成套产品设计低压断路器研究

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成套产品设计低压断路器研究

摘要:

在成套产品设计及应用中，针对影响低压断路器性能的因素，主要探讨了断路器的载流量、保护性能以及短路特性对断路器性能与安全的影响。结合相关企业实例，着重分析了影响断路器载流量的因素，为低压断路器在成套设备中安全使用提供依据。

关键词:

低压断路器;低压成套设备;载流量;保护性能;短路特性

0引言

随着低压断路器和低压成套设备越来越趋于智能化，以及通信技术在产品中的广泛应用，对于成套设备的核心器件———低压断路器在成套设备设计和应用中有了更高的要求。由于大部分低压断路器生产企业没有提供足够的技术数据，如温升和功耗方面的详细参数，同时低压成套设备设计人员在设计和应用过程中缺乏相关的经验和能力，对断路器的安全和保护性能没有充分的理解，使得低压断路器的功能达不到预期的目标。因此为了保证成套设备的高可靠性，必须全面地了解低压断路器在成套产品设计及应用时应考虑的因素。结合这些因素，设计生产质量和可靠性都满足使用要求的低压成套设备产品。目前对低压断路器和低压成套设备安全的应用主要依据GB14048．2—2008《低压开关设备和控制设备第二部分:断路器》和GB7251．1—2013《低压成套开关设备和控制设备第一部分:总则》。当断路器应用在成套设备中时，其中环境相比于自由空气时有很大的差别，因此断路器在自由空气中满足GB14048．2各项参数不一定能够满足成套产品标准。成套设备都有一个比较封闭的壳体，断路器在成套设备内部的工作环境会更加严苛，对断路器的安全和性能应有更高的要求［1］。低压成套开关设备和控制设备温升可以通过IEC60890∶1987《评估部分型式试验的低压成套开关设备和控制设备(PTTA)温升的外推法》进行理论上的计算，主要用于确定外壳内空气的温升。但这种方法要求满足的条件较多，如外壳内功率损耗近似均匀分布、内装设备布局使空气流通几乎没有阻碍、总电流等级不超过3150A、框架单元中的水平隔板不多于3个、承载大电流的导体和机构部件的布局使涡流损耗可以忽略不计［2-3］。由此可见该标准使用局限性较大，考虑的因素较为理想化，不一定能满足实际应用的需求，但是在理论分析与计算时可以参考使用。因此，本文将对低压断路器在成套产品设计及应用时应考虑的因素进行介绍与分析，为低压断路器在成套设备中安全使用提供依据。

1影响断路器性能的因素

影响断路器产品性能的因素有很多，大致可分为对断路器载流量的影响、对断路器保护性能的影响、对断路器短路特性的影响等因素。

1．1断路器的载流量

正常情况下，载流量是指断路器允许通过的最大工作电流，即断路器的额定电流。但是在一些特殊环境下，如环境温度过高，就需要调低额定工作电流，即调低载流量，使得断路器能在此温度下正常工作，调整后的具体电流值是在断路器产品设计及应用时需要着重考虑的。对于成套设备而言，成套设备中规定的额定电流就是其中主开关断路器的最大工作电流，与断路器的额定电流不一定相等。一般载流量最直接的反映就是断路器接线端子温升，国标中对温升有严格的规定。对于成套设备而言，最高温升限值不能超过70K，故载流量影响成套设备产品的性能［4］。载流量过低，导致成套设备中断路器利用率过低，经济效益欠佳;载流量过高则会使得器件发热温升过高，破坏成套产品的绝缘。因此确定影响载流量的因素对断路器产品在成套设备中的设计和应用有着非常重要的意义。

1．2断路器的保护性能

断路器的保护性能主要分为过载长延时保护、短路延时保护、短路瞬动保护、欠电压保护和单相接地保护(对地泄漏电流)等。断路器作为成套设备中重要的元器件，起到通、断电路的作用，是一种保护电路安全的器件，因此断路器的保护性能也是断路器一个非常重要的性能指标。其中，断路器过载长延时保护主要是指电路在超过断路器额定电流一定限值时断开电路的能力，规定的限值都是根据断路器额定电流而确定的系数。当断路器在成套设备中应用时，通常载流量会降低，因此在成套设备中设计及应用时必须考虑断路器的过载保护性能整定值与实际载流量的关联性，否则容易在回路过载时不能及时脱扣，引发安全事故，造成不必要的经济或财产损失。

1．3断路器的短路特性

低压断路器的短路特性是断路器的重要性能和安全指标。当电路发生短路事故时，断路器能否及时的断开电路是用电安全的一个重要保证，因此断路器在成套设备中设计及应用时需结合实际考虑断路器的短路特性，为成套设备的安全运作提供保障，以免造成不必要的财产损失。影响断路器的短路特性是多方面的，如安装方式的不同，GB14048中规定断路器一般为垂直安装，但是在一些特殊条件下，受空间限制、拉合闸的容易程度等条件的限制，需采用水平安装，因此此种情况下断路器的短路特性不一定能够得到充分保证。在高海拔时也容易对断路器的短路特性造成影响，由于高原地区空气稀薄，会对空气介质灭弧的电器灭弧性能造成影响，使断路器灭弧时间延长，触头烧毁严重，断路器通断能力降低。同时空间大小也会对短路特性造成影响，在成套设备中，断路器断开时有较大的能量释放，会破坏柜体结构，造成设备的损坏。因此当需要进行一些特殊工作条件下的产品设计时，必须了解对断路器的短路特性影响程度，必要时需要进行特殊工作条件下断路器短路特性测试，以确保设备的正常使用，避免造成安全事故。以上三个方面是断路器在成套设备中设计及应用时主要考虑的因素。因为载流量不仅关系到接线端子的温升值，而且会影响断路器的过载长延时保护性能，故将结合一些实例着重对载流量进行分析。

2影响断路器载流量的因素分析

载流量的影响主要体现在电流流过导体回路时产生的焦耳热。这些热量一部分通过热传导、热对流和热辐射等方式向外界传递，散发到周围介质中去，另一部分则被断路器本身吸收。断路器吸收热量后，温度升高;当产生的热量与散发的热量达到平衡时，断路器的温升不再增加达到稳定状态［5-6］。在GB14048．2—2008中条款7．2．2．1对断路器温升限值有着明确的规定，从而对载流量影响因素的分析就显得尤为重要。

2．1环境温度

在环境温度高于GB14048．2—2008条款7．2．2．2所规定的范围时，断路器承载额定电流可能会使得接线端子温度超过标准规定的限值，因此需要降低断路器的承载电流，使得接线端子温度符合标准规定［7-8］。在成套开关设备中，由于柜体空间比较狭窄以及对IP防护等级有着不同的要求，从而使在其中的断路器运行环境温度会高于正常使用条件，断路器的载流量要适当降低［9］。以某企业提供的万能式断路器为例进行分析，其在不同环境温度下的载流量如表1所示。由表1可知，随着环境温度的升高，并不是所有规格的断路器都会降容。在同一壳架等级电流下，一般最大的两个电流规格的断路器可能会选择适当降容。断路器降容后的载流量与额定电流的比值示。环境温度升高对断路器载流量的影响比较大，断路器降容后的载流量与额定电流的比值随环境温度的升高而降低，不同电流规格的断路器降低的幅度也各不相同。不同环境温度下载流量与额定电流比值如图1所示。由图1可见，不同电流规格的断路器降容系数相对比较接近，降容系数值大致在一条经过点45℃降容系数为100%和60℃降容系数为90%的直线周围，因此可近似的认为这4种规格的断路器降容曲线一致，且当环境温度为50℃降容系数一般为额定电流的95%，且环境温度每增加5K降容系数均减少2．5%。综上所述，环境温度的升高对断路器载流量有一定影响。在相同的壳架电流等级下，电流规格较大的断路器一般会随着环境温度升高选择适当的降容，而且不同电流规格的断路器降容幅度有差异。通过试验可以获得万能式断路器在不同环境温度下的载流量，画出载流量随环境温度变化曲线，也就是断路器的降容曲线，建立万能式断路器的降容模型，为万能式断路器在成套设备中选型与安全应用提供指导。同时也希望断路器厂商能够给用户提供一个比较详细的断路器在环境温度改变时的降容系数参考表，为用户和成套厂商在产品设计时提供一定的参考依据。断路器厂商可以到相关检测机构测试断路器在不同环境温度下的降容曲线。

2．2连接接线端子的导体截面积

某两厂家断路器温升试验连接排规格以及断路器在成套设备中连接排规格。由表3和表4可见，温升试验时所用连接导体尺寸普遍大于在成套设备中连接导体的规格。这是由于成套设备空间和成本的限制造成的。为了使得在连接排导体与温升试验时导体的温升值大致相同，需对断路器的额定电流，即载流量进行降容，使得成套设备中连接导体温升值不会超过温升限值。在成套设备中使用不同的连接排规格，断路器在成套设备中对应的电流值也不尽相同。第一行数据，虽然在成套设备中连接导体截面积相对于温升试验中变小了，但是断路器在成套设备中对应的电流却并没有发生改变。因为成套设备中使用连接导体截面积变小了，而有效散热面积反而增加了，故消除了截面积变小带来的影响［10-12］。第二、三行数据，成套设备中连接导体截面积相对于温升试验中变小，断路器在成套设备中的电流也相应变小，并且截面积减少幅度较大的，电流值也相应下降比较多。

2．3安装方式

对于万能式断路器而言，安装方式包括型式与接线。型式主要分为抽屉式与固定式，接线一般有前后水平与后垂直两种。下面以某企业提供的万能式断路器为例。某万能式断路器功率损耗及输入/输出电阻;某万能式断路器在不同安装方式下的载流量;XX16A型万能式断路器不同安装方式下载流量与额定电流比值。在相同电流规格下，抽屉式断路器的输入/输出电阻比固定式大，导致抽屉式断路器的功率损耗比固定式高。在环境温度超过50℃时，型式与接线开始对断路器的载流量产生影响，对不同电流规格的断路器影响较大。由图2可见，固定式后垂直不用降容，固定式前后水平与抽屉式后垂直以及抽屉式前后水平方式的断路器在55～60℃的降容曲线基本为平行线，而抽屉式后垂直与抽屉式前后水平式断路器的降容曲线则基本为平行线，且温度每增加5K降容系数降低2．7%。不同型式对万能式断路器的载流量影响很大。在相同电流规格下，抽屉式的功率损耗比固定式大，导致抽屉式的温升比固定式高。在环境温度较高时，抽屉式的载流量要比固定式小。不同接线方式对断路器载流量有一定的影响。当环境温度较高时，断路器前后水平接线比后垂直接线载流量小。以上仅是定性分析不同的安装方式对载流量的影响，希望断路器制造商能够提供这方面的具体数据资料，对低压断路器在成套产品中设计与安全使用提供参考。对于塑壳断路器，有水平安装与垂直安装之分。在依据国标进行断路器温升试验过程中，断路器都是垂直安装，但在成套开关设备三号柜中，断路器多为水平安装，尽管断路器生产企业都允许水平安装，但水平安装与垂直安装对载流量的影响没有支撑性文件。因此需要断路器制造商提供这方面的资料。

2．4断路器功耗

断路器的功耗与断路器的载流量有直接关系，主要体现在断路器的内阻上。在加载电流不变的情况下，随着断路器接线端子温度的升高，断路器的内阻会有所增加，从而断路器的功耗也会有所增加。功耗的增加使得发热量变大，导致系统温度升高，对载流量有一定的影响。总体而言，断路器功耗是其自身性能指标的一部分，这里提出仅为了分析影响断路器载流量的因素。

2．5成套开关设备壳体

成套开关设备壳体对载流量的影响主要体现在壳体防护等级与壳体散热设计两大方面。其中，成套开关设备的壳体防护等级会影响到柜体的散热能力，从而直接影响柜体内部的环境温度，对断路器的载流量产生影响;成套开关设备的散热设计包括壳体外形尺寸、壳体通风口、内部水平隔板数量、顶部散热(如加装风扇)等设计。在满足既定的防护等级下，不同的壳体散热设计使得成套设备内部的环境温度会有些差异，从而影响断路器的温升性能，进而影响断路器的载流量。在实际应用中不一定能够满足IEC60890的适用范围但可作为理论分析与计算参考。

2．6海拔高度

随着海拔高度增加，空气密度逐渐降低，散热对流作用减弱，低压断路器的温升会随之升高。通过查阅资料和文献得知，在海拔高度低于2000m时，断路器在正常工作条件下，测得温升不会超过GB14048．2—2008中条款7．2．2．1所规定的限值;当海拔高度超过2000m后，每上升100m断路器的温升限值通常降低1%［13-14］。随着海拔高度的升高，高海拔地区环境温度下降，对断路器的温升有一定的补偿作用，万能式断路器温升与海拔关系对应图如图3所示。万能式断路器在高海拔地区的温升随海拔高度的增加呈上升关系，从温升值来看，当海拔高度超过4000m时，断路器的温升超过国家标准所规定的限值。因此当海拔超过4000m时，为了保证低压断路器的安全稳定运行，要适当降低断路器的载流量。

2．7其他因素

对于影响断路器载流量的其他因素有很多，其中包括母排材质、表面处理方式与空间布局、以及涡流与磁滞损耗。母排本身的材质，包括母排中铜的含量以及电阻率等，材质不同影响到母排的导电能力，使得母排功率损耗会有些差异，影响到断路器的温升性能，对载流量也产生一定的影响。母排表面有不同处理方式，如镀锡、镀银、涂黑以及使用热缩套管等。母排表面镀锡与镀银可以提高母排的导电率，同时防止母排表面被氧化，减小母排的功率损耗，对降低断路器的温升有利;表面涂黑有利于母排的散热，有利于降低断路器的温升;而使用热缩套管不利于母排的散热，导致断路器温升会有所增加，影响到断路器的载流量。母排的空间布局对载流量有一定的影响。在大电流的成套开关设备中，每相都是由多根母排并联运行，由于母排一致性问题、柜内母排长短不同以及安装工艺问题导致每条母排承载的电流不一样，进而会影响到连接端点的温度［15］。特别是大电流规格的断路器(5000A及以上)，自身每相有两个或更多对外接线端子(外接端子垂直出线方式)，因铜排间不均流出现的问题更为突出。低电流成套柜一般选用1片或2片矩形导体，因为矩形导体具有电流分布均匀、集肤效应小等优点。但随着导体片数增加，特别是超过3片后，集肤效应系数显著增大，连接排功耗增大，导致断路器温升增加，载流能力下降。由于交变磁场的作用，故会产生涡流和磁滞损耗，影响成套产品的内部环境温度，对断路器的温升不利，影响到断路器的载流量。在成套开关设备设计中可以通过以下方式减小涡流与磁滞损耗，如小电流开关柜通常是在金属隔板上开隔磁槽切断磁路;在大电流开关柜设计中对有电流穿过的金属件，如触头盒安装板、母线套管安装板、电缆穿孔板、母线连接螺栓和金具等采用无磁不锈钢材料，以隔断杂散涡流，减小损耗。

3影响断路器保护性能与短路特性的因素分析

本文主要对影响断路器的保护性能和短路特性的因素进行简要分析，在此仅分析断路器过载长延时保护与载流量之间的关系，并简单阐述影响断路器短路特性的因素。

3．1断路器过载长延时保护与载流量之间的关系

断路器过载长延时保护和其额定电流有着直接关系。额定电流通常与整定电流是比例关系，不同的产品可能有不同的比例关系。当电路中运行时的电流达到断路器整定电流的1．3倍时，并且断路器额定电流大于63A时，断路器需在2h内执行脱扣动作。可见断路器的过载长延时保护是和其整定电流直接有关，且整定电流与额定电流也存在着比例关系，因此断路器的过载长延时保护与额定电流或载流量直接有关［16］。断路器在非标准工况下时，往往需要对断路器的额定电流进行降容处理，此时断路器的过载长延时保护也应与降容后的运行电流相匹配，而不是还依照额定电流来设置断路器过载长延时保护;否则断路器的保护特性得不到正确应用。在电路发生过载情况下不能断开电路，容易引起回路设备过热，影响绝缘材料的性能，引发电路绝缘故障或着火等安全事故，造成严重的经济后果。

3．2影响断路器短路特性的因素

断路器短路特性一般根据断路器进线端的装机容量决定。根据不同的装机容量和当前的电压等级，设定好合适的短路保护电流。但是安装环境的变化对断路器的短路特性是否产生影响无法精确计算。为了能够准确的描述安装环境对断路器短路特性的影响，断路器生产企业应在检测机构开展相关的试验工作，掌握产品的短路特性受实际情况的影响规律，并能指导用户正确使用。

4结语

本文通过对断路器在成套设备中的设计及应用时应考虑的因素分析，让断路器生产企业及成套设备设计工作者了解到这些因素的重要性。但是在实际情况中，由于断路器厂商给出的相关数据不够全面，可供参考的资料比较缺乏，导致成套厂商在产品设计时考虑的因素不够全面，设计出来的产品质量参差不齐。因此，国内断路器生产厂商提供产品的同时尽可能地完善提供产品技术资料，让用户在应用断路器产品时，有充分的技术支持材料，能够更加安全、规范及可靠地开展设计或应用工作。尤其是一些断路器应用时的关键数据，如环境温度变化时断路器的降容曲线、连接导体截面积对断路器载流量的影响等，必要时断路器厂商可通过理论分析与试验精确测绘出相关参数曲线。

作者：李亚星陈昕陈建兵徐虹单位：上海理工大学光电信息与计算机工程学院中国质量认证中心上海电器科学研究所(集团)有限公司

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