Kiskojen lämpötilan nousun laskenta: kaava, esimerkki, IEC- ja UL-rajat

Rutiininomaisen lämpötilan nousutestin aikana 2000 A:n kytkintaulu epäonnistui, koska sen päävirtakisko saavutti 112 K ympäristön yläpuolella - 7 K yli rajan. Johtimen koko oli kopioitu aikaisemmasta mallista, joka oli viileämpi. Ero ei ollut kuorma; se oli lämpötasapaino, jonka määräsi kotelon ilmanvaihto, materiaalivalinta ja johtimen muoto.

Lämpötilan nousu ohjaa virtakiskon jatkuvaa tehoa, sen eristeen käyttöikää ja ruuviliitosten turvallisuutta. Tässä artikkelissa selitetään virtakiskon lämpötilan nousulaskelma lämpötaseesta, esitetään 2000 A:n suunnitteluesimerkki ja esitetään yhteenveto IEC 61439-1:n ja UL 891:n rajoista.

Aloita tasaisen tilan lämpötasapainosta

Vakaassa tilassa virtakisko saavuttaa vakaan lämpötilan, kun sen oman vastuksen tuottama lämpö on yhtä suuri kuin ympäristöön hylätty lämpö. Lyhyesti: virtakiskolla ei ole yhtä kiinteää arvoa; siinä on lämpötilan nousukäyrä, joka muuttuu jäähdytysympäristön mukaan.

Tuotettu lämpö on Joule-lämmitystä: Q_gen = I² × R_ac .

Hylätty lämpö lähtee konvektiolla ja säteilyllä: Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ - T _a ⁴ ) .

Suunnittelutyössä molemmat häviöpolut yhdistetään ekvivalentiksi kertoimeksi h, jolloin saadaan:

ΔT = (I² × R_ac) / (h × S)

missä:

I - RMS-virta (A)
R_ac - AC-vastus käyttölämpötilassa (Ω)
h - yhdistetty konvektio- ja säteilykerroin (W/m²·K)
S - tehokas jäähdytyspinta-ala (m²)
ΔT - lämpötilan nousu yli ympäristön (K)

Suhde on neliö: jos virta kaksinkertaistuu, tappiot nelinkertaistuvat. Tanko, joka pysyy viileänä 800 A:lla, voi ylikuumentua 1250 A:lla samassa kaapissa.

160 × 10 mm kuparitangon lämpötilan nousu vs. virta

Käytännön mitoituskaava

Nopeaa arviointia varten insinöörit järjestävät lämpötasapainon uudelleen kapasiteettimuotoon:

I = K × √(A × ΔT)

missä A on poikkileikkaus mm²:ssä, ΔT on K:n sallittu nousu ja K on empiirinen vakio, joka yhdistää ominaisvastuksen, pinnan viimeistelyn ja ilmanvaihdon. Pienin osa on:

A = I² / (K² × ΔT)

Empiiriset K-arvot arvolle I = K·√(A·ΔT), kun A on mm² ja ΔT K. Alemmat arvot sopivat huonosti tuulettuviin kokoonpanoihin.
Järjestely	Kupari (K)	Alumiini (K)
Yksi baari vapaassa ilmassa	11-13	8.5-10
Baari tuuletetussa kotelossa	9-11	7-8.5
Tanko suljetussa tai tuulettamattomassa kotelossa	7-9	5,5-7

Käsittele näitä vakioita lähtökohtana. Varsinkin kompakteissa kokoonpanoissa lopullinen suunnittelu on varmennettava laskelmalla tai tyyppitestillä.

Toiminut esimerkki: 2000 A kuparikisko

Kokoa 2000 A LV-jakolevykisko, jonka sallittu nousu on 40 K tuuletetussa kotelossa.

Vaihe 1 - Valitse materiaalivakio

Kuparille tuuletetussa kotelossa ota K = 8,5 (keskialue).

Vaihe 2 - Laske pienin poikkileikkaus

A = 2000² / (8,5² × 40) = 4 000 000 / 2890 = 1384 mm²

Vaihe 3 - Valitse vakiopalkki

160 × 10 mm tanko antaa 1600 mm², noin 16 % yli minimin. 125 × 12 mm tanko (1500 mm²) sopii myös moniin paneeliasetelmiin.

Vaihe 4 - Tarkista tuloksena oleva lämpötilan nousu

ΔT = (2000 / 8,5)² / 1600 = 34,6 K , alle 40 K rajan. 2400 A:lla sama palkki nousee 49,8 K -rajan yli. Virran viimeiset 20 % lisää lämpötilan nousua noin 44 %.

Kupari vs alumiini: mikä muuttuu laskennassa

Materiaalivalinta muuttaa K:tä ja siten fyysistä leikkausta. Alumiinilla on noin 64 % suurempi ominaisvastus kuin kuparilla, joten se tarvitsee noin 1,6-1,7 kertaa poikkileikkauksen samalle virralle ja nousulle. Vastineeksi se painaa noin 70 % vähemmän, mikä vähentää tukikuormia ja voi kompensoida suuremman osan hintaa pitkällä aikavälillä.

Materiaalivertailu samalle virran ja lämpötilan nousulle. Alumiini säästää painoa, mutta vaatii suurempia osia ja huolellista sauman valmistelua.
Omaisuus	Kupari	Alumiini
Resistanssi 20 °C:ssa (Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
Lämpötilakerroin (1/K)	0.00393	0.00403
Suhteellinen kapasiteetti samalla poikkileikkauksella	1.00	~0,78
Poikkileikkaus tarvitaan samaan kapasiteettiin	perusviiva	~1,6x
Paino samalla teholla	perusviiva	~50% vähemmän

Esimerkissä 2000 A, 40 K alumiini tarvitsee noin 2367 mm², tyypillisesti kaksi 100 × 12 mm tankoa vaihetta kohden. Alumiiniliitokset vaativat myös huolellista pintakäsittelyä, koska pinnan oksidikalvo lisää kosketusvastusta ja luo kuumia kohtia.

Vaadittu poikkileikkaus 2000 A:lle 40 K nousussa

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

Magnesium-alumiiniseoksesta valmistettu putkikisko korkeajänniteasemille Tämä putkimainen virtakiskolinja kattaa useita metalliseoksia ja jänniteluokkia aina 1000 kV asti, joten se on käytännöllinen valinta mitoitettaessa johtimia suurvirta-ulkoasemille, joissa sekä lämpörajoitukset että mekaaninen lujuus ovat tärkeitä. Näytä tuote →

Alumiini on myös yleinen putkijohtime ulkosähköasemilla. Lämpölogiikka on sama, mutta putkella on vähemmän jäähdytyspintaa poikkileikkausyksikköä kohti kuin litteällä tangolla, joten oikean alumiiniseoksen putkimaisen virtakiskon valitseminen alkaa sallitusta lämpötilan noususta ja ottaa sitten huomioon mekaanisen lujuuden.

Ihovaikutus ja tangon muoto

50/60 Hz:llä vaihtovirtavastus ylittää tasavirtaresistanssin, koska virta tunkeutuu pintaa kohti. Leveällä ohuella tangolla, kuten 160 × 10 mm, on parempi AC-DC-suhde kuin saman osan 50 × 32 mm:n tangolla, koska enemmän materiaalia jää lähelle jäähdytyspintaa.

Pidä leveys-paksuussuhde yli 10:1, mikäli mahdollista. Jos vaihetta kohden on useita tankoja, aseta ne vähintään yhden tangon paksuuden verran, jotta jokainen pinta voi haihduttaa lämpöä.

Ympäristön lämpötila, kotelot ja vähennys

Lämpötilan nousu on ero, kun taas eristys ja varusteluarvot ovat absoluuttisia lämpötiloja. 40 K:n nousu on turvallista 35 °C:n lämpötilassa, mutta ei hyväksyttävää 45 °C:n lämpötilassa. Muunna sallittu nousu aina absoluuttiseksi johtimen lämpötilaksi: T = T_ympäristön ΔT .

Likimääräiset vähennyskertoimet, joita on sovellettu free-air-luokituksiin. Kerro vapaan ilman tilavuus asiaankuuluvalla kertoimella.
Kunto	Alennustekijä
Ilmastoitu kotelo	0,85-0,92
Suljettu (ilmanvaihto) kotelo	0,70-0,80
Ympäristön lämpötila 40 °C 35 °C:n sijaan	0,93-0,98
Korkeus 2000 m	~0,95

Kotelon suunnittelu aiheuttaa enemmän vikoja kuin itse johdinlaskenta. Sinetöity IP54-kenno voi alentaa arvoa 20-30 % vapaaseen ilmaan verrattuna, koska konvektio melkein katoaa.

Konvektio - 70 %
Säteily - 22 %
Tukee - 8 %

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

Täysin suljettu tehoväylä korkealla virranmittauksella Koska kotelointirakenne voi vähentää kapasiteettia 20–30 %, tämä tehtaalla rakennettu väylä tarjoaa testatun lämpötilan nousun ja jopa 6300 A:n nimellisarvot, mikä poistaa arvailun IP54-asennuksista tai suljetuista ympäristöistä. Näytä tuote →

Tehtaalla rakennettu väylä, jossa on tunnettu kotelo ja testattu lämpötilan nousu, poistaa suuren osan tästä arvailusta; sen luetteloluokitus heijastelee jo määriteltyä lämpötestiä.

Vakioit ja sallitut lämpötilan nousurajat

Käytäimmat kojeiston tekniset tiedot viittaavat standardiin IEC 61439-1 tai UL 891. Molemmat varmistavat lämpötilan nousun kootussa tuotteessa, eivät paljaassa johtimessa. Alla olevat arvot ovat yleisesti käytettyjä rajoja; standardin sopimuspainos on etusijalla.

Yleisesti viitatut lämpötilan nousun rajat sisäisille kiskojärjestelmille. Tarkista projektistandardin mukainen.
Standard	Komponentti	Tyypillinen raja
IEC 61439-1	Liittimet ulkoisille johtimille	70 K
IEC 61439-1	Paljaat kupariset sisäliitännät	105 K
IEC 61439-1	Paljaat alumiiniset sisäliitännät	90 K
UL 891	Päävirtakiskot kytkintaulussa	65 K

Kun johdin on eristetty, nousuraja putoaa, koska eristemateriaalilla on maksimi jatkuva käyttölämpötila. Tarkastus kohdistuu sitten kuumaan kohtaan johtimen ja eristeen rajapinnassa, ja eristeen paksuudesta tulee osa lämpövastusta.

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

Epoksihartsivalettu putkimainen virtakisko integroidulla eristyksellä Tämän tuotteen yhdellä iskulla muotoiltu eristys ja suojaus osoittavat johtimen ja eristeen rajapinnan hotspotin; sen pitkäikäinen, paloa hidastava rakenne sopii sovelluksiin, joissa jatkuva johtimen lämpötila ja pintalämpötila vaativat todentamista. Näytä tuote →

Täysin eristetyt putkimaiset virtakiskot siksi tarvitaan kaksi tarkistusta: johtimen lämpötila ja ulkopinnan lämpötila. Oikosulkutilanteessa tämä jatkuva laskenta ei päde - käytä sen sijaan adiabaattista yhtälöä vikasietokyvylle.

Yleiset laskentavirheet vältettävät

DC-vastuksen käyttäminen AC-vastuksen sijaan - iho- ja läheisyysvaikutukset lisäävät 10-30% häviötä suurissa tankoissa.
Vapaan ilmaluokituksen soveltaminen suljettuun virtakiskoon - suljettu kotelo alentaa arvoa 20-30%.
Ympäristön perusteet huomioimatta - 90 K nousu on hyvä 35 °C:ssa, mutta ylittää monet eristysrajat 50 °C:ssa.
Unohdetaan harmoniset - Kolminkertaiset harmoniset nostavat RMS-virran ja lämmityksen perusarvon yli.
Mitoitus nimelliskuorman mukaan varakuorman sijaan - Tarkista aina suurin luotettava käyttövirta.
Liitokset ja päätteet huomioimatta - huono pulttiliitos rikkoutuu ennen pääjohdinta.

Usein kysytyt kysymykset

Miten lasket virtakiskon lämpötilan nousun?

Use ΔT = (I/K)²/A tai lämpötasapainosta ΔT = I²R/(hS) , vertaa sitten tulosta komponentille sovellettavaan standardirajaan.

Mikä on kiskon sallittu lämpötilan nousu?

IEC 61439-1 sallii tavallisesti 105 K paljaalle kupariselle sisäiselle liitännälle; UL 891 on tiukempi kojeistokiskoille 65 K:n jännitteellä. Eristetyt johtimet noudattavat sen sijaan eristyslämpötilaluokkaa.

Käykö alumiini kuumemmin kuin kupari samalla virralla?

Samalla poikkileikkauksella ja virralla kyllä. Alumiini tarvitsee noin 1,6 kertaa kuparin poikkileikkauksen saavuttaakseen saman vakaan lämpötilan nousun.

Mitä ympäristön lämpötilaa laskennassa tulee käyttää?

Käytä suurinta määritettyä ympäristöä, yleensä 35 °C tai 40 °C. Johtimen lämpötila on yhtä suuri kuin ympäristö plus laskettu nousu, ja molempien on pysyttävä materiaali- tai eristysrajojen sisällä.

Kiskojen lämpötilan nousulaskenta ei ole akateemista. Se päättää, läpäiseekö kytkintaulu tyyppitestin, kuljettaako väylä tyyppikilven virtaa kuumana iltapäivänä ja vanheneeko eristys ennenaikaisesti. Laske suurimmalla uskottavalla virralla, käytä realistista kotelon vähennystä ja valitse johdin, jonka materiaali ja poikkileikkaus sopivat lämpöympäristöön.

Kun sovellukseen liittyy suuria virtoja tai rajoitettu tila, valmistaja, jolla on tyyppitestatut virtakisko- ja väylätuotteet, voi toimittaa sekä laitteiston että niitä tukevan lämpödokumentaation.