中国质量认证中心　石俊伟

天津电气科学研究院有限公司　罗巨龙 胡文英

低压成套开关设备和控制设备温升的外推法计算

中国质量认证中心石俊伟

天津电气科学研究院有限公司罗巨龙 胡文英

本文系应用GB/T 24276-2009（IEC/TR 60890:1987，IDT）标准对天津电气科学研究院有限公司牵头开发的GCK2低压成套开关设备中的受电柜、馈电柜作计算实例，计算出外壳内的空气温升，通过计算验证柜体的设计是否合理。

功率损耗 温升 散热面积

0　引言

在低压成套开关设备和控制设备的系列设计中往往具有多种规格，但只能挑选1～2种具有代表性的规格的成套设备进行型式试验，而其中合乎计算条件规格的成套设备可采用GB/T24276—2009的计算法进行温升的外推法计算来效验，这样可以节省人力、财力，本文的计算例子均来自天津电气科学研究院有限公司在2007年牵头开发的GCK2低压成套开关设备的图纸资料。

下面计算的例子中，所应用的公式以及曲线、图标等均来自GB/T24276—2009（IEC/TR 60890:1987 IDT）《评估部分型式试验的低压成套开关设备和控制设备（PTTA）温升的外推法》标准（以下简称“标准”），所用的符号、代号也尽量同国标一致。在计算例子中加入适当的说明，该标准是用于评估进行部分型式试验的低压成套开关设备和控制设备温升的外推法，可用来确定柜体外壳内部空气的温升。

本计算方法仅适用于下列条件：

1）外壳内功率损耗近似均匀分布；

2）内装设备的布局使空气流通几乎没有阻碍；

3）内装设备为直流或交流≤60Hz，总电流不超过3150A；

4）承载大电流的导体和结构部件的布局应使涡流损耗可以忽略不计；

5）带通风口的外壳，其排气口的截面积至少是进气口截面的1.1倍；

6）PTTA或其柜架单元中的水平隔板不多于3个；

7）带外部通风口的外壳如果有隔室，则每个水平隔板上的通风口的表面积应至少是隔室水平截面积的50%。

计算所必备的资料有：

1）外壳尺寸：高×宽×深；

2）与标准中相符的外壳安装形式，包含①单独的外壳，所有侧板均可拆卸；②靠墙安装的单独的外壳；③分离形式的第一个或左后一个外壳；④靠墙安装形式的第一个或左后一个外壳；⑤分离形式的中心的外壳；⑥靠墙安装形式的中心的外壳；⑦靠墙安装并且顶部表面被覆盖的中心的外壳；

3）外壳可带或不带通风口；

4）内部水平隔板的数量；

5）外壳内装设备的有功功率损耗。

1　计算例子一：取自GC K 2中的受电柜

In=2500A

1.1柜体的原始资料

（1）柜体外形尺寸，

宽×高×深=600mm×2200mm×800mm；通风口面积：柜顶2400cm2；柜后480cm2；柜前180cm2；进气口：480+180=660cm2；排气口：2400cm2；柜内没有水平隔板。

（2）内装设备的功率损耗计算

受电柜中的主要电气设备有：CW1-3200A/3P万能式框架断路器一台，电流互感器，指示灯，指示仪表，转换开关，小型熔断器等，其中功率损耗主要来自母线和万能式框架断路器，特别是母线，本柜体中所装入的CW1万能式框架断路器的有功损耗为900W，母线的有功损耗为：

1）水平母线，截面为2×100×10mm，每根长0.6m；

2）断路器进出母线，其截面也为2×100×10mm，其出线（三相）总长度为4632mm；进线（三相）总长度为4 7 9 7 m m；所以柜中垂直母线总长度为4632+4797=9429mm；

3）根据GB/T24276标准中（附录表B.2：不直接接到设备上的垂直敷设的裸导体的工作电流和功率损耗）：其导体最高允许温度为85℃；壳体内导体周围的空气温度为35℃，由导体2×100×10mm查得当工作电流为3298A时，功率损耗为164.2W/m。

故当其工作电流为2500A，其功率损耗应为：

代入P=164.2×（2500/3298）=94 W/m

水平母线的功率损耗为：P1=3×0.6×94=169.2W，

垂直母线的功率损耗为：P2=9.429×94=886.3W，

柜内母线总功率损耗为：P= P1+ P2=169.2+886.3=1055.5W。

（3）柜体总散热面积

柜体总散热面积如表1所示，进行合并计算得出，其中表面系数b来自GB/T24276标准中的安装形式对应的表面系数图。

表1　柜体总散热面积计算

1.2确定柜内空气温升△t0.5（柜内中部的空气温升）

根据GB/T24276标准中（计算方法、用途、公式和特性表）查得：

代入

1.3确定柜内空气温升△t0.5（柜内顶部空气温升）

根据GB/T24276标准中（计算方法、用途、公式和特性表）查得：

式中c为温度分布系数，由标准GB/T24276中带通风口且有效散热面积大于1.25m2的外壳温度分布系数图，其高/底的系数f见标准4.2.3中的规定

式中Ab为柜底面积，等于0.6×0.8m2；h为柜高，2.2m。

根据f=6.04和进气口截面积660cm2，由该外壳温度分布系数图查得，温度分布系数c=2.04

1.4柜内空气温升曲线，如图1所示：

图1　

2　计算例子二，取自GCK2中馈电柜

额定电流3000A（原方案号12C），柜中装入CW1-2000/3P万能式框架断路器3台。

2.1柜体的原始资料

（1）柜体的外形尺寸

宽×高×深=800mm×2200mm×1000mm

通风口面积：柜顶2400cm2；柜后480cm2；柜前180 cm2；

进气口：480+180=660cm2；

排气口：2400cm2；

柜内没有水平隔板。

（2）内装设备功率损耗计算

馈电柜中的主要设备为CW1-2000A/3P万能式断路器3台，每台功率损耗为360W，其他电气设备：电流互感器、指示灯、指示仪表、转换开关、小型熔断器等功率损耗略去不计，母线的有功损耗为：

1）水平母线，配置为3×120×10mm，每根长度800mm；

为计算方便，假定水平母线工作电流为3804A（GB/ T24276标准表B.2：不直接接到设备上的垂直敷设的裸导体的工作电流和功率损耗中2×120×10mm的工作电流）。

计算在3×120×10mm母线在工作电流为3804A时的功率损耗采用下列公式：

式中Pv—每相导体的功率损耗，W/m；I为工作电流，在此I=3804A；K3为电流位置系数，同每个相导体的个数、外形及安排有关，在此用K=1.80；K为铜的传导率 K=56；A为母线的截面积 A=3；α为铜的温度系数=0.004；Tc为导体工作温度取；

代人

则水平母线的功率损耗：

中性线N的导体为100×10mm，但不经过断路器，直接从水平母线中的N线接下来，故暂定不考虑其功耗。

2）垂直母线的功率损耗

三台CW1-2000三极断路器的进、出母线均采用一根608mm。其功率损耗按标准中表B2的605mm及6010mm的功率损耗用插入法计算，结果算出608mm单根母线在工作电流为1152A时的功率损耗为66.74。但本柜每台开关的工作电流为1000A，故其功率损耗根据公式（1）为：

三台开关的母线（608mm）长度：进线=11190+4080=15270mm，出线=3744mm；垂直母线总长度L=15270+3744=19014mm；垂直母线功率损耗P2=19014×50×10-3=950.7W。

1）柜内的母线总功率损耗

2）柜内电气设备的有功功率损耗

2.1.3柜体总散热面积

柜体总散热面积如表2，进行合并计算得出，其中表面系数b来自GB/T24276标准中的安装形式对应的表面系数图。

表2　柜体总散热面积计算

2.2确定柜内空气温升△t0.5

在Ae＞1.25m2，进气口截面积为660cm2，有效散热面积Ae=7.848m2时，查得R=0.068；当带通风口，有效散热面积时，d=1.0；p为2421.4W；x应为0.715；

代入：

2.3确定柜内空气温升△t1.0

△t1.0表示柜内顶部空气温升。

代入

根据3.62f=和进气口截面积660cm2，由外壳温度分布系数图查得，温度分布系数1.93c=代入得

2.4柜内空气温升曲线

如图2所示。

图2　

3　结束语

在计算中出现了在GB/T24276标准中表（B.2：不直接接到设备上的垂直敷设的裸导体的工作电流和功率损耗）以外的导体尺寸，如计算例子3中的水平母线3×120×10mm（表B2中仅有2×120×10mm），为此采用公式（4）进行功率损耗的计算。作者曾用公式（△）按该标准中几种大规格导体尺寸进行功率损耗计算，结果偏差最大为5.8%，作者估计在于系数的采用上略有差别。在相同例子中，垂直母线尺寸为608mm，也在上述表B.2之外，作者系采用插入法进行计算。

在标准的“目的”中说明该标准用于确定外壳内空气的温升。作者也认为，在壳内温升稳定的条件下，壳内空气温升也是壳内电气设备的温升。

［1］ GB/T24276-2009 评估部分型式试验的低压成套开关设备和控制设备（PTTA）温升的外推法（IEC/TR60890:1987，IDT）

［2］ GB7251.1—2013 低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则（IEC61439-1:2011，IDT）