中國質(zhì)量認(rèn)證中心　石俊偉

天津電氣科學(xué)研究院有限公司　羅巨龍 胡文英

低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備溫升的外推法計(jì)算

中國質(zhì)量認(rèn)證中心石俊偉

天津電氣科學(xué)研究院有限公司羅巨龍 胡文英

本文系應(yīng)用GB/T 24276-2009（IEC/TR 60890:1987，IDT）標(biāo)準(zhǔn)對天津電氣科學(xué)研究院有限公司牽頭開發(fā)的GCK2低壓成套開關(guān)設(shè)備中的受電柜、饋電柜作計(jì)算實(shí)例，計(jì)算出外殼內(nèi)的空氣溫升，通過計(jì)算驗(yàn)證柜體的設(shè)計(jì)是否合理。

功率損耗 溫升 散熱面積

0　引言

在低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的系列設(shè)計(jì)中往往具有多種規(guī)格，但只能挑選1～2種具有代表性的規(guī)格的成套設(shè)備進(jìn)行型式試驗(yàn)，而其中合乎計(jì)算條件規(guī)格的成套設(shè)備可采用GB/T24276—2009的計(jì)算法進(jìn)行溫升的外推法計(jì)算來效驗(yàn)，這樣可以節(jié)省人力、財(cái)力，本文的計(jì)算例子均來自天津電氣科學(xué)研究院有限公司在2007年?duì)款^開發(fā)的GCK2低壓成套開關(guān)設(shè)備的圖紙資料。

下面計(jì)算的例子中，所應(yīng)用的公式以及曲線、圖標(biāo)等均來自GB/T24276—2009（IEC/TR 60890:1987 IDT）《評估部分型式試驗(yàn)的低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備（PTTA）溫升的外推法》標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”），所用的符號、代號也盡量同國標(biāo)一致。在計(jì)算例子中加入適當(dāng)?shù)恼f明，該標(biāo)準(zhǔn)是用于評估進(jìn)行部分型式試驗(yàn)的低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備溫升的外推法，可用來確定柜體外殼內(nèi)部空氣的溫升。

本計(jì)算方法僅適用于下列條件：

1）外殼內(nèi)功率損耗近似均勻分布；

2）內(nèi)裝設(shè)備的布局使空氣流通幾乎沒有阻礙；

3）內(nèi)裝設(shè)備為直流或交流≤60Hz，總電流不超過3150A；

4）承載大電流的導(dǎo)體和結(jié)構(gòu)部件的布局應(yīng)使渦流損耗可以忽略不計(jì)；

5）帶通風(fēng)口的外殼，其排氣口的截面積至少是進(jìn)氣口截面的1.1倍；

6）PTTA或其柜架單元中的水平隔板不多于3個(gè)；

7）帶外部通風(fēng)口的外殼如果有隔室，則每個(gè)水平隔板上的通風(fēng)口的表面積應(yīng)至少是隔室水平截面積的50%。

計(jì)算所必備的資料有：

1）外殼尺寸：高×寬×深；

2）與標(biāo)準(zhǔn)中相符的外殼安裝形式，包含①單獨(dú)的外殼，所有側(cè)板均可拆卸；②靠墻安裝的單獨(dú)的外殼；③分離形式的第一個(gè)或左后一個(gè)外殼；④靠墻安裝形式的第一個(gè)或左后一個(gè)外殼；⑤分離形式的中心的外殼；⑥靠墻安裝形式的中心的外殼；⑦靠墻安裝并且頂部表面被覆蓋的中心的外殼；

3）外殼可帶或不帶通風(fēng)口；

4）內(nèi)部水平隔板的數(shù)量；

5）外殼內(nèi)裝設(shè)備的有功功率損耗。

1　計(jì)算例子一：取自GC K 2中的受電柜

In=2500A

1.1柜體的原始資料

（1）柜體外形尺寸，

寬×高×深=600mm×2200mm×800mm；通風(fēng)口面積：柜頂2400cm2；柜后480cm2；柜前180cm2；進(jìn)氣口：480+180=660cm2；排氣口：2400cm2；柜內(nèi)沒有水平隔板。

（2）內(nèi)裝設(shè)備的功率損耗計(jì)算

受電柜中的主要電氣設(shè)備有：CW1-3200A/3P萬能式框架斷路器一臺(tái)，電流互感器，指示燈，指示儀表，轉(zhuǎn)換開關(guān)，小型熔斷器等，其中功率損耗主要來自母線和萬能式框架斷路器，特別是母線，本柜體中所裝入的CW1萬能式框架斷路器的有功損耗為900W，母線的有功損耗為：

1）水平母線，截面為2×100×10mm，每根長0.6m；

2）斷路器進(jìn)出母線，其截面也為2×100×10mm，其出線（三相）總長度為4632mm；進(jìn)線（三相）總長度為4 7 9 7 m m；所以柜中垂直母線總長度為4632+4797=9429mm；

3）根據(jù)GB/T24276標(biāo)準(zhǔn)中（附錄表B.2：不直接接到設(shè)備上的垂直敷設(shè)的裸導(dǎo)體的工作電流和功率損耗）：其導(dǎo)體最高允許溫度為85℃；殼體內(nèi)導(dǎo)體周圍的空氣溫度為35℃，由導(dǎo)體2×100×10mm查得當(dāng)工作電流為3298A時(shí)，功率損耗為164.2W/m。

故當(dāng)其工作電流為2500A，其功率損耗應(yīng)為：

代入P=164.2×（2500/3298）=94 W/m

水平母線的功率損耗為：P1=3×0.6×94=169.2W，

垂直母線的功率損耗為：P2=9.429×94=886.3W，

柜內(nèi)母線總功率損耗為：P= P1+ P2=169.2+886.3=1055.5W。

（3）柜體總散熱面積

柜體總散熱面積如表1所示，進(jìn)行合并計(jì)算得出，其中表面系數(shù)b來自GB/T24276標(biāo)準(zhǔn)中的安裝形式對應(yīng)的表面系數(shù)圖。

表1　柜體總散熱面積計(jì)算

1.2確定柜內(nèi)空氣溫升△t0.5（柜內(nèi)中部的空氣溫升）

根據(jù)GB/T24276標(biāo)準(zhǔn)中（計(jì)算方法、用途、公式和特性表）查得：

代入

1.3確定柜內(nèi)空氣溫升△t0.5（柜內(nèi)頂部空氣溫升）

根據(jù)GB/T24276標(biāo)準(zhǔn)中（計(jì)算方法、用途、公式和特性表）查得：

式中c為溫度分布系數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)GB/T24276中帶通風(fēng)口且有效散熱面積大于1.25m2的外殼溫度分布系數(shù)圖，其高/底的系數(shù)f見標(biāo)準(zhǔn)4.2.3中的規(guī)定

式中Ab為柜底面積，等于0.6×0.8m2；h為柜高，2.2m。

根據(jù)f=6.04和進(jìn)氣口截面積660cm2，由該外殼溫度分布系數(shù)圖查得，溫度分布系數(shù)c=2.04

1.4柜內(nèi)空氣溫升曲線，如圖1所示：

圖1　

2　計(jì)算例子二，取自GCK2中饋電柜

額定電流3000A（原方案號12C），柜中裝入CW1-2000/3P萬能式框架斷路器3臺(tái)。

2.1柜體的原始資料

（1）柜體的外形尺寸

寬×高×深=800mm×2200mm×1000mm

通風(fēng)口面積：柜頂2400cm2；柜后480cm2；柜前180 cm2；

進(jìn)氣口：480+180=660cm2；

排氣口：2400cm2；

柜內(nèi)沒有水平隔板。

（2）內(nèi)裝設(shè)備功率損耗計(jì)算

饋電柜中的主要設(shè)備為CW1-2000A/3P萬能式斷路器3臺(tái)，每臺(tái)功率損耗為360W，其他電氣設(shè)備：電流互感器、指示燈、指示儀表、轉(zhuǎn)換開關(guān)、小型熔斷器等功率損耗略去不計(jì)，母線的有功損耗為：

1）水平母線，配置為3×120×10mm，每根長度800mm；

為計(jì)算方便，假定水平母線工作電流為3804A（GB/ T24276標(biāo)準(zhǔn)表B.2：不直接接到設(shè)備上的垂直敷設(shè)的裸導(dǎo)體的工作電流和功率損耗中2×120×10mm的工作電流）。

計(jì)算在3×120×10mm母線在工作電流為3804A時(shí)的功率損耗采用下列公式：

式中Pv—每相導(dǎo)體的功率損耗，W/m；I為工作電流，在此I=3804A；K3為電流位置系數(shù)，同每個(gè)相導(dǎo)體的個(gè)數(shù)、外形及安排有關(guān)，在此用K=1.80；K為銅的傳導(dǎo)率 K=56；A為母線的截面積 A=3；α為銅的溫度系數(shù)=0.004；Tc為導(dǎo)體工作溫度取；

代人

則水平母線的功率損耗：

中性線N的導(dǎo)體為100×10mm，但不經(jīng)過斷路器，直接從水平母線中的N線接下來，故暫定不考慮其功耗。

2）垂直母線的功率損耗

三臺(tái)CW1-2000三極斷路器的進(jìn)、出母線均采用一根608mm。其功率損耗按標(biāo)準(zhǔn)中表B2的605mm及6010mm的功率損耗用插入法計(jì)算，結(jié)果算出608mm單根母線在工作電流為1152A時(shí)的功率損耗為66.74。但本柜每臺(tái)開關(guān)的工作電流為1000A，故其功率損耗根據(jù)公式（1）為：

三臺(tái)開關(guān)的母線（608mm）長度：進(jìn)線=11190+4080=15270mm，出線=3744mm；垂直母線總長度L=15270+3744=19014mm；垂直母線功率損耗P2=19014×50×10-3=950.7W。

1）柜內(nèi)的母線總功率損耗

2）柜內(nèi)電氣設(shè)備的有功功率損耗

2.1.3柜體總散熱面積

柜體總散熱面積如表2，進(jìn)行合并計(jì)算得出，其中表面系數(shù)b來自GB/T24276標(biāo)準(zhǔn)中的安裝形式對應(yīng)的表面系數(shù)圖。

表2　柜體總散熱面積計(jì)算

2.2確定柜內(nèi)空氣溫升△t0.5

在Ae＞1.25m2，進(jìn)氣口截面積為660cm2，有效散熱面積Ae=7.848m2時(shí)，查得R=0.068；當(dāng)帶通風(fēng)口，有效散熱面積時(shí)，d=1.0；p為2421.4W；x應(yīng)為0.715；

代入：

2.3確定柜內(nèi)空氣溫升△t1.0

△t1.0表示柜內(nèi)頂部空氣溫升。

代入

根據(jù)3.62f=和進(jìn)氣口截面積660cm2，由外殼溫度分布系數(shù)圖查得，溫度分布系數(shù)1.93c=代入得

2.4柜內(nèi)空氣溫升曲線

如圖2所示。

圖2　

3　結(jié)束語

在計(jì)算中出現(xiàn)了在GB/T24276標(biāo)準(zhǔn)中表（B.2：不直接接到設(shè)備上的垂直敷設(shè)的裸導(dǎo)體的工作電流和功率損耗）以外的導(dǎo)體尺寸，如計(jì)算例子3中的水平母線3×120×10mm（表B2中僅有2×120×10mm），為此采用公式（4）進(jìn)行功率損耗的計(jì)算。作者曾用公式（△）按該標(biāo)準(zhǔn)中幾種大規(guī)格導(dǎo)體尺寸進(jìn)行功率損耗計(jì)算，結(jié)果偏差最大為5.8%，作者估計(jì)在于系數(shù)的采用上略有差別。在相同例子中，垂直母線尺寸為608mm，也在上述表B.2之外，作者系采用插入法進(jìn)行計(jì)算。

在標(biāo)準(zhǔn)的“目的”中說明該標(biāo)準(zhǔn)用于確定外殼內(nèi)空氣的溫升。作者也認(rèn)為，在殼內(nèi)溫升穩(wěn)定的條件下，殼內(nèi)空氣溫升也是殼內(nèi)電氣設(shè)備的溫升。

［1］ GB/T24276-2009 評估部分型式試驗(yàn)的低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備（PTTA）溫升的外推法（IEC/TR60890:1987，IDT）

［2］ GB7251.1—2013 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則（IEC61439-1:2011，IDT）