浅谈导体载流系数及相关因素

来源：线束世界•作者：线束世界-Jimmy•2022-11-10 10:54

在电连接产品的设计及工程开发工作中，经常会遇到导体载流系数的估算。比如：电力、新能源等行业的线束、铜铝母线等，较多技术人员根据经验“拍脑袋”式确定。此类方法一般会形成较多设计冗余或略有不足的可能，建议进一步将其量化分析。

常见规则截面导体

顾名思义，载流系数即导体单位截面可通过的额定电流。从定义看载流系数仅与导体的材质、截面积相关，实则不然。

关于载流系数的量化，需先从温升原理进行探讨。

1 温升原理

无论是电力传输的导体，还是电器原件，因为本身有电阻，电流经过会把一部分电能转换为热能。

注：超导体除外，特定环境下超导体电阻为0。

假设通过导体的平均电流为I，电阻为R，则某段时间内的发热量为Q ，则：

导体发热的同时也在散热，散热功率主要与端子之间的热传导、端子与外界空气的热对流，及端子自身的热辐射等因素有关（注：对此部分内容有兴趣的朋友可查阅电子散热的相关书籍、资料深入了解）。

当发热功率与散热功率达到动态平衡时，温度会趋于稳定，温度稳定后的峰值温度与环境温度的差值即为温升。

图1-1 热平衡示意图

强迫散热的工况不确定因素较多，此处以稳态电流的自然散热工况进行讨论。导体的散热功率与其原材料、结构形式、轮廓表面积等因素强相关。这些因素确定后，散热功率基本可以确定，则其导电后温升很大程度取决于发热功率。额定电流一般由用户或工况给定，那么：发热功率主要取决于其电阻的大小。

2 电流、温升分析

以如下截面积相同的圆形和矩形截面的导体为例，进行分析推导：

图2-1 规则导体示意图

设导体的长度是L，截面积是S，材料的电阻率是 ρ ，电阻温度系数是a，导线温度是θ ，导体的发热量Q，则：

当导体发热量和散热量动态平衡后，温度趋于稳定，即发热量=散热量，假设发热量为Q1，散热量为Q2，则：

由上可知：

导体的额定载流除了与材质（材质定则电阻率、综合散热系数定）、截面积相关，还与导体截面的周长、允许的温升（允许的峰值温度减去通电前的初始环境温度）相关，而与长度无关。

注：所以，脱离许可峰值温度、环境温度的载流系数、载流量，以及“拍脑袋”估算载流系数等，都是不严谨的。

载流系数=额定载流量/截面面积。

所以：

可见：

当材料已定，那么载流系数主要与截面周长/面积的比值，以及允许的温升值强相关。

注：一般而言，无论是线缆还是矩形或其他规则截面类的导体，随着截面积增加，周长/体积比值下降，则载流系数也随之下降，而非定值。

该载流系数计算方法在特定条件下准确有效，如果导体表面包覆有绝缘体，以及导体竖放、横放，需重新评定综合散热系数进行推导。

注：导体（尤其铜铝母线类零件）的放置方式不同，会导致导体与空气的换热系数有差异。通常竖放方式，空气更容易因温度差异产生密度差异而产生流动换热。

另外在交流电工况下还需考虑电流的趋肤效应。

对于直流电，整个导体截面内电流是均匀的，单位截面内电流量基本是一致的。而交流电由于电流方向快速变化，内部存在电感，迫使电流产生趋肤效应和临近效应，即导体外表面附近的电流密度大于导体内部的电流密度。

交流电的趋肤效应存在一定的穿透深度，穿透深度的计算可参考：

所以：

1.在交流电环境工况，一般需考虑趋肤效应的穿透深度，避免导体无效浪费；

2.比如50Hz交流电下，铜线直径一般不得超过18.6mm，铜排厚度低于18.6mm，如果载流不够通常采用并联。

交流电存在趋肤效应的弊端但依旧有较为广泛的应用，主要优势在于其升压可行性高，升压设备成熟、低成本，另外超远距离输配电采用超高压、交流电输送，可大幅降低电能损耗。

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