부스바 온도 상승 계산: 공식, 예, IEC 및 UL 제한

일상적인 온도 상승 테스트 중에 2000A 배전반은 주 버스바가 주변 온도보다 112K(한도를 7K 초과)에 도달하여 고장났습니다. 도체 크기는 더 시원하게 작동하는 이전 설계에서 복사되었습니다. 차이점은 부하가 아니었습니다. 인클로저 환기, 재료 선택 및 도체 모양에 따라 설정된 열 균형이었습니다.

온도 상승은 부스바의 연속 정격, 절연체 수명 및 볼트 접합부의 안전성을 제어합니다. 이 기사에서는 열 균형을 통한 부스바 온도 상승 계산을 설명하고 2000A 설계 예를 보여주며 IEC 61439-1 및 UL 891의 제한 사항을 요약합니다.

정상 상태 열 균형으로 시작

정상 상태에서 부스바는 자체 저항에 의해 생성된 열이 주변으로 방출되는 열과 같을 때 안정적인 온도에 도달합니다. 즉, 부스바에는 단일 고정 정격이 없습니다. 냉각 환경에 따라 변화하는 온도 상승 곡선을 가지고 있습니다.

생성된 열은 줄열(Joule 열ing)입니다. Q_gen = I² × R_ac .

거부된 열은 대류와 복사에 의해 빠져나갑니다. Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ -티 _a ⁴ ) .

설계 작업의 경우 두 손실 경로가 등가 계수 h로 결합되어 다음을 제공합니다.

ΔT = (I² × R_ac) / (h × S)

여기서:

I - RMS 전류(A)
R_ac - 작동 온도에서의 AC 저항(Ω)
h - 결합된 대류 및 복사 계수(W/m²·K)
S - 유효 냉각 표면적(m²)
ΔT - 주변 온도보다 높은 온도 상승(K)

관계는 2차적입니다. 전류가 2배가 되면 손실은 4배가 됩니다. 800A에서 시원하게 유지되는 바는 동일한 큐비클에서 1250A에서 과열될 수 있습니다.

160 × 10mm 구리 막대의 온도 상승과 전류 비교

실용적인 크기 조정 공식

빠른 추정을 위해 엔지니어는 열 균형을 전류용량 형식으로 재정렬합니다.

나는 = K × √(A × ΔT)

여기서 A는 단면적(mm²), ΔT는 K의 허용 상승, K는 저항률, 표면 마감 및 환기를 묶는 경험적 상수입니다. 최소 섹션은 다음과 같습니다.

A = I² / (K² × ΔT)

I = K·√(A·ΔT)에 대한 경험적 K 값(A는 mm², ΔT는 K). 값이 낮을수록 환기가 잘 안되는 조립품에 적합합니다.
배열	구리(K)	알루미늄(K)
자유 공기 중의 단일 바	11-13	8.5-10
통풍이 잘되는 인클로저의 바	9-11	7-8.5
밀봉되거나 환기되지 않는 인클로저의 바	7-9	5.5-7

이러한 상수를 시작점으로 취급하십시오. 최종 설계는 특히 소형 조립품의 경우 계산 또는 유형 테스트를 통해 검증해야 합니다.

작업 예: 2000A 구리 버스바

환기된 인클로저 내부에서 허용 높이가 40K인 2000A LV 배전반 버스바 크기를 지정합니다.

1단계 - 재료 상수 선택

환기된 엔클로저에 있는 구리의 경우 K = 8.5(중간 범위)를 사용합니다.

2단계 - 최소 단면적 계산

A = 2000² / (8.5² × 40) = 4,000,000 / 2890 = 1384mm²

3단계 - 표준 막대 선택

160 × 10mm 바는 최소값보다 약 16% 높은 1600mm²를 제공합니다. 125 × 12mm 바(1500mm²)도 다양한 패널 레이아웃에 적합합니다.

4단계 - 결과적인 온도 상승 확인

ΔT = (2000 / 8.5)² / 1600 = 34.6K , 40K 제한 미만입니다. 2400A에서는 동일한 막대가 한계를 초과하는 49.8K로 상승합니다. 전류의 마지막 20%는 약 44% 더 많은 온도 상승을 추가합니다.

구리 대 알루미늄: 계산의 변화

재료 선택은 K를 변경하므로 물리적 단면이 변경됩니다. 알루미늄은 구리보다 저항률이 약 64% 더 높으므로 동일한 전류 및 상승에 대해 대략 1.6~1.7배의 단면적이 필요합니다. 그 대신 무게가 약 70% 가벼워 지지 하중이 줄어들고 장기적으로 더 큰 섹션 가격을 상쇄할 수 있습니다.

동일한 전류 및 온도 상승에 대한 재료 비교. 알루미늄은 무게를 줄여주지만 더 큰 단면과 세심한 접합 준비가 필요합니다.
재산	구리	알루미늄
20°C에서의 저항률(Ω·mm²/m)	0.0172	0.0282
온도계수(1/K)	0.00393	0.00403
동일한 단면에서의 상대 전류용량	1.00	~0.78
동일한 전류용량에 필요한 단면적	기준선	~1.6배
동일한 전류용량에 대한 무게	기준선	~50% 감소

2000A, 40K 예의 경우 알루미늄에는 약 2367mm²가 필요하며 일반적으로 위상당 2개의 100 × 12mm 막대가 필요합니다. 알루미늄 조인트는 또한 표면 산화막이 접촉 저항을 추가하고 핫스팟을 생성하기 때문에 세심한 표면 준비가 필요합니다.

40K 상승 시 2000A에 필요한 단면적

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

고전압 스테이션용 마그네슘-알루미늄 합금 관형 버스바 이 관형 버스바 라인은 최대 1000kV의 다양한 합금 및 전압 등급을 포괄하므로 열 제한과 기계적 강도가 모두 중요한 고전류 실외 변전소용 도체 크기를 조정할 때 실용적인 선택이 됩니다. 제품보기 →

알루미늄은 옥외 변전소의 튜브 도체로도 일반적입니다. 열 논리는 동일하지만 튜브는 플랫 바에 비해 단위 단면당 냉각 표면이 적으므로 올바른 알루미늄 합금 관형 버스바 선택 허용 온도 상승에서 시작하여 기계적 강도를 고려합니다.

표피효과와 바의 모양

50/60Hz에서는 전류가 표면 쪽으로 몰려들기 때문에 AC 저항이 DC 저항을 초과합니다. 160 × 10mm와 같이 넓고 얇은 막대는 동일한 단면의 50 × 32mm 막대보다 AC-DC 비율이 더 좋습니다. 더 많은 재료가 냉각 표면 근처에 머물기 때문입니다.

가능하면 너비 대 두께 비율을 10:1 이상으로 유지하십시오. 위상당 막대가 여러 개인 경우 각 표면이 열을 발산할 수 있도록 막대 두께를 하나 이상 간격으로 두십시오.

주변 온도, 인클로저 및 용량 감소

온도 상승은 차이이며 절연 및 장비 등급은 절대 온도입니다. 40K 상승은 주변 온도 35°C에서는 안전하지만 주변 온도 45°C에서는 허용되지 않습니다. 항상 허용된 상승을 절대 도체 온도로 변환하십시오. T = T_주변 ΔT .

대기 정격에 적용되는 대략적인 경감 요소입니다. 자유 공기 전류용량에 관련 계수를 곱합니다.
상태	경감 요인
통풍 인클로저	0.85-0.92
밀봉된(통풍되지 않는) 엔클로저	0.70-0.80
35°C 대신 주변 40°C	0.93-0.98
고도 2000m	~0.95

인클로저 설계는 도체 계산 자체보다 더 많은 오류를 발생시킵니다. 밀봉된 IP54 큐비클은 대류가 거의 사라지기 때문에 자유 공기에 비해 등급을 20-30% 줄일 수 있습니다.

대류 - 70%
방사선 - 22%
지원 - 8%

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

높은 정격 전류를 갖춘 완전 밀폐형 전력 버스웨이 인클로저 설계로 전류용량을 20~30%까지 줄일 수 있다는 점을 감안할 때 공장에서 제작된 이 버스웨이는 테스트된 온도 상승과 최대 6300A의 정격을 제공하므로 IP54 또는 밀폐된 환경에서의 설치에 대한 추측을 제거합니다. 제품보기 →

알려진 인클로저와 테스트된 온도 상승을 갖춘 공장에서 제작된 버스웨이는 이러한 추측을 상당 부분 제거합니다. 카탈로그 등급은 이미 정의된 열 테스트를 반영합니다.

표준 및 허용 온도 상승 한계

대부분의 스위치기어 사양은 IEC 61439-1 또는 UL 891을 인용합니다. 둘 다 노출된 도체가 아닌 조립된 제품의 온도 상승을 확인합니다. 아래 값은 일반적으로 사용되는 한계입니다. 표준의 계약판이 우선합니다.

내부 버스바 시스템에 대해 일반적으로 참조되는 온도 상승 제한입니다. 프로젝트 표준을 기준으로 확인하세요.
표준	구성요소	일반적인 한도
IEC 61439-1	외부 도체용 단자	70K
IEC 61439-1	베어 구리 내부 연결	105K
IEC 61439-1	베어 알루미늄 내부 연결	90K
UL 891	배전반의 메인 버스바	65K

도체가 절연되면 절연 재료가 최대 연속 작동 온도를 갖기 때문에 상승 한계가 떨어집니다. 그런 다음 검사는 도체-절연 인터페이스의 핫스팟을 대상으로 하며 절연 두께는 열 저항의 일부가 됩니다.

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

절연체가 통합된 에폭시 수지 주조 관형 버스바 이 제품의 일회성 성형 절연 및 차폐는 도체-절연 인터페이스의 핫스팟을 해결합니다. 긴 수명의 난연성 구조는 지속적인 도체 온도와 표면 온도 모두 검증이 필요한 응용 분야에 적합합니다. 제품보기 →

완전 절연된 관형 부스바 따라서 도체 온도와 외부 표면 온도라는 두 가지 확인이 필요합니다. 단락 조건의 경우 이 연속 계산은 적용되지 않습니다. 대신 내결함에 대한 단열 방정식을 사용하십시오.

피해야 할 일반적인 계산 실수

AC 저항 대신 DC 저항 사용 - 스킨 및 근접 효과는 큰 막대에서 10-30% 손실을 추가합니다.
밀폐형 부스바에 자유 대기 등급 적용 - 밀봉된 인클로저는 등급을 20-30% 감소시킵니다.
주변 기반 무시 - 90K 상승은 35°C에서는 괜찮지만 50°C에서는 많은 절연 한계를 초과합니다.
고조파를 잊어버림 - 삼중 고조파는 RMS 전류와 발열을 기본 값 이상으로 높입니다.
우발 부하 대신 공칭 부하로 크기 조정 - 항상 신뢰할 수 있는 가장 높은 작동 전류를 확인하십시오.
조인트 및 종단 무시 - 불량한 볼트 체결은 주 도체가 파손되기 전에 파손됩니다.

자주 묻는 질문

버스바의 온도 상승을 어떻게 계산합니까?

사용 ΔT = (I/K)²/A 아니면 열 균형 ΔT = I²R/(hS) , 그런 다음 결과를 구성요소에 적용 가능한 표준 한계와 비교합니다.

부스바의 허용 온도 상승은 얼마입니까?

IEC 61439-1은 일반적으로 순동 내부 연결에 105K를 허용합니다. UL 891은 65K의 배전반 부스바에 대해 더 엄격합니다. 대신 절연 도체는 절연 온도 등급을 따릅니다.

동일한 전류에서 알루미늄이 구리보다 더 뜨겁습니까?

단면적과 전류가 동일하면 그렇습니다. 동일한 정상 상태 온도 상승에 도달하려면 알루미늄이 구리 단면적의 약 1.6배가 필요합니다.

계산에 어떤 주변 온도를 사용해야 합니까?

사용 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.

부스바 온도 상승 계산은 학문적이지 않습니다. 배전반이 형식 테스트를 통과하는지, 버스웨이가 더운 오후에 명판 전류를 전달하는지, 절연체가 조기에 노화되는지 여부를 결정합니다. 신뢰할 수 있는 가장 높은 전류를 계산하고, 실제적인 인클로저 용량 감소를 적용하고, 열 환경에 맞는 재질과 단면적을 갖춘 도체를 선택하십시오.

애플리케이션에 고전류 또는 제한된 공간이 포함되는 경우 유형 테스트를 거친 버스바 및 버스웨이 제품을 보유한 제조업체가 하드웨어와 지원 열 문서를 모두 제공할 수 있습니다.

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