探索——低壓開關電器的動、熱穩定性之5

01-29

biaozhun本貼專用於回答從第一篇到第四篇知友們提出的問題。

問題匯總如下：

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第一個問題：

位置：第一篇

知友：冬雨006

問題：

對於動穩定性給我的印象最深的就是，在我們測試一個控制器的時候，需要保證觸頭不被燒蝕，要求產品只輸出報警信號和故障電流，不發出動作指令。產品在大電流下，觸頭要在200ms的時間內穩住，需要考驗的是產品的終壓力，在10倍以上的電流的時候，很明顯就能看得出來，4P的終壓力完全不及3P了，在轉軸質量差的情況下，4P完全壓不住觸頭，在大電流下，終壓力不夠的情況下，產品的觸頭的反覆抖動對觸頭的燒蝕也是非常嚴重的，遠高於正常瞬時動作。

回答：

這個問題能看出觸頭霍姆斥力對觸頭的影響。

我們知道，到大電流流過開關時，觸頭上出現了三種力：其一是觸頭壓力，它是操作機構賦予觸頭的不變數；其二是霍姆力，它的作用方向是試圖把動靜觸頭斥開；其三是脫扣器賦予觸頭的，它的作用方向是把觸頭斥開。

這三種力中，觸頭壓力和霍姆力是直接作用在觸頭上的力，而脫扣器的作用力則是間接的。因此，在問題描述中出現的觸頭抖動就是觸頭壓力與霍姆力鬥爭的結果。

冬雨006知友在這裡提到的觸頭終壓力，與斷路器的超程有關。

所謂超程，指的是當觸頭閉合後，我們把靜觸頭拿掉，動觸頭能夠繼續運動的距離。

超程和觸頭終壓力，是決定開關電器電壽命的重要因素之一。

我們看下圖：

這是某款國產塑殼斷路器。第一張圖是斷路器蓋子拿掉後的圖，第二張是把整個機構從殼體中取出的圖。

我們看到，斷路器操作機構對觸頭施加的壓力其實是統一的，極數越多，分配在每極上的壓力自然就越小。

所以，冬雨006知友談到的四極斷路器在大電流時完全壓不住，其道理是顯然的：在相同的短路電流時，極數越多，觸頭壓力就越低，霍姆斥力的作用就越明顯。

另外，對於限流型斷路器的觸頭，也有類似現象。

第二個問題：

位置：第一篇

知友：苞谷

問題：

文中說：開關電器的裸銅一次接線端子最高使用溫度為40+60=100度。

若實際使用時，環境溫度為35度。若按最高溫升算，在這種情況下，端子最高使用溫度為35+60=95度。若按文中的最高溫度算，裸銅的溫升為：100-35=65。這種情況下應該怎樣理解才對。

回答：

國家標準對開關電器環境溫度的定義是 $pm40^circ C$ 。其中負值用於北方極冷地區戶外使用的開關電器。對於普通情況，一律按40度考慮。

至於其它溫度情況，可按GB/T 25840-2010《規定電氣設備部件（特別是接線端子）允許溫升的導則》來考慮。

首頁目錄如下：

標準中內容摘錄如下：

我們看到，這些內容直接與苞谷知友的問題相關。因此，請苞谷知友去查閱此國家標準即可。

第三個問題：

位置：第一篇

知友：天邊的雲

問題：

用E2L斷路器允通能量曲線校驗斷路器本身熱穩定不合適。E2L斷路器是限流型斷路器，它的允通能量曲線，是用來給被保護設備校驗熱穩定的，就是該斷路器能顯著降低短路電流值，這從限流曲線可以看出來，那麼通過該斷路器的能量也就被限制了，所以有了這個曲線。一個設備的I∧2*t是個定值，允通曲線的豎坐標是從零開始到很大的數值，也說明了這一點

回答：

首先要明確，限流型斷路器的用途就是限流，而不是「給被保護設備校驗熱穩定的」。

什麼叫做限流？

我們來看我的書《低壓成套開關設備的原理及其控制技術》中的說明。在第3.5節：

這段文字已經詳細敘述了限流斷路器的原理，我就不再重複解釋了。

第四個問題：

位置：第二篇

知友：江江

問題：

對於開關電器而言，它的熱穩定性其實包括了兩個方面：其一是導電排（導電杆）的熱穩定性，其二是觸頭的熱穩定性：是否可以理解為導電排（導電杆）的熱穩定性影響穩定運行時的熱穩定，觸頭的熱穩定性影響短路時的熱穩定？

回答：

不對，都會影響到。

開關電器的熱穩定性包括導電排（導電杆）的熱穩定性，也包括觸頭的熱穩定性，熱穩定性是兩者的綜合。

我們來看一個例子。此例子是我今天給學生們上課所舉的範例：

若某斷路器銘牌中註明短時耐受電流為24kA，試確定此斷路器是否滿足要求。

斷路器數據如下：

動觸頭導電杆長度50mm，厚度5mm，高度15mm，比熱容C=395w.s/(kg.K)，密度 $gamma=8.9times10^3kg/m^3$ ，電阻溫度係數 $alpha=1/235（1/^circ C)$ ，電阻率 $rho=1.7 times 10^{-8}Omega.m$ 。

銀基觸頭底部為方形，尺寸4mmX4mm，觸點半徑0.5mm。觸頭接觸電阻為4.2毫歐。

又知道：陰極觸頭材料的熔化溫度為0.37V，而銅的熔點溫度是1083度，氣化溫度是2595度。

首先計算觸頭的熱穩定性：

因為： $U_j=I_{CW}R_J=24times10^3 times4.2 times10^{-6}approx0.1V<0.37V$

所以觸頭的熱穩定性合格。

再來計算動觸頭導電排的熱穩定性：

$theta=frac{1}{alpha _{0} } [(1+alpha _{0} theta _{0} )e^{frac{rho _{0} alpha _{0}t_{k} I_{k}^{2} }{cgamma } } -1]$

$=235[(1+frac{40}{235})e^{frac{1.7times10^{-8}times1times (24times10^{3})^{2} }{((5times15times10^{-6})^2times395times8.9times 10^3times235 } } -1]$

$approx 2627^circ C$

上式中，導電排的基礎溫度為40度，但通過了24kA的短路電流且時間長達1秒，導電排的溫度迅速上升到2627度。因為銅的氣化溫度為2595度，導電排的銅材料迅速氣化。

可見導電排根本就不可能實現熱穩定性。

由此可知：開關電器的穩定性，是觸頭材料的熱穩定性和導電排材料的熱穩定性的綜合，並非是單一指標。

第五個問題：

位置：第三篇

知友：江江

問題：

對於動穩定，櫃體考慮的是母排短路電動力對動穩定的影響，而開關電器考慮的是霍姆力與觸頭壓力對於動穩定的影響，是嗎？

回答：

是的。

我們先來看短路電動力的計算公式，為： $F=pm2.8F_0=pm2.8times2CI^2$

為何有正負號？這是因為在開關櫃中的主母線中，A相受到來自B相和C相的作用力，而B相（中間相）則受到兩個外側母線對它的推力和拉力，所以中間相B相的受力大於外圍相A相和C相。這裡的正負號就是推力和拉力。

上式中，C是係數，它的值為： $C=10^{-7}times K_CK_h$ 。

其中，Kc叫做截面係數，Kh叫做迴路係數。 $K_h=frac{2L}{d}$ ，這裡L是母線長度，d是母線中心距。

我們把以上這些零零碎碎的式子合併起來，得到計算低壓開關櫃主母線最大短路電流作用力的公式：

$F=frac{1.12LK_C}{d}I^2$

注意這裡的單位，長度一律用m，電流為kA。

我們來看一個例子：

設電力變壓器的容量為630kVA，低壓側電壓為400V，阻抗電壓Uk=6%，主母線採用50X10的銅排，主母線長度為12米，母線豎直安裝，母線中心距為50mm。求主母線發生短路時，它的中相承受的最大短路電動力。

第一步，求變壓器的額定電流： $I_n=frac{630times 10^3}{sqrt{3}times 400}approx909A$ ；

第二步，求變壓器的短路電流： $I_K=frac{I_n}{U_k}=frac{909times10^{-3}}{0.06}approx15.2kA$ 。

注意：這裡的Ik=15.2kA是有效值，計算時不必換算為最大值，直接代入計算式即可。

先求Kc：

看下圖：

求截面係數Kc用圖

$m=frac{b}{h}=frac{10}{50}=0.2$ ， $frac{a-b}{h+b}=frac{50-10}{50+10}approx0.67$

查圖中的曲線，得到：Kc=0.88。

第三步，求開關櫃中相主母線的最大短路電動力： $F=frac{1.12LK_C}{d}I^2=frac{1.12times12times0.88}{50times10^{-3}}times15.2^2approx54651Napprox5577mathrm{kgf}$

也即，中相主母線受到的最大電動力為5.6噸力。

在國家標準GB7251.1-2013《低壓成套開關設備和控制設備第1部分：總則》中，把主母線的動熱穩定性定義為開關櫃的動熱穩定性。如下：

峰值耐受電流與短時耐受電流之比就是峰值係數n。峰值係數見GB7251.1-2013：

GB7251.1定義的峰值係數

當短路電流為15.2kA時，峰值係數n=2.0。

由此可見，此開關櫃的峰值耐受電流Ipk必須大於2X15.2=30.4kA，而短時耐受電流Icw必須大於15.2kA。

為何把峰值耐受電流看得如此重要？這是因為主母線通過母線夾安裝到開關櫃的骨架上，母線承受的短路電動力傳遞到骨架上，對骨架材料、母線夾等材料構成巨大的撕扯作用力。

對於開關電器來說，由於它的尺寸較小，短路電動力作用也小，因此更重要的是開關電器內部導電排和觸頭的熱穩定性顯得更為重要。

開關電器的動穩定性主要是指觸頭抵禦短路電流電動力衝擊的能力，而熱穩定性則是指開關電器內部的導電材料和觸頭抵禦短路電流熱衝擊的能力。

顯然，這與開關櫃有顯著的不同。

我們來看一個例子：

設某框架斷路器靜觸頭導電排的寬度是40mm，厚度是5mm，長度是100mm，各極中心距是100mm。若它流過的短時耐受電流是15.2kA，試求它受到的最大短路電動力。

再求Kc： $m=frac{b}{h}=frac{40}{5}=8$ ， $frac{a-b}{h+b}=frac{100-40}{5+40}approx1.33$ ，於是Kc=1.05。

代入到三相短路計算式中去：

$F=frac{1.12LK_C}{d}I^2=frac{1.12times0.1times1.05}{0.1}times15.2^2approx272Napprox27.8mathrm{kgf}$

這個值對於框架斷路器的結構來說，幾乎可以忽略不計。

在以上計算中，為何短路電流不用它的峰值來計算，卻用它的有效值來計算？道理何在？

我們再來計算觸頭受到的霍姆斥力：

我們設此框架斷路器每極主觸頭由4個分觸頭組成，每個觸頭視在面積為5mmx5mm，觸點半徑為0.5mm，觸頭壓力為120N，摺合每個分觸頭為120/4=30N。

若流過的電流是15.2kA，最大值是30.4kA，我們來計算觸頭的霍姆斥力：

$F=10^{-7}I_m^2mathrm{ln}frac{S}{S_0}=10^{-7} times (frac{30.4times10^3}{4})^{2}mathrm{ln}frac{5times5}{pitimes0.5^2}approx20.0N<30N$

由此可見，此框架斷路器觸頭系統的動穩定性合格。

我們把導電排和觸頭系統的動穩定性合併後，得到結論：此框架斷路器的動穩定性滿足要求。

以下為框架斷路器的結構示例。提醒：不要以為此示例斷路器存在問題，只不過用來明確框架斷路器內部各個部件關係而已。

第六個問題：

位置：第四篇

知友：SilenWar

問題：

請教幾個實際應用的問題。：

一、我們知道電器的短路分斷能力Icu或Ics應不小於安裝處的預期短路電流，那麼選型時是否要考慮電器的Icw值？如何選擇？

二、通常可以設置人為短延時的斷路器被歸為使用類別B類，並且應有Icw參數，但是一些帶電子脫扣器的塑殼斷路器(例如ABB Tmax)

1. 可以設置短延時，沒有Icw參數，產品資料宣稱的使用類別卻為A類;

2. 宣稱的使用類別為B類，但Icw值很低，小於5kA。此時如何證明斷路器在延時階段的耐受能力滿足使用要求？

以上問題不知道張工是如何考慮的，謝謝！

回答：

首先要明確什麼是使用類別的A類和B類。我們看標準GB14048.2-2008《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》怎麼說：

相信，標準已經說明的很清楚了。

至於如何確認某型斷路器是否具有短時耐受電流的試驗值，必須去看它的型式試驗報告。儘管計算可以得到結果，但唯一具有決定性結論的數據必須來自型式試驗。

第七個問題：

位置：第四篇

知友：羅蘭的咖啡

問題：

張老師，您好！《低壓成套開關設的原理及其控制技術》第三版，P10的例題1，第二段，查「GB/T 20621-2006 第5-5部分...電氣間隙倍增係數是1.29」，對應書上是不是5-3部分的表格。另外，1.29這個係數，對應的是2000米基準，這道題的第一段，1.67的係數，對應是海拔0米為基準，請問該如何理解，謝謝！

回答：

這個問題很有技術含量，且與若干部國家標準有關。

我已經把這個問題電郵國家低標委（低壓電器標準委員會），等回復後修改公布。

第八個問題：

位置：第四篇

知友：Eric Hu

問題：

1：Ics=100%Icu表徵了斷路器什麼樣的特性？短路電流達到Icu，斷路器切斷後，是否還可以繼續承載額定電流？

2：開關選型時，Icw這個參數是如何考慮的，現在B類MCCB樣本上為什麼廠家一般都不體現這個參數了？

回答：

第一個問題的解釋：

這個問題必須先明確什麼是Icu，什麼是Ics。我們看標準GB14048.2-2008《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》摘錄：