大电流塑壳断路器温升超标的分析与研究

文／浙江天正电气股份有限公司 冯梅岗 刘泽州 陈铁／

1 引言

随着我国经济的迅速发展，用电负荷不断增加，电力供应越来越重要，作为输配电重要元件塑壳断路器，为满足配电需要，容量也逐渐增大，从以前最大额定电流630A增加到800A、1250A甚至2000A。但是受体积限制，在大电流塑壳断路器开发、生产和使用中，存在外壳发烫、温升高等质量问题，甚致影响产品使用。本文就其温升高问题进行分析、研究并提出解决方案。

2 温升的定义

塑壳断路器在配电线路中起着通断与保护功能，可靠的接通和保护电路及设备是断路器的基本作用。断路器在通过电流时，铜导体会产生电阻损耗，使导体发热，引起产品温度升高。当断路器本身温度高于周围环境温度时，便经过传导、对流、辐射方式向周围介质散热，一段时间后，产品本身产生的热量与散失的热量相等，达到热稳定状态，断路器温度不再上升，电器学称为温升，即电器本身温度与环境温度之差。断路器温升过高，会产生金属材料软化、导体氧化加剧、绝缘材料老化等使产品寿命降低或丧失保护功能。根据低压电器标准GB14048.1的规定，接线端子（铜，或镀银）的极限允许温升不大于70K，所有符合标准GB14048.2的断路器设计，必须符合以上标准。

3 温升的计算分析

现以一种800A规格塑壳断路器为例计算产品的温升设计是否

图1

图2

符合标准。断路器导电系统如图1由联结板 (1)、银触电（2）、动触头(3)、软联结(4) 、热元件(5)组成，电流经联结板流入，从热元件流出。根据标准要求联结板a，f点温升不大于70K。温升计算公式（1－1）：

计算可知,产品理论温升51K，满足标准温升要求。我们抽取产品进行温升测量，发现接线端温升均高于51K，甚至个别相超出标准值。接下来我们将对这种情况进行分析。

我们先分析理论计算温升与测量值不一致的原因。图2是断路器导电等效图及温升变化图，A面是动静触头接触处收缩面，此处温升为τb。在联结板a处取一无限薄截面dx, 根据热平衡原理分析：

dx薄层导体本身的发热功率为:

X－无限大导体的稳定温升

积分常数C1，C2由下列条件决定：

x＝∞，τ=τaC 1＝0；

x＝0，τ＝τbC2＝τb－τa；

将C1，C2，的值代入式（1－7）即可得到导体温升沿联结板轴向的分布为：

同样，根据热平衡关系,触点b点处导体的发热=触点处导体的散热+向联结板导体一边传热+向软联结一边传热。b点向联结板，软联结两边传走的热量为因为a,λ,A在断路器内已为定值，所以热量的传出决定于两边温升的差值。由图2可知，A处触头接触处导体截面收细，其沿轴向的温升分布为一指数曲线，收细部分温升最高，在远离收细处，温升逐步降底。

从以上热量平衡和热传导分析，a处的温升是由本导体的发热加上接触点b处传来的热量引起，所以a处测量温升高于理论计算值，使温升变化出现不确定性。接下来计算b点温升τb，可按式（1-9）计算。

τb触头与联结板连接面上的温升（图1 b点）

Uj触头上的接触电压降 图1(Ubc)（V）

要计算b点温升需要知道Uj的值，Uj是电器一个特有的现象，称作接触电阻。由图1看，断路器因为结构的需要，导电部位由不同材质、不同形状组成，所以断路器导电部分由固定电接触及可分合电接触的方式来传输、控制电能。当两段导电导体接触时，两金属表面并不象我们看到的完全接触，从微观看只有一部分凸点产生真正的接触，当电流从这些触点通过时，如图3电流发生收缩，相当于减小了导电截面积，因而电阻增大，局部出现高温。

图3

接触电阻（Rj）由收缩电阻(Rs)和膜电阻(Rb)阻成。收缩电阻是由导体截面减小造成，公式（1－10）为收缩电阻的计算公式：

ρ——材料电阻率（Ω）；

HB——材料的面氏硬度（N/m2）；

F——加于接触面的机械力（N）；

N——实际的接触点数；

ξ ——与材料变形情况有关的系数；

可以看出收缩电阻与材料、接触压力、接触点数及导电率有关。而膜电阻是电接触表面受空气尘埃，金属氧化，锈蚀物覆盖，由导电性差的薄膜影响导电性。膜电阻跟环境有关，且不稳定，难于用准确公式计算。接触电阻是断路器很重要的一个参数，通过试验，接触电阻可用（1-11）经验公式估算。

F 接触压力（N）

m 接触形式，点接触m=0.5;线接触m=0.5-0.8;面接触m=1

Kj与接触材料有关的系数

但Kj，m易受各种因素影响，（1－11）式的局限性很大。因此我们采用测量接触电压降的方法来计算接触电阻值，然后算出接触电阻，Rj=Uj/I，

Uj是接触电压降（mV）；

I是通过电接触连接的电流（A）；

清楚了接触电阻的概念，就可以计算b点的温升。

选一台800A断路器，将各项接触电阻的电压降，温升及触头参数测量并记录，见表1。取温升合格的B相参数，根据表1Uj的测量值计算b点温升如下：

已知τa=51k，取B相接触电压降Uj=Ubc=15mV

从计算数据看出，b点温升69K高于a点。所以b点会向a点传入热量，应证了以上热量传输和热平衡定律的分析，说明我们测量的a 点温升是联结板本身发热与b点传来的热量之和，明确了测量值大于计算值的合理性。以上分析，可以看出适量的接触电阻会引起温升升高，但不会超标。

从表1发现，同样截面积的动静触头，同样的电流，都有热传导，为什么会出现C项温升超标的现象。对比断路器A，B，C三相的Ujbc,Ujde,Ujef电压降的值,发现Ujde,Ujef近似相等，而动静触头间电压降Ujbc电压变化较大。A，B相小，C项压降最大，说明C项接触电阻最大。将Ujbc=30mV代入式（1－9）计算，C相b点温升为88K，远大于其余两相。所以，b点传到联结板a 点热量多，引起温升超标。

研究了温升和接触电阻的关系，还有一个问题需要分析，接触电阻偏高的原因是什么。看接触电阻计算公式（1－11），虽然此公式不能准确计算电阻值，但能看到影响接触电阻的因素。在触头结构、材质，外部环境相同的情况下，压力和接触面与接触电阻成反比关系。增加压力和接触面，能减小接触电阻。从表1中对A，B，C三相触头压力，接触面比较，触头压力相差不大，但C相接触面积明显偏小。引发C相动静触头接触电阻增大。至此，这台800断路器C相温升超标的原因就清楚了。简单说是C相触头接触面积小，使接触电阻增大，触头部位局布温度升高，大量热能传致联结板（1）处，引发C相温升超标。

4 影响温升的因素及简易测量方法

通过试验可知，如温升要合格，首先在设计时导电截面要足够，而且材料电阻率一定要符合要求；其次，要保证零件精度及焊接工艺符合要求，在闭合时动静触头接触面也应达到一定要求；触头压力也很重要，太小，温升高，太大，影响短路分断能力，应符合产品技术规定。

通过对800A断路器温升理论计算和大量试验，我们找到判断产品温升合格与否的简易方法，可通过测量电压降来判断温升是否合格，如800A断路器进出线总压降Ujaf小于85mV,动静触头压降Ujbc控制在20mV以内，温升便可符合标准要求。

5 结束语

塑壳断路器正向模块化、智能化、小型化方向发展，但减小体积势必影响断路器导体截面和散热空间，使温升余量偏小，给产品设计及生产加工增加了难度，需要更好的材料和加工精度来保障。本文以800A塑壳断路器为例，对断路器接触面、触头压力、接触电阻、材料等影响温升的要素进行全面分析，明确了大电流断路器温升偏高的原因，找到了测试的方法和规律，对产品质量控制、产品设计都有所帮助。

[1] 张冠生.电器理论基础.第2版.机械工业出版社 1989.

[2] 贺湘琰.电器学.第2版.机械工业出版社.1995.