銅排載流量可以用牛頓公式計算:

你會發現:銅排的載流能力I與允許溫升值ΔT成正比。換句話說,銅排允許工作的溫度越高,其載流量會越高,但不能無限制的提高。
國家或國際標準對銅排的工作溫度有嚴格限制,英國標準BS159規定銅排的最大允許溫升為50K,基于環境平均溫度35℃、最高環境溫度40℃。
美國標準ANSI C37.20規定銅排(鍍銀+螺栓連接)的最大允許溫升為65K,基于最高環境40℃,如果非鍍銀銅排,其最大允許溫升為30K。
溫度受限主要是考慮:限制銅排表面氧化加劇影響搭接面的接觸電阻,以及降低循環變化溫度下銅排搭接處的機械應力。
在英標低壓柜標準EN60439中,如果銅排表面經過鍍層處理,那么可以接受60K或更高的溫升,基于環境溫度40℃。
中國低壓柜標準GB/T7251.1(對應IEC61439-1)關于銅導體溫升的要求,如果僅僅考慮銅排自身,不考慮與之相接觸的絕緣支撐、絕緣套管以及接觸電阻等因素的影響,其最大溫升應不超過105K,再加上平均環境溫度35℃,那么銅母線和銅導體的最大允許工作溫度為140℃。
為何對銅母線和銅導體的工作溫度會有這樣的限制呢?這是因為:
①溫度的升高首先會影響銅排自身的機械強度,比如溫度超過140℃時,銅排會出現退火現象,機械強度會明顯降低;
②其次,銅排溫度太高,對支撐絕緣子和熱縮套管的耐熱性能要求提高,比如大多數熱縮絕緣套管的長期允許工作溫度只有90℃或105℃,甚至更低;
③再者,導體溫度太高會影響與之連接的低壓元器件或相鄰設備,甚至會存在引起火災等潛在風險;
④最后,銅排搭接面溫度太高會影響接觸電阻,導致額外的發熱。
銅導體和鋁導體開始氧化的溫度大約是90℃,氧化銅和氧化鋁的導電性較差,影響搭接面的導電性并引發過熱,所以搭接面的工作溫度一般限制在85~90℃。銅排搭接面做鍍銀處理,即使氧化生成氧化銀,還是具有良好的導電性,并且可以避免內部銅排和搭接面氧化,所以鍍銀銅排可以允許在更高的溫度105℃下工作(溫升70K)。
自由空氣中裸銅排載流量可以參考DIN43671-1975,載流量基于環溫35℃,允許溫升30K。

在DIN43671中,當環境溫度35℃、銅排允許溫度65℃、豎放時,單根裸銅排100×10的載流量為1490A。
DIN43671-1975同時還給出了不同環境溫度和不同銅排運行溫度下的載流量換算方法。
表格中橫軸為銅排允許溫度,曲線簇為環境溫度,縱軸為換算系數K2,如果環溫35℃、銅排允許溫度是65℃,則系數K2=1。
如果要換算成環境溫度35℃、銅排(鍍銀)允許溫度105℃時的載流量,則需要查表得到K2=1.57。

經過計算,銅排載流量為1490×1.57=2339A。

所以,我們想到第一個提高銅排載流量的辦法:銅排搭接面鍍層,因為提高了其允許工作溫度,所以銅排允許的載流能力提高了。
比如GB/T14048.1規定了各種鍍層的允許溫升值,裸銅60K,銅鍍錫65K,銅鍍銀或銅鍍鎳70K:
銅排載流量的提高,還可以通過提高熱傳導、熱交換和熱輻射三種散熱效率來實現。
提高熱傳導的方式主要是在銅排上加散熱片,以此來帶走銅排表面的溫度,在限定的溫升條件下,提高銅排的載流能力。

熱交換的方式有銅排平放和豎放的區別,豎放的散熱效率更高,可以提高銅排的載流能力,其次自然冷卻或強制風冷,同樣可以降低銅排表面溫度,實現提高銅排載流能力。


通過提高熱輻射散熱來提高銅排載流能力一直有些爭議,其核心是光亮裸銅排的輻射率為0.3左右,表面亞光黑色matt black或噴涂painting銅排輻射率為0.9左右,輻射率的提高有利于輻射散熱,降低銅排的溫度,提高了其載流量。
通過改善銅排表面狀況的方式提高其載流能力的方式盡管有爭議,但是我們直接引用文獻說話:Copper Development Association, Copper Bushar: Pub. No.22 47指出如果銅排表面做黑色非金屬的亞光面噴涂,其載流量會提高20%;同樣的DIN43671-1975中裸銅排與噴涂銅排的載流量相差21.5%(以TMY100×10為例);施耐德技術材料How to assemble an electrical switchboard中指出環氧噴涂銅排載流量相對于裸銅排可以提高15%。
所以,總結下來:
1、銅排的最大載流量本質上受制于其最大允許溫升,銅排工作溫度受限制主要是考慮搭接面氧化對接觸電阻的影響,以及搭接面在長期溫度變化下機械應力影響,通過在搭接面做表面處理可以提高銅排的允許工作溫度,提高其載流能力;
2、對于特定規格的銅排,通過增加傳導散熱和熱交換散熱效率如強制風冷等方式,可以提高其載流能力,同時還可以在銅排表面做噴涂處理,增加輻射率來提高載流能力。
作者:賓紹平