基于斷路器溫升試驗研究的開關柜溫升控制探討

摘" 要：開關柜斷路器的溫升特性對電力系統的安全穩定運行至關重要。通過對開關柜斷路器溫升特性的實驗研究，深入分析了溫升的影響因素，并提出了一系列熱管理優化策略。實驗研究表明，環境溫度、銅排規格、導體材料等因素對溫升具有顯著影響。基于實驗結果，提出了優化觸頭盒散熱、提高動靜觸頭嚙合處載流余量等熱管理措施。這些優化措施有助于降低開關柜斷路器的溫升，提高其運行可靠性和使用壽命，為電力系統的安全穩定運行提供有力保障。

關鍵詞：開關柜斷路器" 溫升特性" 實驗研究" 熱管理

中圖分類號：TM591

Switch Cabinet Based on the Temperature Rise Test Study of Circuit Breaker Discussion on Temperature Rise Control of Switchgear Based on the Temperature Rise Test Study of Circuit Breaker

FAN Gaopeng" ZHAO Nan" LI Junjie

He’nan Senyuan Electric Co.， Ltd.， Xuchang， He’nan Province， 461000 China

Abstract： The temperature rise characteristics of switchgear circuit breakers are crucial for the safe and stable operation of power systems. This paper conducts anThrough experimental study on the temperature rise characteristics of switchgear circuit breakers， it deeply analyzes the factors affecting temperature rise， and proposes a series of thermal management optimization strategies. Experimental studies show that environmental temperature， copper bar specifications， and conductor materials have significant impacts on temperature rise. Based on the experimental results， thermal management measures such as optimizing contact box heat dissipation and increasing the current carrying capacity at the meshing point of the dynamic and static contactsmargin at the static and dynamic contact meshing points are proposed. These optimization measures help reduce the temperature rise of switchgear circuit breakers， improve their operational reliability and service life， and provide strong support for the safe and stable operation of power systems.

Key Wwords： Switchgear circuit breaker; Temperature rise characteristics; "Experimental researchstudy; Thermal management

承載著控制和保護電路的重任。作為開關柜中最關鍵的元件之一，斷路器的性能直接影響到整個電力系統的安全與可靠運行。開關柜斷路器的溫升問題逐漸成為了一個不容忽視的焦點。溫升過高不僅會導致電氣設備絕緣材料加速老化，影響其性能，還可能引發一系列故障，嚴重時甚至威脅到整個電力系統的安全、穩定運行。

目前，國內外學者對斷路器的溫升特性進行了廣泛的研究。這些研究主要集中在斷路器的熱效應分析^[1]、溫升模型的建立、散熱結構的優化等方面^[2]。然而，現有研究多側重于理論分析和數值模擬，缺乏系統的實驗驗證。此外，針對特定類型斷路器在不同工況下的溫升特性研究還不夠充分，特別是在復雜工況下的動態溫升行為。

1" 斷路器工作原理及溫升機理

1.1" 斷路器的工作原理

斷路器是一種自動開關裝置，它在電路出現過載、短路或欠電壓等異常狀況時，能夠自動切斷電路，以確保電路的安全。當電路中的電流超過預設閾值時，保護裝置會激活操作機構，促使觸頭迅速分離，進而中斷電流。

1.2" 斷路器的分類與應用

根據不同的分類標準，斷路器可以被劃分為多種類型。例如：按照安裝方式可以分為固定式和抽屜式；按照滅弧介質的不同，又可分為油浸式、真空式和SF6氣體式等。斷路器在電力系統的各個階段都有廣泛應用，包括發電、輸電、配電和用電等環節。

1.3" 斷路器溫升機理分析

在斷路器的工作過程中，電流通過導體時會產生焦耳熱，導致溫度上升。溫升的程度受到電流強度、通電時長、導體電阻等多種因素的影響。過高的溫度可能會損害斷路器的性能，甚至造成設備故障。因此，掌握斷路器的溫升機理對于設計合理的散熱結構和實施有效的熱管理策略至關重要。

2" 開關柜斷路器溫升特性的實驗研究

2.1" 實驗設備與方法

2.1.1" 實驗設備

在本次實驗中，挑選了與實際電力系統中廣泛使用的開關柜斷路器相似的設備，包括了不同規格的銅排和多種材料制成的斷路器觸臂。實驗設備主要由開關柜本體、負載發生器以及一系列精密的測量儀器組成，如溫度傳感器、電流表等，這些儀器能夠準確捕捉到斷路器在運行過程中的溫度變化和電流、電壓等關鍵參數。

2.1.2" 實驗方法

通過設計實驗方案，改變環境溫度、銅排規格和斷路器觸臂材料等關鍵變量，進行了一系列溫升實驗^[3]。在不同的實驗條件下，使用溫度傳感器對斷路器的關鍵部位，例如觸頭、母排連接點等進行實時監測，同時記錄下電流、電壓等相關參數，以確保數據的準確性和可靠性。

2.2" 實驗結果與分析

2.2.1" 環境溫度的影響

實驗結果揭示了環境溫度對開關柜斷路器溫升的顯著影響。當環境溫度從10 ℃逐漸升高至30 ℃時，觀察到各相梅花觸頭處的溫升逐漸降低，盡管這種降幅并不顯著。在不同季節進行的多次試驗中，也發現了類似的趨勢。例如：在A相上、下觸頭，B相上觸頭及C相上、下觸頭這5個關鍵點的溫升隨著初始環境溫度的升高而有所下降，除了A相下觸頭外，其他4處的溫降幅度均不大，而B相下觸頭的溫度幾乎未發生變化。這一現象可能是因為隨著溫度的升高，周圍環境對斷路器的散熱作用有所增強，但這種影響相對有限。

2.2.2" 銅排規格的影響

實驗中，對3種不同規格的引出排進行了溫升仿真和試驗，這些規格分別是80 mm×10 mm、100 mm×10 mm和120 mm×10 mm。結果顯示，引出母排規格越大，其溫升越小。特別是當引出母排規格從80 mm×10 mm調整為120 mm×10 mm時，溫升差異超過了3 ℃。這一結果可以歸因于較大規格的銅排具有更大的截面積，從而導致電阻相對較小，根據焦耳定律，產生的熱量也就越少。

2.2.3" 導體材料的影響

研究了觸臂材料分別為鋁和銅時對溫升的影響。實驗發現，銅觸臂與鋁觸臂相比，溫升差異超過了2 ℃。由于銅的導電性能優于鋁，電阻較小，在相同的電流條件下產生的熱量較少，因此銅觸臂的溫升相對較低。這一發現對于未來開關柜斷路器的設計和材料選擇具有重要的指導意義。

3" 開關柜斷路器熱管理現狀及問題

3.1" 現有熱管理措施

3.1.1" 自然散熱

目前，許多開關柜斷路器主要依賴自然對流的方式進行散熱。為了優化空氣流動，開關柜的結構設計考慮了空氣的自然流動特性，通過柜體縫隙等設計細節實現熱空氣的排出和冷空氣的進入，以達到散熱的目的。

3.1.2" 散熱片輔助

在一些關鍵部位，開關柜斷路器還配備了散熱片，這些散熱片通過增加散熱面積來提高散熱效率。這種設計在一定程度上緩解了設備在運行過程中產生的熱量積聚問題。

3.2" 存在的問題

3.2.1" 散熱效率有限

盡管自然散熱方式在某些條件下能夠起到一定的作用，但它在高溫環境下散熱效果并不理想。此外，散熱片雖然增加了散熱面積，但在大電流運行下的高熱流密度情況下，其散熱面積仍然顯得有限，難以有效降低溫升。

3.2.2" 缺乏系統熱管理

目前的熱管理措施大多局限于局部，缺乏從整個開關柜斷路器系統的角度出發的系統熱管理設計。例如：沒有充分考慮不同部件之間的熱傳導、熱對流關系，這限制了整體散熱能力的最大化發揮。

4" 開關柜斷路器熱管理優化策略

4.1" 優化觸頭盒散熱

4.1.1" 采用散熱型觸頭盒

采用具有散熱功能的觸頭盒，并配置一體化靜觸頭，使觸頭盒內外形成有效的通風通道，同時確保關鍵發熱部位能夠充分暴露在空氣中。通過改善觸頭盒內部導體的散熱環境，提升觸頭盒內部空氣對流能力，增大母排與空氣的接觸面積及散熱空間，從而達到增大散熱能力的目的^[4]。

4.1.2 提高動靜觸頭嚙合處載流余量

采用先進的彈簧觸指技術，將載流量提高到5 600 A。這種技術的優勢在于其結構簡單，接觸點多，導電性能優良，動熱穩定性高。每個接觸點的接觸壓力適中，鍍銀層耐磨性能好，并且接觸點的壓力值在手車進出柜體過程中保持相對恒定，對動靜觸頭的加工精度要求不高，具有較強的加工誤差適應性^[5]。

4.2" 底盤車結構優化

4.2.1" 減小絲杠螺距

在底盤車的設計上，通過減小絲杠螺距，從22圈調整為31圈，顯著提高了斷路器與柜體的配合精度和導軌強度。這一改進措施有效減少了導軌的變形量，提高了手車進出柜體的平穩性，改善了手車進出柜體時出現的爬坡和退坡現象，從而減少了因手車運動不平穩而產生的額外熱量。

4.3" 安裝散熱風扇

4.3.1" 強迫對流散熱

在開關柜出氣口安裝散熱風扇，通過強迫對流的方式顯著提高了散熱效率。實驗數據表明，在額定電流下，當風扇風速達到3 m/s和6 m/s時，進線斷路器上接線端子的平均溫升分別下降了28.6%和42.1%。根據開關柜內部的溫度場分布情況，合理選擇風扇的安裝位置和風速，可以在不顯著增加能耗的情況下，顯著降低溫升。

5" 熱管理優化效果評估

5.1" 理論分析

5.1.1" 熱傳導分析

依據熱傳導公式Q =kAΔT（其中：Q為熱量傳遞量，k為熱導率，A為接觸面積，ΔT為溫度差）進行了深入分析。通過增大接觸面積或提高熱導率，可以有效促進熱量的傳遞，從而對散熱產生積極的影響。

5.1.2" 熱對流與輻射分析

對熱對流與輻射在開關柜內部的熱量傳遞過程進行了詳細研究，評估了優化措施對改善熱對流和減少熱輻射的有效性。通過理論分析，能夠更好地理解熱管理優化措施在實際應用中的潛在效果。

5.2" 實驗驗證

5.2.1" 實驗設置

在實際開關柜斷路器設備上，通過設置不同的負載條件，以測量關鍵部位的溫升情況。實驗過程中，嚴格控制實驗條件，確保數據的準確性和可重復性。

5.2.2" 結果對比

通過對優化前后的實驗結果進行對比分析，驗證了熱管理優化措施的有效性。實驗結果顯示，采用上述熱管理優化措施后，開關柜斷路器關鍵部位的溫升明顯降低，達到了預期的優化效果，這為開關柜斷路器的長期穩定運行提供了有力保障。

6" 結語與展望

6.1" 結語

本文通過對開關柜斷路器溫升特性的深入實驗研究，全面了解了環境溫度、銅排規格和導體材料等因素對溫升的影響。基于實驗結果，提出了一系列切實可行的熱管理優化策略，包括優化觸頭盒散熱、底盤車結構優化和安裝散熱風扇等。理論分析和實驗驗證均表明，這些優化措施能夠有效降低開關柜斷路器的溫升，提高其運行可靠性和使用壽命。

參考文獻

[1]趙莉華，鄔志云，閆志強，等.基于新型環保氣體的斷路器溫升特性[J].工程科學與技術，2024，56（5）：86-97.

[2]彭濤，唐炳南，趙莉華.中壓開關柜典型接觸故障下的溫升特性研究[J].高電壓技術，2021，47（12）：4331-4345.

[3]張亦威，高翔，蔣亞，等.增容型斷路器的溫升特性研究[J].電工技術，2023（1）：109-111.

[4]孫韜，趙莉華，龍辰，等.中壓開關柜梅花觸頭接觸故障下的溫升特性研究[J].高壓電器，2023，59（5）：130-138.

[5]張亦威，王興利，蔣亞，等.一種優化型觸頭系統的設計與應用[J].電工技術，2021（23）：121-122，125.