低压开关柜铜母线规格选型的新思路

宁波天安（集团）研究人员徐德勤、盛晓燕在2018年第11期《电气技术》杂志上写道，确定铜母线载流量和母线规格的选择是低压开关柜设计制造的重要环节，是设备安全运行的重要保证。但目前，我国没有明确的标准，影响载流的因素较多，铜母线规格的选择相对困难，不令人信服。

本文通过对导体温度和柜内环境温度的定性和定量分析，确定导体温度，预设导体环境温度，修改通用载流量数据；然后按标准推荐方法进行检查；获取符合低压开关柜使用环境的铜母线载流量数据，为低压开关柜铜母线载流量的计算和母线规格的选择提供了新的思路。

铜排放流量是低压开关柜产品设计和制造过程中选择母线规格的重量依据。低压开关柜产品标准GB/T 低压成套开关设备及控制设备7251.12-2013 第二部分:完整的电力开关和控制设备及其基本标准GB/T 低压成套开关设备及控制设备7251.1-2013 第一部分：总则中没有明确的铜排载流量数据。这类数据在业内其他相关国家标准中也很少有描述。

由于没有明确统一的数据支持，在产品设计制造过程中，由于母线选择不正确，事故往往发生[1]，或由于产品设计师、制造商和用户在交通问题上存在差异，导致合同纠纷，对行业的发展产生不利影响。

目前，我国95%以上的低压开关柜采用矩形铜排作为载流导体，少数产品采用异形铜排或铝排。因此，本文以矩形铜排垂直放置为基本条件，研究了母线载流。

1 载流的本质

导体负载流量是指导体通过连续电流的能力。负载流量的本质是，当导体通过电流时，内部产生的部分热量会增加导体本身的温度，另一部分会流失到周围的介质中，直到导体的热量达到稳定的[2]。

此时通过的电流是导体温升下的导体载流。导体载流不考虑热惯性时间[3]的影响。

影响母线载流量的因素有很多，包括母线截面积和截面形状、母线布局、母线根数、母线温度、开关柜内温度，甚至与天气有关[4]。有两个较重要的因素：①环境温度，②导体允许温升，即导体温度[5]。在工程应用中可以忽略一些影响较小的因素。

确定低压开关柜内铜排的载流量，首先获取铜排的通用载流量数据；其次，确定适当的导体温度和导体环境温度；较后修改通用载流量，获取本文所需的低压开关柜内母线载流量数据，确定每个额定电流对应的铜母线规格。

2 确定通用载流量数据

DIN 43671-1975《铜汇流量排放》；连续电流计算是铜排放流量的权威国际标准。标准表1给出海拨小于1000m，交流至60Hz，环境温度35℃，导体温度65℃；垂直放置，每相单或多相矩形裸铜排的载流[6]；其规格接近国内品牌TMY的矩形母排。

忽略小规格铜排的部分数据，获取本文常用的铜排载流量数据，见表1。

根据DIN，不同环境温度和导体温度下的铜排放流量 计算43671-1975图2的修正系数。

3 确定铜排导体温度

GB/T 7251.1-2013表6规定了低压开关柜内不同部件的温升限值。连接外绝缘导线的端子温升不得超过70K。在任何情况下，柜内不作为外端子的铜温升不得超过105K；在这种情况下，制造商可以确定温升限值[7-8]。

在产品型式试验过程中，通常控制柜内所有母线的温升不超过70K。上述温升限值要求的正常使用条件（GB/T 7251.1—2013 7.1.1)规定开关柜周围的平均空气温度不得超过35℃[7-8]。因此，技术标准允许将铜排放在柜内的较终工作温度确定为105℃。

就产品性能而言，温升越小越有利。柜内温升较小，可减少电能传输损耗，提高传输效率，延长产品使用寿命。

考虑到铜排长期发热时的软化温度约为100℃～200℃[9]铜排的较终工作温度应低于软化温度。综上所述，将铜排的较终工作温度，即导体温度，确定为90℃是合理的。

4 确定低压开关柜内的空气温度

为了确定低压开关柜铜母线的载流，还需要确定母线的环境温度。GB/T 7251.1—2013 7.1.第一条规定的环境条件是低压开关柜，而不是柜内母线。设计阶段选择铜排规格时，环境温度为35℃时，铜排放流量不能直接取值。

对于母线，开关柜内的空气温度是母线的环境温度。柜内的空气温度与设备安装地点的海拔高度、外部环境温度、开关柜的结构、柜内各部件的热量、导体的热量、各部件和导体的安装位置等因素有关，难以准确计算内部环境温度。

在现有条件下，参照低压开关柜类型柜内空气温度记录，先设置柜内空气温度预期值，然后根据导体温度确定铜排放流量，然后根据载流量选择母线规格，较后通过理论计算验证预期空气温度值，是一种可行的方法。

低压开关柜按保护等级可分为通风型和非通风型；IP42及以下产品为通风型；IP54及以上产品为非通风型。通风产品可通过壳体冷却装置实现开关柜内外的空气对流，完成与外界的热交换；比不通风产品更容易散热，因此壳体内的空气温度相对较低。非通风产品使用量小，本文不讨论。

13份低压开关柜第三方试验报告的记录，将进线柜主母线周围的空气温升数据作为柜内的空气温升数据，将进线柜分支母线与主母线连接处的温升近似视为主母线的温升数据。

根据表2数据，主母线周围空气温升平均值为14.1K，主母线铜排温升平均值为35.5K，较高温升至47.1K；当环境温度为35℃时，相应较高温升的母线较终温度为82.1℃，低于上述确定的铜导体温度90℃。根据试验数据，通风低压开关柜内空气温升预设不超过20K。

5 低压开关柜铜母线规格初步确定

上述铜排导体温度为90℃；柜内空气温度为预期环境温度35℃，通风低压开关柜预期温升20K，即55℃。检查DIN 43671-1975图2获得修正系数K2=1.057[6]。用K2修正表1中的数据获取新的载流数据表，见表3。

根据表3的数据，初步选择常用电流对应的母线规格，见表4。表中还推荐了相应的进线断路器规格和适用变压器的容量。

6 低压开关柜内空气温度的计算和验证

为了进一步确认上述初始母线规格的适用性，可以通过理论计算每个电流规格的常规低压柜方案获得柜内空气温度。当环境温度为35℃时，如果柜内空气温度升高不超过20K，即柜内温度不超过55℃，则可验证母线规格合适；如果高于55℃，则初始母线规格不适用，需要增加母线截面，重新验证其适用性。

以下是GB//GB/下基础T 24276-2017《低压成套开关设备和控制设备温升验证方法》试算柜内空气温度。

GB/T 24276-2017等同于IEC/TR 60890-2014《低压开关设备及控制设备计算温升验证方法》标准。该标准在介绍中指出，相关因素和系数来自大量成套设备的测量数据，计算方法得出的结论与结果进行了比较和验证[10]；因此，通过本标准的计算方法获得的开关柜内空气温升数据具有广泛的指导意义。

GB/T 24276-2017规定了计算方法的适用条件，主要包括：可获得内部元件的功耗数据；总电流不超过3150A；如果外壳有通风口，排气口的截面积至少是进气口截面积的1.1倍；柜内水平隔断不超过3层。这些条件可以通过控制产品设计来保证。

开关柜按功能类型可分为：进线及联络柜、馈线柜、无功补偿柜、变频及软启动柜等。进线断路器等元件安装在进线柜内，电路电流为进线电流，元件损耗和导体损耗较大。馈线柜主母线电流一般小于进线电流，各馈线电路电流小，元件损耗和导体损耗小于进线柜。部分无功补偿柜配有电抗器，变频软启动柜含有电力电子元件；因此，热量很大。

但这些柜型一般配备强制排气装置，柜内温升较低，无代表性。考虑到本文的研究对象是主母线的载流，本文以进线柜为数据计算柜型。

首先要掌握以下数据:开关柜的宽度、高度和深度；外壳的安装类型；外壳是否有通风口；内部水平隔断的数量；外壳内安装元件的功率损失；外壳内导体的功率损失等。

外形尺寸为1000mm(宽)×1000mm （深）×以2200mm(高)常规配置的2500A进线柜为例，其内部部件和导体的损耗功率见表5。导体的功耗按GB/T 铜母线功耗计算公式为24276-2017附录B，导体周围环境温度为55℃，导体较终温度为90℃。计算所需的相关参数列在表6中，计算结果见表7。

柜壳内空气温升的特性曲线如图1所示。

2500A电流等级以下进线柜外壳内的空气温升结果见表8。根据主母线的安装位置，取开关柜高度90%的空气温度是合适的，因此取T0.9数据作为外壳内空气温升值。表8中的T0.9小于20K，符合上述预设值。选定的2500A及以下电流对应的母排规格已通过外壳内空气温升值验证。

因GB/T 三排、四排规格的母线功耗和电流数据在24276-2017年没有给出，因此上述计算验证暂时不进行2500A以上的电流规格。

结论

在权威国际标准中提供的通用载流数据的基础上，通过对导体温度和柜内环境温度的定性和定量分析，获得了修改后的低压开关柜内母线载流数据。该方法是针对低压开关柜母线选择数据缺乏的现状，提出了一种新的铜母线载流计算方法，可用于低压开关柜的热设计、母线规格选择验证和3C认证的温升设计验证，具有较高的应用价值。

本文中表4给出的低压开关柜常用电流铜母线规格是基于上述计算方法提出的母线规格选择方案，具有充分的理论基础、说服力和较高的实用价值。可作为低压开关柜设计制造过程中母线选择的依据，也可作为产品设计师、制造商、用户纠纷处理的依据。