حساب ارتفاع درجة حرارة شريط التوصيل: الصيغة، المثال، حدود IEC وUL

أثناء اختبار روتيني لارتفاع درجة الحرارة، فشلت لوحة مفاتيح 2000 A لأن قضيب التوصيل الرئيسي الخاص بها وصل إلى 112 كلفن فوق البيئة المحيطة - 7 كلفن فوق الحد. تم نسخ حجم الموصل من تصميم سابق كان أكثر برودة. لم يكن الفرق هو الحمولة؛ لقد كان التوازن الحراري الذي تم تحديده عن طريق تهوية العلبة واختيار المواد وشكل الموصل.

يتحكم ارتفاع درجة الحرارة في التصنيف المستمر لقضيب التوصيل، وعمر عزله، وسلامة الوصلات المثبتة بمسامير. تشرح هذه المقالة حساب ارتفاع درجة حرارة قضيب التوصيل من توازن الحرارة، وتظهر مثالاً لتصميم 2000 A، وتلخص الحدود في المواصفة إيك 61439-1 ويو ال 891.

ابدأ بالتوازن الحراري للحالة المستقرة

في الحالة المستقرة، يصل قضيب التوصيل إلى درجة حرارة مستقرة عندما تساوي الحرارة الناتجة عن مقاومته الحرارة المرفوضة إلى البيئة المحيطة. باختصار: لا يحتوي شريط التوصيل على تصنيف ثابت واحد؛ فهو يحتوي على منحنى ارتفاع درجة الحرارة الذي يتغير مع بيئة التبريد.

الحرارة المتولدة هي تسخين جول: Q_gen = I² × R_ac .

تغادر الحرارة المرفوضة بالحمل والإشعاع: Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ - ت _a ⁴ ) .

بالنسبة لأعمال التصميم، يتم دمج كلا مساري الخسارة في معامل مكافئ h، مما يعطي:

ΔT = (I² × R_ac) / (ح × S)

حيث:

I - RMS الحالي (أ)
R_ac - مقاومة التيار المتردد عند درجة حرارة التشغيل (Ω)
h - معامل الحمل الحراري والإشعاع المشترك (W/m²·K)
S - مساحة سطح التبريد الفعالة (م²)
ΔT - ارتفاع درجة الحرارة فوق المحيطة (K)

العلاقة تربيعية: إذا تضاعف التيار، تضاعفت الخسائر أربع مرات. يمكن للقضيب الذي يبقى باردًا عند درجة حرارة 800 أمبير أن يسخن بدرجة حرارة 1250 أمبير في نفس الحجرة.

ارتفاع درجة الحرارة مقابل التيار لقضيب نحاس 160 × 10 مم

صيغة التحجيم العملية

لإجراء تقدير سريع، يقوم المهندسون بإعادة ترتيب توازن الحرارة إلى شكل سعة:

أنا = ك × √(أ × ΔT)

حيث A هو المقطع العرضي بالملليمتر²، ΔT هو الارتفاع المسموح به في K، وK هو الثابت التجريبي الذي يجمع المقاومة، وتشطيب السطح، والتهوية. الحد الأدنى للقسم هو:

أ = أنا² / (ك² × ΔT)

قيم K التجريبية لـ I = K·√(A·ΔT) مع A بالملليمتر² وΔT في K. تناسب القيم المنخفضة التجميعات سيئة التهوية.
الترتيب	النحاس (ك)	الألومنيوم (ك)
شريط واحد في الهواء الطلق	11-13	8.5-10
شريط في حاوية جيدة التهوية	9-11	7-8.5
شريط في حاوية مغلقة أو عديمة التهوية	7-9	5.5-7

تعامل مع هذه الثوابت كنقطة انطلاق. يجب التحقق من التصميم النهائي عن طريق الحساب أو اختبار النوع، خاصة في التجميعات المدمجة.

مثال عملي: 2000 بسبار النحاس

حجم قضيب توزيع لوحة التوزيع 2000 A LV مع ارتفاع مسموح به يبلغ 40 كلفن داخل حاوية جيدة التهوية.

الخطوة 1 - حدد ثابت المادة

بالنسبة للنحاس الموجود في حاوية جيدة التهوية، خذ K = 8.5 (متوسط المدى).

الخطوة 2 - حساب الحد الأدنى للمقطع العرضي

أ = 2000² / (8.5² × 40) = 4,000,000 / 2890 = 1384 ملم²

الخطوة 3 - اختر شريطًا قياسيًا

شريط 160 × 10 مم يعطي 1600 مم²، أي حوالي 16% فوق الحد الأدنى. يتناسب أيضًا الشريط مقاس 125 × 12 مم (1500 مم²) مع العديد من تخطيطات اللوحات.

الخطوة 4 - التحقق من ارتفاع درجة الحرارة الناتج

ΔT = (2000 / 8.5)² / 1600 = 34.6 كلفن ، أقل من حد 40 ألف. عند 2400 ألف يرتفع نفس الشريط إلى 49.8 ألف - فوق الحد. تضيف آخر 20% من التيار ارتفاعًا في درجة الحرارة بنسبة 44% تقريبًا.

النحاس مقابل الألومنيوم: ما التغييرات في الحساب

يغير اختيار المواد K وبالتالي القسم المادي. يتمتع الألومنيوم بمقاومة أعلى بنسبة 64% تقريبًا من النحاس، لذا فهو يحتاج إلى ما يقرب من 1.6 إلى 1.7 مرة من المقطع العرضي لنفس التيار والارتفاع. وفي المقابل، فهو يزن حوالي 70% أقل، مما يقلل من أحمال الدعم ويمكن أن يعوض سعر القسم الأكبر على المدى الطويل.

مقارنة المواد لنفس التيار وارتفاع درجة الحرارة. يوفر الألومنيوم الوزن ولكنه يتطلب أقسامًا أكبر وإعدادًا دقيقًا للمفاصل.
الملكية	النحاس	الألومنيوم
المقاومة عند 20 درجة مئوية (Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
معامل درجة الحرارة (1/ك)	0.00393	0.00403
السعة النسبية في نفس المقطع العرضي	1.00	~0.78
المقطع العرضي اللازم لنفس السعة	خط الأساس	~1.6x
الوزن لنفس السعة	خط الأساس	~50% أقل

بالنسبة لمثال 2000 A، 40 K، يحتاج الألومنيوم إلى حوالي 2367 مم²، عادةً قضيبين 100 × 12 مم لكل مرحلة. تحتاج وصلات الألومنيوم أيضًا إلى إعداد دقيق للسطح لأن طبقة أكسيد السطح تضيف مقاومة للتلامس وتخلق نقاطًا ساخنة.

المقطع العرضي المطلوب لـ 2000A عند ارتفاع 40K

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

قضبان التوصيل الأنبوبية من سبائك المغنيسيوم والألومنيوم لمحطات الجهد العالي يغطي خط القضبان الأنبوبي هذا العديد من السبائك وفئات الجهد حتى 1000 كيلو فولت، مما يجعله خيارًا عمليًا عند تحديد حجم الموصلات للمحطات الفرعية الخارجية ذات التيار العالي حيث تكون الحدود الحرارية والقوة الميكانيكية أمرًا مهمًا. عرض المنتج →

الألومنيوم شائع أيضًا كموصل للأنبوب في المحطات الفرعية الخارجية. المنطق الحراري هو نفسه، لكن الأنبوب يحتوي على سطح تبريد أقل لكل وحدة مقطع عرضي مقارنة بالقضيب المسطح، لذلك اختيار قضيب التوصيل الأنبوبي المناسب من سبائك الألومنيوم يبدأ بارتفاع درجة الحرارة المسموح به ثم يأخذ في الاعتبار القوة الميكانيكية.

تأثير الجلد وشكل الشريط

عند التردد 50/60 هرتز، تتجاوز مقاومة التيار المتردد مقاومة التيار المستمر لأن التيار يتزاحم نحو السطح. يتمتع القضيب الرفيع العريض مثل 160 × 10 مم بنسبة تيار متردد إلى تيار مستمر أفضل من شريط 50 × 32 مم من نفس القسم، نظرًا لبقاء المزيد من المواد بالقرب من سطح التبريد.

حافظ على نسبة العرض إلى السُمك أعلى من 10:1 حيثما أمكن ذلك. بالنسبة للقضبان المتعددة في كل مرحلة، قم بمباعدتها بسمك شريط واحد على الأقل حتى يتمكن كل سطح من تبديد الحرارة.

درجة الحرارة المحيطة، والمرفقات، وDering

ارتفاع درجة الحرارة هو الفرق، في حين أن تقديرات العزل والمعدات هي درجات الحرارة المطلقة. يعد الارتفاع بمقدار 40 كلفن آمنًا عند درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية ولكنه غير مقبول عند درجة حرارة محيطة تبلغ 45 درجة مئوية. قم دائمًا بتحويل الارتفاع المسموح به إلى درجة حرارة الموصل المطلقة: T = T_ambient ΔT .

يتم تطبيق عوامل التخفيض التقريبية على تقييمات الهواء الحر. اضرب سعة الهواء الحر بالعامل ذي الصلة.
الحالة	عامل التدهور
حاوية جيدة التهوية	0.85-0.92
حاوية مغلقة (غير مهواة).	0.70-0.80
درجة الحرارة المحيطة 40 درجة مئوية بدلاً من 35 درجة مئوية	0.93-0.98
الارتفاع 2000 م	~0.95

يتسبب تصميم العلبة في حدوث حالات فشل أكثر من حساب الموصل نفسه. يمكن لمقصورة IP54 المغلقة أن تخفض التصنيف بنسبة 20-30% مقارنة بالهواء الحر لأن الحمل الحراري يختفي تقريبًا.

الحمل الحراري - 70%
الإشعاع - 22%
يدعم - 8%

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

طريق حافلات مغلق بالكامل مع تصنيف تيار مرتفع نظرًا لأن تصميم العلبة يمكن أن يقلل من السعة بنسبة 20-30%، فإن ممر الحافلات هذا الذي تم بناؤه في المصنع يوفر ارتفاعًا تم اختباره في درجة الحرارة وتقييمات تصل إلى 6300 أمبير، مما يزيل التخمين للتركيبات في IP54 أو البيئات المغلقة. عرض المنتج →

يزيل طريق الحافلات الذي تم بناؤه في المصنع بغلاف معروف وارتفاع درجة الحرارة المختبر الكثير من هذه التخمينات؛ يعكس تصنيف الكتالوج الخاص به بالفعل اختبارًا حراريًا محددًا.

المعايير وحدود ارتفاع درجة الحرارة المسموح بها

تستشهد معظم مواصفات مجموعة المفاتيح الكهربائية بالمعيار إيك 61439-1 أو UL 891. وكلاهما يتحقق من ارتفاع درجة الحرارة على المنتج المجمع، وليس على الموصل العاري. القيم الواردة أدناه هي الحدود شائعة الاستخدام؛ تكون لنسخة العقد من المعيار الأسبقية.

حدود ارتفاع درجة الحرارة المشار إليها بشكل شائع لأنظمة قضبان التوصيل الداخلية. تحقق ضد معيار المشروع.
قياسي	مكون	الحد النموذجي
إيك 61439-1	محطات للموصلات الخارجية	70 ك
إيك 61439-1	وصلات داخلية من النحاس العارية	105 ك
إيك 61439-1	وصلات داخلية من الألومنيوم العارية	90 ك
UL 891	أشرطة التوصيل الرئيسية في لوحة التبديل	65 ك

عندما يتم عزل الموصل، ينخفض حد الارتفاع لأن المادة العازلة لديها أقصى درجة حرارة تشغيل مستمرة. يستهدف الفحص بعد ذلك النقطة الساخنة في واجهة عزل الموصل، ويصبح سمك العزل جزءًا من المقاومة الحرارية.

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

قضيب أنبوبي مصبوب من راتنجات الإيبوكسي مع عزل متكامل يعالج العزل والتدريع المصبوب مرة واحدة لهذا المنتج نقطة الاتصال في واجهة عزل الموصل؛ إن هيكلها طويل العمر والمقاوم للهب يناسب التطبيقات التي تحتاج فيها درجة حرارة الموصل المستمرة ودرجة حرارة السطح إلى التحقق. عرض المنتج →

قضبان أنبوبية معزولة بالكامل لذلك تحتاج إلى فحصين: درجة حرارة الموصل ودرجة حرارة السطح الخارجي. بالنسبة لظروف الدائرة القصيرة، لا ينطبق هذا الحساب المستمر - استخدم المعادلة الأدياباتيكية لمقاومة الخطأ بدلاً من ذلك.

الأخطاء الحسابية الشائعة التي يجب تجنبها

استخدام مقاومة التيار المستمر بدلاً من مقاومة التيار المتردد - تضيف تأثيرات الجلد والقرب خسارة بنسبة 10-30% في القضبان الكبيرة.
تطبيق تقييمات الهواء الحر على شريط مغلق - العلبة المغلقة تقلل من التصنيف بنسبة 20-30%.
تجاهل الأساس المحيط - ارتفاع 90 كلفن جيد عند 35 درجة مئوية ولكنه يتجاوز العديد من حدود العزل عند 50 درجة مئوية.
نسيان التوافقيات - التوافقيات الثلاثية ترفع RMS الحالي والتسخين إلى ما هو أبعد من القيمة الأساسية.
تغيير الحجم إلى الحمل الاسمي بدلاً من حمل الطوارئ - تحقق دائمًا من أعلى تيار تشغيل موثوق به.
إهمال المفاصل والإنهاءات - يفشل الوصلة الضعيفة قبل أن يفشل الموصل الرئيسي.

الأسئلة المتداولة

كيف يمكنك حساب ارتفاع درجة حرارة بسبار؟

استخدم ΔT = (I/K)²/A أو التوازن الحراري ΔT = أنا²R/(hS) ، ثم قارن النتيجة مع الحد القياسي المطبق للمكون.

ما هو ارتفاع درجة الحرارة المسموح به لقضيب؟

تسمح المواصفة IEC 61439-1 عادة بـ 105 K للتوصيلات الداخلية النحاسية العارية؛ يعتبر UL 891 أكثر صرامة بالنسبة لقضبان توصيل لوحة المفاتيح عند 65 كلفن. وتتبع الموصلات المعزولة فئة درجة حرارة العزل بدلاً من ذلك.

هل يسخن الألمنيوم أكثر من النحاس عند نفس التيار؟

مع نفس المقطع العرضي والتيار، نعم. يحتاج الألومنيوم إلى حوالي 1.6 مرة من المقطع العرضي للنحاس للوصول إلى نفس ارتفاع درجة الحرارة المستقرة.

ما هي درجة الحرارة المحيطة التي ينبغي استخدامها في الحساب؟

استخدم 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.

حساب ارتفاع درجة حرارة بسبار ليس أكاديميا. فهي تقرر ما إذا كانت لوحة المفاتيح تجتاز اختبار النوع الخاص بها، وما إذا كان طريق الحافلات يحمل تيار اللوحة الاسمية الخاص بها في فترة ما بعد الظهيرة الحارة، وما إذا كان العزل يتقادم قبل الأوان. قم بالحساب عند أعلى تيار موثوق به، وقم بتطبيق غلاف واقعي لتخفيض القدرة، واختر موصلًا تتوافق مادته ومقطعه العرضي مع البيئة الحرارية.

عندما يتضمن التطبيق تيارات عالية أو مساحة محدودة، يمكن للشركة المصنعة التي لديها منتجات قضبان التوصيل والطرق التي تم اختبارها من النوع توفير كل من الأجهزة والوثائق الحرارية الداعمة.