風(fēng)冷技術(shù)對降低框架斷路器溫升的研究及應(yīng)用

軒吉濤 張建奇 崔赟杰 熊 麗 戴 鵬

（德力西電氣有限公司上海分公司，上海 201812）

1 概述

隨著國民經(jīng)濟和人民生活的不斷發(fā)展，作為電力能源輸送末端的低壓配電產(chǎn)品，面臨在運行可靠性方面越來越多的要求。框架斷路器由于其具備承載電流能力較大，具備承受一定短路電流能力，是一級配電系統(tǒng)中不可替代的常規(guī)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及民用配電系統(tǒng)中承擔(dān)對進線和總電源的保護。

作為電能分配系統(tǒng)中的框架斷路器，在正常工作狀態(tài)下，需要承載主回路的電流。由于導(dǎo)電回路的電阻，持續(xù)通電的狀況下會產(chǎn)生熱量。導(dǎo)電回路的電阻分為兩種：一種是導(dǎo)體的電阻，一種是各接觸面之間的接觸電阻。接觸電阻在溫度升高時，會加劇氧化，并與周圍環(huán)境中的一些酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化膜及其他膜層，使得接觸電阻不斷增大，使得溫度繼續(xù)升高，形成惡性循環(huán)。

當(dāng)金屬材料的溫度高達一定數(shù)值以后，其機械強度σ就會顯著降低，如圖1所示。機械強度開始顯著下降是的溫度稱為材料的軟化點。軟化點不僅與材料種類有關(guān)，而且是加熱時間的函數(shù)，加熱的時間越短，材料達到軟化點的溫度越高。以銅為例，長期發(fā)熱時他的軟化溫度約100～200℃，短時發(fā)熱時它的軟化溫度增高到300℃。電器中裸導(dǎo)體的極限允許溫度應(yīng)小于材料的軟化點[1]。

圖1 導(dǎo)體材料機械強度與溫度的關(guān)系

絕緣材料和外包絕緣的導(dǎo)體，其極限允許溫度決定于絕緣材料的老化和擊穿特性。當(dāng)絕緣材料的溫度超過允許工作溫度時，材料便急劇老化，溫度越高。老化越快，壽命越短。當(dāng)絕緣材料的溫度超過一定極限后，其擊穿電壓明顯下降。

對于短路電流下電器各部分的短時發(fā)熱允許溫升，我國標(biāo)準(zhǔn)尚未作統(tǒng)一規(guī)定。一般要求油中的裸導(dǎo)體不應(yīng)超過250℃，不和有機絕緣材料或油接觸的銅或黃銅部件不應(yīng)超過300℃，鋁在任何情況下都不應(yīng)超過200℃。固定接觸連接部分的發(fā)熱不應(yīng)超過其他部分載流導(dǎo)體的發(fā)熱。電器主觸頭的溫度應(yīng)限制在200℃以內(nèi)，對弧觸頭的要求是不熔焊[1]。

制定電器各部分極限允許溫升的依據(jù)是：保證電器的絕緣不致因溫度過高而損壞，或使工作壽命過分降低；導(dǎo)體和結(jié)構(gòu)部分不致因溫度過高而降低其機械性能[2]。

而框架斷路器溫升是影響其可靠性和壽命的一個主要因素，了解框架斷路器溫升的原因?qū)蚣軘嗦菲鞯脑O(shè)計和實際使用均有重要義。產(chǎn)品溫升超標(biāo)的問題,尤其是大電流規(guī)格的產(chǎn)品,會導(dǎo)致產(chǎn)品的電氣性能和使用壽命降低,甚至遭到破壞,嚴(yán)重時發(fā)生火災(zāi)，造成財產(chǎn)及人員生命的損失。而電器中的熱傳遞形式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。對電器而言，其散熱過程主要是對流和傳導(dǎo)[1]。目前基于框架斷路器結(jié)構(gòu)的限制，傳導(dǎo)散熱對框架斷路器溫升的降低已趨于定值。因此，在框架斷路器上增加輔助裝置，通過外界因素強迫空氣對流，以此來降低電器的溫升顯然具有積極的意義。

此外，研究通過降低框架斷路器溫升對于提高框架斷路器的可靠性和壽命乃至框架斷路器增容具有重要意義。

本文通過4000A 的框架斷路器為研究對象，在不改變母排及主回路導(dǎo)電截面積情況下，通過改善斷路器基座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通風(fēng)條件，并外加強制風(fēng)冷裝置，對斷路器進行強制風(fēng)冷。通過實驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)了風(fēng)冷技術(shù)在框架斷路器上應(yīng)用的積極意義，對后續(xù)的研究工作奠定了實驗基礎(chǔ)。

2 研究對象

GB 14048.2 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2 部分 斷路器中明確規(guī)定：斷路器與外部連接的接線端子溫升極限值不能超過80K[3]（K：實際測得的溫度與環(huán)境溫度之差）。

從目前對框架斷路器溫升實驗來看，框架斷路器B 相溫升在三相中是最高的，因為B 相在結(jié)構(gòu)上處于A、C 相之間，在工作中除自身發(fā)熱外，兩側(cè)的A 相和C 相的發(fā)熱嚴(yán)重影響B(tài) 相的散熱，相對其它兩相來說是最差的，因此本文實驗數(shù)據(jù)僅給出B相的實測數(shù)據(jù)。

首先對該框架斷路器基座內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，在保證機械強度的前提下，在進線端和出線端中間部分增加通槽，改善內(nèi)部通風(fēng)條件，使空氣可以更好的對流，如圖2所示。

圖2 框架斷路器基座模型圖

其次在斷路器安裝散熱風(fēng)扇（注：為了更好的顯示散熱風(fēng)扇的安裝位置，圖示斷路器為倒置）如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇在框架斷路器上安裝示意

通過對風(fēng)扇的外型尺寸和工作電壓的選型，選定一款FFB0624EHE 風(fēng)扇進行實驗。風(fēng)扇的主要參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)扇主要參數(shù)

針對水平和垂直兩種母排接線方式，按照GB 14048.2 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2 部分》關(guān)于溫升實驗的要求進行實驗。

水平接線時B 相實驗數(shù)據(jù)如圖4、圖5、圖6及圖7所示，環(huán)境溫度為30℃。

垂直接線時B 相實驗數(shù)據(jù)如圖8、圖9、圖10及圖11所示，環(huán)境溫度為15.4℃。

圖4 上母排側(cè)面有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖5 上母排頂部有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖6 下母排側(cè)面有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖7 下母排頂部有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖8 上母排上部有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖9 上母排頂部有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖10 下母排上部有無風(fēng)扇溫升曲線對比

圖11 下母排頂部有無風(fēng)扇溫升曲線對比

從以上實驗數(shù)據(jù)來看，框架斷路器在安裝風(fēng)冷裝置比不安裝風(fēng)冷裝置平均溫升降低在20K 左右，溫升降低效果十分明顯。

3 結(jié)論

1）無論是對框架斷路器基座結(jié)構(gòu)上的改變還是增加風(fēng)冷裝置，都是對框架斷路器的技術(shù)改進和創(chuàng)新設(shè)計，而且這種設(shè)計能夠有效降低框架斷路器的溫升，提高斷路器的可靠性指標(biāo)。

2）在加裝風(fēng)冷裝置的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)降低母排及導(dǎo)電系統(tǒng)的設(shè)計裕度，減少銅材使用量，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3）在自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、計算機技術(shù)以及軟件工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用性產(chǎn)品極其成熟的環(huán)境下，本文中提到的風(fēng)冷技術(shù)，還可以增加電流和溫度控制傳感器，在溫升或主回路電流達到某一設(shè)定值時能自動開啟，對框架斷路器進行智能保護。

4）本文中使用的風(fēng)冷技術(shù)，為企業(yè)開發(fā)新一代框架斷路器提供了一種新的研發(fā)思路。

[1] 張冠生.電器理論基礎(chǔ)[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,1989.

[2] 周茂祥.低壓電器設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[3] GB 14048.2-2008,低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.第2 部分:斷路器[S].