大電流塑殼斷路器溫升超標的分析與研究

文／浙江天正電氣股份有限公司 馮梅崗 劉澤州 陳鐵／

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用電負荷不斷增加，電力供應越來越重要，作為輸配電重要元件塑殼斷路器，為滿足配電需要，容量也逐漸增大，從以前最大額定電流630A增加到800A、1250A甚至2000A。但是受體積限制，在大電流塑殼斷路器開發(fā)、生產(chǎn)和使用中，存在外殼發(fā)燙、溫升高等質(zhì)量問題，甚致影響產(chǎn)品使用。本文就其溫升高問題進行分析、研究并提出解決方案。

2 溫升的定義

塑殼斷路器在配電線路中起著通斷與保護功能，可靠的接通和保護電路及設備是斷路器的基本作用。斷路器在通過電流時，銅導體會產(chǎn)生電阻損耗，使導體發(fā)熱，引起產(chǎn)品溫度升高。當斷路器本身溫度高于周圍環(huán)境溫度時，便經(jīng)過傳導、對流、輻射方式向周圍介質(zhì)散熱，一段時間后，產(chǎn)品本身產(chǎn)生的熱量與散失的熱量相等，達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，斷路器溫度不再上升，電器學稱為溫升，即電器本身溫度與環(huán)境溫度之差。斷路器溫升過高，會產(chǎn)生金屬材料軟化、導體氧化加劇、絕緣材料老化等使產(chǎn)品壽命降低或喪失保護功能。根據(jù)低壓電器標準GB14048.1的規(guī)定，接線端子（銅，或鍍銀）的極限允許溫升不大于70K，所有符合標準GB14048.2的斷路器設計，必須符合以上標準。

3 溫升的計算分析

現(xiàn)以一種800A規(guī)格塑殼斷路器為例計算產(chǎn)品的溫升設計是否

圖1

圖2

符合標準。斷路器導電系統(tǒng)如圖1由聯(lián)結板 (1)、銀觸電（2）、動觸頭(3)、軟聯(lián)結(4) 、熱元件(5)組成，電流經(jīng)聯(lián)結板流入，從熱元件流出。根據(jù)標準要求聯(lián)結板a，f點溫升不大于70K。溫升計算公式（1－1）：

計算可知,產(chǎn)品理論溫升51K，滿足標準溫升要求。我們抽取產(chǎn)品進行溫升測量，發(fā)現(xiàn)接線端溫升均高于51K，甚至個別相超出標準值。接下來我們將對這種情況進行分析。

我們先分析理論計算溫升與測量值不一致的原因。圖2是斷路器導電等效圖及溫升變化圖，A面是動靜觸頭接觸處收縮面，此處溫升為τb。在聯(lián)結板a處取一無限薄截面dx, 根據(jù)熱平衡原理分析：

dx薄層導體本身的發(fā)熱功率為:

X－無限大導體的穩(wěn)定溫升

積分常數(shù)C1，C2由下列條件決定：

x＝∞，τ=τaC 1＝0；

x＝0，τ＝τbC2＝τb－τa；

將C1，C2，的值代入式（1－7）即可得到導體溫升沿聯(lián)結板軸向的分布為：

同樣，根據(jù)熱平衡關系,觸點b點處導體的發(fā)熱=觸點處導體的散熱+向聯(lián)結板導體一邊傳熱+向軟聯(lián)結一邊傳熱。b點向聯(lián)結板，軟聯(lián)結兩邊傳走的熱量為因為a,λ,A在斷路器內(nèi)已為定值，所以熱量的傳出決定于兩邊溫升的差值。由圖2可知，A處觸頭接觸處導體截面收細，其沿軸向的溫升分布為一指數(shù)曲線，收細部分溫升最高，在遠離收細處，溫升逐步降底。

從以上熱量平衡和熱傳導分析，a處的溫升是由本導體的發(fā)熱加上接觸點b處傳來的熱量引起，所以a處測量溫升高于理論計算值，使溫升變化出現(xiàn)不確定性。接下來計算b點溫升τb，可按式（1-9）計算。

τb觸頭與聯(lián)結板連接面上的溫升（圖1 b點）

Uj觸頭上的接觸電壓降 圖1(Ubc)（V）

要計算b點溫升需要知道Uj的值，Uj是電器一個特有的現(xiàn)象，稱作接觸電阻。由圖1看，斷路器因為結構的需要，導電部位由不同材質(zhì)、不同形狀組成，所以斷路器導電部分由固定電接觸及可分合電接觸的方式來傳輸、控制電能。當兩段導電導體接觸時，兩金屬表面并不象我們看到的完全接觸，從微觀看只有一部分凸點產(chǎn)生真正的接觸，當電流從這些觸點通過時，如圖3電流發(fā)生收縮，相當于減小了導電截面積，因而電阻增大，局部出現(xiàn)高溫。

圖3

接觸電阻（Rj）由收縮電阻(Rs)和膜電阻(Rb)阻成。收縮電阻是由導體截面減小造成，公式（1－10）為收縮電阻的計算公式：

ρ——材料電阻率（Ω）；

HB——材料的面氏硬度（N/m2）；

F——加于接觸面的機械力（N）；

N——實際的接觸點數(shù)；

ξ ——與材料變形情況有關的系數(shù)；

可以看出收縮電阻與材料、接觸壓力、接觸點數(shù)及導電率有關。而膜電阻是電接觸表面受空氣塵埃，金屬氧化，銹蝕物覆蓋，由導電性差的薄膜影響導電性。膜電阻跟環(huán)境有關，且不穩(wěn)定，難于用準確公式計算。接觸電阻是斷路器很重要的一個參數(shù)，通過試驗，接觸電阻可用（1-11）經(jīng)驗公式估算。

F 接觸壓力（N）

m 接觸形式，點接觸m=0.5;線接觸m=0.5-0.8;面接觸m=1

Kj與接觸材料有關的系數(shù)

但Kj，m易受各種因素影響，（1－11）式的局限性很大。因此我們采用測量接觸電壓降的方法來計算接觸電阻值，然后算出接觸電阻，Rj=Uj/I，

Uj是接觸電壓降（mV）；

I是通過電接觸連接的電流（A）；

清楚了接觸電阻的概念，就可以計算b點的溫升。

選一臺800A斷路器，將各項接觸電阻的電壓降，溫升及觸頭參數(shù)測量并記錄，見表1。取溫升合格的B相參數(shù)，根據(jù)表1Uj的測量值計算b點溫升如下：

已知τa=51k，取B相接觸電壓降Uj=Ubc=15mV

從計算數(shù)據(jù)看出，b點溫升69K高于a點。所以b點會向a點傳入熱量，應證了以上熱量傳輸和熱平衡定律的分析，說明我們測量的a 點溫升是聯(lián)結板本身發(fā)熱與b點傳來的熱量之和，明確了測量值大于計算值的合理性。以上分析，可以看出適量的接觸電阻會引起溫升升高，但不會超標。

從表1發(fā)現(xiàn)，同樣截面積的動靜觸頭，同樣的電流，都有熱傳導，為什么會出現(xiàn)C項溫升超標的現(xiàn)象。對比斷路器A，B，C三相的Ujbc,Ujde,Ujef電壓降的值,發(fā)現(xiàn)Ujde,Ujef近似相等，而動靜觸頭間電壓降Ujbc電壓變化較大。A，B相小，C項壓降最大，說明C項接觸電阻最大。將Ujbc=30mV代入式（1－9）計算，C相b點溫升為88K，遠大于其余兩相。所以，b點傳到聯(lián)結板a 點熱量多，引起溫升超標。

研究了溫升和接觸電阻的關系，還有一個問題需要分析，接觸電阻偏高的原因是什么?？唇佑|電阻計算公式（1－11），雖然此公式不能準確計算電阻值，但能看到影響接觸電阻的因素。在觸頭結構、材質(zhì)，外部環(huán)境相同的情況下，壓力和接觸面與接觸電阻成反比關系。增加壓力和接觸面，能減小接觸電阻。從表1中對A，B，C三相觸頭壓力，接觸面比較，觸頭壓力相差不大，但C相接觸面積明顯偏小。引發(fā)C相動靜觸頭接觸電阻增大。至此，這臺800斷路器C相溫升超標的原因就清楚了。簡單說是C相觸頭接觸面積小，使接觸電阻增大，觸頭部位局布溫度升高，大量熱能傳致聯(lián)結板（1）處，引發(fā)C相溫升超標。

4 影響溫升的因素及簡易測量方法

通過試驗可知，如溫升要合格，首先在設計時導電截面要足夠，而且材料電阻率一定要符合要求；其次，要保證零件精度及焊接工藝符合要求，在閉合時動靜觸頭接觸面也應達到一定要求；觸頭壓力也很重要，太小，溫升高，太大，影響短路分斷能力，應符合產(chǎn)品技術規(guī)定。

通過對800A斷路器溫升理論計算和大量試驗，我們找到判斷產(chǎn)品溫升合格與否的簡易方法，可通過測量電壓降來判斷溫升是否合格，如800A斷路器進出線總壓降Ujaf小于85mV,動靜觸頭壓降Ujbc控制在20mV以內(nèi)，溫升便可符合標準要求。

5 結束語

塑殼斷路器正向模塊化、智能化、小型化方向發(fā)展，但減小體積勢必影響斷路器導體截面和散熱空間，使溫升余量偏小，給產(chǎn)品設計及生產(chǎn)加工增加了難度，需要更好的材料和加工精度來保障。本文以800A塑殼斷路器為例，對斷路器接觸面、觸頭壓力、接觸電阻、材料等影響溫升的要素進行全面分析，明確了大電流斷路器溫升偏高的原因，找到了測試的方法和規(guī)律，對產(chǎn)品質(zhì)量控制、產(chǎn)品設計都有所幫助。

[1] 張冠生.電器理論基礎.第2版.機械工業(yè)出版社 1989.

[2] 賀湘琰.電器學.第2版.機械工業(yè)出版社.1995.