高海拔環境下塑殼斷路器熱脫扣穩定性研究

楊佳琦 高 飛

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高海拔環境下塑殼斷路器熱脫扣穩定性研究

楊佳琦 高 飛

（云南民族大學電氣信息工程學院，昆明 650500）

本文總結了高原氣候條件對塑殼斷路器性能的影響，分析塑殼斷路器結構和熱脫扣原理。借助國家高原電氣測試中心實驗平臺對不同廠商提供的A、B、C 三種用于配電系統的斷路器進行熱脫扣實驗測試，通過采集塑殼斷路器的三端口溫度、脫扣時間等數據，對脫扣時間進行離散度分析，判斷三種斷路器在高海拔環境下穩定性的差異，為高原電器的設計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，整體地勢呈西高東低勢分布，而我國西部主要是高海拔地區，是典型的高原氣候。高原地區相對海拔較高，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，就對電氣設備的穩定性提出了一定的挑戰。塑殼斷路器是低壓配電系統中應用最為普遍的電器產品之一，其穩定運行是工作人員安全的保障，也是配電系統設備運行的關鍵，因此隨著塑殼斷路器使用率逐漸增加，施工單位對于斷路器熱脫扣穩定性的要求也日益增加[2-3]。本文主要是通過對高海拔環境下A、B、C三種低壓塑殼斷路器三端溫度、脫扣時間參數的測量，區別與國家規定標準下，不同品牌之間塑殼斷路器穩定性上的差異。通過對高海拔環境下脫扣時間參數的離散度分析，對比三種品牌在不同海拔環境下熱脫扣穩定性的區別，為工業配電場合下低壓塑殼斷路器的選型提供一定的參考標準。

1 氣候條件對塑殼斷路器性能的影響

根據高原氣候特點，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定性的因素主要有以下3個方面：

1）溫升。塑殼斷路器的散熱方式是以空氣自然對流、強迫通風為主，空氣壓力和密度的降低會導致空氣介質冷卻效應的下降，因此類似于塑殼斷路器散熱方式的電工產品溫升將增加3%～10%[4]。隨著溫度的增加，會導致塑殼斷路器產品的有機絕緣材料的加速老化，縮短斷路器的使用壽命。

2）絕緣性。電氣設備的絕緣性與空氣壓力、密度和濕度都密切相關，隨著海拔每升高1km，空氣壓力和密度降低對電氣間隙的絕緣性能影響較大，數據表明在海拔5km以內，每升高1km，外絕緣強度降低8%～13%[5]。因此電氣設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間隙不易擊穿，應該嚴格按照國家規定介電強度試驗進行修正[6]。

3）接通和分斷能力。隨著海拔每升高1km，燃弧時間約延長5%，當海拔增加到一定高度時，開關電器可能會出現滅弧時間不合格或分不斷的現象[7]。塑殼斷路器是以空氣介質滅弧的器件，空氣壓力和密度的降低導致斷路器滅弧性能降低、通斷能力下降，從而導致斷路器的電壽命縮短。

2 低壓塑殼斷路器的結構及工作原理

塑殼斷路器屬于低壓電氣產品，使用范圍在交流1200V，直流1500V及以下的配電線路中，主要起到通斷保護和調節控制的作用[8]。低壓塑殼斷路器主要由保護系統、脫扣動作系統以及滅弧系統三大部分組成。保護系統中塑料外殼的作用主要是提供各個器件之間良好的絕緣性保護，為斷路器高強度的機械性能提供保障；脫扣動作系統內部主要由觸頭裝置以及其他部件之間的協調工作，保證電路的快速閉合和分斷；滅弧系統利用動靜觸頭分開時所產生的大能量進行滅弧操作，來保證其他部件不會因為溫度過高而損壞[9]。

圖1所示的是低壓斷路器結構，塑殼斷路器是低壓斷路器中的一種，因為塑殼斷路器的種類繁多，但是基本結構大同小異。塑殼斷路器能在不正常的電流環境下做出適當的反應，例如電路中遇到的短路、過載、欠壓以及維修等問題時，相應的脫扣器裝置會被觸發。塑殼斷路器的安裝調試過程中，首先需要對為未處于閉合狀態下的斷路器進行合閘處理，將動靜觸頭閉合，鎖扣2和卡扣3卡住，使斷路器保持在閉合狀態。當塑殼斷路器完成脫扣動作后，鎖扣2和卡扣3解鎖，斷路器動觸頭在彈簧力的作用下打開，動靜觸頭分離，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，熱脫扣電熱絲13產生的熱量，導致雙金屬片受熱向上彎曲，推動杠5實現過載脫扣。

1—主觸頭；2—鎖扣；3—卡扣；4—轉軸；5—杠桿；6—彈簧；7—瞬時脫扣器；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，當載流導體通入過載電流時，載流導體就會發熱，并將產生的熱量以熱傳導的方式傳遞給綁定在載流導體上的熱雙金屬片，由于雙金屬片所采用的材料不同，膨脹系數相差較大，主金屬片會施加給被金屬片一個推力，推動牽引桿沿軸向轉動，從而觸動在牽引桿上的另一個傳動機構，使斷路器斷開電路[10]。

3 塑殼斷路器熱脫扣設計

3.1 實驗環境

實驗在國家高原電器測試中心的高海拔模擬實驗室中進行，實驗室規格見表1。

表1 實驗環境參數

3.2 實驗內容

熱脫扣特性實驗包含兩部分測試內容：①測量海拔2km和5km下，斷路器進線端、出線端和側面的三端溫度；②在海拔2～5km范圍內通入不同過載電流，記錄斷路器的脫扣時間。實驗過程嚴格按照國家標準GB/T 14048.2進行，斷路器脫扣保護特性見表2。在基準溫度（25℃）下，通入1.05倍時電流整定值，冷態下斷路器2h后不能脫扣；熱態時，通入1.3倍電流整定值時，2h內完成脫扣。

表2 低壓斷路器反延時動作特性

如圖2所示，實驗均在高海拔模擬實驗室中進行，根據實驗所需海拔情況，利用溫壓一體變送器嚴格控制氣壓和初始溫度，在安裝斷路器時盡量保證接線端子的松緊性一致。因為模擬高海拔實驗室環境相對封閉，空氣濕度、光照等影響因子相對不變，對斷路器熱脫扣穩定性影響較小。

圖2 實驗裝置流程圖

4 熱脫扣實驗結果與分析

本次實驗選取了A、B、C三種不同品牌的斷路器進行溫度和脫扣時間的測量，并且每組隨機選取10只，體現了樣本選取的普遍性和隨機性，安裝過程中嚴格按照廠家的規定進行安裝，依照國家低壓斷路器反延時特性進行操作，有效的保證數據的準確性和可靠性。

4.1 溫度數據

三端口溫度實驗主要采集了海拔2km（81kPa）和5km（51kPa）時，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）環境下，額定電流n=63A時，出線端溫度曲線的斜率明顯高于進線端和側面溫度曲線的斜率，在通入1.05n電流2h后，立即通入熱態電流1.3n，此時出線端的溫度已經達到107℃，塑殼斷路器瞬間完成脫扣動作。

圖3 海拔2km（81kPa）In=63A時溫度曲線

如圖4所示，實驗海拔調整到5km（51kPa）環境下，按照國家標準進行通電實驗，可以從圖中觀察到還未到2h的時候，在3800s左右時，出線端溫度已經達到最高點（107℃），塑殼斷路器隨即完成脫扣動作。

圖4 海拔5km（51kPa）In=63A時溫度曲線

如圖5、圖6所示，當斷路器額定電流為n= 125A時，短時間內溫度瞬間升高，出線端溫度能達到113℃，雙金屬片上積累了大量的熱量，塑殼斷路器在2500s之前已經完成了熱脫扣動作。

圖5 海拔2km（81kPa）In=125A時溫度曲線

圖6 海拔5km（51kPa）In=125A時溫度曲線

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

圖7 海拔2km（81kPa）In=250A時溫度曲線

圖8 海拔5km（51kPa）In=250A時溫度曲線

4.2 熱脫扣時間

將A、B、C三種品牌斷路器安裝在2～5km海拔之中進行測試，實驗結果如圖9至圖11所示。

圖9 A品牌斷路器脫扣時間柱狀圖

圖10 B品牌斷路器脫扣時間柱狀圖

圖11 C品牌斷路器脫扣時間柱狀圖

4.3 離散度分析

本文主要是通過離散系數來判斷3種斷路器的穩定程度。離散系數主要用于比較多組數據之間的離散程度。離散系數大說明數據分散程度高，穩定性越差；反之，離散系數越小說明數據分散程度小，穩定性越高。對于隨機一組數據1,2,3, …,X，則方差為

（1）

其中

標準差即為方差的平方根：

則離散系數：

根據上述離散度公式，分別計算出三種斷路器的離散系數，見表3。

表3 A、B、C塑殼斷路器離散度系數

由表3可知B品牌的離散系數最低，其次是C品牌，最后是A品牌，說明B品牌斷路器穩定性最高。如圖9至圖11所示，B品牌斷路器在高海拔環境下脫扣時間的穩定程度明顯高于A、C品牌，A、C兩個品牌斷路器的個體差異很強，受海拔影響嚴重，穩定性較差，離散度較高，不能穩定的工作在一定的脫扣時間范圍內，不適合高海拔環境下的電工作業。B品牌斷路器數據離散度低，變異系數小，隨著海拔升高，斷路器的熱脫扣時間分布均勻，基本分布在7100s左右，基本符合國家規定標準。綜上所述，B品牌塑殼斷路器的熱脫扣穩定性高于A、C兩個品牌，能夠很好的適應高海拔環境下低壓配電電路、電動機或其他用電設備線路中。

5 結論

本文首先介紹高原氣候對電器的性能影響，以及低壓塑殼斷路器的結構和熱脫扣原理。利用國家高原電器測試中心的實驗平臺，進行模擬高海拔實驗，采集海拔2～5km環境下A、B、C三種塑殼斷路器的溫度和脫扣時間數據，實驗數據密集、龐大，且數據呈帶狀分布，尖點較少，曲線平滑穩定。最后本文對脫扣時間數據進行離散度分析，可以得出塑殼斷路器隨海拔升高，散熱能力下降，出線端發熱加劇，脫扣時間變短，個體穩定性差異也有所不同。因此，此次實驗為塑殼斷路器的選型和生產設計提供參考，也為高原電氣的研究提供了重要的實驗依據。

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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，從事高海拔環境下低壓電氣設備方面的研究工作。