熱縮套管對母排散熱性能影響研究

陳城，郭慶，施金奎，陳浩，米高祥

（1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

作為電流承載體的母排，其材質(zhì)通常為銅材、鋁材或者兩者的結(jié)合體，因其穩(wěn)定及可靠的載流能力，而在電力設(shè)備中被大量應(yīng)用。近些年隨著產(chǎn)品功率的不斷提升，一些設(shè)備的銅排溫升有接近允許溫升和超過溫升極限的趨勢，這不僅影響設(shè)備的安全運行，對設(shè)備絕緣性能和使用壽命也造成不利影響[1-3]。母排具有較高的熱導(dǎo)率，但是其表面通常都會鍍錫處理，錫層的紅外輻射系數(shù)很低，只有0.07，母排上的熱量很難傳遞到空氣中[4]。常規(guī)工程中，母排還會配合熱縮管，起到相序識別和絕緣的作用，但是熱縮管對母排散熱的影響卻鮮有研究。

本文分別對銅排和銅包鋁排這2 種常用的母排套熱縮管后溫升進行驗證，試驗分2 次進行，由于測溫設(shè)備的限制，第一次銅排對比試驗的的溫度記錄采用測溫試紙，第二次銅排與銅包鋁排對比試驗的溫度記錄采用熱電偶。通過這2 次試驗，對比分析熱縮管帶來的溫升影響。

1 母排溫升原理

溫升試驗，母排為鏡像對稱布置，如圖1 所示。

圖1 溫升試驗?zāi)概糯罱?/p>

由于長度方向尺寸遠大于截面尺寸，認為截面是等溫面，溫度是沿著長度方向進行變化。這樣把整個串聯(lián)的母排溫升看成一維的熱傳導(dǎo)過程。銅排表面的熱量通過熱對流換熱和輻射換熱。熱對流換熱的基本計算公式是牛頓冷卻公式[5]：

式（1）中：Q1為熱對流換熱量；α為換熱系數(shù)；Sstm為散熱表面積；Tstm為母排表面溫度，Tatm為空氣溫度。

其中換熱系數(shù)α是母排形狀和表面溫度的函數(shù)，其計算公式為：

式（3）～（5）中：Ra為瑞利數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

母排溫升受換熱系數(shù)、散熱面積、母排定型尺寸影響較大。增加熱縮套管相當于改變了其表面換熱系數(shù)，增大了其散熱面積。

2 母排溫升試驗

2.1 試驗方案

銅排在導(dǎo)通電流時存在集膚效應(yīng)，即電流主要是從銅排的表面通過，對銅排內(nèi)部的利用率不高，考慮銅成本遠遠大于鋁，為銅包鋁提供了應(yīng)用的場合。

銅包鋁是銅、鋁2 種金屬的復(fù)合連鑄，技術(shù)難點是在鑄造過程中抑制Al2Cu 等化合物產(chǎn)生，在高溫條件下形成無氧化和無第三種介質(zhì)的結(jié)合面。銅包鋁中主要提供銅體積含量為25%和30%兩種含量的銅排：寬度大于等于50 mm 的，含銅量25%；寬度小于等于50 mm 的，含銅量30%。

保守估計，銅包鋁替代銅排可以節(jié)約20%～30%的成本。因此除了純銅排外，銅包鋁排也是作為試驗對象進行了測試。

試驗儀器使用以下2 種：①交流電流測試系統(tǒng)，提供持續(xù)電流1 000 A（電壓不到3 Ⅴ）；②測溫試紙以及紅外測溫槍。

本次試驗依據(jù)GB 7251.1—2013《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1 部分：總則》，試驗持續(xù)的時間應(yīng)足以使溫度上升到穩(wěn)定值，實際上當所有的測量點（包括周圍空氣溫度）溫度變化不超過1 K/h 時，即認為達到穩(wěn)定溫度[6]。

2.1.1 銅排對比試驗方案

測試銅排截面尺寸40 mm×8 mm，數(shù)量為15 根。為保證各測試數(shù)據(jù)點工況條件的一致性，各測試對象進行串聯(lián)測試。測試800 A（該規(guī)格銅排最大額定電流）和900 A（該規(guī)格銅排最大額定過電流）2 種工況，穩(wěn)定溫升的判斷標準：1 h 內(nèi)的溫升增加不超過1 K，即判定銅排進入熱平衡狀態(tài)。

測溫試紙每0.5 h 記錄一次溫度數(shù)據(jù)；穩(wěn)定溫升的判斷標準：1 h 內(nèi)的溫升增加不超過1 K，即判定銅排進入熱平衡狀態(tài)。

銅排搭接方式如圖2 所示，兩側(cè)銅排搭接方式相同，下側(cè)增加了熱縮套管，并且在搭接位置和銅排中間部位增加了測溫試紙，以方便后面讀數(shù)。

圖2 銅排搭接及熱縮套管熱縮位置

2.1.2 銅排和銅包鋁排對比試驗方案

測試對象為80 mm 寬度的銅排和銅包鋁排。一側(cè)為純銅排，另一側(cè)為相同尺寸的銅包鋁排。母排截面尺寸80 mm×6 mm，中間4 根套有熱縮套管，其余為裸排。母排搭接方式如圖3 所示。

圖3 銅排和銅包鋁排搭接及熱縮套管熱縮位置

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 銅排對比試驗結(jié)果

通800 A 電流3 h，室溫14.6 ℃，試驗結(jié)果如表1、圖4 所示。

表1 800 A 電流下銅排溫度數(shù)據(jù)

圖4 800 A 電流有無熱縮管溫度對比

通900 A 電流3 h，室溫14.6 ℃，試驗結(jié)果如表2、圖5 所示。

表2 900 A 電流下銅排溫度數(shù)據(jù)

圖5 900 A 電流有無熱縮管溫度對比

從圖4 和圖5 的對比數(shù)據(jù)中可以看出，銅排增加熱縮套管后，溫度有明顯的降低。圖4 中銅排通以800A電流，溫差最大為18 ℃，最小為9 ℃，平均降低了13.3 ℃；圖5 中銅排通以900 A 電流，溫差最大為19 ℃，最小為11 ℃，平均降低了15 ℃。

2.2.2 銅排和銅包鋁排對比試驗結(jié)果

通800 A 電流3 h，室溫14.6 ℃，試驗結(jié)果如表3、表4、圖6 所示。方案1 代表截面尺寸為80 mm×6 mm的銅排；方案2 代表截面尺寸為80 mm×6 mm 的銅排，套有熱縮管；方案3 代表截面尺寸為80 mm×6 mm 的銅包鋁排；方案4 代表截面尺寸為80 mm×6 mm 的銅包鋁排，套有熱縮管。

圖6 銅排和銅包鋁排溫度對比

表3 800 A 電流下銅排和銅包鋁排溫度數(shù)據(jù)（單位：℃）

表4 不同方案的溫度對比數(shù)據(jù)（單位：℃）

排除個別異常數(shù)據(jù)影響，方案對比1 為銅排有無熱縮的溫度差值，方案對比2 為銅包鋁排有無熱縮溫度差值。

從表4 和圖6 中可以看出，不套熱縮管，銅包鋁排的溫度相比銅排的要高；帶熱縮管的銅包鋁排溫度平均降低了3 ℃，帶熱縮管的銅排溫度平均降低了1.8 ℃。

2.2.3 測溫精度

本次試驗中，為驗證測溫試紙準確性，同步的，采用了紅外測溫槍輔佐進行驗證結(jié)果的準確性。紅外測溫槍的原理是：自然界中溫度高于絕對零度（-273 ℃）的任何物體，隨時都向外輻射出電磁波（紅外線），因此紅外線是自然界中存在最廣泛的電磁波，并且熱紅外線不會被大氣煙云所吸收，紅外測溫槍基于此原理設(shè)計。但是由于母排表面的熱縮管，實際會影響母排的熱輻射率，因此其數(shù)值并不夠準確。而測溫試紙或者叫示溫記錄標簽，其采用溫度敏感變色測溫技術(shù)，貼在母排表面，避免了熱縮管的影響，更能真實反映被測物體的溫度情況。此次試驗中大量使用溫度試紙進行溫度記錄。實際測試中發(fā)現(xiàn)紅外測溫槍測得的溫度與測溫電阻相比，整體趨勢大體一致；但是數(shù)值上來看，紅外測溫槍的測量值比相同條件下的測溫電阻數(shù)值低6 ℃左右，測溫精度略有差距，但作為試驗的補充驗證項，不影響整體試驗結(jié)果。

以上試驗均看到套熱縮管后，銅排和銅包鋁排溫度均有明顯的降低。物體熱交換方式有3 種：傳導(dǎo)、對流、輻射。母排的應(yīng)用場景決定了其基本靠對外輻射散熱，銅排主要是靠自然散熱，如果所處環(huán)境有一定風(fēng)速，可有效降低銅排溫度，提高銅排的載流量。此外再加上母排表面光滑，輻射換熱量很小，純銅表面拋光后對外的輻射系數(shù)很小。推測母排的熱縮管相當于改變了母排表面的對外熱輻射系數(shù)，加快了熱量向物體所在空間輻射熱，從而有利于母排降溫。

3 結(jié)論

常規(guī)認為，母排套熱縮管后會影響散熱。本文通過2 次試驗，分別驗證了銅排及銅包鋁排增加熱縮管后的溫度表現(xiàn)。試驗表明，不同顏色的熱縮管之間溫度差異并不大，但是母排增加熱縮管后，不管是銅排還是銅包鋁排，其溫度均有明顯的降低，溫差最高能達到19 ℃。其次，銅包鋁排的散熱特性相比純銅排要弱，因此在設(shè)計的時候除了需要關(guān)注載流量之外，還需要注意此方面的問題。