學點開關電器知識——斷路器的基本原理之4

從本篇開始，我們來探討斷路器的各項技術參數和指標。首先我們來看額定電流，以及與額定電流相關的知識。

開篇，先建立有關開關電器的環境溫度和溫升的概念

我們來看圖1：

圖1中，開關電器由動靜觸頭和相應的導電杆組合而成。我們載入了220V的交流電壓，負載是信號燈HL。系統的工作電流是I。

開關電器的發熱量Q1主要由導電杆的發熱量加上觸頭的發熱量共同構成。有發熱當然有散熱，我們設系統的散熱量為Q2。我們肯定地知道，當開關電器運行了一段時間進入穩定狀態後，必定有Q1=Q2。

我們還知道，系統的溫度與Q1和Q2有關。並且，金屬材料的溫度越高，則金屬材料的機械強度就越低。事實上，打鐵匠把鐵塊燒紅了再進行機加工會容易得多，其原理類同。

圖1中給出了兩種情況。憑著我們的生活經驗很容易判斷出來，當然1圖的系統溫升要比2圖的系統溫升低。

溫升，一個專有名詞，它是指工作溫度與環境溫度之差。

有關開關電器的國家標準中規定，開關電器的環境溫度以40度來計算。所以溫升就是開關電器的工作溫度與40的差值。並且，溫升的單位是開爾文K——絕對溫標。

那麼開關電器的溫升與什麼有關？

第一是開關電器的運行電流。電流越大，溫升就越高；

第二是環境溫度了。環境溫度越高，開關電器的溫升也就越高；

第三是散熱條件。散熱條件越差，溫升會越高；

第四是海拔高度。越往高處走，空氣越稀薄，空氣的散熱能力也越差。

第五是工作時間和負載工作特性。工作時間越長開關電器的穩態溫升就越高；負載運行電流相對額定電流的倍率越大，溫升就越高。

由以上描述我們可以看出，開關電器的工作電流與溫升之間的關係非常密切。

第二，斷路器額定電流的定義

在有關斷路器的標準中，把斷路器的額定電流定義為約定自由空氣發熱電流。在國家標準GB14048.1-2012《低壓開關電器和控制電器 第1部分:總則》中對約定自由空氣發熱電流的定義如下：

我們看到，在國家標準中，額定電流與斷路器的發熱和散熱的聯繫十分緊密。

第三，初探開關電器的溫升

如前所述，當某開關電器流過一定大小的運行電流Iu，開關內部的導電杆（排）、觸頭等等一定會產生熱量，並且溫度會升高。當開關電器運行了一段時間後，發熱和散熱達到平衡，此時的溫度必須確保導電材料的機械強度沒有明顯降低。

我們把Iu的最大值叫做開關電器的額定電流。

值得注意的是，額定電流的測試和確定是將開關電器置於空氣中測試的，也即自由空氣發熱電流。

我們看圖2：

圖2中，我們看到了斷路器的內部結構，其中會引起溫升的是接線端子、導電材料和軟連接，還有觸頭材料等等。在這諸多發熱體中，發熱量最大的是導電材料和接線端子。

設某款斷路器的導電杆截面是5mmX15mm，長度是50mm，電阻率是 ，綜合散熱係數是 ，流過的電流是250A，則此斷路器導電杆的溫升是：

我們看到，斷路器導電杆的溫升是38.5K。

再來看觸頭的溫升：

我們設動靜觸頭間的接觸電壓是Uj=0.01V，於是觸頭與導電杆的連接處的溫升是：

我們再設環境溫度為40度，則觸頭與導電杆連接處的絕對溫度T為：

（開爾文溫度）。

於是動靜觸頭接觸處的溫升為：

我們發現，此款斷路器的導電杆和接線端子的溫升是38.5K，導電杆與觸頭連接處的溫升是10.9K，觸頭的溫升為5.8K，總溫升為：38.5+10.9+5.8=55.2K，而導電杆的溫升佔總溫升的70%。

在實際產品中接線端子的溫升佔比會更高。也因此，國家標準規定開關電器的溫升就用它的接線端子上的溫升來代替。

至此，我們把接線端子的溫升與開關電器的溫升關聯起來了。

第四，國家標準中對斷路器接線端子溫升的規定

斷路器接線端子的材質一般為銅，表面有可能僅作拋光處理，也可能鍍錫、鍍鎳或者鍍銀。根據這幾種不同的情況，GB14048.2-2008《低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》規定如下：

我們看到，裸銅接線端子溫升為60K，鍍錫接線端子的溫升為65K，鍍鎳或者鍍銀接線端子的溫升為70K。如果加上環境溫度40度，則裸銅接線端子的溫度是100攝氏度，鍍錫銅接線端子的溫度是105度，而鍍鎳銅接線端子的溫度是110度。

第五，斷路器運行電流與開關設備防護等級、海拔高度有關嗎？

答案是肯定的：有關。

所謂防護等級，指的是開關設備的防水防塵性能，也即開關設備的IP等級。

顯見，防護等級越高，開關設備安裝的櫃體越密閉，當然開關設備的散熱變差，自然溫升就要升高了。

而海拔高度越高，空氣密度就越低，開關電器通過熱對流散熱的能力也就越低，開關電器的溫升就越高。

我們再來看看ABB的Emax框架斷路器高海拔的降容係數，如下：

我們看到，不但額定電流要降，連額定電壓也要降。

關於額定電流就講到這裡。

下一篇我們來看看什麼是額定電壓、額定絕緣電壓和額定工頻衝擊耐受電壓，並且明確額定電壓與額定電流的關係。