محاسبه افزایش دمای شینه: فرمول، مثال، محدودیت های IEC و UL

در طول یک آزمایش معمول افزایش دما، یک تابلوی برق 2000 A شکست خورد زیرا شین اصلی آن به 112 کلوین بالاتر از محیط رسید - 7 کلوین بیش از حد مجاز. اندازه هادی از طرح قبلی که خنک‌تر بود کپی شده بود. تفاوت بار نبود. این تعادل حرارتی بود که توسط تهویه محفظه، انتخاب مواد و شکل هادی تنظیم می شد.

افزایش دما درجه بندی پیوسته یک شینه، عمر عایق آن و ایمنی اتصالات پیچ شده را کنترل می کند. این مقاله محاسبه افزایش دمای شینه را از تراز حرارتی توضیح می‌دهد، یک نمونه طراحی 2000 A را نشان می‌دهد و محدودیت‌های موجود در IEC 61439-1 و UL 891 را خلاصه می‌کند.

با تعادل حرارتی حالت پایدار شروع کنید

در حالت پایدار، یک شینه زمانی به دمای پایدار می رسد که گرمای تولید شده توسط مقاومت خودش برابر با گرمای دفع شده به محیط اطراف باشد. به طور خلاصه: یک باسبار هیچ رتبه ثابت واحدی ندارد. منحنی افزایش دما دارد که با محیط خنک کننده تغییر می کند.

گرمای تولید شده گرمایش ژول است: Q_gen = I² × R_ac .

گرمای دفع شده توسط همرفت و تابش خارج می شود: Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ - تی _a ⁴ ) .

برای کار طراحی، هر دو مسیر تلفات در یک ضریب معادل h ترکیب می‌شوند و به این ترتیب:

ΔT = (I² × R_ac) / (h × S)

کجا:

I - جریان RMS (A)
R_ac - مقاومت AC در دمای عملیاتی (Ω)
h - ضریب همرفت و تابش ترکیبی (W/m²·K)
S - مساحت سطح خنک کننده موثر (m²)
ΔT - افزایش دما بالاتر از محیط (K)

این رابطه درجه دوم است: اگر جریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر می شود. میله ای که در 800 A خنک می ماند می تواند در 1250 A در همان اطاقک بیش از حد گرم شود.

افزایش دما در برابر جریان برای میله مسی 10 × 160 میلی متر

فرمول اندازه گیری عملی

برای تخمین سریع، مهندسان تعادل حرارتی را به شکل ampacity بازآرایی می کنند:

I = K × √ (A × ΔT)

که در آن A سطح مقطع بر حسب میلی‌متر مربع است، ΔT افزایش مجاز K است، و K یک ثابت تجربی است که مقاومت، پرداخت سطح و تهویه را دسته‌بندی می‌کند. حداقل بخش عبارت است از:

A = I² / (K² × ΔT)

مقادیر K تجربی برای I = K·√(A·ΔT) با A در mm² و ΔT در K. مقادیر پایین تر مناسب مجموعه هایی با تهویه ضعیف هستند.
ترتیب	مس (K)	آلومینیوم (K)
تک نوار در هوای آزاد	11-13	8.5-10
نوار در یک محفظه تهویه شده	9-11	7-8.5
نوار در یک محفظه مهر و موم شده یا بدون تهویه	7-9	5.5-7

این ثابت ها را به عنوان نقطه شروع در نظر بگیرید. طراحی نهایی باید با محاسبات یا آزمایش نوع، به ویژه در مجموعه های فشرده تأیید شود.

نمونه کار شده: 2000 A مس Busbar

اندازه یک شینه تخته توزیع LV 2000 A با افزایش مجاز 40 K در داخل یک محفظه تهویه شده.

مرحله 1 - ثابت ماده را انتخاب کنید

برای مس در یک محفظه تهویه شده، K = 8.5 (متوسط).

مرحله 2 - حداقل سطح مقطع را محاسبه کنید

A = 2000² / (8.5² × 40) = 4000000 / 2890 = 1384 میلی متر مربع

مرحله 3 - یک نوار استاندارد انتخاب کنید

یک نوار 160 × 10 میلی‌متر، 1600 میلی‌متر مربع، حدود 16 درصد بالاتر از حداقل، می‌دهد. یک نوار 125 × 12 میلی‌متر (1500 میلی‌متر مربع) نیز با بسیاری از طرح‌بندی‌های پانل مطابقت دارد.

مرحله 4 - افزایش دمای حاصل را بررسی کنید

ΔT = (2000 / 8.5)² / 1600 = 34.6 K ، زیر حد 40 K. در 2400 A همان نوار به 49.8 K افزایش می یابد - بیش از حد. 20 درصد آخر جریان حدود 44 درصد افزایش دما را افزایش می دهد.

مس در مقابل آلومینیوم: آنچه در محاسبه تغییر می کند

انتخاب مواد K و در نتیجه بخش فیزیکی را تغییر می دهد. آلومینیوم حدود 64 درصد مقاومت بیشتری نسبت به مس دارد، بنابراین برای جریان و افزایش یکسان، تقریباً 1.6 تا 1.7 برابر سطح مقطع نیاز دارد. در عوض وزن آن حدود 70٪ کمتر است که بارهای پشتیبانی را کاهش می دهد و می تواند قیمت بخش بزرگتر را در طولانی مدت جبران کند.

مقایسه مواد برای افزایش جریان و دما یکسان. آلومینیوم باعث کاهش وزن می شود اما به بخش های بزرگتر و آماده سازی دقیق مفصل نیاز دارد.
اموال	مس	آلومینیوم
مقاومت در 20 درجه سانتی گراد (Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
ضریب دما (1/K)	0.00393	0.00403
توان نسبی در همان مقطع	1.00	0.78 ~
مقطع مورد نیاز برای همان ampacity	خط پایه	~ 1.6x
وزن برای همان قدرت	خط پایه	50% کمتر

برای نمونه 2000 A، 40 K، آلومینیوم به حدود 2367 میلی‌متر مربع، معمولاً دو میله 100 × 12 میلی‌متر در هر فاز نیاز دارد. اتصالات آلومینیومی همچنین نیاز به آماده سازی سطح دقیق دارند زیرا لایه اکسید سطح مقاومت تماس را افزایش می دهد و نقاط داغ ایجاد می کند.

سطح مقطع مورد نیاز برای 2000 A در 40 K افزایش

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

شینه لوله ای آلیاژ منیزیم-آلومینیوم برای ایستگاه های فشار قوی این خط شینه لوله‌ای چندین آلیاژ و کلاس‌های ولتاژ تا 1000 کیلو ولت را پوشش می‌دهد و آن را به انتخابی عملی برای اندازه‌گیری رساناها برای پست‌های با جریان بالا در فضای باز تبدیل می‌کند که محدودیت‌های حرارتی و مقاومت مکانیکی هر دو مهم هستند. مشاهده محصول →

آلومینیوم همچنین به عنوان هادی لوله در پست های فضای باز رایج است. منطق حرارتی یکسان است، اما یک لوله سطح خنک کننده کمتری در واحد سطح مقطع نسبت به یک میله صاف دارد، بنابراین انتخاب شینه لوله‌ای آلیاژ آلومینیوم مناسب با افزایش دمای مجاز شروع می شود و سپس مقاومت مکانیکی را در نظر می گیرد.

اثر پوست و شکل میله

در فرکانس 50/60 هرتز، مقاومت AC از مقاومت DC فراتر می رود زیرا جریان به سمت سطح جمع می شود. یک میله نازک پهن مانند 160 × 10 میلی متر نسبت AC به DC بهتری نسبت به نوار 50 × 32 میلی متر از همان بخش دارد، زیرا مواد بیشتری در نزدیکی سطح خنک کننده باقی می مانند.

در صورت امکان نسبت عرض به ضخامت را بالای 10:1 نگه دارید. برای چندین میله در هر فاز، آنها را با ضخامت حداقل یک میله فاصله دهید تا هر سطح بتواند گرما را دفع کند.

دمای محیط، محفظه ها، و کاهش سطح

افزایش دما یک تفاوت است، در حالی که درجه بندی عایق ها و تجهیزات درجه حرارت مطلق هستند. افزایش 40 K در محیط 35 درجه سانتیگراد ایمن است اما در دمای 45 درجه سانتیگراد غیرقابل قبول است. همیشه افزایش مجاز را به دمای رسانا مطلق تبدیل کنید: T = T_ambient ΔT .

عوامل کاهش تقریبی اعمال شده برای رتبه‌بندی هوای آزاد. ampacity هوای آزاد را در ضریب مربوطه ضرب کنید.
وضعیت	عامل کاهش دهنده
محفظه تهویه شده	0.85-0.92
محفظه مهر و موم شده (بدون تهویه).	0.70-0.80
دمای محیط 40 درجه سانتیگراد به جای 35 درجه سانتیگراد	0.93-0.98
ارتفاع 2000 متر	~ 0.95

طراحی محفظه باعث خرابی های بیشتری نسبت به محاسبه خود هادی می شود. یک اطاقک IP54 مهر و موم شده می تواند در مقایسه با هوای آزاد امتیاز را 20 تا 30 درصد کاهش دهد زیرا همرفت تقریباً از بین می رود.

همرفت - 70%
تشعشع - 22٪
پشتیبانی - 8٪

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

اتوبوس برقی کاملاً محصور با رتبه جریان بالا با توجه به اینکه طراحی محفظه می‌تواند 20 تا 30 درصد فضا را کاهش دهد، این اتوبوس ساخته شده در کارخانه، افزایش دمای آزمایش‌شده و درجه‌بندی تا 6300 A را ارائه می‌دهد و حدس‌ها را برای نصب در IP54 یا محیط‌های مهر و موم شده حذف می‌کند. مشاهده محصول →

یک اتوبوس ساخته شده در کارخانه با محفظه شناخته شده و افزایش دمای آزمایش شده بسیاری از این حدس ها را حذف می کند. رتبه بندی کاتالوگ آن قبلاً منعکس کننده یک آزمایش حرارتی تعریف شده است.

استانداردها و محدودیت های مجاز افزایش دما

اکثر مشخصات تابلو برق به IEC 61439-1 یا UL 891 اشاره می کنند. هر دو افزایش دما را در محصول مونتاژ شده تأیید می کنند، نه در هادی خالی. مقادیر زیر محدودیت‌های رایجی هستند که استفاده می‌شوند. نسخه قرارداد استاندارد اولویت دارد.

محدودیت‌های افزایش دما که معمولاً برای سیستم‌های شینه داخلی ذکر شده است. مطابق با استاندارد پروژه تأیید کنید.
استاندارد	جزء	حد معمولی
IEC 61439-1	پایانه هادی های خارجی	70 K
IEC 61439-1	اتصالات داخلی مسی خالی	105 K
IEC 61439-1	اتصالات داخلی آلومینیومی برهنه	90 K
UL 891	شینه های اصلی در تابلو برق	65 K

هنگامی که هادی عایق بندی می شود، حد افزایش کاهش می یابد زیرا ماده عایق دارای حداکثر دمای کار مداوم است. سپس چک نقطه داغ در رابط هادی-عایق را هدف قرار می دهد و ضخامت عایق بخشی از مقاومت حرارتی می شود.

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

شینه لوله ای ریخته گری رزین اپوکسی با عایق یکپارچه عایق و محافظ قالب‌گیری شده یک‌شات این محصول نقطه اتصال رادیو-عایق را نشان می‌دهد. ساختار مقاوم در برابر شعله و عمر طولانی آن برای کاربردهایی که دمای هادی پیوسته و دمای سطح هر دو نیاز به تأیید دارند مناسب است. مشاهده محصول →

شینه های لوله ای کاملا عایق شده بنابراین به دو بررسی نیاز دارید: دمای هادی و دمای سطح بیرونی. برای شرایط اتصال کوتاه، این محاسبه پیوسته اعمال نمی شود - به جای آن از معادله آدیاباتیک برای مقاومت در برابر خطا استفاده کنید.

اشتباهات رایج محاسباتی که باید از آنها اجتناب کنید

استفاده از مقاومت DC به جای مقاومت AC - اثرات پوستی و مجاورت 10-30٪ از دست دادن را در میله های بزرگ اضافه می کند.
اعمال رتبه‌بندی هوای آزاد در یک باسبار بسته - یک محفظه مهر و موم شده امتیاز را 20-30٪ کاهش می دهد.
نادیده گرفتن اساس محیط - افزایش 90 کلوین در دمای 35 درجه سانتیگراد خوب است اما در دمای 50 درجه سانتیگراد از بسیاری از محدودیت های عایق فراتر می رود.
فراموش کردن هارمونیک ها - هارمونیک های سه گانه جریان RMS و گرمایش را فراتر از مقدار اساسی افزایش می دهند.
اندازه به بار اسمی به جای بار احتمالی - همیشه بالاترین جریان عملیاتی معتبر را بررسی کنید.
بی توجهی به مفاصل و پایانه ها - یک اتصال پیچ ضعیف قبل از اینکه هادی اصلی خراب شود.

سوالات متداول

چگونه می توان افزایش دمای یک شینه را محاسبه کرد؟

استفاده کنید ΔT = (I/K)²/A یا تعادل حرارتی ΔT = I²R/(hS) ، سپس نتیجه را با حد استاندارد قابل اجرا برای جزء مقایسه کنید.

افزایش دمای مجاز برای شینه چقدر است؟

IEC 61439-1 معمولاً 105 K را برای اتصالات داخلی مسی لخت اجازه می دهد. UL 891 برای شینه های تابلو برق 65 کلوین سخت تر است. هادی های عایق بندی شده از کلاس دمای عایق پیروی می کنند.

آیا آلومینیوم در جریان یکسان گرمتر از مس است؟

با همین مقطع و جریان بله. آلومینیوم به حدود 1.6 برابر سطح مقطع مس نیاز دارد تا به همان افزایش دما در حالت پایدار برسد.

چه دمای محیطی باید در محاسبه استفاده شود؟

استفاده کنید 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.

محاسبه افزایش دمای شینه آکادمیک نیست. این تصمیم می‌گیرد که آیا تابلو برق تست نوع خود را با موفقیت پشت سر می‌گذارد، آیا اتوبوس‌ها جریان پلاک نام خود را در یک بعد از ظهر گرم حمل می‌کنند یا خیر، و اینکه آیا عایق‌ها زود از موعد پیر می‌شوند یا خیر. در بالاترین جریان معتبر محاسبه کنید، یک کاهش واقعی محفظه اعمال کنید، و رسانایی را انتخاب کنید که مواد و سطح مقطع آن با محیط حرارتی مطابقت داشته باشد.

هنگامی که برنامه شامل جریان های زیاد یا فضای محدود است، یک سازنده با محصولات شینه و گذرگاه تست شده می تواند هم سخت افزار و هم اسناد حرارتی پشتیبان را تامین کند.