銅排載流量是低壓開關柜產品設計、制造過程中選擇母線規格的重量依據。低壓開關柜執行的產品標準GB/T 7251.12—2013《低壓成套開關設備和控制設備 第2部分：成套電力開關和控制設備》，及其基礎標準GB/T 7251.1—2013《低壓成套開關設備和控制設備 第1部分：總則》中都沒有明確的銅排載流量數據。行業內的其他相關國家標準中，對此類數據亦鮮有描述。

由于沒有明確、統一的數據支持，所以在產品的設計和制造過程中，常常因母線選型不正確而導致事故發生[1]，或因產品設計方、制造方、用戶方在載流量問題上出現分歧而產生合同爭端，給行業的發展帶來不利影響。

目前國內95%以上的低壓開關柜使用矩形銅排作為載流導體，少量產品使用異型銅排或鋁排。因此，本文以矩形銅排垂直放置作為基礎條件，對母線載流量進行研究。

1 載流量的本質

導體載流量是指導體通過持續電流的能力。載流量的本質是，導體通過電流時，其內部產生的熱量一部分使導體本身的溫度升高，另一部分散失到周圍介質中，它們之間呈動態分配，直至導體發熱達到穩態[2]為止。

此時通過的電流就是該環境條件下，該導體溫升下的導體載流量。導體載流量不考慮熱慣性時間[3]的影響。

影響母線載流量的因素很多，包括母線截面積和截面的形狀、母線布置方式、母線根數、母線溫度以及開關柜內溫度等，甚至與天氣有關[4]。其中最重要的因素有兩個：①環境溫度，②導體允許溫升，即導體溫度[5]。對于一些影響較小的因素，在工程應用中可以忽略。

確定銅排在低壓開關柜內的載流量，首先要獲得銅排的通用載流量數據；其次要確定合適的導體溫度和導體環境溫度；最后對通用載流量進行修正，得到本文需要的低壓開關柜內母線載流量數據，從而確定各額定電流的對應銅母線規格。

2 通用載流量數據的確定

DIN 43671—1975《銅匯流排；持續電流的計算》，是銅排載流量方面較權威的國際標準。標準中的表1給出了海撥1000m以下，交流至60Hz，環境溫度35℃，導體溫度65℃條件下；垂直放置，每相單根或每相多根其間距為銅排厚度的矩形裸銅排的載流量[6]；其規格接近于國內牌號為TMY的矩形母排。

忽略較小規格銅排的部分數據，得到本文的常用銅排載流量數據，見表1。

表1 常用銅排載流量表

對于不同環境溫度、不同導體溫度下的銅排載流量，可根據DIN 43671—1975圖2的修正系數進行計算獲得。

3 銅排導體溫度確定

GB/T 7251.1—2013的表6規定了低壓開關柜內不同部件的溫升限值。開關柜內用于連接外部絕緣導線的端子溫升應不超過70K。柜內不作為外接端子的銅排在任何情況下溫升應不超過105K；在此條件下，可由制造商自行確定溫升限值[7-8]。

行業內通常會在產品型式試驗時，按柜內所有母線溫升不超過70K控制。上述溫升限值要求的正常使用條件（GB/T 7251.1—2013 7.1.1條）規定，開關柜周圍空氣溫度在24h的平均溫度不超過35℃[7-8]。因此將銅排在柜內的最終工作溫度確定為105℃，在技術標準上是允許的。

從產品性能方面來說，溫升越小越有利。較小的柜內溫升，可減小電能傳輸的損耗，提高傳輸效率，也可延長產品使用壽命。

考慮到銅排長期發熱時的軟化溫度約為100℃～200℃[9]，銅排最終工作溫度應低于軟化溫度。綜上所述，將銅排最終工作溫度即導體溫度確定為90℃是合理的。

4 低壓開關柜內部空氣溫度確定

要確定低壓開關柜銅母線的載流量，還需要確定母線的環境溫度。GB/T 7251.1—2013 7.1.1條規定的環境條件是對低壓開關柜而言的，不是對柜內母線而言的，在設計階段選擇銅排規格時，不能直接按環境溫度為35℃時的銅排載流量取值。

對于母線而言，開關柜內部的空氣溫度才是母線的環境溫度。柜內空氣溫度跟設備安裝地海拔高度、外部環境溫度、開關柜的結構、柜內各元件的發熱量、導體的發熱量、各元件和導體的安裝位置等眾多因素有關，精確計算內部環境溫度難度較大。

本文在現有條件下，參考低壓開關柜型式試驗有關柜內空氣溫度的記錄，先設定一個柜內空氣溫度預期值，然后根據導體溫度確定銅排載流量，再根據載流量選定母線規格，最后通過理論計算的方法對預期空氣溫度值進行驗證，是一種可行的方法。

低壓開關柜按防護等級分類，可分為通風型和非通風型兩類；防護等級IP42及以下的產品為通風型；防護等級IP54及以上的產品為非通風型。通風型產品可以通過外殼的散熱裝置實現開關柜內外的空氣對流，完成與外界的熱量交換；比不通風型產品更容易散熱，因此外殼內空氣溫度相對較低。非通風型產品使用量較小，本文不作論述。

查閱我公司13份低壓開關柜第三方型式試驗報告的記錄，以進線柜的主母線周圍空氣溫升數據作為柜內空氣溫升數據，以進線柜分支母線與主母線搭接處的溫升近似視為主母線溫升數據，統計相關溫升試驗數據見表2。

由表2數據可知，主母線周圍空氣溫升平均值為14.1K，主母線銅排溫升平均值為35.5K，其最高溫升為47.1K；當環境溫度為35℃時，對應最高溫升的母線最終溫度為82.1℃，低于前文確定的銅排導體溫度90℃。根據試驗數據，本文暫將通風型低壓開關柜內空氣溫升預設為不高于20K。

表2 型式試驗報告部分溫升數據統計

5 低壓開關柜銅母線規格的初定

按前文確定的銅排導體溫度為90℃；柜內空氣溫度為預期環境溫度35℃，加上通風型低壓開關柜的預期溫升20K，即55℃。查DIN 43671—1975的圖2，獲得修正系數K2=1.057[6]。用K2修正表1中的數據，得到新的載流量數據表，見表3。

按照表3的數據，初步選定常用電流對應母線規格，見表4。表中還推薦了相應進線斷路器規格和適用變壓器的容量。

6 低壓開關柜內部空氣溫度的計算驗證

為進一步確認上述初定母線規格的適用性，可以對各電流規格的常規配置低壓柜方案，通過理論計算得到柜內空氣溫度，當環境溫度為35℃時，若柜內空氣溫升不大于20K，即柜內溫度不高于55℃，則可驗證該母線規格是合適的；若高于55℃，則說明初定的母線規格不適用，需要加大母線截面，重新驗證其適用性。

表3 常用銅排規格修正載流量表

表4 初定低壓開關柜常用電流銅母線規格表

下面依據GB/T 24276—2017《通過計算進行低壓成套開關設備和控制設備溫升驗證的一種方法》，試算柜內空氣溫度。

GB/T 24276—2017等同于IEC/TR 60890—2014《低壓開關設備和控制設備通過計算溫升驗證的方法》標準。該標準在引言中指出，相關的因數和系數來自大量成套設備的測量數據，且由計算方法得出的結論已與試驗結果進行過比較和驗證[10]；因此通過該標準的計算方法所得到的開關柜內部空氣溫升數據，具有廣泛的指導意義。

GB/T 24276—2017規定了計算方法的適用條件，主要內容有：內部元件的功耗數據可以獲得；總供電電流不大于3150A；如外殼帶通風口，排氣口的截面積至少是進氣口截面積的1.1倍；柜內水平隔板不超過3層等。這些條件是可以通過對產品設計的控制加以保證的。

開關柜按功能類型可以分為：進線和聯絡柜、饋線柜、無功補償柜、變頻和軟起動柜等。進線柜內安裝進線斷路器等元件，回路電流是進線電流，元件損耗和導體損耗最大。饋線柜的主母線電流一般小于進線電流，每個饋線回路的電流較小，元件損耗和導體損耗小于進線柜。部分無功補償柜中配置有電抗器，變頻、軟起動柜內含有電力電子元件；因此發熱量較大。

但這幾種柜型一般都配置強制排風裝置，柜內溫升較低，不具有代表性。考慮到本文的研究對象是主母線的載流量，本文以進線柜為數據計算柜型。

首先需要掌握以下數據：開關柜的寬度、高度、深度；外殼的安裝類型；外殼是否帶通風口；內部水平隔板的數量；外殼內安裝元件的功率損耗；外殼內導體的功率損耗等。

以一臺外形尺寸為1000mm（寬）×1000mm （深）×2200mm（高）的常規配置的2500A進線柜為例，其內部元件和導體的損耗功率見表5。其中導體的功耗按GB/T 24276—2017附錄B的銅母線功耗計算公式計算，導體周圍環境溫度按55℃計，導體最終溫度按90℃計。計算所需的相關參數列舉在表6，計算的結果見表7。

表5 典型方案功耗計算表

表6 典型方案相關參數表

表7 外殼內空氣溫升計算表

該柜外殼內空氣溫升的特性曲線如圖1所示。

圖1 外殼內空氣溫升特性曲線

用相同方法計算2500A電流以下各電流等級進線柜外殼內的空氣溫升結果見表8。按主母線安裝位置，取開關柜高度90%位置的空氣溫度是合適的，因此取◆t0.9數據作為外殼內空氣溫升值。表8中◆t0.9都小于20K，符合前文的預設值，所選2500A及以下電流對應母排規格通過了外殼內空氣溫升值的驗證。

因GB/T 24276—2017未給出三排、四排規格的母線功耗和電流數據，所以2500A以上電流規格暫不進行上述計算驗證。

結論

本文在權威國際標準中給出的通用載流量數據基礎上，通過對導體溫度和柜內環境溫度的定性、定量分析，獲得修正后的低壓開關柜內母線載流量數據。該方法是針對低壓開關柜母線選型資料缺乏的現狀，提出的一種新的柜內銅母線載流量計算方法，可以推廣應用于低壓開關柜的熱設計、母線規格選型驗證及3C認證的溫升設計驗證等工作中，具有較高的應用價值。

表8 額定電流2500A及以下進線柜溫升計算結果

本文中表4所給出的低壓開關柜常用電流銅母線規格，是在上述計算方法基礎上提出的母線規格選型方案，其理論依據充分，說服力強，具有較高的實用價值。可以作為低壓開關柜設計和制造過程中的母線選型依據；也可作為產品設計方、制造方、使用方爭議處理的依據。