Kupferleiterquerschnitt im Vergleich zur Temperaturerhöhung in 145kV-Abschalteinrichtungen

Die Beziehung zwischen dem Temperaturanstieg des Stroms eines 145 kV-Auslöschers und der Querschnittsgröße des Kupferleiters liegt in der Balance zwischen Stromtragfähigkeit und Wärmeabgabe. Der Temperaturanstieg des Stroms bezieht sich auf den maximalen kontinuierlichen Strom, den ein Leiter ohne Überschreiten seines spezifizierten Temperaturanstiegs begrenzungen tragen kann, und die Querschnittsgröße des Kupferleiters beeinflusst diesen Parameter direkt.

Das Verständnis dieser Beziehung beginnt mit den physikalischen Eigenschaften des Leitermaterials. Die Leitfähigkeit, Widerstandsfähigkeit und thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer bestimmen sowohl die Wärmegenerierung unter Last als auch die Wärmeabgaberate. Größere Querschnittsflächen reduzieren den Widerstand pro Längeneinheit, wodurch bei gleichem Strom weniger Wärme erzeugt wird. Zum Beispiel zeigt ein 2,5 mm² Kupferdraht einen geringeren Temperaturanstieg als ein 1,5 mm² Draht bei 20 A.

Bei der Auswahl der Leitergröße müssen drei Schlüsselfaktoren ganzheitlich bewertet werden:

• Lastcharakteristiken, einschließlich der Größe und Dauer der Stromfluktuationen. Geräte mit häufigen Start-/Stop-Vorgängen oder kurzfristigen Überlasten erfordern die Berücksichtigung der transienten Temperaturanstiege auf der Isolierung.

• Umgebungstemperatur: Bei höheren Umgebungstemperaturen sind größere Leiter erforderlich, um zusätzliche thermische Belastungen auszugleichen.

• Installationsmethode: Geschlossene Leitungsschächte bieten eine schlechte Wärmeabgabe; die Leitergröße sollte im Vergleich zu offenen Installationen um mindestens 20% erhöht werden.

Kritische Schwellwerte können mit der Formel geschätzt werden:
ΔT = (I² · R · t) / (m · c)
wobei I der Strom, R der Widerstand pro Längeneinheit, t die Zeit, m die Leitermasse und c die spezifische Wärmekapazität ist. In der Praxis werden häufig Schnellreferenztabellen verwendet – zum Beispiel bei 40°C Umgebungstemperatur haben Standard-BV-Drähte die folgenden Stromstärken: 1,5 mm² → 16 A, 2,5 mm² → 25 A, 4 mm² → 32 A.

Gängige Fehlvorstellungen müssen vermieden werden. Manche nehmen an, dass das bloße Erhöhen der Leitergröße das Überhitzen löst – aber schlechte Kontaktführung, Oxidation an Verbindungen oder lose Verbindungen können lokale Heißpunkte verursachen. In einem Fall erreichte eine schlecht gekrümmtes 4 mm² Kupferverbindung bei nur 15 A 120°C, was den Gesamttemperaturanstieg des Leiters von 65°C weit übertraf.

Die Reinheit des Kupfers beeinflusst den Temperaturanstieg signifikant. Sauerstofffreies Kupfer (99,9% Cu) hat 8–12% niedrigeren Widerstand als recyceltes Kupfer, was eine ~10% höhere Stromkapazität bei gleicher Größe ermöglicht. Es wird empfohlen, Kupferdrähte gemäß GB/T 395-Norm für elektrische Anwendungen zu verwenden.

Praktische Anwendungstrategien können in drei Ebenen strukturiert werden:

• Ebene 1 (Grundlegende Anpassung): Wählen Sie die Leitergröße basierend auf 1,2× dem Nennstrom.

• Ebene 2 (Dynamische Kompensation): Passen Sie den Leistungsfaktor an – induktive Lasten erfordern 5–8% größere Leiter.

• Ebene 3 (Redundanzdesign): Reservieren Sie 20% Stromreserve für kritische Schaltkreise für unerwartete Spannungsspitzen.

Die Wärmeabgabe kann durch strukturelle und materialbasierte Verbesserungen erhöht werden:

• Geflochtene Leiter bieten >30% mehr Oberfläche als Vollkernleiter.

• Zinnbeschichtung reduziert den Kontaktwiderstand um 15–20%.

• In geschlossenen Schaltanlagen verbessert das Ersetzen gebündelter Kabel durch Kupferbusleiter die Wärmeabgabe um 40%, während die Anzahl der Verbindungspunkte reduziert wird.

Wartungsintervalle beeinflussen die langfristige Stabilität. Inspeziere die Festigkeit der Verbindungen alle 500 Betriebsstunden, nutze thermografische Bilder zur Überwachung der Temperaturverteilung und ersetze oxidierte Anschlüsse sofort. In feuchten Umgebungen sollten Korrosionsschutzbeschichtungen angewendet werden, um elektrochemische Degradationen, die den Widerstand erhöhen, zu verhindern.

Spezielle Szenarien erfordern angepasste Ansätze:

• Hochfrequenzgeräte (>1 kHz): Der Hauteffekt wird bedeutend; verwenden Sie mehrere parallele feine Stränge anstelle eines einzelnen dicken Leiters.

• Unausgeglichene Dreiphasensysteme: Bestimmen Sie die Leitergröße basierend auf dem höchsten Phasenstrom; neutrale Leiter sollten nicht kleiner als Phasenleiter sein.

Experimentelle Validierung ist essentiell. Bauen Sie eine Testeinrichtung und fahren Sie sie 2 Stunden lang mit 1,5× Nennstrom, wobei Sie die Temperaturanstiegskurven an kritischen Punkten aufzeichnen. Annahmekriterien: Umgebungstemperatur + Leiter-Temperaturanstieg ≤ Isolationstemperaturklasse (z.B. ≤70°C für PVC).

Die Kabelverlegungsgeometrie beeinflusst die Kühlung:

• Halten Sie Abstände ≥2× Kabeldurchmesser für parallele Verläufe.

• Vertikale Installationen leiten Wärme 15–20% besser ab als horizontale Verlegungen – bevorzugen Sie dies für Hochstromleitungen.

• Der Mindestbiegeradius sollte ≥6× Leiterdurchmesser betragen, um lokale Wärmeansammlungen zu vermeiden.

Überwachen Sie dynamisch das Altern des Leiters: Unter normaler Nutzung nimmt der Kupferwiderstand jährlich etwa 0,5% zu. Nach fünf Jahren sollte die Stromstärke neu evaluiert werden. Installieren Sie Temperatursensoren an kritischen Knotenpunkten und implementieren Sie Echtzeit-Warnschwellenwerte.

Kupfer-Aluminium-Übergangsbuchsen erfordern besondere Aufmerksamkeit. Galvanische Korrosion tritt an Grenzflächen verschiedener Metalle auf—verwenden Sie immer zertifizierte Bimetall-Verbindungen und wenden Sie Antioxidationsfett an. Eine Auswertung eines Umspannwerksausfalls zeigte, dass ungeschützte Kupfer-Aluminium-Verbindungen in feuchten Bedingungen den Kontaktwiderstand innerhalb von drei Monaten verdreifachten, was zu einem Schmelzvorgang führte.

Der Spannungsabfall muss ebenfalls berücksichtigt werden, insbesondere bei langen Leitungen. Stellen Sie sicher, dass die Endspannung mindestens 95% des Nennwerts beträgt. Wenn sowohl Temperaturanstieg als auch Spannungsabfall einschränkend sind, wählen Sie das Leiterquerschnitt, der durch die strengere Anforderung vorgegeben wird.

Die thermische Widerstandsfähigkeit der Isolierung ist von großer Bedeutung. Die thermische Leitfähigkeit variiert stark—beispielsweise ist die Silikonkautschuk etwa doppelt so hoch wie die von PVC, was eine 8–12% höhere Strombelastung bei gleicher Größe ermöglicht. Für Hochtemperaturanwendungen verwenden Sie XLPE (vernetztes Polyethylen)-Isolierstoff, der für einen kontinuierlichen Betrieb bis 90°C ausgelegt ist.

Schließlich reduzieren elektromagnetische Effekte—Haut- und Nachbarschaftseffekt—die effektive Leiterfläche in Wechselstromsystemen. Bei großen Einzelkernleitern ist die Verwendung mehrerer kleiner paralleler Leiter effektiver zur Temperaturkontrolle als ein einzelner übergroßer.
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