增容型断路器的温升特性研究_张亦威.pdf

2023 1期增容型断路器的温升特性研究张亦威，高翔，蒋亚，陈丰飞，王兴利（浙江天正电气股份有限公司，浙江 温州 ）摘要：温升是断路器的一个非常重要的指标，直接影响断路器的使用寿命和可靠性。特别是对于安装在柜体内的增容型断路器，温升特性指标尤为突出。通过案例分析温升的来源，识别其带来的危害，对比不同因素对温升结果的影响，提出针对性措施，以降低温升，提高断路器的安全性。关键词：断路器；温升；增容中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：引言在低压电器行业内，对于塑料外壳式断路器（以下简称断路器），温升是一个极其重要的指标，它直接影响断路器的使用寿命和可靠性。特别是近些年，越来越多的低压成套柜体要求安装在其内的断路器在保持同壳架下增容额定电流，这一需求势必引起断路器温升的大幅升高，因此解决增容型断路器的温升问题具有必要性和迫切性。温升的来源和危害温升是 指 电 器 部 件 的 工 作 温 度 与 周 围 空 气 温 度 之差。将温升值加上电器的最高环境温度就是它的最高工作温度。为了保证电器工作的可靠性和使用寿命，这个最高温度不应超过材料的允许限值。电器工作时，电流通过导体和线圈会产生电阻损耗；磁性材料在交变磁场作用下会产生涡流损耗与磁滞损耗；绝缘材料在电场作用下会产生介质损耗。所有损耗的能量几乎全部转换为热能，一部分散失到周围介质中，另一部分加热电器，使它的温度升高。温升过高会带来如下危害。（）机械强度降低。金属材料在温度超过某极限值后，机械强度显著降低，轻则变形，重则使电器损坏。（）接触电阻增加。温度升高会加剧电器中电接触表面与周围大气中某些气体间的化学反应，使接触面上生成氧化膜及其他膜层，增大接触电阻，进一步使接触面温度升高。（）绝缘性能下降。绝缘材料的绝缘强度随温度的升高而逐渐降低，当绝缘材料的温度超过极限温度时，材料急剧老化。温度越高则老化越快，寿命也就越短。国标对温升的要求及试验条件为保证电器工作的可靠性和使用寿命，根据材料的机械和绝缘性能的条件，低压开关设备和控制设备 第部分：总则 对发热部件的温升允许极限值有明 确 规 定，接 线 端 子 的 温 升 不 应 超 过 表 的 规定值。表 端子的温升极限端子材料温升极限裸铜 裸黄铜 铜（或黄铜）镀锡 铜（或黄铜）镀银或镀镍 导体长期通过电流时，稳定温升可用牛顿公式计算，即，其中。由此可知导体的温电气设备电工技术中国电工网升与电流的平方和导体材料的电阻成正比，而与综合散热系数和散热面积成反比。温升优化措施（）减小导体的电阻。因为导体的载流量与导体的电阻成反比，所以减小导体电阻可有效提高载体流量。采用电阻率小的材料作导体，如 铜、铜等；减小导体的接触电阻，如加宽断路器进出线端铜排宽度、增大触头终压力以增加接触点的有效接触面积从而减小表面氧化膜的影响等；增大导体的截面积，但随着截面积的增加，集肤效应也增加，所以单根导体的截面积不宜过大。（）增大有效散热面积。导体的载流量与有效散热表面积成正比，所以导体宜采用周边最大的界面形式，并采用增大散热面积的方式布置。连接导体之间的间距约等于电器端子间的距离；电器端子接有多个连接导体，连接导体隔开间距应近似等于铜排的厚度。（）提高综合散热系数。加强冷却，改善通风条件或采取强制通风，如有进气口、百叶窗、散热孔等；室内裸导体表面涂漆，利用漆的辐射系数大的特点，提高换热系数，以加强散热，提高导体载流量；选取综合散热系数高的导体，圆截面导线系数矩形截面导线，对于矩形截面母线 （），对于圆截面导线 （）。其中、为发热体和周围介质的温度；、为系数，见表。表 不同圆导体直径与、的关系圆导体直径 （）规范接线。低压开关设备和控制设备 第部分：总则 中对试验导线、铜排做出明确要求，见表。表试验电流为 及以下的试验铜导线试验电流范围导线尺寸 表 试验电流大于 而不超过 的试验铜导线试验电流范围导线数量 根尺寸 注：试验电流应大于第一栏的第一个数值，并应不大于第二个数值。表试验电流大于 而不超过 的试验铜排试验电流范围铜排数量 根尺寸 案例实施 低压成套开关设备和控制设备 第部分：总则 规定，用于连接外部绝缘导线的端子不超过。以某公司断路器 壳架增容 柜体温升为例，进出线端温升值见表，不符合国标温升极限。为了测试不同因素对温升试验结果的影响，定制了相关受影响的零部件进行对比。表 进出线端温升项目温升相相相进线端 出线端 不同规格接线板的温升对比结果分析分别线切割种不同规格的静触头、后联结板，有加宽型、加宽型、加宽型带麻点，与原断路器静触头、后联结板做对比，其余因素不变，测得温升数据见表。表 不同规格静触头、后联结板的温升项目温升相相相厚度 加宽型进 出 厚度进 出 厚度 加宽型进 出 厚度 加宽型麻点处理进 出 注：“进”表示进线端静触头位置，“出”表示出线端后联结板位置，下同。由表可知，铜排的厚度、宽度及表面麻点处理都对端子温升有重要影响。相同条件下，增加铜排厚度会降低温升，但效果并不明显；加大接线排宽度能使温升有较大程度的降低，这是由于减小了接线处的接触电阻；表面麻点处理过的铜排比未处理过的要低，这是由于增加了接触面的粗糙度，确保了动静触头的实际接触点数。不同软联结平方数的温升对比结果分析分别准备 和 两种规格软联结平方数的动触头，与原断路器 做对比，其余因素不变，测电工技术电气设备2023 1期得温升数据见表。由此可知，动触头软联结平方数的增加，使得温升有较大程度下降。表不同规格软联结的温升项目温升相相相 动触头软联结进 出 动触头软联结进 出 不同银点尺寸、材质的温升对比结果分析分别准备两套银点与动、静触头焊接试样，与原断路器动 （）、静 （）（）做对比，测得温升数据见表。表 不同规格银点的温升项目温升相相相动 （）静 （）（）进 出 动 （）静 进 出 由表可知，银点尺寸和材质对端子温升有重要影响，可得出以下结论。（）在保持银点材质相同的情况下，增大银点尺寸可有效降低断路器回路电阻，从而降低温升。（）在保持银点尺寸相同情况下，动银点从 （）替换成含银量更高的 （），静银点从 （）（）替换成 能使降低温升的效果更好。其原因是银点中的钨与氧气作用在触头表面形成不导电的氧化膜，使得导电斑点数目减少，接触电阻增大，温升增高，减少钨含量可降低接触电阻，增加银含量可提高导电导热性。静银点的 与氧气作用，形成 气体并溢出触头基体，在触头表面形成多孔疏松的富银层，使得实际接触面为富银层，故有较低的接触电阻。其他影响因素除上述影响因素外，提高焊膏含银量、增加镀银层厚度、保证断路器超程、提高终压力等均是为了增加接触点数、减少收缩电阻、减小膜电阻，从而优化温升的重要措施。柜体试验要求（）铜排材料改为 铜。（）端子外接铜排要求上下各一块安装在转接铜排上，保证足够的散热空间。（）端 子 外 接 铜 排 按 标 准 规 定 要 求 采 用 最 小 ，即（）的铜排。（）条件允许的情况下，导体可表面涂漆，柜体内开散热孔或百叶窗等。试验数据通过以上试验分析，验证优化后的某公司断路器 壳架增容 ，测试数据见表 。表 各相参数项目相相相标准回路电阻 参考电阻 终压力 接触面满足 注：使用回路电阻测试仪测试断路器合闸状态下 各相进出线端的回路电阻。表 柜外温升试验结果项目温升相相相结论进线端 出线端 都符合目标值 表 柜内温升试验结果项目温升相相相结论进线端 出线端 符合目标值 基座 盖 手柄 符合结语通过一系列的改善措施，该公司断路器 壳架增容 的温升值得到显著降低，达到柜内温升标准的要求，使得安装在柜体内的增容型断路器能在配电网络中安全、稳定运行，充分保障电力设备运维的可靠性。参考文献 黄佳，任昌宾，张彦阳小型断路器接线端子温升研究电器能效与管理技术，（）：陈建兵 万能式断路器温升与工作电流的关系研究 电器能效与管理技术，（）：张亦威，王兴利，蒋亚，等一种优化型触头系统的设计与应用 电工技术，（）：戴水东 一种有效降低断路器温升的方法 电气制造，（）：连理枝低压断路器设计与制造北京：中国电力出版社，低压开关设备和控制设备 第部分：总则 低压开关设备和控制设备 第部分：断路器 低压成套开关设备和控制设备 第部分：总则电气设备电工技术