低壓元件的溫升測量方法評定

薛 昊（天津市電工技術科學研究院，天津300232）

0 引言

低壓電氣中，用于各元件的電氣連接有很多方式，包括電線電纜連接、銅排連接和母線連接等，各種方式各有利弊。在實際使用中，電線電纜主要用于變壓器輸送到各用電場所的高壓開關柜，然后再從各工廠的配電室送至各種用電場所，這是由于電線電纜具有耐腐耐酸等特性。銅排輸電則主要用于工廠中的配電，主要是由于銅排具有機械強度，適合工廠環(huán)境。在試驗室內(nèi)的溫升試驗中，對大電流采用銅排連接，對小電流采用電線電纜連接。對于萬能斷路器的溫升試驗，一般情況下使用銅排連接進行溫升試驗，但是有些特殊條件下必須使用軟銅線連接。本文將以比對方式驗證使用銅排連接和軟銅線連接進行溫升試驗的準確性。

1 溫升試驗

低壓電氣元件的溫升試驗尤為重要，在試驗中對檢測試品通以預定發(fā)熱電流，在一個特定的空間內(nèi)進行不間斷試驗。在國家標準中，約定自由空氣發(fā)熱電流和約定封閉空間發(fā)熱電流之分，主要是考核試品能否在實際工作中承載工作電流而本身并不損壞。低壓電氣元件在實際使用中，有時需要較長時間通電。與此產(chǎn)品觸頭就會發(fā)熱，當觸頭達到或者超過產(chǎn)品觸頭極限溫升時，其各項參數(shù)將發(fā)生改變。例如，對產(chǎn)品的物理特性而言，當產(chǎn)品中的銅觸頭長時間通過超過自身能承載的大電流，會產(chǎn)生退火現(xiàn)象，銅觸頭會因為退火而易折斷或者變形。對產(chǎn)品的化學特性而言，由于長時間通電，觸頭溫度超過所允許溫升值，產(chǎn)品會發(fā)生加速氧化，易引發(fā)火災。因此，對電氣元件等產(chǎn)品進行溫升試驗非常重要。在實際工作中，所有的低壓電氣元件產(chǎn)品都會進行溫升試驗。但是由于電氣元件產(chǎn)品種類眾多，其接線端也各不相同，因此在溫升試驗中會分別使用銅排連接或者軟線連接。本文主要探究在萬能式斷路器的溫升試驗中，使用銅排連接和使用軟線連接的差異。

影響低壓電氣元件產(chǎn)品最終溫升值的因素有很多。主要的外部原因，一是在銅排或者軟線連接處，由于采用螺絲固定導致連接處接觸面積和接觸電阻各不相同，從而導致溫升偏差過大，因此國家標準規(guī)定了每個固定螺絲的扭矩。本文所做試驗過程中，采用扭矩儀對每個螺絲進行緊固。二是試驗產(chǎn)品所處的環(huán)境溫度也對試品的溫升值有一定影響。封閉空間和不封閉空間溫升值各不相同，夏季溫升值和冬季溫升值也各不相同。國家標準的規(guī)定中，為了避免環(huán)境溫度對于試品溫升的影響，采用數(shù)值K表示溫升值，如公式（1）所示。

式中，T1為實際測量溫度，℃；T2為環(huán)境溫度，℃；K為計算的溫升值，單位為K。在國家標準中，對于不同產(chǎn)品、不同部位、不同材質(zhì)分別規(guī)定了最大溫升值。

在本文所做對比試驗過程中，為了避免環(huán)境溫度對于試驗結(jié)果的影響，采用相同工位和時間段分別進行試驗。溫升試驗采用T型熱電偶進行測量，并用錫箔紙粘貼方式進行溫升試驗。熱電偶的原理是兩種不同材料的金屬焊接在一起,當參考端和測量端有溫差時,就會產(chǎn)生熱電勢,根據(jù)該熱電勢與溫度的單值關系就可以測量溫度。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單,響應快,適宜遠距離測量和自動控制的特點,應用比較廣泛[1]。產(chǎn)品試驗的溫升高低，取決于試驗產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當試品閉合時，試品的觸頭接觸閉合必然會產(chǎn)生接觸電阻，電流通過觸頭也會產(chǎn)生熱量。該熱量主要影響試品的溫升值。

在元件試驗時，有時使用銅排連接試驗設備,有時使用軟線連接。為了驗證兩種方法的準確性,設計如下試驗方法。

比對試驗采用萬能斷路器為試驗產(chǎn)品，使用1 000、1 250、1 600、2 500、3 000 和 4 000 A 電流對試品進行溫升試驗。溫升試驗主要針對產(chǎn)品約定自由空氣發(fā)熱電流(Ith),它是不封閉電器在自由空氣中進行溫升試驗時的最大試驗電流值。約定封閉發(fā)熱電流（Ithe)由制造商規(guī)定，用此電流對安裝在規(guī)定外殼中的電器進行溫升試驗[3]。對于低壓電氣元件，使用這個電流對試品進行溫升試驗。為了更好地進行比對，分別采用不同電流進行試驗。

溫升試驗分別采用不同電流進行試驗。對幾個典型電流等級的萬能斷路器進行不同電流試驗。本文僅對一項試驗電流進行闡述。例如，對3 200 A殼體等級的萬能斷路器進行2 500 A電流試驗。對于3 200 A殼體等級的萬能斷路器分別進行2次接線，分別采用進線銅排出線銅排和進線軟線出線銅排,兩種接線方式。萬能斷路器采用下進線、上出線連接方式，在進線端分別連接銅排與軟線。試驗中連接線規(guī)格分別采用：進軟線2 000 mm2，長度3 m，出銅排 4（100×5）mm2，長度 2 m；進銅排 4（100×5）mm2，長度 3 m，出銅排 4（100×5）mm2，長度 2 m。分別記錄兩次試驗時的環(huán)境溫度。在溫度記錄的位置方面，為了保證試驗的客觀性，在兩次溫升試驗中分別在出線端ABC相布置3個溫度記錄點。萬能斷路器進線端的溫度記錄點，分別記錄試品進線端口的溫度，對于固定試品的螺釘也同樣采用Φ12型號。與此同時，采用扭矩力扳手以14Nm為力矩進行固定。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)

2 不確定度分析

目前衡量檢測方法準確度的方法是不確定度分析方法。影響不確定度分析方法有以下幾個方面需要考慮[2]：⑴對使用萬能式斷路器代替低壓電氣元件不夠全面；⑵萬能斷路器通過六個試驗電流不夠全面；⑶每個廠家的萬能式斷路器不同，不能全面體現(xiàn)萬能式斷路器這一系列元件；⑷對測量過程受環(huán)境影響的認識不周全，或?qū)Νh(huán)境條件的測量與控制不完善；⑸各試驗人員操作試驗儀器的方法不相同；⑹試驗室溫升測試儀的準確度；⑺試驗室不同時間環(huán)境溫度略有不同；⑻引用于數(shù)據(jù)計算的常量和其它參量不準；⑼測量方法和測量程序的近似性和假定性；⑽在表面上看來完全相同的條件下，被測量重復觀測值的變化。

結(jié)合試驗室環(huán)境和現(xiàn)場設備，從以下幾方面考慮：⑴所用的參考標準和參考物質(zhì)；⑵所用方法和設備；⑶環(huán)境條件；⑷被檢測樣品的性能和狀態(tài)；⑸操作人員。

不確定度分析法對于試驗室檢測尤為重要，還會影響量化公式計算結(jié)果。為了縮短對比過程，本文忽略一些不重要的方面，僅從5個重點方面進行分析，通過公式計算獲得最新量化數(shù)據(jù)，從而證明了試驗方法的可行性。不確定度分析有兩種評定方式，分別為A類評定方法和B類評定方法。這兩種方法沒有本質(zhì)的區(qū)別。A類評定方法是考慮多個不確定因素，同時進行數(shù)學模型的建立，最終列出測量不確定度一覽表。B類方法則是確定一個不確定函數(shù)，然后再進行相應的計算，從而得出不確定度。

也為了縮短試驗周期，此次檢測忽略了檢測標準、環(huán)境條件、被檢測樣品的性能和狀態(tài)，且目前主流方法為B類評定分量，最終確定B類不確定度公式，不確定度計算公式見公式2。

式中，xi為每次儀器上的顯示數(shù)據(jù)；xˉ為每次測量結(jié)果的平均值；n為測量次數(shù)；s為方差，方差結(jié)果越大，其不確定度則越大，反之結(jié)果越小，不確定度越小。

試品按照圖1方式進行接線，并進行大于4 h的溫升試驗，當試驗溫升數(shù)值差小于5 K時，停止試驗并記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖1 比對溫升試驗

3 結(jié)論

采用比對方法對兩種連接方式進行分別試驗。為了使試驗值更加接近真值，采用3次試驗方法獲得試驗數(shù)據(jù)。為了比對兩種接線對于試驗數(shù)據(jù)的影響，運用不確定分析公式對數(shù)據(jù)進行分析，運用公式（2）對測量數(shù)據(jù)進行處理。將所得數(shù)據(jù)通過計算得出：采用進線軟線、出線銅排的不確定度為0.1414；采用進線銅排、出線銅排的不確定度為0.1224。通過比對兩種試驗方法的不確定度都屬于同一數(shù)量級，因此可以得出以下結(jié)論，對于低壓電氣元件的溫升試驗可以使用銅排與銅排連接，也可以使用銅排與軟線連接。兩種試驗方式所得試驗結(jié)果可以近似相等。