CN101728004A - 用于母线管道的、具有增强的散热性能和强度的母线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于母线管道的、具有增强的散热性能和强度的母线，更具体地，提供了一种空心型的母线以减小横截面积并提高散热性能和强度。母线的结构包括一个或多个空心部分。由于母线的散热性能得到增强，因此与现有的实心型母线相比，单位电流的最大横截面积可以减小。此外，由于截面惯性矩增加，因此与实心型母线相比，母线的机械强度可以增强。而且，由于母线的宽度增加，因此组装期间的操作变得容易。

Description

用于母线管道的、具有增强的散热性能和强度的母线

技术领域

本发明涉及一种用于母线管道(bus duct)的、具有增强的散热性能和强度的母线(busbar)，特别涉及一种用于母线管道的空心型(hollow-type)母线，以减少横截面积并增强散热性能和强度。

背景技术

一般来说，作为一种传输电能的媒介，电缆已得到了广泛的应用。然而，近来，作为电缆的替代品，母线被广泛应用。

母线是一种类似电缆的导体，但在传输大量电能方面具有优势。目前的建筑系统较过去需要更大、更多种的能量。随着这种趋势，母线的安全性以及产生较小能量损失的优点已众所周知，并且母线的使用已快速增长。

例如，母线被应用到各种领域，如工厂、建筑、公寓、大型批发市场、办公室、研究中心、百货商场、高尔夫球场、隧道半导体(tunnelingsemiconductor)、LCD制造厂、化工车间、炼油厂、炼铁厂、高层建筑、高压变电站、LNG接收终端、新机场和港口。

一般来说，由于高压电流流过母线，因此母线被设置在具有预定大小的母线管道中。

当电流施加给作为设置在母线管道中的导体的母线时，便会产生焦耳热(Q＝I²R，I是电流，且R是电阻)，并且由于产生了热量，因此温度升高。电流的安培容量和作为导体的母线的尺寸受限于封装母线的绝缘体或封装母线的结构的可接受的温度范围。

因此，为了减小所使用的母线尺寸，需要有效地发散由施加电流产生的热量。为此，在低电压的情况下，将母线连接至由金属制成的壳体的内部以被夹在中间，或者安装于用于通过空气绝缘来最大化热辐射的结构中。

母线管道是一种可以通过高电流的产品。因此，当由于绝缘击穿使母线之间发生短路时，流过的高电流会产生非常大的短路电磁力，并且在一些情况下，产品自身会被损坏。因此，除了良好的电特性之外，还要确保用于此目的的、作为导体的母线的机械强度。

参考附图详细描述一种现有的母线管道1。如图1所示，由导体制成的多条母线20以预定间距设置在壳体10中，该壳体10具有预定尺寸且限定了母线管道1的外观。

壳体10由两个构件构成，并且设置有绝缘壁11，该绝缘壁11包括沿母线20的纵向设置的多个壁。

图2是示出以预定间距设置在壳体10中的多个母线20的视图。

此外，作为母线的其他实例，如图3所示，具有一种实心型母线22，其形成为沿横向延伸的大致椭圆形状，并且如图4所示，具有一种双层母线23(所谓的ELC母线)。

双层母线23由中心体23a和涂层体23b构成，该中心体23a由铝材料制成且设置在内部，而该涂层体23b包围中心体23a并由相同的材料制成。

当图3示出的实心型母线22施加了高电压电流时，为了有效地发散产生的热量，需要增加该母线22的宽度(在图3中，母线22的竖直长度)。因此，具有产品成本增加的问题。在母线的横截面形成为圆形时，其半径增加，这将导致材料成本增加。

图4示出的双层母线23的传输效率和机械强度高于相同尺寸的铝母线，但是该双层母线23的电流传输能力和机械强度低于相同尺寸的铜母线。此外，由于双层母线23通过两次挤压工艺模制，因此具有在生产过程中工艺成本高的问题。

发明内容

本公开内容提供了一种具有增强的机械强度的母线，在等量电流流过时，该母线的横截面小于现有母线的横截面，并且增加了相同单位横截面积的表面积，以提高散热性能。

在一个方案中，提供了一种用于母线管道的、包括一个或多个空心部分的母线。

空心部分的周缘表面(peripheral surface)可以形成为平坦表面。

此外，母线可以具有椭圆形的横截面。

而且，空心部分的周缘表面可以设置有非平坦部分，以增强散热性能。

此外，母线的外周表面(outer peripheral surface)可以设置有非平坦部分。

如上文所述，设置到母线管道的母线被构造为一种空心型母线，这样与现有的实心型母线相比，可以增强散热性能，并且可以减小单位电流的最大横截面积。此外，由于截面惯性矩(second moment of area)增大，因而，与实心型母线相比，可以提高母线的机械强度。此外，由于母线的宽度增大，所以组装期间的操作变得容易。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，公开的示例性实施例的上述和其他方案、特征和优点将变得更清晰，其中：

图1是示出设置在母线管道中的现有母线的实例的分解立体图。

图2是示意性地示出设置在壳体中的现有母线的视图。

图3是示出现有实心型母线的剖视图。

图4是示出现有双层母线的剖视图。

图5是示出根据实施例的空心型母线的视图。

图6是示出设置在根据实施例的母线中的空心部分的另一个实例的放大图。

图7是示出现有实心型母线和根据实施例的空心型母线的尺寸。

图8是用于说明用于施加在一般的梁(beam)上的弯曲负荷的偏转因子(偏差和倾斜角)的视图。

图9是示出设置在壳体中的实心型母线和空心型母线的温度分析的实例图形的视图(此图原为彩色图)。

图10是示出设置在壳体中的实心型母线和空心型母线的气流速度分析的实例图形的示意图(此图原为彩色图)。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述示例性实施例。

图5是示出根据实施例的母线的视图。如图5所示，根据该实施例的母线30是空心型的母线，并具有包括一个或多个空心部分31的结构。

母线30可以具有基本为椭圆形的横截面。因此，尽管母线的宽度与电流容量(current capacity)成比例地增加，但是该母线的整体尺寸并不像柱形母线那样增大。因此，可以相对降低材料成本。

空心部分31的周缘表面可以是平坦的，或者可以设置有非平坦部分31a，以增大表面积并增强散热性能。

此外，也可以在母线30的外周表面上形成非平坦部分30a。

例如，如图7所示，确定了图7中的(a)中示出的实心型母线和图7中的(b)中示出的根据实施例的空心型母线的预定尺寸，其中两种母线具有相同或相似的横截面积，并且它们中的每一个的截面惯性矩通过如下方式获得。

(a)实心型母线的截面惯性矩和截面模数(section module)

现有实心型母线的截面惯性矩一般通过(1/12)bh³计算如下：

截面模数＝960/3.175＝302.36

(b)空心型母线的截面惯性矩和截面模数

参考图7，根据实施例的空心型母线的截面惯性矩计算如下。这里，计算中的项②基于平行轴理论[截面惯性矩+(面积×从轮廓质心到形心轴线(centroidal axis)的距离的平方)]，并且由于同样的区域存在于空心部分的下部，因而这个值还要翻倍。

截面模数＝2309.2/4＝577.25

如上所述，从实心型与空心型母线的每一个的截面惯性矩和截面模数的计算可以看到，空心型母线的值大约是实心型母线的值的两倍。

如图8所示，当弯曲负荷(分布负荷)施加到梁(假定为导体)时倾斜偏差因子(偏差和倾斜角)一般可以通过以下的公式1表示。

[公式1]

$\mathrm{\δ}\left(\max \right)=\frac{{5\mathrm{wL}}^4}{384\mathrm{EI}}$

$\mathrm{\θ}\left(\max \right)=\frac{{\mathrm{wL}}^3}{24\mathrm{EI}}$

这里，δ(max)是最大偏差，θ(max)是最大倾斜角，w是弯曲负荷，I是截面惯性矩，E是材料的弹性模数，且L是梁的长度。

实心型和空心型母线的倾斜偏差因子可以通过使用公式1计算如下。

这里，负荷、长度以及弹性模数假设如下：

弯曲(分布)负荷(w)＝100kg/m

长度(L)＝250mm

弹性模数(E)＝57kgf/mm²

弹性模数是拉伸强度为7.5kgf/mm²且膨胀率为13％或更高的铝1070P的弹性模数。

实心型母线

$\mathrm{\δ}\left(\max \right)=\frac{5\×0.1\×{250}^4}{384\×57\×960}=91\mathrm{mm}$

空心型母线

$\mathrm{\δ}\left(\max \right)=\frac{5\×0.1\×{250}^4}{384\×57\×2309}=38\mathrm{mm}$

换言之，可以看出在施加相同的弯曲负荷时，空心型母线的偏差小于实心型母线的偏差。

如上所述，在截面惯性矩和弯曲负荷应用到具有相同横截面积的空心型和实心型母线的情况下，可以看出空心型母线的偏差大约比实心型母线的偏差小两到三倍，因此空心型母线更加稳定。

此外，母线必须具有良好的热传递特性。空心型母线与具有相同横截面积的实心型母线相比具有用于发散母线内产生的热量的更大的表面积，因此能有效地发散热量。

表1给出了现有实心型母线和根据实施例的空心型母线30的温度分析的比较结果。

表1

	母线横截面积(m2)	母线温度(℃)	壳体温度(℃)	母线温度差	壳体温度差
						实心型母线	264.16	97	41	74	18
第一个空心型母线	264.16	75	37	52	14

	母线横截面积(m2)	母线温度(℃)	壳体温度(℃)	母线温度差	壳体温度差
						第二个空心型母线	164.0	101	44	78	21

(环境温度：23℃)

如表1所示，尽管实心型母线和第一个空心型母线具有相同的横截面积，但母线的温度分别为97℃和75℃，可以看出空心型母线的温度更低。

此外，可以看出第一个空心型母线的壳体温度低于实心型母线的壳体温度。

这里，母线温度差和壳体温度差是通过分别从母线温度和壳体温度减去环境温度而得到的值。

第二个空心型母线具有相对高的母线和壳体温度，这是因为其横截面积小于实心型母线和第一个空心型母线的横截面积。但是，可以看出，第二个空心型母线满足母线温度差应不超过80度的一般要求。

参考图9，其示出了温度分析的实例，可以看出，假定横截面积相同，则空心型母线的高度可以制作为大于实心型母线的高度，并且由于施加电流产生的热量而增加的空心型母线的温度变小。

在图9中，限定外围的矩形表示母线管道1的壳体10，并且其中设置有多个母线(图中为四个)。图9中的(a)示出了设置在现有母线管道中的实心型母线，并且图9中的(b)示出了设置在根据实施例的母线管道中的空心型母线。

在图9中，颜色越红表示温度越高，颜色越蓝表示温度越低。

此外，参考图10中的(a)和图10中的(b)，其示出了气流速度分析的实例，假定横截面积相同，那么空心型母线的高度大于实心型母线的高度，并且与高度成比例地，设置有母线的壳体的尺寸可以制作得更大。因此，可以保证气流的通过区域，并且可以改善气流状态。因此，可以更好地确保由对流产生的热量传递。

在图10中，红色部分表示最高温度，且蓝色部分表示最低温度。

虽然已示出并描述了示例性实施例，但本领域的技术人员将会理解的是，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的构思和范围的前提下，可以对其形式和细节做各种改变。

此外，在不脱离实质范围的前提下，可以对特定的情况或材料做许多修改，使之适用本发明的原理。因此，本发明不局限于用于实现本发明的作为最佳实施例的特定的、示例性的实施例，本发明包括落入所附权利要求书保护范围内的所有实例。

Claims (5)

1.一种用于母线管道的、具有增强的散热性能和强度的母线，包括一个或多个空心部分。

2.如权利要求1所述的母线，其中所述母线具有椭圆形的横截面。

3.如权利要求1或2所述的母线，其中所述空心部分的周缘表面形成为平坦表面。

4.如权利要求1或2所述的母线，其中所述空心部分的周缘表面设有非平坦部分，以增强散热性能。

5.如权利要求4所述的母线，其中所述母线的外周表面设有非平坦部分。

Images