浅谈高原环境条件对万能式断路器的温升影响

吴炳卫 刘文娟 张林 龙剑 薛雯娟

（昆明高海拔电器检测有限公司）

浅谈高原环境条件对万能式断路器的温升影响

吴炳卫 刘文娟 张林 龙剑 薛雯娟

（昆明高海拔电器检测有限公司）

本文主要以在模拟高原环境下进行温升试验研究的基础上，根据对试验结果的分析与研究，结合从事高原电工产品环境适应性研究及检测的经验，提出万能式断路器在西部高原地区特殊环境条件下使用时，产品设计改进的一些思路。

模拟高原环境；万能式断路器；温升试验；环境适应性

0 引言

万能式断路器又称框架式断路器，是能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器，主要用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路，单相接地等故障的危害，该断路器具有多种智能保护功能，可做到选择性保护，动作精确，避免不必要的停电，提高供电可靠性，保障电网的安全、降低财产损失，减少人身伤害的发生。

我国系高原大国，地势西高东低，海拔高度1000m以上地区占整个国土面积的60%以上，其中海拔2000m以上地区占国土面积的33%，长期以来，常规低压电器的强制性产品认证检测和试验研究均是在2000m环境条件下进行，对于海拔2000m以上地区使用的万能式断路器，其电气性能是否能继续满足高原地区特殊环境条件的要求，没有足够的研究数据和成果。

本文通过结合相关特殊环境条件标准，对高原地区使用的万能式断路器在模拟环境条件下进行温升试验研究，通过试验研究数据，总结分析，提出高原地区用万能式断路器在温升设计方面应注意的问题和改进建议。

1 试验研究方案

高原环境条件下，空气密度降低，以空气为主要散热介质的万能式断路器散热效果将随着海拔高度的升高而降低，对于低压电器产品，在海拔2000m及以下地区使用时，无特殊要求，超过海拔2000m时，就定义为高原电器产品，应进行相应海拔高度的温升试验验证，确定其温升是否还能继续符合产品标准的要求。

参照高原环境条件参数，结合万能式断路器产品标准中的温升试验条件的要求、高海拔分级的规定，将研究对象额定电流等级和高原环境条件定义在以下范围：额定电流（In）：1600～6000A，海拔范围：4000～5000m，环境温度：+10～+40℃之间，环境条件参数的实现是通过对高海拔人工气候模拟实验室参数设定后自动控制海拔、温度，试验电流直接引入至高海拔人工气候模拟实验室内，整个试验过程中的参数调整和温升数据采集均通过程序实现自动控制和采集。

2 试验数据汇总

试验研究的电流等级主要是1600～6300A，不同企业的产品，环境条件相近时的温升情况，1600A时的数据情况如下：

额定电流/A 实际电流/A 海拔/m 温升值/K 降容系数1600 1600 4000 57.8 1.00 1600 1392 4000 77.8 0.87 1600 1280 4000 61.3 0.80 1600 1280 4000 64.3 0.80

2000A时的数据情况如下：

额定电流/A 实际电流/A 海拔/m 温升值/K 降容系数2000 1740 4000 78.07 0.87 2000 1740 4000 77.3 0.87 2000 2000 4000 68 1.00 2000 2000 4000 81.1 1.00

2500A时的数据情况如下：

额定电流/A 实际电流/A 海拔/m 温升值/K 降容系数2500 2150 4000 68.7 0.86 2500 2250 4000 64.28 0.90 2500 2250 4000 80.1 0.90 2500 2500 4000 68.92 1.00

3200A时的数据情况如下：

额定电流/A 实际电流/A 海拔/m 温升值/K 降容系数3200 2240 4000 77.52 0.70 3200 2304 4000 77.9 0.72 3200 2500 3500 77.56 0.78 3200 2500 4000 73.2 0.78 3200 3200 84000 69.05 1.00

4000A时的数据情况如下：

额定电流/A 实际电流/A 海拔/m 温升值/K 降容系数4000 3480 4000 77.4 0.87 4000 3480 4000 68.1 0.87 4000 3480 4000 67.7 0.87 4000 3780 4000 76.5 0.95

6300A时的数据情况如下：

额定电流/A 实际电流/A 海拔/m 温升值/K 降容系数6300 5690 4500 67.1 0.9

针对上面的试验结果数据，我们认为由于产品之间在设计上的差异性（非同一厂家），产品随机性大，结构设计与载流裕度设计也不尽相同，导致没有明显的规律可寻，结果数据差异较大，但从总体上来说，能反映出常规产品在4000m海拔地区使用时，常规产品基本要采用降低使用电流的办法方可保证温升值满足标准规定。

3 原因分析及改进建议

低压断路器产品内部的能量损耗主要有：接触电阻损耗，导体电阻损耗。接触电阻损耗是由动静触头接触、导体与导体接触的接触电阻引起的；导体电阻损耗是由导体固有电阻引起的；在断路器接线端子与导线连接处存在导体电阻损耗和接触电阻损耗，因此过渡接触处的发热量较大，温升也较高，试验中由于无法测量到内部触头接触点的温升，因此产品标准中规定：根据试验电流选择对应的试验铜牌，施加约定发热电流时，裸铜材料端子温升≤60K，镀锡时≤65K，镀银或镀镍时≤70K。

低压万能式断路器额定电流通常均在1600A以上，载流部件发热产生的热量主要靠外部导体端子将热量带走，因此，外部接线端子的截面积和连接方式对散热有很大影响，高原地区空气密度较低，导热效果差是导致温升超标的重要原因之一，从降低发热角度考虑，降低载流导体电流密度也是可降低发热量的可行办法，即前面试验中提到的降容系数。改进端子的布置方式也是目前常用的一种设计方法，目前的端子布置方式有水平布置（最常见）、垂直安装、混合安装，即考虑连灵活的连接方式，从散热角度看，垂直安装时的散热通道较水平安装时的好一些。在端子的设计上，有单排方式（图1）和双排（图2）方式。

图1

图2

当外接试验铜牌需要3根时，在厚度吻合的情况下，图2的连接方式接触电阻相对图1会小一些，导流和散热会更好。对于4000A级以上电流的智能断路器，在外部连接端子设计上可考虑做过渡连接，增强散热。载流导体度银或者镀镍，也是提升材料温升限制的办法。在壳架电流与额定电流的选择上，可以采用大壳架用小电流，如4000A的壳架等级额定电流调节为3200A。

4 结束语

随着电网的不断发展，配电侧负荷的增长，万能式断路器正向着大容量、高分断能力、小型化和智能化等方面发展，目前，在可以参照的技术研究数据不多的情况下，对使用于高海拔地区的产品，国内部分企业采取降容（工作电流修正）的办法来保证温升符合标准要求，从技术合理性和经济性角度考虑，这个办法有较大缺点，一是成本太高，二是从设计和技术水平上无法突破，形成企业自有的技术 ，体现企业的核心竞争优势。

《中国制造2025》提出大力推动电力装备领域突破发展，高原地区的特殊性对低压断路器有更高的技术要求，系统地从根本上进行大容量万能式断路器在高原环境条件下的温升适应性共性试验研究工作，推进高原用万能式断路器技术条件要求和试验规范，指导产品改进设计和提升产品可靠性是亟待进行的课题。

［1］ GB14048.2—2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器［S］.

［2］ GB/T 20626.1—2006 特殊环境条件 高原电工电子产品 第1部分：通用技术要求［S］.

（2015-08-24）