低压成套开关设备中低压电器元件之间连接导体尺寸的分析与计算

标题：低压成套开关设备中低压电器元件之间连接导体尺寸的分析与计算详细内容：刘炳彰上海电器科学研究所（200063）林李杰乐清市飞跃开关厂（325604）摘要低压电器元件温升试验用的连接导体在试验过程中是起着散热作用的，而在成套设备中电器元件之间的连接导体的长度要比元件温升试验用的短，故成套设备中电器元件接线端的温升会比元件温升试验时的高。本文通过热交换分析与计算，提出低压成套开关设备中连接导体截面和长度的选用方法，以确保电器元件在成套设备中的运行温升不会超过极限值。文中还计算出与电器元件连接负载电缆的安全长度。1引言低压电器元件温升试验时采用铜连接导体（绝缘电缆或母排），连接导体本体的温升要比电器元件出线端的极限温升低，故对电器元件而言，连接导体是起着散热的作用。低压电器元件装入低压电器成套设备中，电器元件之间的连接导体要比电器元件温升试验时的短，在此情况下，若成套设备中的电器元件在额定电流下长期工作，即使成套设备中采用与电器元件温升试验用的截面尺寸完全相同的连接导体，电器元件也会因连接导体太短而致使其出线端超过温升极限值，还会影响到具有热保护电器元件的保护特性。本文通过电器元件和连接导体之间的热交换分析和计算，介绍成套设备中连接导体的选择方法，以确保电器件在成套设备中安全和可靠地运行。2电器元件和成套设备标准中温升及其试验的有关规定GB/T14048.1-2000《低压开关设备和控制设备总则》中规定的低压电器元件接线端子的温升极限值见表1。GB7251.1-1997《低压成套开关设备和控制设备第一部分：型式试验和部分型式试验成套设备》中规定的成套设备部件的温升见表2GB/T14048.1-2000和GB7251.1-1997两份标准中规定的温升试验用铜连接导体尺寸完全相同（见表3和表4）。GB7251.1-1997还给出试验电流400A连接导体的温升估计值（参见表4注（1））。3电器元件连接导体的温升分布及其热交换3.1电器元件温升试验连接导体的温升分布及其热交换电器元件温升试验时，连接导体的长度是足够长的（参见表3和表4），可以为和无限长相等效（见图1）。注：（1）括号内的数值为GB7251.1-1997试验连接导体的温升估计值；（2）铜母排应涂成无光的黑色；（3）如果连接线的电源端温升低于连接中点的温升，≤5K，则连接线可减少到2m在距离电器元件接线端为x处取一微元长度dx，在x处的温升为τ，x+dx处为τ+dτ(见图1)，电流I在dx导体中产生的热功率为4电器元件之间连接导体尺寸的计算两电器元件之间连接导体的截面积和长度直接决定其出线端的温升值，也即决定电器元件是否能用足其额定容量。应当指出，电器元件的保护特性是在采用与温升试验导体尺寸完全相同的条件下试验得出的。如果电器元件由连接导体传出热功率明显减少，将对电器元件（如断路器、熔断器、热过载继电器和电动机起动器等）的保护性产生不可忽视的影响，故应当尽量使成套设备中电器元件连接导体的热交换与电器元件温升试验、保护特性试验时的情况相一致。4.1成套设备中连接导体截面积相同时的长度计算成套设备中两串联电器元件的连接母排的截面积若与电器元件发热试验时的相同，母排表面也一样涂黑色无光漆，则式（4）和式（6）中的t0、tg、A、a、λ、s也都相等。在此情况下，若要求两种情况下传出热功率相等（即q1=q2）,显然，只有成套设备中连接母排的长度等于无限长才能满足。故近似地取q2=0.98q1，由式（4）和式（6）可求得：即成套设备中连接两电器元件的母排长度满足式（10）时，就可近似地认为两电器元件的接线端的温升为T0，由连接母排传出的热功率和相同条件的电器元件温升试验时从（无限长）连接母排传出的热功率大致相等效。母排的a的数值是一般技术资料中给出一个较宽的范围，实际计算中难以选用。况且母排温度、截面积大小和放置方式等条件不同时，a值也不同，通过铜母排的模拟试验和参考IEC提供的有关数据，得出常用矩型铜母排本体温在15-250C，竖放、涂漆时的a与母排截面积关系如图4所示由式（10）计算出表4中各种规格铜母排的长度L2列于表5。铜的热传导体系数λcu=3.86W/(cm2·0C1)。4.2成套设备中连接导体截面积放大后的长度计算成套设备中的实际情况是：两电器元件之间的连接导体长度要比表5的L2短些，故需要放大连接导体的截面积，才能满足温升和热交换基本上与电器元件温升试验时相同的要求。设电器元件温升试验用的铜母排截面积为A1，成套设备中两电器元件的连接铜母排截面积为A2，令τ01=τ02,q1=q2由式（4）和式（6）得：（11）给出了能满足电器元件温升试验的温升和热交换均相同要求的两电器元件之间连接母排长度与截面积的关系式。以额定电流为630A为例，电器元件温升试验的铜母排截面尺寸为2×4cm×0.5cm,即A1=4cm2。取τ0=650C，成套设备中连接母排的宽度通常受到电器元件相同距离等的限制，当母排截面积需要放大时，宽度方向加大有困难，故较多情况下是采用加大母排厚度的方法。当2根并联母排宽度不变（为4cm）而厚度分别放大至0.6、0.7和0.8cm时；或厚度不变（0.5cm）,宽度分别放大至4.5和5cm时，按式（11）计算L2的结果列于表6中。L2和A的关系曲线见图5可以看出，加大母排宽度的效果要比加大厚度的效果显著得多。因为在相同的截面积下，加大宽度能更有效地增大散热面积，即降低了母排本体的温升，又加大了散热效果，故对于相同额定电流值，在相同截面积下，加大宽度的铜排长度比加大厚度的短些。可以对不同额定的电流的铜母排分别按加大宽度或厚度计算和绘出如图5L2=ƒ(A)曲线簇，供成套设备确定连接母排的长度时方便地选用。应当指出，铜母排表面涂漆的散热效果要比不涂漆的好得多，通常综合散热系数可增大30%左右，故成套设备中的铜连接母排必须涂漆。此外，电器元件温升试验时，当温升稳定后，由连接母排传出的热功率是相当可观的。带热过载保护装置的断路器和电动机器的实测和计算结果表明，按标准的规定，温升和热过载保护特性试验均采用相同的连接导体，而试验时，由连接导体传出热功率要超过断路器或起动器本体发热总功率的30%，有时甚至于接近50%。以上分析和计算是基于成套设备中和电器元件温升试验中所用连接铜母排，无论是并联数、载面积、连接方式和表面涂漆均相同的条件下得出的。有些成套设备厂所用的连接铜母排尺寸有所不同时，可按本文的有关公式计算，务必要确保电器元件出线端的温升及由铜母排的传出的热功率与电器元件温升试验的相近。如果电器元件可提供接线端的温升比标准规定极限值低的试验报告，则成套设备中的连接导体也可按公式计算取得更短些。5电器元件连接负载电缆的安全长度计算在成套设备中，电器元件和负载之间的连接导体较长，在小电流时，通常采用绝缘电缆经过电缆套管或电缆沟。在电缆或套管入口处，各相电缆要并拢在一起（见图6）。如并拢处的温升超过绝缘电缆的温升允许值，就会损坏绝缘而产生事故。在成套设备中，电器元件和负载之间的连接导体较长，在小电流时，通常采用绝缘电缆经过电缆套管或电缆沟。在电缆或套管入口处，各相电缆要并拢在一起（见图6）。如并拢处的温升超过绝缘电缆的温升允许值，就会损坏绝缘而产生事故。６结论（1）低压电器元件温升试验和过载保护特性试验采用的连接导体的热作用相同，对电器元件而言都起到较大的散热作用。在成套电器元件中选择两串联电器元件之间连接导体的截面积和长度，必须满足电器元件出线端温升和由导体传出的热功率与电器元件温升试验时的相当,电器元件才能用足其额定容量和可靠地起到过截保护作用。（2）文中推导的连接导体截面积和长度计算公式，可用作常用各种规格铜母排和计算绘成选用曲线簇，供成套电器选择连接母排时方便地查用。（3）电器元件接至负载的绝缘电缆，当截面积与温升试验相同时，由电器元件接线端到各相并拢处的安全长度，100AIe≤200A为0.35m,Ie100A为0.24m。参考文献1陈德桂，电器基础理论［M］.西安：西安交通大学出版社，19962GB/T14048.1-2000低压开关设备的控制设备，总则，［S］.北京：中国标准出版社，2001.43GB7251.1-1997低压成套设备开关设备和控制设备第一部分：型式试验和部分型试验成套设备[S].北京：中国标准出版社，1998.8