淺談導(dǎo)體載流系數(shù)及相關(guān)因素

來源：線束世界?作者：線束世界-Jimmy?2022-11-10 10:54

在電連接產(chǎn)品的設(shè)計及工程開發(fā)工作中，經(jīng)常會遇到導(dǎo)體載流系數(shù)的估算。比如：電力、新能源等行業(yè)的線束、銅鋁母線等，較多技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗“拍腦袋”式確定。此類方法一般會形成較多設(shè)計冗余或略有不足的可能，建議進一步將其量化分析。

常見規(guī)則截面導(dǎo)體

顧名思義，載流系數(shù)即導(dǎo)體單位截面可通過的額定電流。從定義看載流系數(shù)僅與導(dǎo)體的材質(zhì)、截面積相關(guān)，實則不然。

關(guān)于載流系數(shù)的量化，需先從溫升原理進行探討。

1?溫升原理

無論是電力傳輸?shù)膶?dǎo)體，還是電器原件，因為本身有電阻，電流經(jīng)過會把一部分電能轉(zhuǎn)換為熱能。

注：超導(dǎo)體除外，特定環(huán)境下超導(dǎo)體電阻為0。

假設(shè)通過導(dǎo)體的平均電流為I，電阻為R，則某段時間內(nèi)的發(fā)熱量為Q ，則：

導(dǎo)體發(fā)熱的同時也在散熱，散熱功率主要與端子之間的熱傳導(dǎo)、端子與外界空氣的熱對流，及端子自身的熱輻射等因素有關(guān)（注：對此部分內(nèi)容有興趣的朋友可查閱電子散熱的相關(guān)書籍、資料深入了解）。

當(dāng)發(fā)熱功率與散熱功率達到動態(tài)平衡時，溫度會趨于穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定后的峰值溫度與環(huán)境溫度的差值即為溫升。

圖1-1 熱平衡示意圖

強迫散熱的工況不確定因素較多，此處以穩(wěn)態(tài)電流的自然散熱工況進行討論。導(dǎo)體的散熱功率與其原材料、結(jié)構(gòu)形式、輪廓表面積等因素強相關(guān)。這些因素確定后，散熱功率基本可以確定，則其導(dǎo)電后溫升很大程度取決于發(fā)熱功率。額定電流一般由用戶或工況給定，那么：發(fā)熱功率主要取決于其電阻的大小。

2?電流、溫升分析

以如下截面積相同的圓形和矩形截面的導(dǎo)體為例，進行分析推導(dǎo)：

圖2-1 規(guī)則導(dǎo)體示意圖

設(shè)導(dǎo)體的長度是L，截面積是S，材料的電阻率是 ρ ，電阻溫度系數(shù)是a，導(dǎo)線溫度是θ ，導(dǎo)體的發(fā)熱量Q，則：

當(dāng)導(dǎo)體發(fā)熱量和散熱量動態(tài)平衡后，溫度趨于穩(wěn)定，即發(fā)熱量=散熱量，假設(shè)發(fā)熱量為Q1，散熱量為Q2，則：

由上可知：

導(dǎo)體的額定載流除了與材質(zhì)（材質(zhì)定則電阻率、綜合散熱系數(shù)定）、截面積相關(guān)，還與導(dǎo)體截面的周長、允許的溫升（允許的峰值溫度減去通電前的初始環(huán)境溫度）相關(guān)，而與長度無關(guān)。

注：所以，脫離許可峰值溫度、環(huán)境溫度的載流系數(shù)、載流量，以及“拍腦袋”估算載流系數(shù)等，都是不嚴謹?shù)摹?/span>

3?載流系數(shù)

載流系數(shù)=額定載流量/截面面積。

所以：

可見：

當(dāng)材料已定，那么載流系數(shù)主要與截面周長/面積的比值，以及允許的溫升值強相關(guān)。

注：一般而言，無論是線纜還是矩形或其他規(guī)則截面類的導(dǎo)體，隨著截面積增加，周長/體積比值下降，則載流系數(shù)也隨之下降，而非定值。

該載流系數(shù)計算方法在特定條件下準確有效，如果導(dǎo)體表面包覆有絕緣體，以及導(dǎo)體豎放、橫放，需重新評定綜合散熱系數(shù)進行推導(dǎo)。

注：導(dǎo)體（尤其銅鋁母線類零件）的放置方式不同，會導(dǎo)致導(dǎo)體與空氣的換熱系數(shù)有差異。通常豎放方式，空氣更容易因溫度差異產(chǎn)生密度差異而產(chǎn)生流動換熱。

4?關(guān)于趨膚效應(yīng)

另外在交流電工況下還需考慮電流的趨膚效應(yīng)。

對于直流電，整個導(dǎo)體截面內(nèi)電流是均勻的，單位截面內(nèi)電流量基本是一致的。而交流電由于電流方向快速變化，內(nèi)部存在電感，迫使電流產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，即導(dǎo)體外表面附近的電流密度大于導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度。

交流電的趨膚效應(yīng)存在一定的穿透深度，穿透深度的計算可參考：