铜母线用于电气连接，简称为铜排，从热学角度出发，影响铜排温升的三大主要物理传热过程为：热辐射、热对流和热传导。铜排热辐射的影响因素：铜排表面镀层、铜排周围环境温度、铜排所处空间大小、其他冷源温度等影响因素。铜排热对流的影响因素：铜排表面风速、铜排摆放方式、铜排周围环境温度。铜排热传导主要是搭接处的传热影响，主要因素为：铜排载流、铜排尺寸、铜排环境温度、铜排搭接时的接触热阻等。其中，铜排接触热阻的影响因素有：铜排平坦尺寸、铜排平面度、铜排锁附压力、铜排表面粗糙度、是否涂覆电力复合脂等。除了热学角度，在实际应用过程中，还需要考虑不均流影响，电磁生热影响，直流电和交流电不同供电方式的影响，其中交流电的趋肤效应在高频率运行中往往需要重点考虑，但这种效应在常规的UPS设备中影响有限。
　　
　　一、交流电与直流电的修正
　　
　　交流电情况下，由于集肤效应，电流向表面聚集，有效截面积减小，等效电阻增大，导致损耗高于同电流下的直流电。因此，同样规格的母排，直流电的允许载流量要大于交流电。由于集肤效应引起的损耗增大可以两者之间通过一个系数来修正。该系数推导公式如下：
　　
　　根据标准，同一规格的铜排，在分别通直流电和交流电的情况下，导体温度均为70℃，意味着两种情况的铜排发热量是一样的，即
　　

即：
　　其中：Rac=K3×Rdc,K的来自来自《GB/T7251》附录N，代入可得：
　　
　　即直流电的允许载流量为交流电的倍,的值见表1。
　　
　　当工作电流为直流电时，允许的载流量可以通过载流量乘以表1中的相应系数来变换。
　　
　　
　　二、摆放方式的影响
　　
　　从自然对流分析，其散热效果为：“立放”最优，见图1所示。“平放”次之，见图2所示。“竖直放置”最差，见图3所示。摆放方式的影响原因在于重力方向上，空气与铜排对流换热面积的不同。空气主要在竖直方向上进行对流换热，立放最优的原因在于两个铜排的宽面与空气进行主热交换。而平放则只有两个厚度方向与空气进行主热交换。至于竖直放置最差是因为在数值方向上，铜排热累积，导致上方的铜排温升通常会较高。
　　

　　三、发射率与电导率设置

1.发射率设定

不同材料的发射率会有很大不同,发射率会影响铜排的散热,因此,本次实验测试不同材料的发射率,为后续模型的设置提供依据,详见图4所示。

　　实验方案:用探头测出样品的温度,用热成像仪扫描样品,调整发射率,知道扫描温度与探头温度一直,记录该发射率,详见表2。
　　
　　在用红外探头测试过程中,以下事宜需关注:
　　
　　1)对于无喷粉钣金类和铜排类(无套管处)温度测量,热成像仪默认的发射率一般为0.95,这一数值明显偏高,推荐使用数值为0.5。
　　
　　2)高亮产品,特别如裸铜或者高亮镍等表面产品,手持热成像仪的角度影响很大,最大发现偏差会超过10℃。
　　
　　3)如果靠近些测试体,特别是对于常温物体的测量,人体手指等表面靠近物体,会影响显示温度。当测试物体如果与常温温度相差不大时,用热成像仪显示的温度偏差较大。
　　
　　4)发现亮光对测试物体的温度影响很大,后续在实际测试时,不允许用手机开手电筒的方式照射物体,此外手持式的方向和距离对于显示温度的影响也很大,需多角度评估最高温度点。
　　
　　5)手持式热成像仪测试过程中,发现明显的热偏移现象,即成像中心点与实际位置有偏差,这个在后续的测试中需要考虑真实的场景位置,人为的移动相关位置。这一现象目前认定为与光的成像(焦距、折射等)有关。
　　
　　6)在高亮铜表面,用黑色记号笔标记了2个点,发现成像仪中这两个点的温度明显比周围高,这意味着发射可见光的能力会影响热成像成型,此时的温度非真实值,偏差非常大,已超过误差范围。后续测试如果需要标记点,建议用红色笔或者蓝色笔进行标记,综合而言,可见光在测试过程中可能会影响真实值。
　　
　　7)套管表面与铜排的温差值,这与套管自身的厚度有关,有实验数据表明(20mm宽,套管1.0mm厚度),二者相差为42.4-41=1.4℃,另外一组数据为55.0℃,53.7℃,二者温差1.3℃。实际运行过程中相差应该更大。
　　
　　8)发射率设定会影响显示温度,建议按照表2方式进行设定,预估偏差为±0.1。
　　
　　2.电导率设置
　　
　　铜的电导率随温度的变化而变化,电导率的变化会导致损耗的不同,因此,有必要设置不同温度下铜排的导电性。铜排的电导率数值及曲线如图5所示。
　　
　　四、单根铜排仿真分析
　　
　　针对直流电流仿真，图6、图7和图8中，对应标准温升为30K、50K和60K，环温设定为40℃，即对应温度为70℃、90℃和100℃。通过热仿真分析，
　　
　　该数据与国标《GBT7251》附录N对比，可得最高偏差为3℃，平均偏差值为1.9℃，仿真偏差数据在可接受范围内。
　　

　　五、结论
　　
　　铜母线的温升影响因素众多，在系统设计方面需要考虑各种因素叠加的影响。热仿真分析是较好的一种分析方法，通过与国标载流值的校对，获得较为可靠的热仿真方式，进而可以通过仿真可以得到任意截面的温升结果。在设定过程中，对铜母线的布局方式、物性参数深入分析，进一步对发射率进行测试。对单根铜母线仿真结果显示，仿真值与国标数值偏差值都小于3℃，仿真结果得到验证。后续系统的热分析，如配电柜的热仿真可以用于单根铜排的热分析方法进行建模计算，技术同源，可快速识别载流设计是否符合要求。
　　
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　　作者简介
　　
　　倪泽联，男，硕士，工程热物理专业，科学数据股份有限公司研发主任工程师，研究方向：电力电子产品热解决方案和材料热应用。曾获得国家级研究生奖学金，公开专利超30项，参与了多项行标和国标的编制：《数据中心数字孪生技术规范》、《电力半导体器件用散热器热管散热器》和《储能电池液冷散热器》等。
　　
　　编辑：Harris