前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的成套產品設計低壓斷路器研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要:

在成套產品設計及應用中，針對影響低壓斷路器性能的因素，主要探討了斷路器的載流量、保護性能以及短路特性對斷路器性能與安全的影響。結合相關企業實例，著重分析了影響斷路器載流量的因素，為低壓斷路器在成套設備中安全使用提供依據。

關鍵詞:

低壓斷路器;低壓成套設備;載流量;保護性能;短路特性

0引言

隨著低壓斷路器和低壓成套設備越來越趨于智能化，以及通信技術在產品中的廣泛應用，對于成套設備的核心器件———低壓斷路器在成套設備設計和應用中有了更高的要求。由于大部分低壓斷路器生產企業沒有提供足夠的技術數據，如溫升和功耗方面的詳細參數，同時低壓成套設備設計人員在設計和應用過程中缺乏相關的經驗和能力，對斷路器的安全和保護性能沒有充分的理解，使得低壓斷路器的功能達不到預期的目標。因此為了保證成套設備的高可靠性，必須全面地了解低壓斷路器在成套產品設計及應用時應考慮的因素。結合這些因素，設計生產質量和可靠性都滿足使用要求的低壓成套設備產品。目前對低壓斷路器和低壓成套設備安全的應用主要依據GB14048．2—2008《低壓開關設備和控制設備第二部分:斷路器》和GB7251．1—2013《低壓成套開關設備和控制設備第一部分:總則》。當斷路器應用在成套設備中時，其中環境相比于自由空氣時有很大的差別，因此斷路器在自由空氣中滿足GB14048．2各項參數不一定能夠滿足成套產品標準。成套設備都有一個比較封閉的殼體，斷路器在成套設備內部的工作環境會更加嚴苛，對斷路器的安全和性能應有更高的要求［1］。低壓成套開關設備和控制設備溫升可以通過IEC60890∶1987《評估部分型式試驗的低壓成套開關設備和控制設備(PTTA)溫升的外推法》進行理論上的計算，主要用于確定外殼內空氣的溫升。但這種方法要求滿足的條件較多，如外殼內功率損耗近似均勻分布、內裝設備布局使空氣流通幾乎沒有阻礙、總電流等級不超過3150A、框架單元中的水平隔板不多于3個、承載大電流的導體和機構部件的布局使渦流損耗可以忽略不計［2-3］。由此可見該標準使用局限性較大，考慮的因素較為理想化，不一定能滿足實際應用的需求，但是在理論分析與計算時可以參考使用。因此，本文將對低壓斷路器在成套產品設計及應用時應考慮的因素進行介紹與分析，為低壓斷路器在成套設備中安全使用提供依據。

1影響斷路器性能的因素

影響斷路器產品性能的因素有很多，大致可分為對斷路器載流量的影響、對斷路器保護性能的影響、對斷路器短路特性的影響等因素。

1．1斷路器的載流量

正常情況下，載流量是指斷路器允許通過的最大工作電流，即斷路器的額定電流。但是在一些特殊環境下，如環境溫度過高，就需要調低額定工作電流，即調低載流量，使得斷路器能在此溫度下正常工作，調整后的具體電流值是在斷路器產品設計及應用時需要著重考慮的。對于成套設備而言，成套設備中規定的額定電流就是其中主開關斷路器的最大工作電流，與斷路器的額定電流不一定相等。一般載流量最直接的反映就是斷路器接線端子溫升，國標中對溫升有嚴格的規定。對于成套設備而言，最高溫升限值不能超過70K，故載流量影響成套設備產品的性能［4］。載流量過低，導致成套設備中斷路器利用率過低，經濟效益欠佳;載流量過高則會使得器件發熱溫升過高，破壞成套產品的絕緣。因此確定影響載流量的因素對斷路器產品在成套設備中的設計和應用有著非常重要的意義。

1．2斷路器的保護性能

斷路器的保護性能主要分為過載長延時保護、短路延時保護、短路瞬動保護、欠電壓保護和單相接地保護(對地泄漏電流)等。斷路器作為成套設備中重要的元器件，起到通、斷電路的作用，是一種保護電路安全的器件，因此斷路器的保護性能也是斷路器一個非常重要的性能指標。其中，斷路器過載長延時保護主要是指電路在超過斷路器額定電流一定限值時斷開電路的能力，規定的限值都是根據斷路器額定電流而確定的系數。當斷路器在成套設備中應用時，通常載流量會降低，因此在成套設備中設計及應用時必須考慮斷路器的過載保護性能整定值與實際載流量的關聯性，否則容易在回路過載時不能及時脫扣，引發安全事故，造成不必要的經濟或財產損失。

1．3斷路器的短路特性

低壓斷路器的短路特性是斷路器的重要性能和安全指標。當電路發生短路事故時，斷路器能否及時的斷開電路是用電安全的一個重要保證，因此斷路器在成套設備中設計及應用時需結合實際考慮斷路器的短路特性，為成套設備的安全運作提供保障，以免造成不必要的財產損失。影響斷路器的短路特性是多方面的，如安裝方式的不同，GB14048中規定斷路器一般為垂直安裝，但是在一些特殊條件下，受空間限制、拉合閘的容易程度等條件的限制，需采用水平安裝，因此此種情況下斷路器的短路特性不一定能夠得到充分保證。在高海拔時也容易對斷路器的短路特性造成影響，由于高原地區空氣稀薄，會對空氣介質滅弧的電器滅弧性能造成影響，使斷路器滅弧時間延長，觸頭燒毀嚴重，斷路器通斷能力降低。同時空間大小也會對短路特性造成影響，在成套設備中，斷路器斷開時有較大的能量釋放，會破壞柜體結構，造成設備的損壞。因此當需要進行一些特殊工作條件下的產品設計時，必須了解對斷路器的短路特性影響程度，必要時需要進行特殊工作條件下斷路器短路特性測試，以確保設備的正常使用，避免造成安全事故。以上三個方面是斷路器在成套設備中設計及應用時主要考慮的因素。因為載流量不僅關系到接線端子的溫升值，而且會影響斷路器的過載長延時保護性能，故將結合一些實例著重對載流量進行分析。

2影響斷路器載流量的因素分析

載流量的影響主要體現在電流流過導體回路時產生的焦耳熱。這些熱量一部分通過熱傳導、熱對流和熱輻射等方式向外界傳遞，散發到周圍介質中去，另一部分則被斷路器本身吸收。斷路器吸收熱量后，溫度升高;當產生的熱量與散發的熱量達到平衡時，斷路器的溫升不再增加達到穩定狀態［5-6］。在GB14048．2—2008中條款7．2．2．1對斷路器溫升限值有著明確的規定，從而對載流量影響因素的分析就顯得尤為重要。

2．1環境溫度

在環境溫度高于GB14048．2—2008條款7．2．2．2所規定的范圍時，斷路器承載額定電流可能會使得接線端子溫度超過標準規定的限值，因此需要降低斷路器的承載電流，使得接線端子溫度符合標準規定［7-8］。在成套開關設備中，由于柜體空間比較狹窄以及對IP防護等級有著不同的要求，從而使在其中的斷路器運行環境溫度會高于正常使用條件，斷路器的載流量要適當降低［9］。以某企業提供的萬能式斷路器為例進行分析，其在不同環境溫度下的載流量如表1所示。由表1可知，隨著環境溫度的升高，并不是所有規格的斷路器都會降容。在同一殼架等級電流下，一般最大的兩個電流規格的斷路器可能會選擇適當降容。斷路器降容后的載流量與額定電流的比值示。環境溫度升高對斷路器載流量的影響比較大，斷路器降容后的載流量與額定電流的比值隨環境溫度的升高而降低，不同電流規格的斷路器降低的幅度也各不相同。不同環境溫度下載流量與額定電流比值如圖1所示。由圖1可見，不同電流規格的斷路器降容系數相對比較接近，降容系數值大致在一條經過點45℃降容系數為100%和60℃降容系數為90%的直線周圍，因此可近似的認為這4種規格的斷路器降容曲線一致，且當環境溫度為50℃降容系數一般為額定電流的95%，且環境溫度每增加5K降容系數均減少2．5%。綜上所述，環境溫度的升高對斷路器載流量有一定影響。在相同的殼架電流等級下，電流規格較大的斷路器一般會隨著環境溫度升高選擇適當的降容，而且不同電流規格的斷路器降容幅度有差異。通過試驗可以獲得萬能式斷路器在不同環境溫度下的載流量，畫出載流量隨環境溫度變化曲線，也就是斷路器的降容曲線，建立萬能式斷路器的降容模型，為萬能式斷路器在成套設備中選型與安全應用提供指導。同時也希望斷路器廠商能夠給用戶提供一個比較詳細的斷路器在環境溫度改變時的降容系數參考表，為用戶和成套廠商在產品設計時提供一定的參考依據。斷路器廠商可以到相關檢測機構測試斷路器在不同環境溫度下的降容曲線。

2．2連接接線端子的導體截面積

某兩廠家斷路器溫升試驗連接排規格以及斷路器在成套設備中連接排規格。由表3和表4可見，溫升試驗時所用連接導體尺寸普遍大于在成套設備中連接導體的規格。這是由于成套設備空間和成本的限制造成的。為了使得在連接排導體與溫升試驗時導體的溫升值大致相同，需對斷路器的額定電流，即載流量進行降容，使得成套設備中連接導體溫升值不會超過溫升限值。在成套設備中使用不同的連接排規格，斷路器在成套設備中對應的電流值也不盡相同。第一行數據，雖然在成套設備中連接導體截面積相對于溫升試驗中變小了，但是斷路器在成套設備中對應的電流卻并沒有發生改變。因為成套設備中使用連接導體截面積變小了，而有效散熱面積反而增加了，故消除了截面積變小帶來的影響［10-12］。第二、三行數據，成套設備中連接導體截面積相對于溫升試驗中變小，斷路器在成套設備中的電流也相應變小，并且截面積減少幅度較大的，電流值也相應下降比較多。

2．3安裝方式

對于萬能式斷路器而言，安裝方式包括型式與接線。型式主要分為抽屜式與固定式，接線一般有前后水平與后垂直兩種。下面以某企業提供的萬能式斷路器為例。某萬能式斷路器功率損耗及輸入/輸出電阻;某萬能式斷路器在不同安裝方式下的載流量;XX16A型萬能式斷路器不同安裝方式下載流量與額定電流比值。在相同電流規格下，抽屜式斷路器的輸入/輸出電阻比固定式大，導致抽屜式斷路器的功率損耗比固定式高。在環境溫度超過50℃時，型式與接線開始對斷路器的載流量產生影響，對不同電流規格的斷路器影響較大。由圖2可見，固定式后垂直不用降容，固定式前后水平與抽屜式后垂直以及抽屜式前后水平方式的斷路器在55～60℃的降容曲線基本為平行線，而抽屜式后垂直與抽屜式前后水平式斷路器的降容曲線則基本為平行線，且溫度每增加5K降容系數降低2．7%。不同型式對萬能式斷路器的載流量影響很大。在相同電流規格下，抽屜式的功率損耗比固定式大，導致抽屜式的溫升比固定式高。在環境溫度較高時，抽屜式的載流量要比固定式小。不同接線方式對斷路器載流量有一定的影響。當環境溫度較高時，斷路器前后水平接線比后垂直接線載流量小。以上僅是定性分析不同的安裝方式對載流量的影響，希望斷路器制造商能夠提供這方面的具體數據資料，對低壓斷路器在成套產品中設計與安全使用提供參考。對于塑殼斷路器，有水平安裝與垂直安裝之分。在依據國標進行斷路器溫升試驗過程中，斷路器都是垂直安裝，但在成套開關設備三號柜中，斷路器多為水平安裝，盡管斷路器生產企業都允許水平安裝，但水平安裝與垂直安裝對載流量的影響沒有支撐性文件。因此需要斷路器制造商提供這方面的資料。

2．4斷路器功耗

斷路器的功耗與斷路器的載流量有直接關系，主要體現在斷路器的內阻上。在加載電流不變的情況下，隨著斷路器接線端子溫度的升高，斷路器的內阻會有所增加，從而斷路器的功耗也會有所增加。功耗的增加使得發熱量變大，導致系統溫度升高，對載流量有一定的影響。總體而言，斷路器功耗是其自身性能指標的一部分，這里提出僅為了分析影響斷路器載流量的因素。

2．5成套開關設備殼體

成套開關設備殼體對載流量的影響主要體現在殼體防護等級與殼體散熱設計兩大方面。其中，成套開關設備的殼體防護等級會影響到柜體的散熱能力，從而直接影響柜體內部的環境溫度，對斷路器的載流量產生影響;成套開關設備的散熱設計包括殼體外形尺寸、殼體通風口、內部水平隔板數量、頂部散熱(如加裝風扇)等設計。在滿足既定的防護等級下，不同的殼體散熱設計使得成套設備內部的環境溫度會有些差異，從而影響斷路器的溫升性能，進而影響斷路器的載流量。在實際應用中不一定能夠滿足IEC60890的適用范圍但可作為理論分析與計算參考。

2．6海拔高度

隨著海拔高度增加，空氣密度逐漸降低，散熱對流作用減弱，低壓斷路器的溫升會隨之升高。通過查閱資料和文獻得知，在海拔高度低于2000m時，斷路器在正常工作條件下，測得溫升不會超過GB14048．2—2008中條款7．2．2．1所規定的限值;當海拔高度超過2000m后，每上升100m斷路器的溫升限值通常降低1%［13-14］。隨著海拔高度的升高，高海拔地區環境溫度下降，對斷路器的溫升有一定的補償作用，萬能式斷路器溫升與海拔關系對應圖如圖3所示。萬能式斷路器在高海拔地區的溫升隨海拔高度的增加呈上升關系，從溫升值來看，當海拔高度超過4000m時，斷路器的溫升超過國家標準所規定的限值。因此當海拔超過4000m時，為了保證低壓斷路器的安全穩定運行，要適當降低斷路器的載流量。

2．7其他因素

對于影響斷路器載流量的其他因素有很多，其中包括母排材質、表面處理方式與空間布局、以及渦流與磁滯損耗。母排本身的材質，包括母排中銅的含量以及電阻率等，材質不同影響到母排的導電能力，使得母排功率損耗會有些差異，影響到斷路器的溫升性能，對載流量也產生一定的影響。母排表面有不同處理方式，如鍍錫、鍍銀、涂黑以及使用熱縮套管等。母排表面鍍錫與鍍銀可以提高母排的導電率，同時防止母排表面被氧化，減小母排的功率損耗，對降低斷路器的溫升有利;表面涂黑有利于母排的散熱，有利于降低斷路器的溫升;而使用熱縮套管不利于母排的散熱，導致斷路器溫升會有所增加，影響到斷路器的載流量。母排的空間布局對載流量有一定的影響。在大電流的成套開關設備中，每相都是由多根母排并聯運行，由于母排一致性問題、柜內母排長短不同以及安裝工藝問題導致每條母排承載的電流不一樣，進而會影響到連接端點的溫度［15］。特別是大電流規格的斷路器(5000A及以上)，自身每相有兩個或更多對外接線端子(外接端子垂直出線方式)，因銅排間不均流出現的問題更為突出。低電流成套柜一般選用1片或2片矩形導體，因為矩形導體具有電流分布均勻、集膚效應小等優點。但隨著導體片數增加，特別是超過3片后，集膚效應系數顯著增大，連接排功耗增大，導致斷路器溫升增加，載流能力下降。由于交變磁場的作用，故會產生渦流和磁滯損耗，影響成套產品的內部環境溫度，對斷路器的溫升不利，影響到斷路器的載流量。在成套開關設備設計中可以通過以下方式減小渦流與磁滯損耗，如小電流開關柜通常是在金屬隔板上開隔磁槽切斷磁路;在大電流開關柜設計中對有電流穿過的金屬件，如觸頭盒安裝板、母線套管安裝板、電纜穿孔板、母線連接螺栓和金具等采用無磁不銹鋼材料，以隔斷雜散渦流，減小損耗。

3影響斷路器保護性能與短路特性的因素分析

本文主要對影響斷路器的保護性能和短路特性的因素進行簡要分析，在此僅分析斷路器過載長延時保護與載流量之間的關系，并簡單闡述影響斷路器短路特性的因素。

3．1斷路器過載長延時保護與載流量之間的關系

斷路器過載長延時保護和其額定電流有著直接關系。額定電流通常與整定電流是比例關系，不同的產品可能有不同的比例關系。當電路中運行時的電流達到斷路器整定電流的1．3倍時，并且斷路器額定電流大于63A時，斷路器需在2h內執行脫扣動作。可見斷路器的過載長延時保護是和其整定電流直接有關，且整定電流與額定電流也存在著比例關系，因此斷路器的過載長延時保護與額定電流或載流量直接有關［16］。斷路器在非標準工況下時，往往需要對斷路器的額定電流進行降容處理，此時斷路器的過載長延時保護也應與降容后的運行電流相匹配，而不是還依照額定電流來設置斷路器過載長延時保護;否則斷路器的保護特性得不到正確應用。在電路發生過載情況下不能斷開電路，容易引起回路設備過熱，影響絕緣材料的性能，引發電路絕緣故障或著火等安全事故，造成嚴重的經濟后果。

3．2影響斷路器短路特性的因素

斷路器短路特性一般根據斷路器進線端的裝機容量決定。根據不同的裝機容量和當前的電壓等級，設定好合適的短路保護電流。但是安裝環境的變化對斷路器的短路特性是否產生影響無法精確計算。為了能夠準確的描述安裝環境對斷路器短路特性的影響，斷路器生產企業應在檢測機構開展相關的試驗工作，掌握產品的短路特性受實際情況的影響規律，并能指導用戶正確使用。

4結語

本文通過對斷路器在成套設備中的設計及應用時應考慮的因素分析，讓斷路器生產企業及成套設備設計工作者了解到這些因素的重要性。但是在實際情況中，由于斷路器廠商給出的相關數據不夠全面，可供參考的資料比較缺乏，導致成套廠商在產品設計時考慮的因素不夠全面，設計出來的產品質量參差不齊。因此，國內斷路器生產廠商提供產品的同時盡可能地完善提供產品技術資料，讓用戶在應用斷路器產品時，有充分的技術支持材料，能夠更加安全、規范及可靠地開展設計或應用工作。尤其是一些斷路器應用時的關鍵數據，如環境溫度變化時斷路器的降容曲線、連接導體截面積對斷路器載流量的影響等，必要時斷路器廠商可通過理論分析與試驗精確測繪出相關參數曲線。

作者：李亞星 陳昕 陳建兵 徐虹 單位：上海理工大學光電信息與計算機工程學院 中國質量認證中心 上海電器科學研究所(集團)有限公司

【參考文獻】

［1］曹東明．試論低壓成套開關設備的溫升及其試驗［J］．自動化與儀器儀表，2015(8):0223-0226．

［2］評估部分型式試驗的低壓成套開關設備和控制設備(PTTA)溫升的外推法:GB/T24276—2009［S］．2009．

［3］黃勤．淺析《低壓成套開關設備和控制設備》新老標準的主要差異［J］．電器與能效管理技術，2014(20):71-77．

［4］Guidanceconcerningthepermissibletemperatureriseforpartsofelectricalequipment，inparticularforterminals:IEC60943:1998［S］．

［5］夏天偉．電器學［M］．北京:機械工業出版社，1999．

［6］李英姿．低壓電器應用技術［M］．北京:機械工業出版社，2009．

［7］GuideforapplicationofIEC62271-100andIEC62271-1．PART1-Generalsubjects［S］

［8］低壓開關設備和控制設備第2部分:斷路器:GB14048．2—2008［S］．

［9］IECStandardcurrentratings:IEC60059:1999［S］．

［10］低壓成套開關設備和控制設備第1部分:總則:GB7251．1—2013［S］．

［11］張正，黃芳，顧枕月，等．新國標GB7251．1—2013低壓成套開關設備和控制設備的溫升試驗方法解讀［J］．電器與能效管理技術，2015(1):67-72．

［12］低壓成套開關設備和控制設備第2部分:成套電力開關和控制設備:GB7251．12—2013［S］．

［13］季慧玉，鄒其文，黃兢業．低壓電器在高原環境中使用的適應性研究［J］．低壓電器，2005(3):45-49．

［14］侯婉秋，焦俊平．高海拔對低壓電器產品的影響與對應措施［J］．青海大學學報:自然科學版，2010(6):23-26．

［15］陳秀英．低壓成套開關設備內部母線的選擇與安裝及電氣連接［J］．電工電氣，2012(3):36-39．

［16］低壓開關設備和控制設備第1部分:總則:GB14048．1—2012［S］．