Tính toán độ tăng nhiệt độ của thanh cái: Công thức, ví dụ, giới hạn IEC và UL

Trong quá trình kiểm tra độ tăng nhiệt độ định kỳ, một tổng đài 2000 A không thành công do thanh cái chính của nó đạt tới 112 K so với nhiệt độ xung quanh - vượt quá giới hạn 7 K. Kích thước dây dẫn đã được sao chép từ một thiết kế trước đó chạy mát hơn. Sự khác biệt không phải là tải trọng; đó là sự cân bằng nhiệt được thiết lập bởi hệ thống thông gió của vỏ, lựa chọn vật liệu và hình dạng dây dẫn.

Sự tăng nhiệt độ kiểm soát mức định mức liên tục của thanh cái, tuổi thọ của lớp cách điện và độ an toàn của các mối nối bu lông. Bài viết này giải thích cách tính độ tăng nhiệt độ của thanh cái từ cân bằng nhiệt, trình bày ví dụ về thiết kế 2000 A và tóm tắt các giới hạn trong IEC 61439-1 và UL 891.

Bắt đầu với Cân bằng nhiệt ở trạng thái ổn định

Ở trạng thái ổn định, thanh cái đạt đến nhiệt độ ổn định khi nhiệt sinh ra bởi điện trở của chính nó bằng với nhiệt thải ra môi trường xung quanh. Nói tóm lại: một thanh cái không có định mức cố định duy nhất; nó có đường cong tăng nhiệt độ thay đổi theo môi trường làm mát.

Nhiệt sinh ra là nhiệt Joule: Q_gen = I2 × R_ac .

Nhiệt lượng bị thải ra do đối lưu và bức xạ: Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ -T _a ⁴ ) .

Đối với công việc thiết kế, cả hai đường tổn thất được kết hợp thành hệ số h tương đương, cho:

ΔT = (I² × R_ac) / (h × S)

ở đâu:

I - Dòng điện RMS (A)
R_ac - Điện trở AC ở nhiệt độ hoạt động (Ω)
h - hệ số đối lưu và bức xạ tổng hợp (W/m2·K)
S - diện tích bề mặt làm mát hiệu quả (m2)
ΔT - nhiệt độ tăng cao hơn môi trường xung quanh (K)

Mối quan hệ là bậc hai: nếu dòng điện tăng gấp đôi thì tổn thất tăng gấp bốn lần. Một thanh luôn mát ở 800 A có thể quá nóng ở 1250 A trong cùng một tủ.

Độ tăng nhiệt độ so với dòng điện đối với thanh đồng 160 × 10 mm

Công thức định cỡ thực tế

Để ước tính nhanh, các kỹ sư sắp xếp lại cân bằng nhiệt thành dạng khuếch đại:

Tôi = K × √(A × ΔT)

trong đó A là tiết diện tính bằng mm2, ΔT là mức tăng cho phép của K và K là hằng số thực nghiệm bao gồm điện trở suất, độ hoàn thiện bề mặt và độ thông gió. Phần tối thiểu là:

A = I² / (K² × ΔT)

Giá trị K theo kinh nghiệm cho I = K·√(A·ΔT) với A tính bằng mm² và ΔT tính bằng K. Giá trị thấp hơn phù hợp với các tổ hợp có thông gió kém.
Sắp xếp	Đồng (K)	Nhôm (K)
Thanh đơn trong không khí tự do	13-11	8,5-10
Quầy bar trong một khu vực thông gió	11-9	7-8,5
Thanh trong một bao vây kín hoặc không được thông gió	7-9	5,5-7

Hãy coi các hằng số này là điểm khởi đầu. Thiết kế cuối cùng phải được xác minh bằng tính toán hoặc thử nghiệm điển hình, đặc biệt là trong các cụm lắp ráp nhỏ gọn.

Ví dụ đã hoạt động: 2000 Một thanh cái bằng đồng

Kích thước thanh cái của bảng phân phối LV 2000 A với mức tăng cho phép là 40 K bên trong vỏ được thông gió.

Bước 1 - Chọn hằng số vật liệu

Đối với đồng đặt trong vỏ có thông gió lấy K = 8,5 (trung bình).

Bước 2 - Tính toán mặt cắt tối thiểu

A = 2000 2 / (8,5 2 × 40) = 4.000.000 / 2890 = 1384 mm 2

Bước 3 - Chọn thanh tiêu chuẩn

Thanh 160 × 10 mm cho 1600 mm2, cao hơn mức tối thiểu khoảng 16%. Thanh 125 × 12 mm (1500 mm²) cũng phù hợp với nhiều bố cục bảng điều khiển.

Bước 4 - Xác minh mức tăng nhiệt độ thu được

ΔT = (2000 / 8,5)2 / 1600 = 34,6 K , dưới giới hạn 40 K. Ở 2400 A, thanh tương tự tăng lên 49,8 K - vượt quá giới hạn. 20% dòng điện cuối cùng sẽ làm nhiệt độ tăng thêm khoảng 44%.

Đồng và nhôm: Những thay đổi trong tính toán

Lựa chọn vật liệu thay đổi K và do đó thay đổi phần vật lý. Nhôm có điện trở suất cao hơn đồng khoảng 64%, vì vậy nó cần tiết diện gấp khoảng 1,6 đến 1,7 lần để có cùng dòng điện và độ tăng. Đổi lại, nó nặng hơn khoảng 70%, giúp giảm tải trọng hỗ trợ và có thể bù đắp cho giá thành phần lớn hơn trong thời gian dài.

So sánh vật liệu cho cùng một mức tăng hiện tại và nhiệt độ. Nhôm giúp tiết kiệm trọng lượng nhưng đòi hỏi phải có tiết diện lớn hơn và chuẩn bị mối nối cẩn thận.
Tài sản	đồng	Nhôm
Điện trở suất ở 20 °C (Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
Hệ số nhiệt độ (1/K)	0.00393	0.00403
Độ khuếch đại tương đối ở cùng một mặt cắt	1.00	~0,78
Mặt cắt cần thiết cho cùng một cường độ	đường cơ sở	~1,6 lần
Trọng lượng cho cùng một cường độ	đường cơ sở	~50% ít hơn

Đối với ví dụ 2000 A, 40 K, nhôm cần khoảng 2367 mm2, thường là hai thanh 100 × 12 mm mỗi pha. Các mối nối nhôm cũng cần chuẩn bị bề mặt cẩn thận vì màng oxit bề mặt tăng thêm khả năng chống tiếp xúc và tạo ra các điểm nóng.

Mặt cắt yêu cầu cho 2000 A ở mức tăng 40 K

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

Thanh cái hình ống hợp kim nhôm-magiê cho trạm điện áp cao Dòng thanh cái hình ống này bao gồm nhiều hợp kim và cấp điện áp lên đến 1000 kV, khiến nó trở thành lựa chọn thiết thực khi định cỡ dây dẫn cho các trạm biến áp ngoài trời dòng điện cao, nơi cả giới hạn nhiệt và độ bền cơ học đều quan trọng. Xem sản phẩm →

Nhôm cũng được sử dụng phổ biến làm dây dẫn ống trong các trạm biến áp ngoài trời. Logic nhiệt là như nhau, nhưng một ống có bề mặt làm mát trên mỗi đơn vị tiết diện ít hơn so với thanh phẳng, do đó lựa chọn thanh cái hình ống hợp kim nhôm phù hợp bắt đầu với mức tăng nhiệt độ cho phép và sau đó xem xét độ bền cơ học.

Hiệu ứng da và hình dạng của thanh

Ở tần số 50/60 Hz, điện trở AC vượt quá điện trở DC vì dòng điện tập trung về phía bề mặt. Một thanh mỏng rộng như 160 × 10 mm có tỷ lệ AC-DC tốt hơn thanh 50 × 32 mm của cùng một tiết diện, vì có nhiều vật liệu nằm gần bề mặt làm mát hơn.

Giữ tỷ lệ chiều rộng trên chiều dày trên 10:1 nếu có thể. Đối với nhiều thanh trong mỗi pha, hãy đặt chúng cách nhau ít nhất một độ dày thanh để mỗi bề mặt có thể tản nhiệt.

Nhiệt độ môi trường xung quanh, vỏ bọc và giảm tải

Nhiệt độ tăng lên là một sự khác biệt, trong khi xếp hạng cách nhiệt và thiết bị là nhiệt độ tuyệt đối. Mức tăng 40 K là an toàn ở môi trường xung quanh 35 °C nhưng không được chấp nhận ở môi trường xung quanh 45 °C. Luôn chuyển đổi mức tăng cho phép thành nhiệt độ tuyệt đối của dây dẫn: T = T_môi trường ΔT .

Các hệ số suy giảm gần đúng được áp dụng cho xếp hạng không khí tự do. Nhân độ khuếch đại không khí tự do với hệ số liên quan.
tình trạng	Hệ số suy giảm
Vỏ thông gió	0,85-0,92
Bao vây kín (không thông gió)	0,70-0,80
Môi trường xung quanh 40 °C thay vì 35 °C	0,93-0,98
Độ cao 2000 m	~0,95

Thiết kế vỏ bọc gây ra nhiều hư hỏng hơn so với việc tính toán dây dẫn. Một tủ IP54 kín có thể giảm định mức 20-30% so với không khí tự do vì đối lưu gần như biến mất.

Đối lưu - 70%
Bức xạ - 22%
Hỗ trợ - 8%

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

Busway điện được bao bọc hoàn toàn với dòng điện cao Do thiết kế vỏ bọc có thể giảm cường độ dòng điện từ 20–30%, thanh cái do nhà máy sản xuất này cung cấp mức tăng nhiệt độ đã được thử nghiệm và định mức lên tới 6300 A, loại bỏ phỏng đoán khi lắp đặt trong môi trường IP54 hoặc kín. Xem sản phẩm →

Một đường dẫn do nhà máy xây dựng với vỏ bọc đã biết và độ tăng nhiệt đã được thử nghiệm sẽ loại bỏ phần lớn phỏng đoán này; xếp hạng danh mục của nó đã phản ánh một thử nghiệm nhiệt xác định.

Tiêu chuẩn và giới hạn tăng nhiệt độ cho phép

Hầu hết các thông số kỹ thuật của thiết bị đóng cắt đều trích dẫn IEC 61439-1 hoặc UL 891. Cả hai đều xác minh mức tăng nhiệt độ trên sản phẩm đã lắp ráp chứ không phải trên dây dẫn trần. Các giá trị dưới đây là các giới hạn thường được sử dụng; phiên bản hợp đồng của tiêu chuẩn được ưu tiên.

Giới hạn tăng nhiệt độ được tham chiếu phổ biến cho các hệ thống thanh cái bên trong. Xác minh theo tiêu chuẩn dự án.
Tiêu chuẩn	thành phần	Giới hạn điển hình
IEC 61439-1	Thiết bị đầu cuối cho dây dẫn bên ngoài	70 K
IEC 61439-1	Kết nối nội bộ bằng đồng trần	105K
IEC 61439-1	Kết nối bên trong bằng nhôm trần	90K
UL 891	Thanh cái chính trong tủ điện	65 K

Khi dây dẫn được cách điện, giới hạn tăng giảm do vật liệu cách điện có nhiệt độ hoạt động liên tục tối đa. Sau đó, việc kiểm tra nhắm vào điểm nóng ở bề mặt cách điện của dây dẫn và độ dày lớp cách điện trở thành một phần của điện trở nhiệt.

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

Thanh cái hình ống đúc bằng nhựa Epoxy có lớp cách nhiệt tích hợp Lớp cách nhiệt và tấm chắn đúc một lần của sản phẩm này giải quyết điểm nóng ở giao diện dây dẫn-cách điện; cấu trúc chống cháy, có tuổi thọ cao của nó phù hợp với các ứng dụng trong đó cả nhiệt độ dây dẫn liên tục và nhiệt độ bề mặt đều cần được xác minh. Xem sản phẩm →

Thanh cái hình ống cách nhiệt hoàn toàn do đó cần hai lần kiểm tra: nhiệt độ dây dẫn và nhiệt độ bề mặt bên ngoài. Đối với các điều kiện ngắn mạch, phép tính liên tục này không được áp dụng - thay vào đó hãy sử dụng phương trình đoạn nhiệt cho khả năng chịu sự cố.

Những lỗi tính toán phổ biến cần tránh

Sử dụng điện trở DC thay vì điện trở AC - hiệu ứng da và vùng lân cận làm mất thêm 10-30% ở các thanh lớn.
Áp dụng xếp hạng không khí tự do cho thanh cái kèm theo - vỏ bọc kín làm giảm đánh giá 20-30%.
Bỏ qua cơ sở môi trường xung quanh - mức tăng 90 K là phù hợp ở 35 °C nhưng vượt quá nhiều giới hạn cách nhiệt ở 50 °C.
Lãng quên hòa âm - sóng hài gấp ba lần làm tăng dòng điện RMS và làm nóng vượt quá giá trị cơ bản.
Định cỡ theo tải danh nghĩa thay vì tải dự phòng - luôn kiểm tra dòng điện vận hành đáng tin cậy cao nhất.
Bỏ qua các khớp và đầu cuối - mối nối bu lông kém bị hỏng trước khi dây dẫn chính bị hỏng.

Câu hỏi thường gặp

Làm thế nào để bạn tính toán mức tăng nhiệt độ của thanh cái?

sử dụng ΔT = (I/K)2/A hoặc cân bằng nhiệt ΔT = I2R/(hS) , sau đó so sánh kết quả với giới hạn tiêu chuẩn áp dụng cho thành phần đó.

Độ tăng nhiệt độ cho phép của thanh cái là bao nhiêu?

IEC 61439-1 thường cho phép 105 K đối với các kết nối bên trong bằng đồng trần; UL 891 nghiêm ngặt hơn đối với thanh cái tổng đài ở nhiệt độ 65 K. Thay vào đó, dây dẫn cách điện tuân theo cấp nhiệt độ cách điện.

Nhôm có chạy nóng hơn đồng ở cùng một dòng điện không?

Với cùng một mặt cắt ngang và hiện tại, vâng. Nhôm cần tiết diện đồng gấp khoảng 1,6 lần để đạt được mức tăng nhiệt độ ở trạng thái ổn định tương tự.

Nhiệt độ môi trường nào nên được sử dụng trong tính toán?

sử dụng 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.

Việc tính toán độ tăng nhiệt độ của thanh cái không mang tính học thuật. Nó quyết định liệu một tổng đài có vượt qua bài kiểm tra loại hay không, liệu thanh cái có mang dòng điện trên bảng tên vào một buổi chiều nóng bức hay không và liệu lớp cách nhiệt có bị lão hóa sớm hay không. Tính toán ở dòng điện đáng tin cậy cao nhất, áp dụng mức giảm điện áp thực tế của vỏ và chọn dây dẫn có vật liệu và tiết diện phù hợp với môi trường nhiệt.

Khi ứng dụng liên quan đến dòng điện cao hoặc không gian hạn chế, nhà sản xuất có các sản phẩm thanh cái và thanh cái đã được kiểm tra điển hình có thể cung cấp cả phần cứng và tài liệu nhiệt hỗ trợ.