风冷技术对降低框架断路器温升的研究及应用

轩吉涛 张建奇 崔赟杰 熊 丽 戴 鹏

（德力西电气有限公司上海分公司，上海 201812）

1 概述

随着国民经济和人民生活的不断发展，作为电力能源输送末端的低压配电产品，面临在运行可靠性方面越来越多的要求。框架断路器由于其具备承载电流能力较大，具备承受一定短路电流能力，是一级配电系统中不可替代的常规产品，广泛应用于工业、商业及民用配电系统中承担对进线和总电源的保护。

作为电能分配系统中的框架断路器，在正常工作状态下，需要承载主回路的电流。由于导电回路的电阻，持续通电的状况下会产生热量。导电回路的电阻分为两种：一种是导体的电阻，一种是各接触面之间的接触电阻。接触电阻在温度升高时，会加剧氧化，并与周围环境中的一些酸性物质发生化学反应，生成氧化膜及其他膜层，使得接触电阻不断增大，使得温度继续升高，形成恶性循环。

当金属材料的温度高达一定数值以后，其机械强度σ就会显著降低，如图1所示。机械强度开始显著下降是的温度称为材料的软化点。软化点不仅与材料种类有关，而且是加热时间的函数，加热的时间越短，材料达到软化点的温度越高。以铜为例，长期发热时他的软化温度约100～200℃，短时发热时它的软化温度增高到300℃。电器中裸导体的极限允许温度应小于材料的软化点[1]。

图1 导体材料机械强度与温度的关系

绝缘材料和外包绝缘的导体，其极限允许温度决定于绝缘材料的老化和击穿特性。当绝缘材料的温度超过允许工作温度时，材料便急剧老化，温度越高。老化越快，寿命越短。当绝缘材料的温度超过一定极限后，其击穿电压明显下降。

对于短路电流下电器各部分的短时发热允许温升，我国标准尚未作统一规定。一般要求油中的裸导体不应超过250℃，不和有机绝缘材料或油接触的铜或黄铜部件不应超过300℃，铝在任何情况下都不应超过200℃。固定接触连接部分的发热不应超过其他部分载流导体的发热。电器主触头的温度应限制在200℃以内，对弧触头的要求是不熔焊[1]。

制定电器各部分极限允许温升的依据是：保证电器的绝缘不致因温度过高而损坏，或使工作寿命过分降低；导体和结构部分不致因温度过高而降低其机械性能[2]。

而框架断路器温升是影响其可靠性和寿命的一个主要因素，了解框架断路器温升的原因对框架断路器的设计和实际使用均有重要义。产品温升超标的问题,尤其是大电流规格的产品,会导致产品的电气性能和使用寿命降低,甚至遭到破坏,严重时发生火灾，造成财产及人员生命的损失。而电器中的热传递形式有三种：传导、对流和辐射。对电器而言，其散热过程主要是对流和传导[1]。目前基于框架断路器结构的限制，传导散热对框架断路器温升的降低已趋于定值。因此，在框架断路器上增加辅助装置，通过外界因素强迫空气对流，以此来降低电器的温升显然具有积极的意义。

此外，研究通过降低框架断路器温升对于提高框架断路器的可靠性和寿命乃至框架断路器增容具有重要意义。

本文通过4000A 的框架断路器为研究对象，在不改变母排及主回路导电截面积情况下，通过改善断路器基座的内部结构和通风条件，并外加强制风冷装置，对断路器进行强制风冷。通过实验数据体现了风冷技术在框架断路器上应用的积极意义，对后续的研究工作奠定了实验基础。

2 研究对象

GB 14048.2 低压开关设备和控制设备 第2 部分 断路器中明确规定：断路器与外部连接的接线端子温升极限值不能超过80K[3]（K：实际测得的温度与环境温度之差）。

从目前对框架断路器温升实验来看，框架断路器B 相温升在三相中是最高的，因为B 相在结构上处于A、C 相之间，在工作中除自身发热外，两侧的A 相和C 相的发热严重影响B 相的散热，相对其它两相来说是最差的，因此本文实验数据仅给出B相的实测数据。

首先对该框架断路器基座内部结构进行重新设计，在保证机械强度的前提下，在进线端和出线端中间部分增加通槽，改善内部通风条件，使空气可以更好的对流，如图2所示。

图2 框架断路器基座模型图

其次在断路器安装散热风扇（注：为了更好的显示散热风扇的安装位置，图示断路器为倒置）如图3所示。

图3 风扇在框架断路器上安装示意

通过对风扇的外型尺寸和工作电压的选型，选定一款FFB0624EHE 风扇进行实验。风扇的主要参数见表1。

表1 风扇主要参数

针对水平和垂直两种母排接线方式，按照GB 14048.2 《低压开关设备和控制设备 第2 部分》关于温升实验的要求进行实验。

水平接线时B 相实验数据如图4、图5、图6及图7所示，环境温度为30℃。

垂直接线时B 相实验数据如图8、图9、图10及图11所示，环境温度为15.4℃。

图4 上母排侧面有无风扇温升曲线对比

图5 上母排顶部有无风扇温升曲线对比

图6 下母排侧面有无风扇温升曲线对比

图7 下母排顶部有无风扇温升曲线对比

图8 上母排上部有无风扇温升曲线对比

图9 上母排顶部有无风扇温升曲线对比

图10 下母排上部有无风扇温升曲线对比

图11 下母排顶部有无风扇温升曲线对比

从以上实验数据来看，框架断路器在安装风冷装置比不安装风冷装置平均温升降低在20K 左右，温升降低效果十分明显。

3 结论

1）无论是对框架断路器基座结构上的改变还是增加风冷装置，都是对框架断路器的技术改进和创新设计，而且这种设计能够有效降低框架断路器的温升，提高断路器的可靠性指标。

2）在加装风冷装置的基础上，可以适当降低母排及导电系统的设计裕度，减少铜材使用量，降低企业的生产成本。

3）在自动控制技术、信息技术、变频调速技术、计算机技术以及软件工程技术的发展和应用性产品极其成熟的环境下，本文中提到的风冷技术，还可以增加电流和温度控制传感器，在温升或主回路电流达到某一设定值时能自动开启，对框架断路器进行智能保护。

4）本文中使用的风冷技术，为企业开发新一代框架断路器提供了一种新的研发思路。

[1] 张冠生.电器理论基础[M].2版.北京:机械工业出版社,1989.

[2] 周茂祥.低压电器设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992.

[3] GB 14048.2-2008,低压开关设备和控制设备.第2 部分:断路器[S].