Hướng dẫn tính toán lựa chọn thanh cái đồng cho tủ điện

3CELECTRIC > Tin tức > Giải pháp kỹ thuật > Hướng dẫn tính toán lựa chọn thanh cái đồng cho tủ điện

TIÊU CHUẨN TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THANH CÁI ĐỒNG CHO TỦ ĐIỆN

Tiêu chuẩn tính toán được dựa trên các cơ sở: - Nhiệt độ phát nóng cho phép của thanh cái đồng là 900C - Nhiệt độ môI trường của thanh cái là 400C - Các thanh cái cách nhau >=6.3mm (áp dụng cho trường hợp 2, 3 thanh cái) - International Copper Associations (Hiệp hội đồng Quốc tế) http://www.copper.org/applications/busbar/homepage.html - Hướng dẫn đầy đủ hơn để tính thanh cái và việc thiết kế được hiệp hội đồng (Cu) của Anh phát triển và xuất bản số 22 (ở đây: http://www.copperinfo.co.uk/busbars/pub22-copper-for-busbars/sec3.htm) - Tiêu chuẩn IEC 60439-1 về độ dẫn điện theo diện tích và chu vi bề mặt

TRÍCH DẪN

Design Requirements Yêu cầu thiết kế The current-carrying capacity of a busbar is usually determined by the maximum temperature at which the bar is permitted to operate, as defined by national and international standards such as British Standard BS  159, American Standard ANSI C37.20, etc. These standards give maximum temperature rises as well as maximum ambient temperatures. Khả năng mang dòng của một thanh cái thường được xác định bởi nhiệt độ tối đa mà thanh được phép hoạt động, theo quy định của tiêu chuẩn quốc tế cũng như tiêu chuẩn Anh BS 159, American Standard ANSI C37.20, vv Các tiêu chuẩn cho quốc gia và nhiệt độ tối đa tăng lên cũng như nhiệt độ môi trường xung quanh tối đa. BS 159 stipulates a maximum temperature rise of 50°C above a 24 hour mean ambient temperature of up to 35°C, and a peak ambient temperature of 40°C. BS 159 quy định một sự gia tăng nhiệt độ tối đa là 50°C trên 24 giờ có nghĩa là nhiệt độ môi trường lên đến 35°C và nhiệt độ môi trường xung quanh cao nhất là 40°C. ANSI C37.20 alternatively permits a temperature rise of 65°C above a maximum ambient of 40°C, provided that silver-plated (or acceptable alternative) bolted terminations are used. If not, a temperature rise of 30°C is allowed. Tiêu chuẩn ANSI C37.20 có cách tính khác cho phép sự gia tăng nhiệt độ 65°C so với một môi trường xung quanh tối đa 400C, với điều kiện là mạ bạc (hoặc vật liệu thay thế chấp nhận được), các điểm nối sử dụng bu lông. Nếu không, sự gia tăng nhiệt độ khoảng 30°C mới được cho phép. These upper temperature limits have been chosen because at higher maximum operating temperatures the rate of surface oxidation in air of conductor materials increases rapidly and may give rise in the long term to excessive local heating at joints and contacts. This temperature limit is much more important for aluminium than copper because it oxidises very much more readily than copper. A nominal rise of 60°C or more above an ambient of 40°C is allowed by BS EN 60439-1:1994 provided that suitable precautions are taken. BS EN 60439-1:1994 (equivalent to IEC 439) states that the temperature rise of busbars and conductors is limited by the mechanical strength of the busbar material, the effect on adjacent equipment, the permissible temperature rise of insulating materials in contact with the bars, and the effect on apparatus connected to the busbars. Những giới hạn nhiệt độ trên đã được lựa chọn bởi vì ở nhiệt độ hoạt động tối đa, quá trình oxy hóa bề mặt trong không khí của vật liệu dẫn điện tăng lên nhanh chóng và có thể làm phát sinh trong thời gian dài quá mức ở các điểm nối. Giới hạn nhiệt độ này cho nhôm là quan trọng hơn nhiều so với đồng bởi vì nhôm ôxi hóa rất nhiều và dễ dàng hơn đồng. Sự gia tăng định mức ở 60°C hoặc lớn hơn môi trường xung quanh là 40°C được cho phép bởi BS EN 60439-1:1994 với điều kiện là biện pháp phòng ngừa thích hợp được thực hiện (ví dụ như làm mát cưỡng bức). BS EN 60439-1:1994 (tương đương tiêu chuẩn IEC 439) cho rằng sự gia tăng nhiệt độ của thanh cái và dây dẫn bị hạn chế bởi độ bền cơ học của vật liệu thanh cái, có hiệu lực trên các thiết bị lân cận, sự gia tăng nhiệt độ cho phép của vật liệu cách nhiệt tiếp xúc với thanh cái, và các hiệu ứng trên thiết bị kết nối với thanh cái… Calculation of Current-carrying Capacity Tính khả năng mang dòng điện A very approximate method of estimating the current carrying capacity of a copper busbar is to assume a current density of 2 A/mm2 (1250 A/in2) in still air. This method should only be used to estimate a likely size of busbar, the final size being chosen after consideration has been given to the calculation methods and experimental results given in the following sections. Một phương pháp gần đúng ước tính khả năng mang dòng hiện tại của một thanh cái đồng là giả định một mật độ dòng điện 2A/mm2 (1250 A/in2) trong không khí tĩnh lặng. Phương pháp này chỉ nên được sử dụng để ước tính kích thước khả năng của thanh cái, kích thước cuối cùng được lựa chọn sau khi xem xét đã được lựa chọn qua các phương pháp tính toán và kết quả thực nghiệm được đưa ra trong các phần sau. Methods of Heat Loss Phương pháp tản nhiệt The current that will give rise to a particular equilibrium temperature rise in the conductor depends on the balance between the rate at which heat is produced in the bar, and the rate at which heat is lost from the bar. The heat generated in a busbar can only be dissipated in the following ways: Dòng điện sẽ làm phát sinh một trạng thái cân bằng nhiệt độ tăng lên đặc biệt trong các dây dẫn phụ thuộc vào sự cân bằng giữa tốc độ mà nhiệt được phát sinh từ thanh cái và tốc độ làm mát cho thanh cái. Nhiệt sinh ra trong một thanh cái chỉ có thể tiêu tan trong các cách sau: (a) Convection (a) đối lưu (b) Radiation (b) bức xạ (c) Conduction (c) Truyền nhiệt In most cases convection and radiation heat losses determine the current-carrying capacity of a busbar system. Conduction can only be used where a known amount of heat can flow into a heat sink outside the busbar system or where adjacent parts of the system have differing cooling capacities. Trong hầu hết các trường hợp đối lưu và bức xạ sẽ được dùng để tản nhiệt và xác định khả năng mang dòng của một hệ thống thanh cái. Truyền nhiệt chỉ có thể được sử dụng khi nhiệt độ có thể dẫn vào một hệ thống tản nhiệt bên ngoài hệ thống thanh cái hoặc nơi các bộ phận lân cận của hệ thống khác nhau có khả năng làm mát (PS: Cái này chắc dẫn nhiệt xuống thùng nước đá là hay nhất he he). Approximate dc Current Ratings for Flat and Round bars Dòng điện dc ước tính cho thanh Phẳng và tròn The following equations can be used to obtain the approximate d.c. current rating for single flat and round copper busbars carrying a direct current. The equations are also approximately true for a.c. current provided that the skin effect and proximity ratios stay close to 1.0, as is true for many low current applications. Methods of calculation for other configurations and conditions can be found in subsequent sections. Các phương trình sau đây có thể được sử dụng để tính được gần đúng dòng điện dc cho thanh cái đồng phẳng và tròn mang một dòng điện trực tiếp. Các phương trình cũng xấp xỉ đúng cho dòng điện ac với điều kiện là hiệu ứng và tỷ lệ gần ở gần 1.0, nó đúng cho đa số ứng dụng có dòng điện bé. Phương pháp tính toán cho các cấu hình và các điều kiện khác có thể được tìm thấy trong các phần tiếp theo.   (a) Flat bars on edge: (a) Thanh cái phẳng With I = current (A) Với I = dòng điện (A) A = cross-sectional area, mm2 A = diện tích mặt cắt ngang, mm2 p = perimeter of conductor, mm p = chu vi của dây dẫn, mm  = temperature difference between conductor and the ambient air, °C  = chênh lệch nhiệt độ giữa các dây dẫn và không khí xung quanh, ° C  = resistance temperature coefficient of copper at the ambient temperature, per °C  = hệ số giãn nở nhiệt của đồng ở nhiệt độ môi trường xung quanh, mỗi ° C  = resistivity of copper at the ambient temperature, cm  = điện trở suất của đồng ở nhiệt độ môi trường xung quanh, cm If the temperature rise of the conductor is 50°C above an ambient of 40°C and the resistivity of the copper at 20°C is 1.724 cm, then the above formulae become: Nếu sự gia tăng nhiệt độ của dây dẫn là 50°C với nhiệt độ môi trường xung quanh là 40°C và điện trở suất của đồng ở 20°C là 1.724 cm, thì công thức trên trở thành: (a) Flat bars on edge: (a) Thanh cái phẳng A = cross-sectional area, mm2 A = diện tích mặt cắt ngang, mm2 p = perimeter of conductor, mm p = chu vi của dây dẫn, mm Vậy từ những dẫn chứng cụ thể trên, ta tính toán dòng điện cho thanh cái sau:
  1. a) Đối với thanh cái 150x10mm
+ Chu vi của 1 thanh cái (P) = (150+10)x2 = 320mm + Diện tích của 1 thanh cái (A) = 150 x 10 = 1500mm2 Theo công thức I = 7.73xA0.5xP0.39 = 7.73x15000.5x3200.39 = 2837A Vậy khi 1 thanh cái Cu 150x10mm đứng độc lập có thể dẫn được dòng điện 2837A nhưng khi ghép nhiều thanh trên cùng 1 pha với khoảng cách 2 thanh  ≥ 6.3mm sẽ phải tính đến hệ số phát nhiệt giữa 2 thanh, cụ thể là: Hệ số cho 2 thanh ghép với nhau ước tính: 1.7 Hệ số cho 3 thanh ghép với nhau ước tính: 2.25 Vậy nếu ghép 2 thanh 150x10 sẽ dẫn được dòng điện là: I2 = 2837 x 1.7 = 4823A với các điều kiện về nhiệt độ và phương pháp làm mát đã nêu ở trên
  1. b) Đối với thanh cái 4x60x10mm với mỗi 2 thanh xếp chồng lên nhau tương đương với 2 bản thanh cái 120x10
+ Chu vi của 1 thanh cái (P) = (120+10)x2 = 260mm + Diện tích của 1 thanh cái (A) = 120 x 10 = 1200mm2 Theo công thức I = 7.73xA0.5xP0.39 = 7.73x12000.5x2600.39 = 2337.5A Vậy khi 1 thanh cái tương đương Cu 120x10mm đứng độc lập có thể dẫn được dòng điện 2337.5A nhưng khi ghép nhiều thanh trên cùng 1 pha với khoảng cách 2 thanh ≥ 6.3mm sẽ phải tính đến hệ số phát nhiệt giữa 2 thanh, cụ thể là: Hệ số cho 2 thanh ghép với nhau ước tính: 1.7 Hệ số cho 3 thanh ghép với nhau ước tính: 2.25 Vậy nếu ghép 2 thanh 120x10 sẽ dẫn được dòng điện là: I2 = 2337.5 x 1.7 = 3974A với các điều kiện về nhiệt độ và phương pháp làm mát đã nêu ở trên Dưới đây là bảng khả năng dẫn dòng của một số bản đồng theo cách tính như trên :  
Bản đồng Số lượng thanh/1 pha Rộng(mm) Dày(mm) Tổng diện tích(mm2) Tổng chu vi(mm) Khả năng dẫn điện(Ampe)
150x10 1 150 10 1500 320 2837
120x10 1 120 10 1200 260      2342
100x10 1 100 10 1000 220 2000
80x10 1 80 10 800 180 1656
60x10 1 60 10 600 140 1300
50x10 1 50 10 500 120 1118
40x10 1 40 10 400 100 931
30x10 1 30 10 300 80 739
30x5 1 30 5 150 70 496
20x5 1 20 5 100 50 355

 (Phúc ND – 3CElectric)

Một số bài viết liên quan: