低壓元件的溫升測(cè)量方法評(píng)定

薛 昊（天津市電工技術(shù)科學(xué)研究院，天津300232）

0 引言

低壓電氣中，用于各元件的電氣連接有很多方式，包括電線電纜連接、銅排連接和母線連接等，各種方式各有利弊。在實(shí)際使用中，電線電纜主要用于變壓器輸送到各用電場(chǎng)所的高壓開關(guān)柜，然后再?gòu)母鞴S的配電室送至各種用電場(chǎng)所，這是由于電線電纜具有耐腐耐酸等特性。銅排輸電則主要用于工廠中的配電，主要是由于銅排具有機(jī)械強(qiáng)度，適合工廠環(huán)境。在試驗(yàn)室內(nèi)的溫升試驗(yàn)中，對(duì)大電流采用銅排連接，對(duì)小電流采用電線電纜連接。對(duì)于萬(wàn)能斷路器的溫升試驗(yàn)，一般情況下使用銅排連接進(jìn)行溫升試驗(yàn)，但是有些特殊條件下必須使用軟銅線連接。本文將以比對(duì)方式驗(yàn)證使用銅排連接和軟銅線連接進(jìn)行溫升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1 溫升試驗(yàn)

低壓電氣元件的溫升試驗(yàn)尤為重要，在試驗(yàn)中對(duì)檢測(cè)試品通以預(yù)定發(fā)熱電流，在一個(gè)特定的空間內(nèi)進(jìn)行不間斷試驗(yàn)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，約定自由空氣發(fā)熱電流和約定封閉空間發(fā)熱電流之分，主要是考核試品能否在實(shí)際工作中承載工作電流而本身并不損壞。低壓電氣元件在實(shí)際使用中，有時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間通電。與此產(chǎn)品觸頭就會(huì)發(fā)熱，當(dāng)觸頭達(dá)到或者超過(guò)產(chǎn)品觸頭極限溫升時(shí)，其各項(xiàng)參數(shù)將發(fā)生改變。例如，對(duì)產(chǎn)品的物理特性而言，當(dāng)產(chǎn)品中的銅觸頭長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)超過(guò)自身能承載的大電流，會(huì)產(chǎn)生退火現(xiàn)象，銅觸頭會(huì)因?yàn)橥嘶鸲渍蹟嗷蛘咦冃?。?duì)產(chǎn)品的化學(xué)特性而言，由于長(zhǎng)時(shí)間通電，觸頭溫度超過(guò)所允許溫升值，產(chǎn)品會(huì)發(fā)生加速氧化，易引發(fā)火災(zāi)。因此，對(duì)電氣元件等產(chǎn)品進(jìn)行溫升試驗(yàn)非常重要。在實(shí)際工作中，所有的低壓電氣元件產(chǎn)品都會(huì)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。但是由于電氣元件產(chǎn)品種類眾多，其接線端也各不相同，因此在溫升試驗(yàn)中會(huì)分別使用銅排連接或者軟線連接。本文主要探究在萬(wàn)能式斷路器的溫升試驗(yàn)中，使用銅排連接和使用軟線連接的差異。

影響低壓電氣元件產(chǎn)品最終溫升值的因素有很多。主要的外部原因，一是在銅排或者軟線連接處，由于采用螺絲固定導(dǎo)致連接處接觸面積和接觸電阻各不相同，從而導(dǎo)致溫升偏差過(guò)大，因此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每個(gè)固定螺絲的扭矩。本文所做試驗(yàn)過(guò)程中，采用扭矩儀對(duì)每個(gè)螺絲進(jìn)行緊固。二是試驗(yàn)產(chǎn)品所處的環(huán)境溫度也對(duì)試品的溫升值有一定影響。封閉空間和不封閉空間溫升值各不相同，夏季溫升值和冬季溫升值也各不相同。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中，為了避免環(huán)境溫度對(duì)于試品溫升的影響，采用數(shù)值K表示溫升值，如公式（1）所示。

式中，T1為實(shí)際測(cè)量溫度，℃；T2為環(huán)境溫度，℃；K為計(jì)算的溫升值，單位為K。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于不同產(chǎn)品、不同部位、不同材質(zhì)分別規(guī)定了最大溫升值。

在本文所做對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中，為了避免環(huán)境溫度對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用相同工位和時(shí)間段分別進(jìn)行試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)采用T型熱電偶進(jìn)行測(cè)量，并用錫箔紙粘貼方式進(jìn)行溫升試驗(yàn)。熱電偶的原理是兩種不同材料的金屬焊接在一起,當(dāng)參考端和測(cè)量端有溫差時(shí),就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì),根據(jù)該熱電勢(shì)與溫度的單值關(guān)系就可以測(cè)量溫度。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)快,適宜遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制的特點(diǎn),應(yīng)用比較廣泛[1]。產(chǎn)品試驗(yàn)的溫升高低，取決于試驗(yàn)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)試品閉合時(shí)，試品的觸頭接觸閉合必然會(huì)產(chǎn)生接觸電阻，電流通過(guò)觸頭也會(huì)產(chǎn)生熱量。該熱量主要影響試品的溫升值。

在元件試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)使用銅排連接試驗(yàn)設(shè)備,有時(shí)使用軟線連接。為了驗(yàn)證兩種方法的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)方法。

比對(duì)試驗(yàn)采用萬(wàn)能斷路器為試驗(yàn)產(chǎn)品，使用1 000、1 250、1 600、2 500、3 000 和 4 000 A 電流對(duì)試品進(jìn)行溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)主要針對(duì)產(chǎn)品約定自由空氣發(fā)熱電流(Ith),它是不封閉電器在自由空氣中進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)的最大試驗(yàn)電流值。約定封閉發(fā)熱電流（Ithe)由制造商規(guī)定，用此電流對(duì)安裝在規(guī)定外殼中的電器進(jìn)行溫升試驗(yàn)[3]。對(duì)于低壓電氣元件，使用這個(gè)電流對(duì)試品進(jìn)行溫升試驗(yàn)。為了更好地進(jìn)行比對(duì)，分別采用不同電流進(jìn)行試驗(yàn)。

溫升試驗(yàn)分別采用不同電流進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)幾個(gè)典型電流等級(jí)的萬(wàn)能斷路器進(jìn)行不同電流試驗(yàn)。本文僅對(duì)一項(xiàng)試驗(yàn)電流進(jìn)行闡述。例如，對(duì)3 200 A殼體等級(jí)的萬(wàn)能斷路器進(jìn)行2 500 A電流試驗(yàn)。對(duì)于3 200 A殼體等級(jí)的萬(wàn)能斷路器分別進(jìn)行2次接線，分別采用進(jìn)線銅排出線銅排和進(jìn)線軟線出線銅排,兩種接線方式。萬(wàn)能斷路器采用下進(jìn)線、上出線連接方式，在進(jìn)線端分別連接銅排與軟線。試驗(yàn)中連接線規(guī)格分別采用：進(jìn)軟線2 000 mm2，長(zhǎng)度3 m，出銅排 4（100×5）mm2，長(zhǎng)度 2 m；進(jìn)銅排 4（100×5）mm2，長(zhǎng)度 3 m，出銅排 4（100×5）mm2，長(zhǎng)度 2 m。分別記錄兩次試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度。在溫度記錄的位置方面，為了保證試驗(yàn)的客觀性，在兩次溫升試驗(yàn)中分別在出線端ABC相布置3個(gè)溫度記錄點(diǎn)。萬(wàn)能斷路器進(jìn)線端的溫度記錄點(diǎn)，分別記錄試品進(jìn)線端口的溫度，對(duì)于固定試品的螺釘也同樣采用Φ12型號(hào)。與此同時(shí)，采用扭矩力扳手以14Nm為力矩進(jìn)行固定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 不確定度分析

目前衡量檢測(cè)方法準(zhǔn)確度的方法是不確定度分析方法。影響不確定度分析方法有以下幾個(gè)方面需要考慮[2]：⑴對(duì)使用萬(wàn)能式斷路器代替低壓電氣元件不夠全面；⑵萬(wàn)能斷路器通過(guò)六個(gè)試驗(yàn)電流不夠全面；⑶每個(gè)廠家的萬(wàn)能式斷路器不同，不能全面體現(xiàn)萬(wàn)能式斷路器這一系列元件；⑷對(duì)測(cè)量過(guò)程受環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)不周全，或?qū)Νh(huán)境條件的測(cè)量與控制不完善；⑸各試驗(yàn)人員操作試驗(yàn)儀器的方法不相同；⑹試驗(yàn)室溫升測(cè)試儀的準(zhǔn)確度；⑺試驗(yàn)室不同時(shí)間環(huán)境溫度略有不同；⑻引用于數(shù)據(jù)計(jì)算的常量和其它參量不準(zhǔn)；⑼測(cè)量方法和測(cè)量程序的近似性和假定性；⑽在表面上看來(lái)完全相同的條件下，被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)值的變化。

結(jié)合試驗(yàn)室環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從以下幾方面考慮：⑴所用的參考標(biāo)準(zhǔn)和參考物質(zhì)；⑵所用方法和設(shè)備；⑶環(huán)境條件；⑷被檢測(cè)樣品的性能和狀態(tài)；⑸操作人員。

不確定度分析法對(duì)于試驗(yàn)室檢測(cè)尤為重要，還會(huì)影響量化公式計(jì)算結(jié)果。為了縮短對(duì)比過(guò)程，本文忽略一些不重要的方面，僅從5個(gè)重點(diǎn)方面進(jìn)行分析，通過(guò)公式計(jì)算獲得最新量化數(shù)據(jù)，從而證明了試驗(yàn)方法的可行性。不確定度分析有兩種評(píng)定方式，分別為A類評(píng)定方法和B類評(píng)定方法。這兩種方法沒有本質(zhì)的區(qū)別。A類評(píng)定方法是考慮多個(gè)不確定因素，同時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，最終列出測(cè)量不確定度一覽表。B類方法則是確定一個(gè)不確定函數(shù)，然后再進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，從而得出不確定度。

也為了縮短試驗(yàn)周期，此次檢測(cè)忽略了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境條件、被檢測(cè)樣品的性能和狀態(tài)，且目前主流方法為B類評(píng)定分量，最終確定B類不確定度公式，不確定度計(jì)算公式見公式2。

式中，xi為每次儀器上的顯示數(shù)據(jù)；xˉ為每次測(cè)量結(jié)果的平均值；n為測(cè)量次數(shù)；s為方差，方差結(jié)果越大，其不確定度則越大，反之結(jié)果越小，不確定度越小。

試品按照?qǐng)D1方式進(jìn)行接線，并進(jìn)行大于4 h的溫升試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)溫升數(shù)值差小于5 K時(shí)，停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 比對(duì)溫升試驗(yàn)

3 結(jié)論

采用比對(duì)方法對(duì)兩種連接方式進(jìn)行分別試驗(yàn)。為了使試驗(yàn)值更加接近真值，采用3次試驗(yàn)方法獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了比對(duì)兩種接線對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，運(yùn)用不確定分析公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用公式（2）對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將所得數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得出：采用進(jìn)線軟線、出線銅排的不確定度為0.1414；采用進(jìn)線銅排、出線銅排的不確定度為0.1224。通過(guò)比對(duì)兩種試驗(yàn)方法的不確定度都屬于同一數(shù)量級(jí)，因此可以得出以下結(jié)論，對(duì)于低壓電氣元件的溫升試驗(yàn)可以使用銅排與銅排連接，也可以使用銅排與軟線連接。兩種試驗(yàn)方式所得試驗(yàn)結(jié)果可以近似相等。