SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：低压隔离开关是一种在断开状态下能符合规定的隔离功能要求的一种机械开关电器，在正常使用中应严格按照其各项额定值 选择适合的开关，其中额定工作电流是十分重要的选择项。低压隔离开关( 以下称“开关”) 额定工作电流的确定与开关使用环境 温度以及开关自身温升密切相关。研究不同使用环境温度，特别是在较高温度环境对开关的性能影响。制定了在不同环境温度下的 开关温升试验方案并分析其可行性，然后试验得出不同环境下开关的温升数据。进而根据温升的限值要求对开关在不同的环境温度 下的额定工作电流的适应性变化进行确认。对开关在较高环境温度下使用时，确定其降容使用的额定工作电流，以使开关性能不受高于标准中规定的环境温度的影响。
Degrading Test of Low-voltage Disconnector Under Ambient Temperature Change
Gong Jiewei 1.Wang Zhaoyu1.Yue Baoqiang1.Chen Hongqun2
( 1.Tianjin Product Quality Inspection Technology Research Institute Electrical Engineering Technology Research Center，Tianjin 300232.China;
2.Schneider Wingoal ( Tianjin ) Electric Equipment Co.，Ltd.，Tianjin 300392.China )
Abstract：Low voltage disconnector is a mechanical switching device that can meet the specified isolation function requirements in the disconnected state.In normal use，suitable switches should be strictly selected according to their rated values，among which the rated working current is very important.The determination of the rated working current of low-voltage disconnector is closely related to the ambient temperature of the disconnector and its own temperature rise.This paper investigates the impact of different operating temperatures，especially in higher temperature environments，on the performance of disconnectors.Disconnector temperature rise test plans are developed under different Ambient temperatures and analyzed their feasibility，and then obtained temperature rise data for disconnectors through experiments. Furthermore，the adaptability changes of the rated working current of the disconnector under different ambient temperatures are confirmed based on the temperature rise limit requirements.When the disconnector is used at higher ambient temperatures，the rated operating current should be degraded to ensure that the performance of the switch not affected by ambient temperatures higher than those specified in the standard.
Key words：low-voltage switch-disconnector;temperature rise;rated working current;high ambient temperature
0 引言
随着全球经济的高速发展以及工业化进程的深入， 大量温室气体，主要是二氧化碳的排出，使地球表面空 气温度逐年升高、气候发生变化，这已是不争的事实[1]。 在低压电器元件及成套领域的相关标准(GB/T 14048.1 — 2012 与GB/T 7251.1 —2013 ) 中，关于产品周围空气温 度的描述都是：“周围空气温度不超过+40 ℃，且在24 h 内平均温度不超过+35 ℃。周围空气温度的下限为-5 ℃。”[2-3 ]，在开关实际使用中环境温度往超过标准 中规定的正常工作条件，在这种环境温度条件下，为保 证开关的正常运行，需对其额定工作电流进行降容后使用。
低压电器元件产品广泛应用于连接额定电压交流不超过1000 V 或直流不超过1500 V 的低压配电系统中， 例如生产现场、公共场所、居民住宅等，可以说，只要 有用电的地方，都能见到低压电器产品的身影[4]。部分产品在实际使用过程中产品受到安装地点及各种运行条件的影响，环境温度会高于标准中的要求。为探究低压电器产品元件产品在高于+40 ℃ 的环境中运行的性能及其是否能够按照产品认证检测时满足的各项技术指标， 本文针对高温环境及开关温升，以低压隔离开关( 以下 称“开关”) 为对象研究了在高温环境下开关温升与额定工作电流的关系。
由于开关本身不对回路电流的过载、短路等故障具 备保护功能[5]。因此当开关运行中由于环境温度及自身温升叠加过高时可能会发生烧毁或绝缘损毁以致短路等安全事故。本文旨在确定一个试验方案，确定不同环境 温度下运行的开关温升，然后根据确定的温升值对开关 的额定工作电流进行规范，以保证在不同环境温度下开关能够安全可靠的运行。
所提方案基于某系列壳架电流从63 A 到2500 A 的开关开展，根据试验结果进行分析以确定开关在基于在 较高环境温度下降容运行的可行性和可靠性，进而根据相应的试验结果得到每个规格的开关的降容使用方案。
方案分两步进行，第一步先对整个系列的开关按照标准 要求和试验方法进行温升试验，以确定开关的正常温升 状态。试验中，周围空气温度在10 ~ 40 ℃ 之间，其变化 应不超过10 K [6 ];第二步讨论开关在较高环境温度下的温升试验方案并按照最终确定的方案得到全部的试验结果并进行分析，本文所提到的较高环境温度是指开关运行在周围空气温度40 ~75 ℃ 之间。
1 常温下的温升试验
1.1 温升的影响因素
开关的温升是指开关至少要通以额定工作电流Ie 一段时间使开关的各个部件温度不断上升直至稳定。测得 的最终温度与环境温度进行比较就得到了温升[7]。如式( 1 ) 所示。
θ = Τ2 - T1 ( 1 )
式中：θ 为稳定时测试点温升，K;T2 为稳定时测试点的 温度，℃;T1 为稳定时的环境温度，℃ 。
从式(1 ) 可以看出开关的温升跟测试点达到热平 衡状态时的温度和环境温度有关，因此开关的温升主要 由主导电回路发热、散热的情况来决定[8]。
开关的导体流过电流产生热量。根据焦耳定律，有
Q = I2 RT (2 )
式中：Q 为热量，J;I 为电流，A;R 为电阻，Ω;T 为 电流持续时间，s [ 9 ] 。导体电阻与温度的关系如式(3 ) 所示。
R = R0 ( 1 + αθ) ( 3 )
式中：R 为温度为θ时的导体电阻，Ω;R0 为0℃ 时的 导体电阻，Ω;θ 为环境温度，℃;α 为0℃ 时导体材料 的电阻温度系数[1]。
散热主要有3种不同的方式，分别是热传导、热辐 射和空气流通产生的对流散热[10] 。
综上所述，在温升试验中需要关注的影响因 素有[11-13 ]：
( 1 ) 试品本身的特性，重点关注其导电回路的内阻大小;
(2 ) 要选用合适的电流源，防止不稳定的试验电流对温升产生影响;
(3 ) 外界环境对试品的影响，应防止产生不良的热传导、热辐射和对流散热。
1.2 温升试验的现场
1.2.1 试品的安装
温升试验的布置应该严格按照标准的要求进行，应 将试品尽可能地模拟实际使用状态进行安装，以便得到与实际使用时最接近的温升值。
1.2.2 连接导线的选择
导线对温升结果的影响十分明显，在开关产品标准中明确规定了在不同试验电流下选取导线的材质、截面积以及不同截面积的导线的长度或最小长度。这主要是因为导线是唯一与开关电流回路直接触的辅助器件，它将直接产生热传导或是将试品产生的热量传导至外部环境中，亦或是利用自身的条件将环境中的热量，包括其本身产生的热量传导至试品。因此应严格按照标准规定选取相应的导线进行连接，以避免不利的热传导对试验结果的影响。
1.2.3 试验电流的选择
在温升试验中电流的选择尤为重要，它是一切试验 结果的基础。应尽可能地选择稳定的电源进行试验，实 际上试验电流与预期电流的误差应控制在0~ +3% 以内， 对于多相电流试验，各相电流应平衡，每相电流应在± 5% 的允差范围内。
1.2.4 温度的测量
温升试验时应对各个需要关注的测量点进行温度测量，应考察试品各接线端子、外壳、操作手柄等处 的温升情况。对于环境温度应至少选择两个测量点，要求测量点距离试品1m 的距离且应位于试品高度的一半处。环境温度为各测量点的平均温度。温度的测量一般采用温度计或热电偶进行，本方案采用热电偶法进行测量。
1.2.5 试验环境的控制[14]
对温升试验环境的关注重点是温度、湿度、气压、风速、特别关注现场是否存在热辐射等，实际上保证环 境温度在10 ~ 40 ℃ 之间，相对湿度在+40 ℃ 时小于 50%，在20 ℃ 时相对湿度在90% 以内就满足要求。可以 用风速仪测量试验场所内的风速，风速应当小于1m/s， 否则就应该对试验现场进行相应的遮挡，以减小空气流通产生的对流散热影响。
1.3 温升试验过程
试验时模拟产品实际的安装方式进行安装，且所有 试验中的导线选择都是按标准进行，如表1所示。目前大多数试验室对温升试验的试验电源大都采用多磁路试验系统和程控恒流源试验系统两种。两种试验系统各有利弊，本方案采用程控恒流源试验系统，该系 统利用电子器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电 状态，从而使得电流趋于恒定，该系统能够自动调节电流保证试验电流保持在允差范围之内并可实现无线远程监控。
试品温度的测量采用热电偶法完成，且在试验前 对所有热电偶进行检查，保证焊点、绝缘层剥开长度全部符合要求并进行校准。热电偶的固定采用温升试验专用胶水，保证热电偶与测试点紧密接触并粘贴牢固。环境温度的测量采用3个热电偶均匀分布在试品周 围并将热电偶测温点放置在不透光的煤油瓶中。试验封闭的试验大厅中近似无风的环境中进行。
1.4 试验结果
对全系列产品进行温升试验，所有测试点的温度变 化不大于1K/h 则认为温升达到稳定，即1h 以内温度变化不超过1 ℃ 便可判定温升达到了稳定。本方案研究的开关各部件的温升限值按GB/T 14048.1 —2012 中的规 定，实测温升如表2所示。
2 较高环境温度下的温升试验
2.1 开关各部件的温升限值
开关产品标准中明确规定了产品的正常工作条件，即 周围环境温度上限不应该超过+40 ℃，本方案研究的开关 接线端子材料为铜镀锡，故允许的温升应不超过65 K。开关过高的温度会导致其内外部导体退火进而影响其材料的机械强度，高温亦会加速开关触头接触表面氧化，其氧化会导致接触电阻增加，接触电阻越增加表面氧化越加速，这种恶性循环最终导致绝缘破坏[15-16] 。在高温时，开关的绝缘材料除机械特性发生变化外，其介电性能也将逐渐劣化破坏。这些变化最终使得正常 运行的开关发生烧毁或绝缘损毁以致短路等恶劣安全 事故。根据对国内外相关产品标准的理解以及制造产品所应用的材料的方面的综合考虑，在较高环境温度下使用 开关时，允许开关的最高温度也就是105 ℃ 左右，但考 虑到产品实际使用过程中的复杂环境及运行条件，为保 证产品降容后可靠运行，温升在等效到基准温度下的温升限值的基础上再降低5K 对产品进行加严考核是比较合理的，即当环境温度为+50 ℃ 时，接线端子的温升限 值为50 K;当环境温度为+60 ℃ 时，接线端子的温升限 值为40 K;当环境温度为+75 ℃ 时，接线端子的温升限值为25 K。由于标准在对接线端子的温升限值的确定时已经考虑了绝缘材料的特性且本文研究的降容特性重点关注接线端子的温升限值，因此对易接近部件的温升测试结果可结合接线端子的温升限值适当平衡放宽考核。
2.2 降容使用时额定工作电流的确定
前述已经对较高的不同环境温度下开关的温升限值进行了规定，在试验过程中首先依次考核开关在周围空气温度为50 ℃ 、60 ℃ 、75 ℃ 时额定工作电流下的温升情况，当测试结果超过前述所规定的温升限值时，则需要按照GB/T762—2002 标准要求的优选电流序列降低试验电流进行降容试验[17] 。试验电流的优选值为：20、 25、31.5、40、50、63、80、100、125、16、200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500 A [ 18 ] 。
2.3 几种温升方案的比较
为了验证本方案的可行性和可靠性，选取了额定工作电流分别为63 、400、1 600 和2500 A 的试品在利用多种方案进行试验，最后在对各个方案的结果进行比较分析得出一个比较可行且可靠的开关温度降容参数试验方案。
方案1：利用步入式高低温恒温实验室进行试验。 将试品安装在步入式高低温试验室内，安装试品完毕，设置好测量热电偶，将高低温箱的温度设定至稳定的预 期温度，待试品的温度到达目标温度后，开始通电试验，试验进程中温度箱一直处于运行状态。
方案2：在方案一的基础上进行试验，但当被试品开始通电试验后将温度箱停止运行。利用箱体的保温效果来维持环境温度。
方案3：构建一个相对密闭的空间，利用低速暖风 机进行温暖的控制，本方案需要实时监控暖风机的温度 与试品周围环境温度的变化情况，应对暖风机的出风温度进行必要的调整以保证对环境温度的控制且密切关注出风的速度不得大于1m/s，实际上在试验过程中设置风速为0.5 m/s 即能达到要求。
方案4：标准中规定了温升试验的周围空气温度为 10 ~40 ℃，因此温升测试结果只要在这个温度范围内进 行测量得到测量结果都是可以被接受的，且温升本身就 是一个相对的概念，故环境温度的变化对最终的结果影响并不大。这个方案在常温下是可以直接使用的。分别采用上述4个方案进行试验，除了方案4是在 常温下测得的温升数据以外，其他3个方案开始通电试验时的环境温度均为60 ℃。
额定工作电流分别为63 A、400 A、1 600 A、2 500 A 的试品在4种方案下的测试结果如表3所示。为了能让各个方案下的温升试验结果更加直观，通过散点图的方式将表3 中接线端子的温升值绘制出4条温升变化曲线，如图1所示。
图中第1~ 6 个点是63 A 开关的温升数据，第7~ 12 个点是400 A 开关的温升数据，第13 ~ 18 个点是1600 A 开关的温升数据，第19 ~ 24 个点是2500 A 开关的温升数 据，从图中可以看出当试品额定工作电流较小时4 个方 案的数据相差不大，随着试品额定工作电流的升高方案1的数据与其他3个方案差别比较明显。方案2的数据与方案4 的数据差值在-2.9 ~ 5.9 K 之间，偏差在 -13.2%~ 13.8% 之间。在24 个数据中差值超过5K 的有 5 个点，偏差超过10% 的有4个点。但没有差值超过5K且偏差超过10% 的点。方案3的数据与方案4 的数据差值在-2.1 ~ 3.8 K 之间，偏差在-7.4%~ 6.4% 之间。从试验数据的复现性可以看出方案3 和方案4优于方案1和方案2.但方案2在一定程度上也是可以被接受的， 方案1的结果与其他3个方案差别较大，特别是当试品额定工作电流增大时试验数据的差异尤其明显。方案2中由于试验过程中周围空气温度的变化超过了3K，故试验结果应按试品的热时间常数用适当的修正系数予以修正[2]。综上所述，根据标准中关于试验数据可复现性的 要求，复现数据与原试验数据的偏差值不允许超过 10% [ 19-20] 。因此方案3和方案4是可行的。
2.4 开关降容试验结果
根据对4种方案的测试结果且考虑到方案的有效性， 开关在较高环境温度下运行的降容方案按方案4进行，试验结果如表4所示。
3 结束语
本文从开关的温升试验着手，分析了在温升试验中 影响试验结果的因素以及在试验过程中应该注意的要点，同时对温升试验的试验流程及环境设施需要满足的条件 进行了描述。重点分析了开关在较高环境温度下运行的 试验方案并得出相应的结论。
以4种试验方案对开关在较高环境温度运行的温升进行测量，分析得出方案3 和方案4的方法有效可行。可给后续关于这方面的研究提供一定的参考。通过本文的研究结果可见，对于开关在较高环境温度运行进行降容使用是十分必要的。特别是当额定工作电流在800 A 及以上时要特别注意额定工作电流的降容使用。当环境温度达到75 ℃ 时，降容50% 使用即可保证开关产品运行的可靠性及使用的安全性。本文旨在研究开关在较高环境温度运行降容使用的可行性，但低压隔离开关只是众多低压电器元件中很少 一部分，未来可持续开展对于更多低压电器元件在较高环境温度下运行时降容使用的研究以促进低压电器元件 领域技术的发展。
参考文献：
[1]王国忠，张彦.低压成套设备在不同环境温度下温升的比对 试验[J ].低压电器，2010( 13 )：56-59.
[2]全国低压电器标准化技术委员会.低压开关设备和控制设备 第1部分：总则：GB 14048.1 —2012 [ S ].北京：中国标准出版 社，2013.
[3]全国低压电器标准化技术委员会.低压成套开关设备和控制 设备第1部分：总则：GB 7251.1 —2013 [ S ].北京：中国标准 出版社，2013.
[4]杨兴，李涛，康志林.低压成套开关设备和控制设备温升试验 研究[J ].电气传动自动化，2022.44(4 )：62-65.
[ 5 ] 郁晓红.低压隔离电器定义的探讨和应用[J ].现代建筑电 气，2020.11 (7 )：4-8.
[6]全国低压电器标准化技术委员会.低压开关设备和控制设备 第3部分：低压开关、隔离器、隔离器开关及熔断器组合电 器：GB/T 14048.3 —2017 [ S ].北京：中国标准出版社，2017.
[7 ] 陆俭国，张乃宽，李奎，等.低压电器的试验与检测[M].北 京：中国电力出版社，2006.
[ 8 ] 矫财东.电源工作频率对隔离开关温升试验影响的研究[J]. 电器与能效管理技术，2017(14)：51-54.
[9]曹东明.试论低压成套开关设备的温升及其试验[J]. 自动化 与仪器仪表，2015 (8 )：223-225.
[ 10 ] 张学军.低压成套开关设备温升测试及影响因素的分析 [ J ].电工电气，2015 (4 )：62-64.
[11]叶小木，王建新.低压电器温升试验影响因素分析[J].电气 时代，2022(8 )：69-72.
[ 12 ] 龙剑，赵磊，王明涛，等.高原环境对低压电器性能的影响 [ J ].电工技术，2021 (21 )：138-142.
[13]韩雪，吴红波，张雅楠，等.低压成套开关设备的温升因素与 测试分析[J].集成电路应用，2022.39 ( 11 )：236-237.
[14]王德贤.低压电器温升试验流程及注意要点[J].电子质量， 2021 (9 )：29-31.
[15]佚名.低压电器允许温升标准验证工作小结[J].低压电器 技术情报，1976(5 )：25-29.
[ 16 ] 徐刚，姚灿江，孙龙勇，等.高低温条件下隔离开关通流能力 的研究[J].高压电器，2021.57 ( 12)：57-66.
[17]矫财东，黄芳，吴卫东，等.低压成套设计与应用中隔离开关 散热技术研究[J].电器工业，2017 (4 )：75-78.
[18]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.标准电流等 级：GB/T 762—2002 [ S ].北京：中国标准出版社，2002.
[19]陆俊阳.低压成套开关设备温升试验方法分析[J].甘肃科 技，2022.38 (4 )：17-21.
[20]杨升环.低压成套开关设备内部环境温度的测试与分析 [ D ].大连：大连理工大学，2015.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/64867.html
