高海拔環(huán)境下塑殼斷路器熱脫扣穩(wěn)定性研究

楊佳琦 高 飛

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高海拔環(huán)境下塑殼斷路器熱脫扣穩(wěn)定性研究

楊佳琦 高 飛

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，昆明 650500）

本文總結(jié)了高原氣候條件對(duì)塑殼斷路器性能的影響，分析塑殼斷路器結(jié)構(gòu)和熱脫扣原理。借助國家高原電氣測(cè)試中心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同廠商提供的A、B、C 三種用于配電系統(tǒng)的斷路器進(jìn)行熱脫扣實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過采集塑殼斷路器的三端口溫度、脫扣時(shí)間等數(shù)據(jù)，對(duì)脫扣時(shí)間進(jìn)行離散度分析，判斷三種斷路器在高海拔環(huán)境下穩(wěn)定性的差異，為高原電器的設(shè)計(jì)和選型提供一定的參考。

塑殼斷路器；熱脫扣；離散度

我國幅員遼闊，整體地勢(shì)呈西高東低勢(shì)分布，而我國西部主要是高海拔地區(qū)，是典型的高原氣候。高原地區(qū)相對(duì)海拔較高，空氣壓力和密度較低，溫差大，降水量小，太陽輻射充足[1]。這些惡略的氣候條件，就對(duì)電氣設(shè)備的穩(wěn)定性提出了一定的挑戰(zhàn)。塑殼斷路器是低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的電器產(chǎn)品之一，其穩(wěn)定運(yùn)行是工作人員安全的保障，也是配電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵，因此隨著塑殼斷路器使用率逐漸增加，施工單位對(duì)于斷路器熱脫扣穩(wěn)定性的要求也日益增加[2-3]。本文主要是通過對(duì)高海拔環(huán)境下A、B、C三種低壓塑殼斷路器三端溫度、脫扣時(shí)間參數(shù)的測(cè)量，區(qū)別與國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)下，不同品牌之間塑殼斷路器穩(wěn)定性上的差異。通過對(duì)高海拔環(huán)境下脫扣時(shí)間參數(shù)的離散度分析，對(duì)比三種品牌在不同海拔環(huán)境下熱脫扣穩(wěn)定性的區(qū)別，為工業(yè)配電場(chǎng)合下低壓塑殼斷路器的選型提供一定的參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 氣候條件對(duì)塑殼斷路器性能的影響

根據(jù)高原氣候特點(diǎn)，海拔每升高1km，平均氣壓降低7.7～10.5kPa，空氣密度也隨之降低。因此影響塑殼斷路器熱脫扣穩(wěn)定性的因素主要有以下3個(gè)方面：

1）溫升。塑殼斷路器的散熱方式是以空氣自然對(duì)流、強(qiáng)迫通風(fēng)為主，空氣壓力和密度的降低會(huì)導(dǎo)致空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)的下降，因此類似于塑殼斷路器散熱方式的電工產(chǎn)品溫升將增加3%～10%[4]。隨著溫度的增加，會(huì)導(dǎo)致塑殼斷路器產(chǎn)品的有機(jī)絕緣材料的加速老化，縮短斷路器的使用壽命。

2）絕緣性。電氣設(shè)備的絕緣性與空氣壓力、密度和濕度都密切相關(guān)，隨著海拔每升高1km，空氣壓力和密度降低對(duì)電氣間隙的絕緣性能影響較大，數(shù)據(jù)表明在海拔5km以內(nèi)，每升高1km，外絕緣強(qiáng)度降低8%～13%[5]。因此電氣設(shè)備的外絕緣更容易被擊穿，為了防止絕緣表面不同電位的帶點(diǎn)間隙不易擊穿，應(yīng)該嚴(yán)格按照國家規(guī)定介電強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行修正[6]。

3）接通和分?jǐn)嗄芰ΑｋS著海拔每升高1km，燃弧時(shí)間約延長5%，當(dāng)海拔增加到一定高度時(shí)，開關(guān)電器可能會(huì)出現(xiàn)滅弧時(shí)間不合格或分不斷的現(xiàn)象[7]。塑殼斷路器是以空氣介質(zhì)滅弧的器件，空氣壓力和密度的降低導(dǎo)致斷路器滅弧性能降低、通斷能力下降，從而導(dǎo)致斷路器的電壽命縮短。

2 低壓塑殼斷路器的結(jié)構(gòu)及工作原理

塑殼斷路器屬于低壓電氣產(chǎn)品，使用范圍在交流1200V，直流1500V及以下的配電線路中，主要起到通斷保護(hù)和調(diào)節(jié)控制的作用[8]。低壓塑殼斷路器主要由保護(hù)系統(tǒng)、脫扣動(dòng)作系統(tǒng)以及滅弧系統(tǒng)三大部分組成。保護(hù)系統(tǒng)中塑料外殼的作用主要是提供各個(gè)器件之間良好的絕緣性保護(hù)，為斷路器高強(qiáng)度的機(jī)械性能提供保障；脫扣動(dòng)作系統(tǒng)內(nèi)部主要由觸頭裝置以及其他部件之間的協(xié)調(diào)工作，保證電路的快速閉合和分?jǐn)啵粶缁∠到y(tǒng)利用動(dòng)靜觸頭分開時(shí)所產(chǎn)生的大能量進(jìn)行滅弧操作，來保證其他部件不會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而損壞[9]。

圖1所示的是低壓斷路器結(jié)構(gòu)，塑殼斷路器是低壓斷路器中的一種，因?yàn)樗軞嗦菲鞯姆N類繁多，但是基本結(jié)構(gòu)大同小異。塑殼斷路器能在不正常的電流環(huán)境下做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，例如電路中遇到的短路、過載、欠壓以及維修等問題時(shí)，相應(yīng)的脫扣器裝置會(huì)被觸發(fā)。塑殼斷路器的安裝調(diào)試過程中，首先需要對(duì)為未處于閉合狀態(tài)下的斷路器進(jìn)行合閘處理，將動(dòng)靜觸頭閉合，鎖扣2和卡扣3卡住，使斷路器保持在閉合狀態(tài)。當(dāng)塑殼斷路器完成脫扣動(dòng)作后，鎖扣2和卡扣3解鎖，斷路器動(dòng)觸頭在彈簧力的作用下打開，動(dòng)靜觸頭分離，主回路斷開。本文塑殼斷路器涉及的工作原理主要是線路過載時(shí)，熱脫扣電熱絲13產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致雙金屬片受熱向上彎曲，推動(dòng)杠5實(shí)現(xiàn)過載脫扣。

1—主觸頭；2—鎖扣；3—卡扣；4—轉(zhuǎn)軸；5—杠桿；6—彈簧；7—瞬時(shí)脫扣器；8—欠壓脫扣器；9—銜鐵；10—銜鐵； 11—彈簧；12—熱雙金屬片；13—熱脫扣器電熱絲； 14—分勵(lì)脫扣器；15—按鈕；16—閉合電磁鐵

本文研究的A、B、C三種塑殼斷路器，均采用的是旁熱式加熱方式，當(dāng)載流導(dǎo)體通入過載電流時(shí)，載流導(dǎo)體就會(huì)發(fā)熱，并將產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給綁定在載流導(dǎo)體上的熱雙金屬片，由于雙金屬片所采用的材料不同，膨脹系數(shù)相差較大，主金屬片會(huì)施加給被金屬片一個(gè)推力，推動(dòng)牽引桿沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而觸動(dòng)在牽引桿上的另一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使斷路器斷開電路[10]。

3 塑殼斷路器熱脫扣設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在國家高原電器測(cè)試中心的高海拔模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室規(guī)格見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

熱脫扣特性實(shí)驗(yàn)包含兩部分測(cè)試內(nèi)容：①測(cè)量海拔2km和5km下，斷路器進(jìn)線端、出線端和側(cè)面的三端溫度；②在海拔2～5km范圍內(nèi)通入不同過載電流，記錄斷路器的脫扣時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.2進(jìn)行，斷路器脫扣保護(hù)特性見表2。在基準(zhǔn)溫度（25℃）下，通入1.05倍時(shí)電流整定值，冷態(tài)下斷路器2h后不能脫扣；熱態(tài)時(shí)，通入1.3倍電流整定值時(shí)，2h內(nèi)完成脫扣。

表2 低壓斷路器反延時(shí)動(dòng)作特性

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)均在高海拔模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需海拔情況，利用溫壓一體變送器嚴(yán)格控制氣壓和初始溫度，在安裝斷路器時(shí)盡量保證接線端子的松緊性一致。因?yàn)槟M高海拔實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相對(duì)封閉，空氣濕度、光照等影響因子相對(duì)不變，對(duì)斷路器熱脫扣穩(wěn)定性影響較小。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

4 熱脫扣實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)選取了A、B、C三種不同品牌的斷路器進(jìn)行溫度和脫扣時(shí)間的測(cè)量，并且每組隨機(jī)選取10只，體現(xiàn)了樣本選取的普遍性和隨機(jī)性，安裝過程中嚴(yán)格按照廠家的規(guī)定進(jìn)行安裝，依照國家低壓斷路器反延時(shí)特性進(jìn)行操作，有效的保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.1 溫度數(shù)據(jù)

三端口溫度實(shí)驗(yàn)主要采集了海拔2km（81kPa）和5km（51kPa）時(shí)，低壓塑殼斷路器額定電流為n=63A、n=125A、n=250A三種不同過載電流情況下的溫度變化。

如圖3所示，在海拔2km（81kPa）環(huán)境下，額定電流n=63A時(shí)，出線端溫度曲線的斜率明顯高于進(jìn)線端和側(cè)面溫度曲線的斜率，在通入1.05n電流2h后，立即通入熱態(tài)電流1.3n，此時(shí)出線端的溫度已經(jīng)達(dá)到107℃，塑殼斷路器瞬間完成脫扣動(dòng)作。

圖3 海拔2km（81kPa）In=63A時(shí)溫度曲線

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)海拔調(diào)整到5km（51kPa）環(huán)境下，按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)，可以從圖中觀察到還未到2h的時(shí)候，在3800s左右時(shí)，出線端溫度已經(jīng)達(dá)到最高點(diǎn)（107℃），塑殼斷路器隨即完成脫扣動(dòng)作。

圖4 海拔5km（51kPa）In=63A時(shí)溫度曲線

如圖5、圖6所示，當(dāng)斷路器額定電流為n= 125A時(shí)，短時(shí)間內(nèi)溫度瞬間升高，出線端溫度能達(dá)到113℃，雙金屬片上積累了大量的熱量，塑殼斷路器在2500s之前已經(jīng)完成了熱脫扣動(dòng)作。

圖5 海拔2km（81kPa）In=125A時(shí)溫度曲線

圖6 海拔5km（51kPa）In=125A時(shí)溫度曲線

如圖7、圖8所示，當(dāng)斷路器額定電流為n=250A時(shí)，在通入整定電流1.05n，還遠(yuǎn)未到7200s過程中，斷路器就已經(jīng)完成熱脫扣動(dòng)作。隨著海拔的升高，空氣壓力和密度的降低，斷路器的穩(wěn)定性越來越差。

圖7 海拔2km（81kPa）In=250A時(shí)溫度曲線

圖8 海拔5km（51kPa）In=250A時(shí)溫度曲線

4.2 熱脫扣時(shí)間

將A、B、C三種品牌斷路器安裝在2～5km海拔之中進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9至圖11所示。

圖9 A品牌斷路器脫扣時(shí)間柱狀圖

圖10 B品牌斷路器脫扣時(shí)間柱狀圖

圖11 C品牌斷路器脫扣時(shí)間柱狀圖

4.3 離散度分析

本文主要是通過離散系數(shù)來判斷3種斷路器的穩(wěn)定程度。離散系數(shù)主要用于比較多組數(shù)據(jù)之間的離散程度。離散系數(shù)大說明數(shù)據(jù)分散程度高，穩(wěn)定性越差；反之，離散系數(shù)越小說明數(shù)據(jù)分散程度小，穩(wěn)定性越高。對(duì)于隨機(jī)一組數(shù)據(jù)1,2,3, …,X，則方差為

（1）

其中

標(biāo)準(zhǔn)差即為方差的平方根：

則離散系數(shù)：

根據(jù)上述離散度公式，分別計(jì)算出三種斷路器的離散系數(shù)，見表3。

表3 A、B、C塑殼斷路器離散度系數(shù)

由表3可知B品牌的離散系數(shù)最低，其次是C品牌，最后是A品牌，說明B品牌斷路器穩(wěn)定性最高。如圖9至圖11所示，B品牌斷路器在高海拔環(huán)境下脫扣時(shí)間的穩(wěn)定程度明顯高于A、C品牌，A、C兩個(gè)品牌斷路器的個(gè)體差異很強(qiáng)，受海拔影響嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差，離散度較高，不能穩(wěn)定的工作在一定的脫扣時(shí)間范圍內(nèi)，不適合高海拔環(huán)境下的電工作業(yè)。B品牌斷路器數(shù)據(jù)離散度低，變異系數(shù)小，隨著海拔升高，斷路器的熱脫扣時(shí)間分布均勻，基本分布在7100s左右，基本符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，B品牌塑殼斷路器的熱脫扣穩(wěn)定性高于A、C兩個(gè)品牌，能夠很好的適應(yīng)高海拔環(huán)境下低壓配電電路、電動(dòng)機(jī)或其他用電設(shè)備線路中。

5 結(jié)論

本文首先介紹高原氣候?qū)﹄娖鞯男阅苡绊?，以及低壓塑殼斷路器的結(jié)構(gòu)和熱脫扣原理。利用國家高原電器測(cè)試中心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行模擬高海拔實(shí)驗(yàn)，采集海拔2～5km環(huán)境下A、B、C三種塑殼斷路器的溫度和脫扣時(shí)間數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)密集、龐大，且數(shù)據(jù)呈帶狀分布，尖點(diǎn)較少，曲線平滑穩(wěn)定。最后本文對(duì)脫扣時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行離散度分析，可以得出塑殼斷路器隨海拔升高，散熱能力下降，出線端發(fā)熱加劇，脫扣時(shí)間變短，個(gè)體穩(wěn)定性差異也有所不同。因此，此次實(shí)驗(yàn)為塑殼斷路器的選型和生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供參考，也為高原電氣的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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Study on thermal tripping stability of molded case circuit breaker with high altitude

Yang Jiaqi Gao Fei

(School of Electrical and Information Engineering, Yunnan Minzu University, Kunming 650500)

This paper summarizes the influence of plateau climatic conditions on the performance of molded case circuit breakers, and analyzes the structure of the molded case circuit breaker and the principle of thermal tripping. Through national testing center of plateau electric experiment platform for different vendors. A, B, C three kinds of used in circuit breaker distribution system for heat tripping experiment test, through the acquisition of molded case circuit breaker three ports, such as temperature, the tripping time data, the tripping time of discrete degree analysis, judge the stability of three kinds of circuit breaker in the high altitude environment, the design of the electric equipment for plateau provide certain reference and selection.

molded case circuit breaker; heat tripping; discretization

2018-03-24

楊佳琦（1994-），男，北京密云人，碩士研究生，從事高海拔環(huán)境下低壓電氣設(shè)備方面的研究工作。