专利名称：高效高载流量碗状管式导体的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及总线系统，且更具体地涉及包括高效高载流量碗状管式导体的总线系统。
背景技术：
包括配电盘、开关柜以及电机控制中心在内的配电设备使用汇流条导体来将断路器和其它保护装置连接至负载。通常，汇流条导体包括一个以上通常称为“竖管(riser)” 的竖直汇流条以及一个以上水平汇流条。现有的汇流条导体根据配电设备的期望的额定电流或载流量而包括一个以上扁平导体。其它竖管具有L状或U状的外形，但是随着这些导体的长度增加，由于自然对流，周围空气的温度增加，导致差的热耗散和电流分布。在扁平汇流条的情况下，为了抵消不利的热效应，将额外的扁平汇流条堆叠到一起，但是代价是增加了昂贵的铜的量。一个相关问题是称为“趋肤效应”的现象，该现象使得靠近导体表面的电流密度大于导体中心处的电流密度。特别是扁平的汇流条导体，因为平坦的表面和对电流呈现的急剧过渡，由于趋肤效应而呈现相对差的电流分布。而且，在多相系统中，相邻的汇流条会遭遇称为“邻近效应”的另一不期望的现象，该现象涉及到流经一个相的电流如何干扰流经相邻相的电流。由于邻近效应，电流不是趋于在导体横截面上均勻地分布，而是趋于聚集到最接近相邻相的导体的那一侧。因此，一个相的导体的一些叠层可比同一相中的另一些叠层更热，导致电流在遍及构成导电相的叠层中不均勻地分布。成型的汇流条通常由模具挤压而成，而模具是昂贵的，且当需要改变汇流条的外形时难以改变模具。人们所需要的至少有改进汇流条系统、改进汇流条制造方式以及改善现有的多相汇流条系统中所存在的邻近效应。此处公开的各个方面旨在应对或解决这些和其它的需要。
发明内容
本公开的一个方面旨在提供一种在配电设备中使用的总线系统，该总线系统包括用于竖直地和水平地安装以将非常高的电流强度(2000安培以上)的交流电提供给配电系统的大致为碗状的汇流条导体。相比于现有技术中的诸如扁平的、L状的以及U状导体的汇流条形状，一相的碗状汇流条导体可用更少的铜(铜是昂贵的金属)来制造，而实现了更好的热耗散和电流分布，并减少了趋肤效应，且从而降低了功率损耗。与现有技术中的汇流条相比，碗状汇流条导体还相对地更硬。本公开的一个具体方面通过在相邻的一对竖直汇流条之间弓丨入竖直取向的由碳钢制成的磁屏蔽，还降低了导电相上的邻近效应。邻近效应涉及到电流不期望地倾向于分布在靠近相邻相导体的导体表面上，这导致在该相导体中的不均勻的电流分布和汇流条导体的不均勻发热。因为电流已经更趋于分布于导体的表面，故趋肤效应加重了该邻近效应现象。磁屏蔽通过促进导体中的更均勻和对称的电流密度而抑制了邻近效应并增加了汇流条的总体效率。一对互相面对的碗状导体在水平和竖直总线构造上均由气隙隔开，每个碗状导体的横截面类似于半六边形或开口的三边的等腰梯形，从而形成八边形横截面，其中气隙形成八边形的两个边。在布置有汇流条的柜内，由于气隙将导体的更大表面积直接暴露给气流，因此通过自然对流，气隙增加了冷却效率。因此，降低了总线系统的总体温度。和现有技术中的形状相比，一对互为镜像的碗状导体更接近于圆形横截面，在导体的弯曲之间针对电流形成了更平滑的过渡。这些平滑过渡改善了导体中的电流分布，降低了趋肤效应。由于改善了热耗散和减少了趋肤效应，显著地降低了汇流条用于承载与现有技术中的汇流条相同的额定电流所需要的铜或其它导电材料的总量。通过在导电材料扁平片的侧面形成两个60度的弯曲，可容易地制造本汇流条。该制造工艺对于水平和竖直汇流条均可重复，并避免了任何昂贵的且耗时的挤压工艺。找到最优热耗散与发电之间的精确平衡不是一件琐屑的事情，其涉及许多的相互抵触的因素以及考虑。相比于现有技术中的汇流条设计，本公开以更优化的方式平衡了这些因素和考虑。通过参照附图对各种实施例和/或方面作出的详细描述，使得本领域的技术人员更清楚本发明的前述的和其它的方面以及实施例，在下文中提供对所述附图的简述。
在阅读了下面的详细描述并参照附图的基础上，本发明的前述的和其它优点将更加明显。图1是具有由过渡连接器连接的近似为碗状的竖直汇流条和水平汇流条的汇流条系统的等距视图；图2是设有包括用于与连接于竖直汇流条的回流管耦接的回流管(导体)的子组件的图1所示的汇流条系统的另一等距视图；图3是图2所示的汇流条系统和子组件的沿视线A-A的俯视图；图4是图2所示的汇流条系统和子组件沿视线B-B的侧视图；图5是在每一对相邻的汇流条之间设有竖直取向的磁屏蔽的根据另一方面的汇流条系统的等距视图；以及图6是图5所示的汇流条系统沿视线C-C的俯视图。
具体实施例方式虽然参照特定方面和/或实施例对本发明进行说明，但应当理解，本发明不限于那些特定方面和/或实施例。相反，本发明旨在覆盖包括在由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有替代、变化和等同配置。图1和图2图示了用于诸如开关柜、配电盘和电机控制中心等配电设备中的总线系统100的等距视图。图2图示了包括用于配电设备柜的子组件200的总线系统100。总线系统100包括三个竖直汇流条或竖管102a、102b、102c，每一个所述竖直汇流条用于由配电设备(未图示)分配的多相交流电的每一相。三个竖直汇流条10加、102b、102c的顶部通过各个过渡连接器106a、106b、106c而与三个水平汇流条l(Ma、104b、l(Mc的基部电连接。汇流条102、104由包括铜的导电材料制成。三个竖直汇流条10加、102b、102c的各个基部与各个回流管108a、108b、108c连接，以连接于例如断路器等保护装置。第一回流管108a 包括第一回流管部IlOa和第二回流管部11加。类似地，第二回流管108b包括第一回流管部IlOb和第二回流管部112b，且第三回流管108c包括第一回流管部IlOc和第二回流管部112c。第一竖直汇流条10 包括第一竖直导体120a和第二竖直导体12加。类似地，第二竖直汇流条102b包括第一竖直导体120b和第二竖直导体122b，且第三竖直汇流条102c 包括第一竖直导体120c和第二竖直导体122c。第一水平汇流条10 包括第一水平导体 130a和第二水平导体13加。类似地，第二水平汇流条104b包括第一水平导体130b和第二水平导体132b，且第三水平汇流条l(Mc包括第一水平导体130c和第二水平导体132c。竖直汇流条102a、102b、102c和水平汇流条104a、104bU04c沿彼此大致正交的方向延伸。于是，在图1中，水平汇流条l(Ma、104b、l(Mc沿χ轴方向(例如，相对于地或重力方向的横向)延伸，而竖直汇流条10加、10213、102(3沿2轴方向延伸。回流管108a、108b、 108c沿着与水平汇流条l(Ma、104b、l(Mc所延伸的χ轴方向正交的y轴方向延伸。第一过渡连接器106a包括第一连接器部IHa和第二连接器部116a。类似地，第二过渡连接器106b包括第一连接器部114b和第二连接器部116b，且第三过渡连接器106c 包括第一连接器部114c和第二连接器部116c。换言之，每个连接器元件114、116包括用于连接于汇流条104的每半边导体130、132的部分。优选地，连接器114、116 —方面连接于水平汇流条104的半边导体130、132的基部或湾部134、135(指碗状导体130、132的扁平的非弯曲部)，且另一方面连接于竖直汇流条102的半边导体120、122的基部或湾部144、 145。例如，如图所示，第一连接器部IHa在第一水平导体130a的端部11 连接于第一水平汇流条10 的第一水平导体130a的湾部134a，并在第一竖直导体120a的湾部14 连接于第一竖直汇流条10 的第一竖直导体120a的端部147a。类似地，第二连接器部116a 在第二水平导体13 的端部117a连接于第一水平汇流条10 的第二水平导体13 的湾部135a，并在第二竖直导体12 的湾部14 连接于第一竖直汇流条10 的第二竖直导体12 的端部149a。如图1 图4所示，其它的第一连接器部114b、lHc和第二连接器部 116b、116c 类似地在各端部 115b、115c、117b、117c、147b、147c、149b、149c 连接于各湾部 134b、134c、135b、135c、144b、144c、145b、145c。每个配对的导体，例如第一水平导体130a包括湾部13 和与湾部13 成钝角的两个侧部136a、138a，所述钝角优选地大约为120度(如图3和图4中的角α所示)。类似地，第一竖直导体120a包括湾部14 和与湾部14 成钝角的两个侧部146a、148a,所述钝角同样优选地大约为120度(图3和图4中的角α)。以与上述导体130a、120a相同的方式，其它导体120b、120c、122a、122b、122c、 130b、130c、132a、132b、132c也在各自的端部包括连接两个侧导体部的各自的湾部。竖直汇流条102和水平汇流条104的第一导体和第二导体各自大致为碗状或类似于半个等六边形，并互为镜像，且当每一对导体被间隙隔开时，它们一起形成近似为八边形的形状(所述间隙形成八边形的两个“边”)。换言之，汇流条102、104的半边导体之间的空气体积具有大致八边形的横截面。第一导体120和第二导体122以及第一导体130和第二导体132每对彼此面对。本公开的一个重要方面是此处所述的汇流条的导体对之间存在气隙。第一竖直汇流条10 包括分别位于第一竖直导体120a和第二竖直导体12 之间的间隙142a、143a。间隙142a、143a优选地具有同一尺寸。其它竖直汇流条102b、102c包括分别在第一竖直导体120b与第二竖直导体122b、第一竖直导体120c与第二竖直导体122c之间的同样的间隙对142b、14;3b和142c、143c。类似地，第一水平汇流条10 包括分别在第一水平导体130a和第二水平导体13 之间的间隙15^、156a。其它水平汇流条104b、104c同样包括分别在第一水平导体130b与第二水平导体132b、第一水平导体130c与第二水平导体 132c之间的同样的间隙对1Mb、156b和154cU56c0间隙142、143、154、156使得空气可以穿过导体120、122、130、132的内表面放出。 因穿过竖直导体120、122通过对流而上升的热空气可以通过间隙142、143而释放，故导致竖直导体120、122的相对热的内表面和竖直导体120、122外面的较冷的空气之间的空气交换。竖直汇流条102的俯视图如图3所示。随着竖直导体120、122的长度增加，具有非常高的电流强度(2000安培以上)的交流电会产生更大的热量，从而降低总体效率。间隙142、 143显著地降低该发热，相比于现有技术得到改善的热耗散。间隙的最佳尺寸通过传统的边界层技术而计算出。类似地，水平导体130、132中的间隙154、156使得水平导体130、132 相对热的内表面与水平导体130、132外面的较冷的空气之间可进行空气交换。图4表示从水平汇流条104的长度方向向下看去的总线系统100的侧视图。由于间隙154、156在竖直方向上对齐，因此，由于对流而上升的热空气不受阻碍地穿过底间隙巧4并从上间隙156流出。同样，该配置极大地改善了热耗散并无须增加额外的铜以补偿增加的温度。因此，可实现与汇流条相关的同一额定电流(也称为“载流量”)而不增加铜。事实上，由于间隙和/ 或成对的汇流条的近似六边形的形状，实现了铜的总体减少。通过将竖直导体102和水平导体104的更多表面积直接暴露给气流，借助于自然对流，极大地改善了汇流条102、104的冷却效率。空气可在间隙之间自由地流动而不会受困于竖直导体120、122或水平导体130、132内。汇流条的总体温度降低，这样增加了汇流条的效率。以间隙隔开的碗状导体对的有益效果还随着导体长度的增加而得到进一步的增强。图2所示的子组件200包括与四套通杆(through bar) 204、206、208、210连接的一对底竖管202，四套通杆204、206、208、210用于连接到零线以及三相的每一相。通杆206、 208,210连接于各自的底回流管212。回流管108、212通常与诸如断路器的保护器件耦接。 在成对的回流管部110a、11 和110b、112b和110c、112c之间的空间中布置有电流变换器 (未图示)。水平汇流条104与变换器耦接。通过将诸如包括铜的导电材料的扁平片的相对侧从材料所在的平面弯曲到60度角，可由这样相同的工艺来制造水平导体和竖直导体。如金属成型领域的技术人员所知， 60度弯曲角比90度弯曲角或圆形挤压更容易形成。于是，也避免了昂贵且耗时的挤压工艺，且实现了可重复的、可靠的形成碗状导体的制造方法。通过在距扁平材料的侧边缘近似 25 33%的位置处弯曲该材料，可形成每一侧。和现有技术的设计相比，由汇流条承载相同载流量所需要的铜量显著减少。例如， 和同一额定值的扁平汇流条设计相比，导体120、122、130、132需要的铜通常少25 30%。 和同一额定值的L状的汇流条设计相比，通常能够减少大约8 9%的铜。图5是图1所示的同一系统总线的等距视图，区别在于如图所示，在两对相邻的竖直汇流条之间引入了竖直取向的磁屏蔽，使得磁屏蔽平行于竖直汇流条而延伸。磁屏蔽500a竖直地布置于第一竖直汇流条10 与第二竖直汇流条102b之间的空间中。另一磁屏蔽500b竖直地布置于第二竖直汇流条102b与第三竖直汇流条102c之间的空间中。图 6表示磁屏蔽500a、500b的俯视图。磁屏蔽由磁材料制成，优选地为碳钢，并可具有大约 70/1000 96/1000英寸的厚度。磁屏蔽500a、500b降低了竖直汇流条102上的邻近效应。 邻近效应涉及到电流不期望地趋于分布在接近相邻相导体的导体表面并干扰相邻相导体中的电流分布，这导致了导体中的不均勻电流分布以及导体的不均勻发热。由于电流已经倾向于分布在导体表面，因此趋肤效应加重了该邻近效应现象。通过促进导体120、122中的更均勻且对称的电流密度，磁屏蔽500a、500b抑制了邻近效应并增加了汇流条102的总体效率。尽管以上讨论的各个方面涉及具有接近半六边形的横截面的导体，从而形成于湾部134、135、144、145和导体的各侧部146、148之间的每个钝角为120度(图3和图4所示的角α)，然而，在其它方面中，所述横截面可以是导体的基部和各侧部之间具有除了 120度之外的钝角的具有三条边的等腰梯形。所图示的汇流条系统100用于三相电流分配，但是在其它方面中，此处公开的导体可用于单相分配系统。在单相系统中，除非导体与其它载流导体接近，否则不需要图5和图6所示的磁屏蔽。尽管过渡连接器106图示为具有90度弯曲，然而在其它方面中，根据配电设备中其它元件的位置，过渡连接器106可个别地或者一起地弯曲成其它角度。相比于直角或锐角，钝角可促进在过渡处的更均勻的电流密度，致使电流从竖直汇流条102向水平汇流条104更高效地转移。尽管以上讨论了在导体中形成两个弯曲以接近碗状，然而本公开也设想了形成两个以上的弯曲以更接近于半圆形形状。由此形成的导体在彼此面对并由间隙隔开时具有大致圆形的横截面。于是，设想了在导体对之间形成至少两个弯曲以形成大致六边形横截面的气隙，但是在其它方面中，可形成两个以上弯曲以形成更圆的横截面。更多的弯曲增加了制造复杂性，故由两个弯曲形成优选的碗状的做法构成了近似大致圆形与制造的简单性以及与制造用于配电设备的其它元件的兼容性之间的折衷。最后，尽管图示的导体之间的间隙贯穿了导体的整个长度，然而在其它方面中，间隙不必沿导体的整个长度延伸。例如，导体可在沿其长度方向的各个点处连接， 而在导体不连接的地方形成一个以上间隙。尽管图示并描述了本发明的具体的方面、实施例和应用场合，然而需要明白，本发明不限于此处公开的精确的结构和布置，且在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，明显可以根据前面的描述作出各种改进、变化以及变型。
权利要求
1.一种用于配电设备的总线组件，该总线组件包括竖直汇流条，其包括面向第二竖直导体的第一竖直导体；水平汇流条，其包括面向第二水平导体的第一水平导体，其中所述第一竖直导体和所述第二竖直导体以及所述第一水平导体和所述第二水平导体各自具有连接两个侧导体部的湾部，每个所述侧导体部与所述湾部成钝角；以及过渡连接器，其包括第一连接器元件，所述第一连接器元件具有第一表面和大致垂直于所述第一表面的第二表面，所述第一表面在所述第一竖直导体的端部连接于所述第一竖直导体的湾部，所述第二表面在所述第一水平导体的端部连接于所述第一水平导体的湾部，从而所述竖直汇流条大致垂直于所述水平汇流条。
2.如权利要求1所述的总线组件，其中，所述过渡连接器还包括第二连接器元件，所述第二连接器元件具有第一表面和大致垂直于所述第一表面的第二表面，所述第一表面连接于所述第二竖直连接器的湾部，所述第二连接器元件的所述第二表面连接于所述第二水平导体的湾部。
3.如权利要求1所述的总线组件，其中，所述第一竖直导体、所述第二竖直导体、所述第一水平导体以及所述第二水平导体各自近似于具有三条边的等腰梯形的形状。
4.如权利要求1所述的总线组件，其中，所述第一竖直总线导体与所述第二竖直总线导体由间隙隔开，且所述第一水平总线导体与所述第二水平总线导体由间隙隔开。
5.如权利要求4所述的总线组件，其中，所述竖直汇流条的横截面具有大致八边形的形状，且所述水平汇流条的横截面具有大致八边形的形状。
6.如权利要求4所述的总线组件，其中，所述第一竖直总线导体和所述第二竖直总线导体之间形成具有大致八边形的横截面的空气体积。
7.如权利要求1所述的总线组件，其中，所述第一竖直总线导体和所述第二竖直总线导体互为镜像，且所述第一水平总线导体与所述第二水平总线导体互为镜像。
8.如权利要求1所述的总线组件，其中，所述第一竖直总线导体通过弯曲导电材料板以形成所述第一竖直总线导体的各个所述侧导体部的表面而成型，而不是通过挤压成型。
9.如权利要求1所述的总线组件，还包括第二竖直汇流条和第三竖直汇流条，所述三个竖直汇流条中的每一个承载多相交流电的三相中的各个相。
10.如权利要求9所述的总线组件，还包括第二水平汇流条和第三水平汇流条，所述三个水平汇流条中的每一个承载所述多相交流电的三相中的各个相。
11.如权利要求9所述的总线组件，还包括位于所述三个竖直汇流条的任何两个之间的竖直的磁屏蔽。
12.如权利要求1所述的总线组件，其中所述钝角大约为120度。
13.一种用于配电设备的总线组件，该总线组件包括汇流条，所述汇流条包括与第二导体互相面对的第一导体，其中所述第一导体和所述第二导体各自具有连接两个侧表面的湾部，每个所述侧表面与所述湾部成钝角。
14.如权利要求13所述的总线组件，其中，所述汇流条为相对于地水平取向的水平汇流条或相对于地竖直取向的竖直汇流条。
15.如权利要求13所述的总线组件，还包括过渡连接器，所述过渡连接器包括第一连接器元件，所述第一连接器元件具有连接于所述第一导体的所述湾部的第一表面和大致垂直于所述第一表面的第二表面。
16.如权利要求13所述的总线组件，其中，所述第一总线导体与所述第二总线导体由间隙隔开，从而所述第一总线导体与所述第二总线导体之间的体积具有大致八边形的横截
17.一种用于配电设备的总线组件，该总线组件包括竖直汇流条，其包括面向第二竖直导体的第一竖直导体，其中所述第一竖直导体和所述第二竖直导体各自具有连接两个侧导体部的湾部，每个所述侧导体部与所述湾部成钝角；以及过渡连接器，其包括第一连接器元件，所述第一连接器元件具有第一表面和大致垂直于所述第一表面的第二表面，所述第一表面在所述第一竖直导体的端部连接于所述第一竖直导体的所述湾部。
18.如权利要求17所述的总线组件，其中，所述第一竖直总线导体与所述第二竖直总线导体由间隙隔开，从而所述第一竖直总线导体和所述第二竖直总线导体之间的体积具有大致八边形的横截面，所述第一竖直总线导体为所述第二竖直总线导体的镜像，且其中所述钝角大致为120度。
19.如权利要求17所述的总线组件，还包括水平汇流条，其包括面向第二水平导体的第一水平导体，所述第一水平导体和所述第二水平导体各自具有连接两个侧导体部的湾部，每个所述侧导体部与所述湾部成钝角，并且所述第一连接器元件的所述第二表面在所述第一水平导体的端部连接于所述第一水平导体的所述湾部，从而所述竖直汇流条大致垂直于所述水平汇流条。
20.如权利要求19所述的总线组件，其中，所述第一水平总线导体与所述第二水平总线导体由间隙隔开，从而所述第一水平总线导体和所述第二水平总线导体之间的体积具有大致八边形的横截面，所述第一水平总线导体为所述第二水平总线导体的镜像，且其中所述钝角大致为120度。
全文摘要
一种高载流量汇流条，其包括在水平和竖直构造上由气隙隔开的一对互相面对的碗状导体，每个碗状导体的横截面类似于半六边形或开口的等腰梯形。在配电设备柜内，气隙将更多的导体表面积直接地暴露给空气，借助于自然对流而增加了冷却效率。因此，降低了总线系统的总体温度。成型的导体在导体的弯曲处之间对电流呈现出更平滑的过渡。这些平滑过渡改善了导体中的电流分布，降低了趋肤效应。由于改进了热耗散和降低了趋肤效应，因此显著地降低了保持同一载流量所需要的铜的量。在相邻的汇流条之间可布置有磁屏蔽，以降低邻近效应。
文档编号H02B1/21GK102165657SQ200980137390
公开日2011年8月24日 申请日期2009年8月26日 优先权日2008年8月29日
发明者毛里西奥·迪亚斯 申请人:施耐德电气美国股份有限公司