从低压断路器的结构讨论到GB14048.2-2008之1

帕特里克

低压断路器，是一个极为常见的开关电器，甚至连居家中的老人们都知道低压微型断路器叫做空气开关。
低压断路器的参数很多，这些参数与断路器的内部结构有何种关系？与国家标准GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》又有何种关系？
本系列文章就上述问题给出一些探讨。
我们现在就开始。
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一.有关断路器的额定电流与温升
下图是ABB的Emax断路器样本中的外观图：


我们看到它有操作面板，有内部操作机构，有静触头和动触头，以及触头导电板和一次端子，触头软连接等等。
直观上想想，断路器的额定电流就是触头系统允许流过和开断的最大运行电流，并且断路器的温升不超过允许值。
既然如此，我们就来研究一下断路器触头系统的最大运行电流，以及它的温升。
看下图：

图中给出了断路器动、静触头导电板的尺寸。
对于静触头，我们知道导电板与触头是直接相连的，讨论起来会方便一些，因此我们就以静触头来作为探讨对象。
我们看到这块导电排上有7个孔，并且在长度方向还有台阶。为了我们讨论方便，不妨认为它是直的，而且上面也没有孔。
于是，修改后的导电排的尺寸是：长X宽X厚=95mmX44mmX15mm，材料就是铜。当然，它的表面镀锡。
导电排的用途是外接连接排或者电缆，因此导电排的外引端有一个专用名称，叫做接线端子。
我们来看看国家标准GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》对接线端子的温升是怎么规定的，如下：

我们看到了，这里的规定十分明确，就是65K。

温升，指的是设备的实际运行温度与环境温度的差值。温升的单位是绝对温度K。温升高了，会使得金属材料的强度降低。开关电器会因为机械结构件的强度降低而严重影响到动稳定性和热稳定性，整体性能参数直线下降。因此，在国家标准中，无论对高压电器还是低压电器，温升都是型式试验的一项重要考核指标。

现在，我们来计算看看这块静触头导电排允许流过的最大电流到底是多少。

我们设静触头导电排的发热功率为P1，且系统的额定电压是U，流过静触头导电排的电流是I，导电排的电阻为R，于是有：

那么导电排的散热功率P2如何计算？这要用到牛顿散热公式，如下：

注意，上式中忽略了导电板的两个端面面积。

这一点很重要，因为这样处理后，导电排的长度能从表达式中消去。换句话说，在导电排足够长的条件下，额定电流对导电排产生的温升与导电排的长度无关。

因为发热功率必须等于散热功率，也即P1=P2。经过整理后，得到：

现在我们来考虑温度和温升各是多少。
在GB14048.1-2012中规定，开关电器的平均环境温度是35摄氏度，再加上65度的温升，所以这块导电排的最高使用温度为35+65=100摄氏度。这里的数据65和100正是我们需要的温升值和最高温度值。查阅手册，得知铜材料在零度时的电阻率数值是：1.7^(-8)，电阻温度系数的数值是：0.0043，Kt的数值是12.5。注意这里故意略去了单位。另外，S=0.044mX0.015m。将这些值代入上式，我们解出了导电板的最大电流值，是：
I=2202.94A，取为：I=2203A
我们看到断路器静触头导电排直接连接的是静触头，触头与温升之间满足如下关系式：

对于分母的这两个参数，理论物理学的魏德曼-弗兰兹定律说，它们的乘积与采用何种金属材料无关。问题是，这接触压降与触头的温升有何关系？它又是如何测量出来的？

我们知道，触点其实是一块块的导电斑点。我们还知道，导体材料的接触性能需要克服收缩电阻和膜电阻。为此，我们需要对两接触材料施加压力，用以提高触点的接触性能。既然要施加压力，这个压力显然就是断路器的合闸力和维持压力了。

给一个经验值，接触压降大约是0.01V，而分母两个参数的乘积为：Lp=8.2x10^-6，单位是V^2/K。注意看，分母的两个参数的乘积被统一为Lp参数，并且它的V^2正好与接触电压的平方相抵消，而单位分母的K就是温升，与触头温升表达式中左侧的温升单位正好一致。

有了数值，我们就可以计算了。计算结果是：触头温升约等于1.52K。

现在我们可以得到总温升了，就是导电排的温升65K加上触头的温升1.52K，也即66.52K。

我们发现，触头温升对总温升来说，几乎没有什么了不起的贡献。在实际使用中，往往把触头温升给忽略掉，认为断路器的温升就是导电排的温升。这也是国家标准中对断路器的温升考量几乎未涉及到断路器自身，而是把关注点放在接线端子上的原因。

现在我们可以下结论了。

第一：断路器的额定电流其实是由导电排的温升来决定的，它的温升不得超过标准GB14048.1-2012表2所规定的值。

第二：断路器的温升与触头接触处的温升关系不大。

虽说关系不大，但如果断路器品质低劣，接触压力过小，这样一来，触点处的温升就会明显增加，甚至还会出现熔焊现象。这对于断路器来说是致命的故障！

第三：断路器的温升还与断路器的安装方式、开关柜的防护等级、环境温度以及海拔高度有关。

若开关柜的防护等级过高，或者环境温度过高，或者安装处的海拔高度超过2000m，则断路器需要降容使用，也即降低它的额定不间断电流。

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经过计算后，大家一定会问，此范例断路器是什么品牌的？它的额定电流到底是多少？它就是ABB的Emax2系列断路器：

请注意：它的最大额定不间断电流（也即额定电流）为1600A，小于2203A。显然，这是为了确保温升不会超过最大限定值。

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限于篇幅，本帖到此结束。下一篇我们将来讨论国家标准中有关断路器温升的描述，以及断路器温升的实际应用知识。

帕特里克

我写这个系列帖子的目的是：
我们在讨论问题时，总习惯性地说“规范如何说”等等用语，但规范和标准中这些规定是怎么来的，我们大家却并不关心。
我认为，作为工程人员，应当是知其然而知其所以然。这样，我们才能把某设备用得好，并且符合规范要求。
希望大家能对这些系列文档进行讨论。
先谢谢大家！

东海龙王

几个结论太重要，谢谢老帕。

东海龙王

帕特里克 发表于 2016-1-22 07:12
我写这个系列帖子的目的是：
我们在讨论问题时，总习惯性地说“规范如何说”等等用语，但规范和标准中这些 ...

几乎不参与讨论规范怎么说的帖子。

guoguo12312

受教了，收藏慢慢学习！感谢帕版的无私分享

guoguo12312

guoguo12312 发表于 2016-1-22 12:56
受教了，收藏慢慢学习！感谢帕版的无私分享

{:funk:}{:lol:},好的，下次先申请再盗版！

shijunlin

学习学习学习学习

bzp4891

张工根据GB14048.1温升要求断路器镀锡接线端子处的温升不超过65K，以及根据动静触头之间0.01的压降计算出触头温升在1.5K左右，这个1.5K温升值有点偏小，实际中不光要考虑发热还要考虑散热，对于接线端子处的散热，与其相连的铜排是根很好的散热导体（热传导），而且裸露在空气中接线端子的对流散热效果也很好，甚至还可以通过热辐射的方式散热；对于处于断路器内部的动静触头，其散热方式基本上只能靠热传导了，传导给接线端子和内部绝缘支撑件，所以触头处的温升最后不止1.5K，根据以往温升试验的数据，断路器内部动静触头处与外部接线端子温度相差十几~二十几K,且断路器上桩头B相内部动静触头处温升最严酷，如图所示，因而对于小电流的断路器（例如2000A以下）选用水平的断路器桩头可以满足温升要求，但是对于3200A/4000A或500A/6300A的断路器，一般采用垂直的断路器桩头才可满足温升要求，垂直桩头相对于水平桩头更有利于散热。

秋月洞庭

学习学习，感谢感谢！

conanzergen

个人认为温升高了，不仅仅是影响导体的动稳定性，也同时影响绝缘体的稳定，会导致绝缘体变形，从而影响断路器的介电性能。

bzp4891

导体温升超标会影响与其连接的绝缘件的性能，加速老化缩短绝缘件的使用寿命，最终可能导致绝缘破坏引发金属短路故障（直接影响）。对动稳定的影响主要是温升超标太多导致温度超过绝缘件的耐受温度，导致母线夹或其他绝缘支撑件机械强度下降，长期以往影响动稳定（间接影响）；热稳定与导体材料、截面积有关，温升超标对其影响不大。

lanlianye

为什么我根据楼主的参数和公式算出来的不是2202.94，而是1600多

d00703

谢谢分享！学习了！受益良多！

wangxingjia024

感谢图文并茂的分享了，学习了

890214

作为工程人员，应当是知其然而知其所以然。说得好。