基于新工艺的铜铝复合母线温升研究

汪 洋，陈建兵，李亚星

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海电器科学研究院，上海 200063)



基于新工艺的铜铝复合母线温升研究

汪 洋1，陈建兵2，李亚星1

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海电器科学研究院，上海 200063)

随着新工艺在铜铝复合母线中的应用，对铜铝复合母线替代铜母线需满足的技术参数提出了要求。文中通过实验研究了新工艺对铜铝复合母线温升的影响程度，以及相同电流规格下铜铝复合母线的温升与截面积的变化规律，分析了铜铝复合母线替代铜母线需满足的截面比关系。结果表明，采用新工艺的铜铝复合母线温升降低了3%；铜铝复合母线宽度增加20%或厚度增加33%，满足替换铜母线的要求。

铜铝复合母线；新工艺；铜母线；温升

电流流过导体损耗的能量基本全部直接转化为热能，其中一部分散失在周围介质中，另一部分则用以加热导体，使之升温[1]。当导体本身温度超过规定的限值后，导体材料的机械强度会明显降低，造成较大的安全隐患。因此，研究铜铝复合母线在长期工作状态下的发热，保证铜铝复合母线各部分最高温度不超过规定的限值，保障电器安全可靠运行。

本文研究的铜铝复合母线采用连铸直接成形的新工艺，铜铝接触面实现冶金结合，界面结合强度高，导电性能优异[2]。研究基于新工艺的铜铝复合母线温升性能，明确新工艺对铜铝复合母线温升影响程度，有助于导体复合材料制造工艺的进步，对铜铝复合母线替代铜母线在低压成套设备中的应用与推广以及低压成套设备设计时减轻重量，节约原材料以及延长使用寿命等方面具有重要作用[3-6]。

1 温升理论计算与分析

1.1 载流导体稳定温升计算

导体承载工作电流会产生能量的传递与损耗，其过程遵守热平衡原理。导体发热稳定时，输入导体的热量与散热相等，即为牛顿公式[1]

p=KTAτw

(1)

式中,p为散热功率；KT为综合散热系数；A为有效散热面积；τw为导体稳定温升。依据式(1)可知,载流导体在工作时稳定温升为[7-8]

(2)

式中，Kf为趋肤系数；i为导体中的电流；ρ为导体的电阻率；l为导体长度；S为导体的截面积。

1.2 新工艺对铜铝复合母线温升的影响

新工艺下铜铝复合母线采用25%的铜层体积比，电阻率为0.024 98 Ω·mm2/m。目前低压成套设备中应用的铜铝复合母线采用热复合平立连轧直接成型工艺，具有20%铜层体积比，电阻率为0.025 54 Ω·mm2/m[9-10]。在两种产品尺寸规格，加载电流以及综合散热系数均相同的情况下，由式(2)计算出两种产品的温升比值为

(3)

计算得出新工艺下铜铝复合母线的温升较现有产品降低2.2%。

1.3 铜铝复合母线替换铜母线截面比计算

设导体厚度为a，宽度为h，截面积S=a×b，散热表面积A=2(a+h)L，铜母线温升τWT与铜铝复合母线温升τWTL为

(4)

(5)

铜母线电阻率为0.017 77 Ω·mm2/m,选取100×10与60 ×6两种规格，依据式(4)和式(5)计算，当τWT=τWTL时，分别拟合铜铝复合母线宽度增加比与厚度增加比如图1和图2所示。

图1 100 ×10截面增加比

图2 60 ×6截面增加比

为计算方便，将趋肤系数Kf视为常数，铜铝复合母线的散热系数大于铜母线。为了计算的可靠性，将铜母线的散热系数和铜铝复合母线的散热系数视为相等，均为常数[9]。这样计算出来的截面比将比实验值大。

理论上只要铜铝复合母线的宽度增加比与厚度增加比符合上述曲线关系，在温升性能上，就满足替换铜母线的要求。其中保持铜铝复合母线厚度不变，只增加宽度，最节省材料。

2 温升试验

温升试验目的是研究新工艺对铜铝复合母线温升的影响，分析铜铝复合母线温升与导体截面变化规律，验证相同温升下铜铝复合母线与铜母线截面比关系。

为保障温升试验数据的准确性与可靠性，温升实验回路为“引出排+试验样品”[11]，测量点为试验母线三相的进线端，中间端与出线端，每个测量点放置两个T型热电偶，采用温升数据采集系统，间隔15 min采集一次。每个测量点的温升在1 h内变化不超过1 K，可以认为温升达到稳定状态[12]。计算稳定状态下所有测量点的平均温升值，即为试验母线的最终温升。

2.1 新工艺对铜铝复合母线温升的影响

选择60×5与120×8两种不同生产工艺的铜铝复合母线，分别加载425A与1350A的电流[11-13]，在相同环境下进行温升试验，试验结果如表1所示。

表1 不同生产工艺下对铜铝复合母线的温升

表2 不同规格铜铝复合母线温升数据

表3 铜铝复合母线与铜母线温升结果对比

由表1可知，新工艺下铜铝复合母线温升降低3%以上，高于上述理论计算值。其原因是理论计算中没有考虑产品工艺的差异对铜铝复合母线散热过程的影响，导致理论计算值与试验结果有所偏差。

2.2 铜铝复合母线温升随截面变化规律

铜铝复合母线规格按宽度变化选取120×12、80×12、100×12规格，按厚度变化选取120×8、120×10、120×12规格，分别加载1 350 A的实验电流，实验数据如表2所示。依照表2画出铜铝复合母线温升随截面变化规律如图3所示。

图3 温升随截面变化规律

由图3可知，当铜铝复合母线宽度保持不变，厚度增加20%与25%时，温升分别降低2.36 K与5.66 K；当厚度保持不变，宽度增加20%与25%时，温升分别降低6.9 K与9.19 K。相同比例宽度变化比相同比例厚度变化对温升的影响大，主要由于导体宽度变化更大程度改变了导体有效散热面积[14-15]。

相同截面积下，铜铝复合母线宽度与厚度比增大2.25倍时，温升降低8.07 K；宽度与厚度比增大1.44倍时，温升降低4.54 K。截面不变的情况下，增大铜铝复合母线的宽度与厚度比值能有效增加导体的散热面积，有利于导体温升的降低。

2.3 相同温升下铜铝复合母线截面增加比

为验证上述计算的正确性，选择铜母线规格为100×10和60×6，铜铝复合母线规格为120×10和60×8，分别加载1 350 A与630 A电流进行温升试验，试验结果如表3所示。

由表3可知，铜铝复合母线宽度增加20%时，温升较铜母线降低0.58 K；铜铝复合母线厚度增加33%，温升较铜母线高0.15 K。铜铝复合母线与铜母线温升差值均在1 K以内，在温升性能上满足替换铜排的要求[16]。铜铝复合母线宽度增加20%较理论计算值19.45%偏大，实验温升比铜母线低，满足替换要求。厚度增加33%较理论计算值36.1%偏低，原因是计算中将铜铝复合母线与铜母线的散热系数视为相等，在实际中铜铝复合母线的散热系数大于铜母线，导致计算结果偏高。受制于铜铝复合母线生产加工尺寸，导致图1与图2中曲线关系无法验证，但可作为企业生产选型参考。

3 结束语

新工艺下铜铝复合母线温升降约低3%，生产工艺的发展有利于提高产品的温升性能；在截面积不变的情况下，增加铜铝复合母线的宽度与厚度比值能有效降低温升；铜铝复合母线可以通过增加截面比达到铜母线的温升水平，其中铜铝复合母线的厚度保持不变，宽度增加20%或者宽度保持不变，厚度增加33%，满足替换铜母线的要求。

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Study for Temperature Rise of TLF Bus Bar Based on New Process

WANG Yang1，CHEN Jianbing2，LI Yaxing1

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China;2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063,China)

With this new process used in the TLF bus bar, TLF bus bar on the new process instead of copper bus bar under the technical parameters required to meet the proposed requirements. In this paper the experimental studies of the impact of new process on the TLF bus bar temperature rise, and the relationship of temperature rise and cross-sectional area on the TLF bus bar under the same current specification. It analyzes the TLF bus bar instead of copper bus bar should meet a cross-section than the relationship. The results show that TLF bus bar temperature rise under the new process is reduced by 3%; TLF bus bar could be an effective alternative to copper bus bar when its width is increased by 20% or the thickness is increased by 33%.

TLF bus bar；new process；copper bus bar；temperature rise

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.049

2016- 02- 28

沪江基金资助项目(B1402/D1402)

汪洋(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：电气工程。陈建兵(1965-)，男，教授。研究方向：低压电器与成套产品认证与检测。

TN304

A

1007-7820(2016)12-180-03