一种用于低压成套开关设备和控制设备的温升计算推导方法

【摘 要】文内参考IEC 60890阐述了一种用于低压成套开关控制设备的温升计算推导方法，分析了计算推导方法的过程，举例验证计算推导方法，并提出展望。

【关键词】低压成套开关设备和控制设备；温升推导方法

1.引言

在低压成套开关设备和控制设备进行实验室试验中，通常温升试验是占用时间和资源最多，同时通过率最低的试验之一。而成套设备生产厂商在设计师也常常面对需要平衡产品温升限值要求和生产成本、产品紧凑性的要求，花费大量的人力物力。

IEC60890低压开关设备和控制装置部分型式试验组合装置（PTTA）用的外推温升评估方法，是低压成套开关设备和控制设备标准IEC61439-1中验证温升限值的配套标准，它介绍了一种通过计算推导验证成套开关控制设备温升限值的方法。由于这种温升验证方法不需要制作试验样品，以及其结果的准确性和权威性，它非常适合成套设备研发设计时作为温升限值验证使用。因此本文参考该标准介绍用于低压成套设备温升计算推导方法，分析其计算推导过程，并举例验证。力图为成套设备生产厂商在成套设备设计时提供一种温升计算推导方法作为参考，以节省设计和试验成本。

2.计算推导方法分析

IEC60890详细解释介绍了对于型式试验设备的一种被国际标准委员会认可的温升推导方法的。并且此计算推导方法只需根据成套设备的柜体结构和内装电气元器件数据，无需制作样品，即可进行推导验证。这种温升计算推导方法对低压成套设备进行温升性能评估具有高度的可操作性和准确性。

2.1 要求简述

本文介绍的这种温升计算推导方法应用于无强制通风的封闭式成套设备及其框架单元的温升验证。方法只针对常用的外壳材料，并且假设使用这些不同的外壳的材料以及厚度对于成套设备内已稳定的温度的影响是可以忽略的。

另外，此计算推导方法针对一般使用较合理布置的成套设备使用的，例如成套设备内应没有过度的局部发热，没有大量的涡流电流等等。在进行计算推导前，需要提前获影响成套设备温升的关键数据得，如外壳尺寸，成套设备的安装方式，通风口的大小，内部分隔层数及内部电气设备的功率消耗。若成套设备由多个框架单元组成的，那么需要先将该成套设备以框架单元为单位分解计算。

2.2 推导流程详解

IEC60890介绍的计算推导方法的主要思路是根据成套设备的结构以及内装的电气设备的功率消耗计算出成套设备内的空气温度，通过对成套设备内空气温度与内装电气元器件使用环境温度对比，评价该成套设备是否通过温升验证。具体计算推导流程如下：

a. 根据成套设备的外壳尺寸以及安装方式确定有效散热面积。

b. 根据有效散热面积及其散热条件确定成套设备的散热能力：若成套设备不带通风口，则外壳作为主要的散热媒介计算出相对应的外壳散热常数；若成套设备带有通风口，则通风口作为主要的散热通道计算出散热常数。

c. 根据外壳散热常数，水平分隔系数以及成套设备内的电气元器件的总功率消耗，计算出成套设备中部的温升。

d. 根据高度与底面积比率，确定出温升分布曲线，根据温升分布曲线得出成套设备内最高处温升，同时也是成套设备中最高点的温度。

e.通过对比最高点的温度与成套设备内电气元器件的制造商声称的使用环境温度，若前者较低，则可推导此成套设备的设计满足标准温升要求。

3.计算推导结果分析及方法使用注意事项

本文通过对某靠墙安装的马达控制柜试品进行计算推导，结合其在经CNAS认可的实验室获得的试验结果，分析该推导方法的结果及使用时的注意事项。

3.1 计算推导结果分析

推导计算的试品是一台靠墙安装的马达控制柜，外壳材料为常用的0.25mm的钢板，防护等级IP44，无通风口，该柜是三框架单元结构，其中两边框架单元为电缆进出线单元，而中间框架单元由上下两组星三角马达起动单元组成。因为两边的框架单元仅有较短的进出线电缆及接线端子，这里仅以较有代表性的安装有马达起动单元的中间框架作为例子。

该框架单元内有两个相同的16kW /415V/ 30A星三角马达起动单元，该马达起动单元由一台52 A塑壳断路器，四台80 A接触器，一台30 A热继电器组成。因为单元在正常运行时，只有主接触器及角接触器通电使用，因此做温升计算时接触器部分只计算这两台接触器的发热量。根据电气元器件生产商数据，起动单元所有电气元件功率消耗约为100 W。正常运行时通有52 A电流的三相单芯PVC铜电缆25mm2约1米；通以电流30三相单芯PVC铜电缆10mm2约2米，导体总功率消耗约为19 W。那么，柜内总功率消耗P约为119 W。

以上电气元件功率消耗数据由电气元件生产商提供，需要注意电气元器件使用相同的框架通以不同的电流会有不同的热功率消耗；电缆功率消耗数据根据电缆规格，长度以及所通电流大小计算计算。

在计算出成套设备内总功率消耗后，再根据框架单元尺寸计算出除底面外各表面的尺寸，通风口尺寸，水平分隔数，计算得出有效外壳散热常数，水平分隔系数，根据高度底面积比得出温度分布系数。计算结果得表2中的计算推导值。

随后该成套设备生产厂商在经CNAS认可的实验室进行了一次RDF等于1的温升试验，获得温升数据如表2中的实际测试值。

表2

计算推导值 实际测试值

柜内顶部温升 9.4 K 8.9 K

柜内中部温升 14.6 K 14.2 K

温升分布系数 1.56 1.60

4.计算推导方法的注意事项

在对具有较复杂的结构的成套开关控制设备推导验证时，应对该成套设备适当分解验证。若该成套设备为模块化成套开关控制设备，可先对该成套设备外壳使用热电阻模拟电气元器件发热进行约定柜内最大总功率消耗的温升试验，再根据实际电气元器件的功率消耗与试验时的热电阻功率消耗的对比进行验证。

5.展望

由上述马达控制柜的温升试验例子可见，该成套设备生产厂商根据以往经验得知马达起动单元通常较难通过温升试验，因此设计了较大的单元框架。另外，该马达起动单元的电气元件选型是由电气元件生产商推荐的，产品选型也预留较大的温升余量。由实验数据可见，该马达控制柜的设计有较大的优化空间。因此使用一种有效的推导方法可节省成套设备在设计和制造过程中大量的时间和经济成本。

本文介绍的计算推导方法已被国家电工委员会认可，并被低压成套开关设备和控制设备的新旧标准IEC 60439-1和IEC 61439-1作为部分型式试验部分和温升验证部分引用。并且此计算推导方法已通过了大量的试验比对验证。因此，针对总电流少于3150安培的成套设备，成套设备生产厂商可使用此方法对各自的产品在设计的同时进行温升验证，从而大大减少研发、试验成本。

参考文献：

[1] IEC 60890：1987， A method of temperature-rise assessment by extrapolation for partially-tested assemblies （PTTA） of low-voltage switchgear and controlgear [S]. Geneva， Subcommittee 17D of IEC technical committee 17.