低压元件的温升测量方法评定

薛 昊（天津市电工技术科学研究院，天津300232）

0 引言

低压电气中，用于各元件的电气连接有很多方式，包括电线电缆连接、铜排连接和母线连接等，各种方式各有利弊。在实际使用中，电线电缆主要用于变压器输送到各用电场所的高压开关柜，然后再从各工厂的配电室送至各种用电场所，这是由于电线电缆具有耐腐耐酸等特性。铜排输电则主要用于工厂中的配电，主要是由于铜排具有机械强度，适合工厂环境。在试验室内的温升试验中，对大电流采用铜排连接，对小电流采用电线电缆连接。对于万能断路器的温升试验，一般情况下使用铜排连接进行温升试验，但是有些特殊条件下必须使用软铜线连接。本文将以比对方式验证使用铜排连接和软铜线连接进行温升试验的准确性。

1 温升试验

低压电气元件的温升试验尤为重要，在试验中对检测试品通以预定发热电流，在一个特定的空间内进行不间断试验。在国家标准中，约定自由空气发热电流和约定封闭空间发热电流之分，主要是考核试品能否在实际工作中承载工作电流而本身并不损坏。低压电气元件在实际使用中，有时需要较长时间通电。与此产品触头就会发热，当触头达到或者超过产品触头极限温升时，其各项参数将发生改变。例如，对产品的物理特性而言，当产品中的铜触头长时间通过超过自身能承载的大电流，会产生退火现象，铜触头会因为退火而易折断或者变形。对产品的化学特性而言，由于长时间通电，触头温度超过所允许温升值，产品会发生加速氧化，易引发火灾。因此，对电气元件等产品进行温升试验非常重要。在实际工作中，所有的低压电气元件产品都会进行温升试验。但是由于电气元件产品种类众多，其接线端也各不相同，因此在温升试验中会分别使用铜排连接或者软线连接。本文主要探究在万能式断路器的温升试验中，使用铜排连接和使用软线连接的差异。

影响低压电气元件产品最终温升值的因素有很多。主要的外部原因，一是在铜排或者软线连接处，由于采用螺丝固定导致连接处接触面积和接触电阻各不相同，从而导致温升偏差过大，因此国家标准规定了每个固定螺丝的扭矩。本文所做试验过程中，采用扭矩仪对每个螺丝进行紧固。二是试验产品所处的环境温度也对试品的温升值有一定影响。封闭空间和不封闭空间温升值各不相同，夏季温升值和冬季温升值也各不相同。国家标准的规定中，为了避免环境温度对于试品温升的影响，采用数值K表示温升值，如公式（1）所示。

式中，T1为实际测量温度，℃；T2为环境温度，℃；K为计算的温升值，单位为K。在国家标准中，对于不同产品、不同部位、不同材质分别规定了最大温升值。

在本文所做对比试验过程中，为了避免环境温度对于试验结果的影响，采用相同工位和时间段分别进行试验。温升试验采用T型热电偶进行测量，并用锡箔纸粘贴方式进行温升试验。热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时,就会产生热电势,根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。热电偶具有结构简单,响应快,适宜远距离测量和自动控制的特点,应用比较广泛[1]。产品试验的温升高低，取决于试验产品的内部结构。当试品闭合时，试品的触头接触闭合必然会产生接触电阻，电流通过触头也会产生热量。该热量主要影响试品的温升值。

在元件试验时，有时使用铜排连接试验设备,有时使用软线连接。为了验证两种方法的准确性,设计如下试验方法。

比对试验采用万能断路器为试验产品，使用1 000、1 250、1 600、2 500、3 000 和 4 000 A 电流对试品进行温升试验。温升试验主要针对产品约定自由空气发热电流(Ith),它是不封闭电器在自由空气中进行温升试验时的最大试验电流值。约定封闭发热电流（Ithe)由制造商规定，用此电流对安装在规定外壳中的电器进行温升试验[3]。对于低压电气元件，使用这个电流对试品进行温升试验。为了更好地进行比对，分别采用不同电流进行试验。

温升试验分别采用不同电流进行试验。对几个典型电流等级的万能断路器进行不同电流试验。本文仅对一项试验电流进行阐述。例如，对3 200 A壳体等级的万能断路器进行2 500 A电流试验。对于3 200 A壳体等级的万能断路器分别进行2次接线，分别采用进线铜排出线铜排和进线软线出线铜排,两种接线方式。万能断路器采用下进线、上出线连接方式，在进线端分别连接铜排与软线。试验中连接线规格分别采用：进软线2 000 mm2，长度3 m，出铜排 4（100×5）mm2，长度 2 m；进铜排 4（100×5）mm2，长度 3 m，出铜排 4（100×5）mm2，长度 2 m。分别记录两次试验时的环境温度。在温度记录的位置方面，为了保证试验的客观性，在两次温升试验中分别在出线端ABC相布置3个温度记录点。万能断路器进线端的温度记录点，分别记录试品进线端口的温度，对于固定试品的螺钉也同样采用Φ12型号。与此同时，采用扭矩力扳手以14Nm为力矩进行固定。试验数据见表1。

表1 试验数据

2 不确定度分析

目前衡量检测方法准确度的方法是不确定度分析方法。影响不确定度分析方法有以下几个方面需要考虑[2]：⑴对使用万能式断路器代替低压电气元件不够全面；⑵万能断路器通过六个试验电流不够全面；⑶每个厂家的万能式断路器不同，不能全面体现万能式断路器这一系列元件；⑷对测量过程受环境影响的认识不周全，或对环境条件的测量与控制不完善；⑸各试验人员操作试验仪器的方法不相同；⑹试验室温升测试仪的准确度；⑺试验室不同时间环境温度略有不同；⑻引用于数据计算的常量和其它参量不准；⑼测量方法和测量程序的近似性和假定性；⑽在表面上看来完全相同的条件下，被测量重复观测值的变化。

结合试验室环境和现场设备，从以下几方面考虑：⑴所用的参考标准和参考物质；⑵所用方法和设备；⑶环境条件；⑷被检测样品的性能和状态；⑸操作人员。

不确定度分析法对于试验室检测尤为重要，还会影响量化公式计算结果。为了缩短对比过程，本文忽略一些不重要的方面，仅从5个重点方面进行分析，通过公式计算获得最新量化数据，从而证明了试验方法的可行性。不确定度分析有两种评定方式，分别为A类评定方法和B类评定方法。这两种方法没有本质的区别。A类评定方法是考虑多个不确定因素，同时进行数学模型的建立，最终列出测量不确定度一览表。B类方法则是确定一个不确定函数，然后再进行相应的计算，从而得出不确定度。

也为了缩短试验周期，此次检测忽略了检测标准、环境条件、被检测样品的性能和状态，且目前主流方法为B类评定分量，最终确定B类不确定度公式，不确定度计算公式见公式2。

式中，xi为每次仪器上的显示数据；x¯为每次测量结果的平均值；n为测量次数；s为方差，方差结果越大，其不确定度则越大，反之结果越小，不确定度越小。

试品按照图1方式进行接线，并进行大于4 h的温升试验，当试验温升数值差小于5 K时，停止试验并记录试验数据。

图1 比对温升试验

3 结论

采用比对方法对两种连接方式进行分别试验。为了使试验值更加接近真值，采用3次试验方法获得试验数据。为了比对两种接线对于试验数据的影响，运用不确定分析公式对数据进行分析，运用公式（2）对测量数据进行处理。将所得数据通过计算得出：采用进线软线、出线铜排的不确定度为0.1414；采用进线铜排、出线铜排的不确定度为0.1224。通过比对两种试验方法的不确定度都属于同一数量级，因此可以得出以下结论，对于低压电气元件的温升试验可以使用铜排与铜排连接，也可以使用铜排与软线连接。两种试验方式所得试验结果可以近似相等。