線聯(lián)結(jié)或相鄰的非載流體亦將不同程度地受損。材料的機(jī)械強(qiáng)度開始明顯降低的溫度稱為軟化點(diǎn)。例如，長(zhǎng)期加熱時(shí)，銅材的軟化點(diǎn)為100～200 ℃。顯然，電器中未絕緣的裸露銅母線的極限允許溫度應(yīng)低于其軟化點(diǎn)，即不應(yīng)超過100 ℃[1-2]。

2 風(fēng)速對(duì)銅母線溫升的理論計(jì)算

銅母線中損耗的能量轉(zhuǎn)換為熱能后，有一部分是通過傳導(dǎo)，對(duì)流和熱輻射3種方式散失到周圍介質(zhì)中；剩余的一部分則用于加熱銅母線本身，使銅母線溫度升高，當(dāng)銅母線的發(fā)熱功率與散熱功率相平衡后，銅母線會(huì)趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度值[11]。

因此根據(jù)功率平衡原則，計(jì)算通入一定電流后銅母線的溫升值，如式(1)所示

(1)

式(1)中,ΔTs為銅母線溫升值(K)；Te為環(huán)境溫度(℃)；α為銅溫阻系數(shù)(K-1)；R0為銅母線電阻(Ω)；B為銅母線周長(zhǎng)(m)；l為銅母線長(zhǎng)度(m)；σ為玻爾茲曼常數(shù)(W·m-2·K-4)；ε為銅導(dǎo)體輻射率；λ為銅導(dǎo)熱率(W/(m·K))；Dh為銅母線高度(m)；Nu為怒塞爾數(shù)[14-15]。

對(duì)于自然對(duì)流，室內(nèi)一般情況下的觸頭和接線端子的努塞爾數(shù)為

Nu=0.8(GrPr)0.05+0.35(GrPr)0.27

(2)

(3)

式(2)～式(3)中，Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；M為30℃下為空氣密度(kg·m-3)；β為空氣壓縮系數(shù)(K-1)；g為重力加速度(m·s-2)；Cp為常溫下空氣比熱(J·kg-1·K-1)；ud為空氣動(dòng)態(tài)粘滯度(Pa·s)。

在強(qiáng)制對(duì)流情況下,宜使用式(4)計(jì)算努塞爾系數(shù)

(4)

(5)

式(4)～式(5)中，RE為雷諾數(shù)；V為風(fēng)速(m/s)[5]。

本次理論計(jì)算選用了長(zhǎng)度3 m的10 mm×100 mm和8 mm×100 mm兩種規(guī)格的銅母線并分別通入1 350 A的交流電，并運(yùn)用式(1)進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算需運(yùn)用試值法進(jìn)行計(jì)算，即先行假定一個(gè)銅母線的溫升值，并將此值帶入式(1)右邊進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)?shù)贸鲎筮叺臏厣蹬c先前假定的溫升值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者之間的差值<1℃時(shí)，即認(rèn)為先前假定的溫升值為銅母線計(jì)算后的穩(wěn)定溫升值[10]。

通過計(jì)算得出自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流不同風(fēng)速時(shí)銅母線溫升，如圖1所示。

圖1 不同風(fēng)速對(duì)銅母線溫升的理論計(jì)算

風(fēng)速對(duì)溫升的影響較大，在強(qiáng)迫對(duì)流下，銅母線的溫升下降的較為明顯；風(fēng)速對(duì)溫升的影響不是線性關(guān)系，隨著風(fēng)速的增加曲線漸漸變緩；不同尺寸的銅母線加載相同電流溫升有差異，隨著風(fēng)速的加大兩者差距越來越小，且銅母線溫升對(duì)風(fēng)速敏感，在低風(fēng)速下銅母線溫升就可得到顯著下降[12-13]。

3 銅母線試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，還需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證在自然對(duì)流情況下即風(fēng)速0 m/s時(shí)，銅母線在承載1 350 A的電流時(shí)的溫升情況。銅母線溫升試驗(yàn)在普通試驗(yàn)室進(jìn)行，對(duì)10 mm×100 mm和8 mm×100 mm的兩種規(guī)格銅母線通入1 350 A的電流，當(dāng)銅母線溫度達(dá)到穩(wěn)定后即1 h內(nèi)溫度變化<1 K即可認(rèn)為銅母線溫度達(dá)到溫度狀態(tài)，此時(shí)用熱電偶測(cè)量銅母線前端，中端和后端3處溫度值，并同時(shí)測(cè)量此時(shí)的環(huán)境溫度值，計(jì)算出銅母線3處的溫升值并計(jì)算平均溫升值，此值即為銅母線在穩(wěn)定狀態(tài)下的溫升值，溫升數(shù)據(jù)如表1所示[8-9]。

表1 自然對(duì)流下(風(fēng)速0 m/s)銅母線試驗(yàn)溫升與計(jì)算溫升對(duì)比

表2 某型號(hào)萬能式斷路器的無風(fēng)試驗(yàn)和恒溫箱中模擬 有風(fēng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由表1所示，此時(shí)銅母線溫升試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)差距較小，誤差基本在允許接受的范圍內(nèi)，因此一定程度上驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性以及實(shí)用性。

4 銅母線應(yīng)用試驗(yàn)

此次試驗(yàn)是銅母線在萬能式斷路器上的應(yīng)用試驗(yàn)，選取某品牌萬能式斷路器按照GB14048.2進(jìn)行安裝，分別在常溫下和在充斥一定風(fēng)速內(nèi)的恒溫箱中進(jìn)行溫升試驗(yàn)，驗(yàn)證在實(shí)際應(yīng)用情況下，風(fēng)速能否有效降低銅母線溫升。此次試驗(yàn)用熱電偶測(cè)量萬能式斷路器與銅母線相連的接線端子處溫度，待測(cè)量溫度達(dá)至穩(wěn)定狀態(tài)后記錄下此時(shí)接線端子的溫度數(shù)據(jù)與環(huán)境溫度，兩者之間的差值就是銅母線上的溫升數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表2所示[4]。

由表2所示，此次萬能式斷路器在恒溫箱中模擬有風(fēng)情況下(風(fēng)速約為0.3～0.4 m/s之間)的試驗(yàn)結(jié)果基本符合預(yù)期，在有風(fēng)情況下，銅母線溫度均有較大程度的降低，幅度平均約為11 K。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過以上理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了風(fēng)速對(duì)銅母線的溫升影響較大，尤其是在低風(fēng)速下即約0.5 m/s時(shí)便可大幅降低銅母線的溫升，一般可顯著降低銅母線溫升約10 K，同樣的在銅母線應(yīng)用試驗(yàn)中也證明了風(fēng)速對(duì)銅母線與與之相連的萬能式斷路器接線端子處的溫升也影響巨大，在風(fēng)速約為0.4 m/s時(shí)即可降低萬能式斷路器接線端子處溫升約11 K。在密閉、悶熱環(huán)境處可通過排風(fēng)等有效降低銅母線表面處的溫度，以提升銅母線在高溫環(huán)境下的載流能力、利用效率以及安全性能。

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Study for Reduction of Copper Temperature Method

LI Yaxing1，CHEN Jianbing2，XIN Shangzhi1，SONG Xiaolan2，WANG Yang1

(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)

Copper bus as the most common conductive material in the transmission and distribution industry,when copper bus bar in confined conditions ,which will be extremely hot, and its temperature will affect the performance and mechanical strength of the copper wire bus,even cause accidents.In response to this phenomenon, this paper studies the way of reducing the temperature rise of copper bus bar.There are many ways to reduce the temperature rise, this paper studies the influence of wind speed on the copper bus bar temperature rise, and combined with theoretical calculations and experimental verification of results.The results show that wind speed has a great impact on the temperature rise of copper bus bar and low wind speed that is about 0.5 m / s wind speed can significantly reduce the temperature rise.

cooper bus bar; wind speed; temperature rise

2016- 04- 17

滬江基金資助項(xiàng)目(B1402/D1402)

李亞星(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。陳建兵(1965-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。研究方向：低壓電器與成套產(chǎn)品認(rèn)證與檢測(cè)。忻尚芝(1965-)，女，副教授。研究方向：電氣工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.019

TN304

A

1007-7820(2017)03-070-03