降低铜母线温升方法的研究

李亚星，陈建兵，忻尚芝，宋小兰，汪 洋

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海电器科学研究院，上海 200063)

降低铜母线温升方法的研究

李亚星1，陈建兵2，忻尚芝1，宋小兰2，汪 洋1

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海电器科学研究院，上海 200063)

铜母线作为输配电行业中最为普遍的导电材料，当铜母线在密闭闷热条件下温度会较高，铜母线温度过高会影响铜母线的导线性能和机械强度，引发安全事故。针对这一现象，文中主要研究了降低铜母线的温升方法，降低温升的方法众多，研究了风速对铜母线温升的影响，并结合理论计算与试验验证结论。结果表明，风速对铜母线温升的影响较大，且低风速即约0.5 m/s的风速便可显著降低铜母线温升。

铜母线；风速；温升值

对于载流部件而言，焦耳热是引起部件发热的主要因素，当部件的发热功率与散热功率平衡时，部件会获得一个稳定的温度值，这个温度值与环境温度的差值即是部件的温升值。在工业供电系统中，铜母线作为电流传输的重要部件，其性能的优劣直接决定了供电系统的安全性能，而判断铜母线性能的好坏，其中最主要的一个直观因素就是铜母线的表面温度，当铜母线温度过高时，铜母线材料的导电性能会受到影响，从而影响铜母线的载流能力，当铜母线超负荷载流运行较长时间后，极易引发铜母线温度持续过热，从而损毁铜母线，造成断电事故[6-7]。

在实际应用过程中，如何在密闭、闷热环境下降低铜母线的表面温度是必须要妥善考虑的问题，降低铜母线温度的方法有多种，如何在不影响铜母线载流能力的同时又能有效降低铜母线温升的方法就是通过安装一定的通风设备来有效增加铜母线的散热能力，从而降低断路器的温升，避免铜母线因过热而损毁的情况发生。本文主要研究在铜母线周围装加风扇来增加铜母线的散热能力，运用理论计算与试验验证相结合的思路来研究风速对铜母线温升的影响[3]。

1 高温对铜母线性能的影响

电器中损耗的能量几乎全部转换为热能，其中一部分散失在周围介质中，另一部分则用以加热电器，使之升温。

金属载流体铜母线的温度超过某一极限值后，机械强度明显降低。轻则发生形变，影响电器的正常运行；重则使电器损坏，以致影响其所在系统的工作。此外，与铜母线联结或相邻的非载流体亦将不同程度地受损。材料的机械强度开始明显降低的温度称为软化点。例如，长期加热时，铜材的软化点为100～200 ℃。显然，电器中未绝缘的裸露铜母线的极限允许温度应低于其软化点，即不应超过100 ℃[1-2]。

2 风速对铜母线温升的理论计算

铜母线中损耗的能量转换为热能后，有一部分是通过传导，对流和热辐射3种方式散失到周围介质中；剩余的一部分则用于加热铜母线本身，使铜母线温度升高，当铜母线的发热功率与散热功率相平衡后，铜母线会趋于一个相对稳定的温度值[11]。

因此根据功率平衡原则，计算通入一定电流后铜母线的温升值，如式(1)所示

(1)

式(1)中,ΔTs为铜母线温升值(K)；Te为环境温度(℃)；α为铜温阻系数(K-1)；R0为铜母线电阻(Ω)；B为铜母线周长(m)；l为铜母线长度(m)；σ为玻尔兹曼常数(W·m-2·K-4)；ε为铜导体辐射率；λ为铜导热率(W/(m·K))；Dh为铜母线高度(m)；Nu为怒塞尔数[14-15]。

对于自然对流，室内一般情况下的触头和接线端子的努塞尔数为

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

(2)

(3)

式(2)～式(3)中，Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；M为30℃下为空气密度(kg·m-3)；β为空气压缩系数(K-1)；g为重力加速度(m·s-2)；Cp为常温下空气比热(J·kg-1·K-1)；ud为空气动态粘滞度(Pa·s)。

在强制对流情况下,宜使用式(4)计算努塞尔系数

(4)

(5)

式(4)～式(5)中，RE为雷诺数；V为风速(m/s)[5]。

本次理论计算选用了长度3 m的10 mm×100 mm和8 mm×100 mm两种规格的铜母线并分别通入1 350 A的交流电，并运用式(1)进行理论计算，计算需运用试值法进行计算，即先行假定一个铜母线的温升值，并将此值带入式(1)右边进行计算，当得出左边的温升值与先前假定的温升值进行对比，当两者之间的差值<1℃时，即认为先前假定的温升值为铜母线计算后的稳定温升值[10]。

通过计算得出自然对流与强制对流不同风速时铜母线温升，如图1所示。

图1 不同风速对铜母线温升的理论计算

风速对温升的影响较大，在强迫对流下，铜母线的温升下降的较为明显；风速对温升的影响不是线性关系，随着风速的增加曲线渐渐变缓；不同尺寸的铜母线加载相同电流温升有差异，随着风速的加大两者差距越来越小，且铜母线温升对风速敏感，在低风速下铜母线温升就可得到显著下降[12-13]。

3 铜母线试验验证

为了验证理论计算的正确性，还需进行试验验证在自然对流情况下即风速0 m/s时，铜母线在承载1 350 A的电流时的温升情况。铜母线温升试验在普通试验室进行，对10 mm×100 mm和8 mm×100 mm的两种规格铜母线通入1 350 A的电流，当铜母线温度达到稳定后即1 h内温度变化<1 K即可认为铜母线温度达到温度状态，此时用热电偶测量铜母线前端，中端和后端3处温度值，并同时测量此时的环境温度值，计算出铜母线3处的温升值并计算平均温升值，此值即为铜母线在稳定状态下的温升值，温升数据如表1所示[8-9]。

表1 自然对流下(风速0 m/s)铜母线试验温升与计算温升对比

表2 某型号万能式断路器的无风试验和恒温箱中模拟 有风试验对比结果

由表1所示，此时铜母线温升试验的数据与计算数据差距较小，误差基本在允许接受的范围内，因此一定程度上验证了理论计算的合理性以及实用性。

4 铜母线应用试验

此次试验是铜母线在万能式断路器上的应用试验，选取某品牌万能式断路器按照GB14048.2进行安装，分别在常温下和在充斥一定风速内的恒温箱中进行温升试验，验证在实际应用情况下，风速能否有效降低铜母线温升。此次试验用热电偶测量万能式断路器与铜母线相连的接线端子处温度，待测量温度达至稳定状态后记录下此时接线端子的温度数据与环境温度，两者之间的差值就是铜母线上的温升数据，数据如表2所示[4]。

由表2所示，此次万能式断路器在恒温箱中模拟有风情况下(风速约为0.3～0.4 m/s之间)的试验结果基本符合预期，在有风情况下，铜母线温度均有较大程度的降低，幅度平均约为11 K。

5 结束语

通过以上理论分析和试验验证，得出了风速对铜母线的温升影响较大，尤其是在低风速下即约0.5 m/s时便可大幅降低铜母线的温升，一般可显著降低铜母线温升约10 K，同样的在铜母线应用试验中也证明了风速对铜母线与与之相连的万能式断路器接线端子处的温升也影响巨大，在风速约为0.4 m/s时即可降低万能式断路器接线端子处温升约11 K。在密闭、闷热环境处可通过排风等有效降低铜母线表面处的温度，以提升铜母线在高温环境下的载流能力、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

沪江基金资助项目(B1402/D1402)

李亚星(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：电气工程。陈建兵(1965-)，男，教授级高级工程师。研究方向：低压电器与成套产品认证与检测。忻尚芝(1965-)，女，副教授。研究方向：电气工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.019

TN304

A

1007-7820(2017)03-070-03