热缩套管对母排散热性能影响研究

陈城，郭庆，施金奎，陈浩，米高祥

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

作为电流承载体的母排，其材质通常为铜材、铝材或者两者的结合体，因其稳定及可靠的载流能力，而在电力设备中被大量应用。近些年随着产品功率的不断提升，一些设备的铜排温升有接近允许温升和超过温升极限的趋势，这不仅影响设备的安全运行，对设备绝缘性能和使用寿命也造成不利影响[1-3]。母排具有较高的热导率，但是其表面通常都会镀锡处理，锡层的红外辐射系数很低，只有0.07，母排上的热量很难传递到空气中[4]。常规工程中，母排还会配合热缩管，起到相序识别和绝缘的作用，但是热缩管对母排散热的影响却鲜有研究。

本文分别对铜排和铜包铝排这2 种常用的母排套热缩管后温升进行验证，试验分2 次进行，由于测温设备的限制，第一次铜排对比试验的的温度记录采用测温试纸，第二次铜排与铜包铝排对比试验的温度记录采用热电偶。通过这2 次试验，对比分析热缩管带来的温升影响。

1 母排温升原理

温升试验，母排为镜像对称布置，如图1 所示。

图1 温升试验母排搭接

由于长度方向尺寸远大于截面尺寸，认为截面是等温面，温度是沿着长度方向进行变化。这样把整个串联的母排温升看成一维的热传导过程。铜排表面的热量通过热对流换热和辐射换热。热对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式[5]：

式（1）中：Q1为热对流换热量；α为换热系数；Sstm为散热表面积；Tstm为母排表面温度，Tatm为空气温度。

其中换热系数α是母排形状和表面温度的函数，其计算公式为：

式（3）～（5）中：Ra为瑞利数；Pr为普朗特数。

母排温升受换热系数、散热面积、母排定型尺寸影响较大。增加热缩套管相当于改变了其表面换热系数，增大了其散热面积。

2 母排温升试验

2.1 试验方案

铜排在导通电流时存在集肤效应，即电流主要是从铜排的表面通过，对铜排内部的利用率不高，考虑铜成本远远大于铝，为铜包铝提供了应用的场合。

铜包铝是铜、铝2 种金属的复合连铸，技术难点是在铸造过程中抑制Al2Cu 等化合物产生，在高温条件下形成无氧化和无第三种介质的结合面。铜包铝中主要提供铜体积含量为25%和30%两种含量的铜排：宽度大于等于50 mm 的，含铜量25%；宽度小于等于50 mm 的，含铜量30%。

保守估计，铜包铝替代铜排可以节约20%～30%的成本。因此除了纯铜排外，铜包铝排也是作为试验对象进行了测试。

试验仪器使用以下2 种：①交流电流测试系统，提供持续电流1 000 A（电压不到3 Ⅴ）；②测温试纸以及红外测温枪。

本次试验依据GB 7251.1—2013《低压成套开关设备和控制设备第1 部分：总则》，试验持续的时间应足以使温度上升到稳定值，实际上当所有的测量点（包括周围空气温度）温度变化不超过1 K/h 时，即认为达到稳定温度[6]。

2.1.1 铜排对比试验方案

测试铜排截面尺寸40 mm×8 mm，数量为15 根。为保证各测试数据点工况条件的一致性，各测试对象进行串联测试。测试800 A（该规格铜排最大额定电流）和900 A（该规格铜排最大额定过电流）2 种工况，稳定温升的判断标准：1 h 内的温升增加不超过1 K，即判定铜排进入热平衡状态。

测温试纸每0.5 h 记录一次温度数据；稳定温升的判断标准：1 h 内的温升增加不超过1 K，即判定铜排进入热平衡状态。

铜排搭接方式如图2 所示，两侧铜排搭接方式相同，下侧增加了热缩套管，并且在搭接位置和铜排中间部位增加了测温试纸，以方便后面读数。

图2 铜排搭接及热缩套管热缩位置

2.1.2 铜排和铜包铝排对比试验方案

测试对象为80 mm 宽度的铜排和铜包铝排。一侧为纯铜排，另一侧为相同尺寸的铜包铝排。母排截面尺寸80 mm×6 mm，中间4 根套有热缩套管，其余为裸排。母排搭接方式如图3 所示。

图3 铜排和铜包铝排搭接及热缩套管热缩位置

2.2 试验结果

2.2.1 铜排对比试验结果

通800 A 电流3 h，室温14.6 ℃，试验结果如表1、图4 所示。

表1 800 A 电流下铜排温度数据

图4 800 A 电流有无热缩管温度对比

通900 A 电流3 h，室温14.6 ℃，试验结果如表2、图5 所示。

表2 900 A 电流下铜排温度数据

图5 900 A 电流有无热缩管温度对比

从图4 和图5 的对比数据中可以看出，铜排增加热缩套管后，温度有明显的降低。图4 中铜排通以800A电流，温差最大为18 ℃，最小为9 ℃，平均降低了13.3 ℃；图5 中铜排通以900 A 电流，温差最大为19 ℃，最小为11 ℃，平均降低了15 ℃。

2.2.2 铜排和铜包铝排对比试验结果

通800 A 电流3 h，室温14.6 ℃，试验结果如表3、表4、图6 所示。方案1 代表截面尺寸为80 mm×6 mm的铜排；方案2 代表截面尺寸为80 mm×6 mm 的铜排，套有热缩管；方案3 代表截面尺寸为80 mm×6 mm 的铜包铝排；方案4 代表截面尺寸为80 mm×6 mm 的铜包铝排，套有热缩管。

图6 铜排和铜包铝排温度对比

表3 800 A 电流下铜排和铜包铝排温度数据（单位：℃）

表4 不同方案的温度对比数据（单位：℃）

排除个别异常数据影响，方案对比1 为铜排有无热缩的温度差值，方案对比2 为铜包铝排有无热缩温度差值。

从表4 和图6 中可以看出，不套热缩管，铜包铝排的温度相比铜排的要高；带热缩管的铜包铝排温度平均降低了3 ℃，带热缩管的铜排温度平均降低了1.8 ℃。

2.2.3 测温精度

本次试验中，为验证测温试纸准确性，同步的，采用了红外测温枪辅佐进行验证结果的准确性。红外测温枪的原理是：自然界中温度高于绝对零度（-273 ℃）的任何物体，随时都向外辐射出电磁波（红外线），因此红外线是自然界中存在最广泛的电磁波，并且热红外线不会被大气烟云所吸收，红外测温枪基于此原理设计。但是由于母排表面的热缩管，实际会影响母排的热辐射率，因此其数值并不够准确。而测温试纸或者叫示温记录标签，其采用温度敏感变色测温技术，贴在母排表面，避免了热缩管的影响，更能真实反映被测物体的温度情况。此次试验中大量使用温度试纸进行温度记录。实际测试中发现红外测温枪测得的温度与测温电阻相比，整体趋势大体一致；但是数值上来看，红外测温枪的测量值比相同条件下的测温电阻数值低6 ℃左右，测温精度略有差距，但作为试验的补充验证项，不影响整体试验结果。

以上试验均看到套热缩管后，铜排和铜包铝排温度均有明显的降低。物体热交换方式有3 种：传导、对流、辐射。母排的应用场景决定了其基本靠对外辐射散热，铜排主要是靠自然散热，如果所处环境有一定风速，可有效降低铜排温度，提高铜排的载流量。此外再加上母排表面光滑，辐射换热量很小，纯铜表面抛光后对外的辐射系数很小。推测母排的热缩管相当于改变了母排表面的对外热辐射系数，加快了热量向物体所在空间辐射热，从而有利于母排降温。

3 结论

常规认为，母排套热缩管后会影响散热。本文通过2 次试验，分别验证了铜排及铜包铝排增加热缩管后的温度表现。试验表明，不同颜色的热缩管之间温度差异并不大，但是母排增加热缩管后，不管是铜排还是铜包铝排，其温度均有明显的降低，温差最高能达到19 ℃。其次，铜包铝排的散热特性相比纯铜排要弱，因此在设计的时候除了需要关注载流量之外，还需要注意此方面的问题。