专栏名称: 低压电气和低压电器技术

探索——低压开关电器的动、热稳定性之5

低压电气和低压电器技术 · 知乎专栏 · · 2017-10-13 20:37

正文

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biaozhun本贴专用于回答从第一篇到第四篇知友们提出的问题。

问题汇总如下：

================

第一个问题：

位置：第一篇

知友：冬雨006

问题：

对于动稳定性给我的印象最深的就是，在我们测试一个控制器的时候，需要保证触头不被烧蚀，要求产品只输出报警信号和故障电流，不发出动作指令。产品在大电流下，触头要在200ms的时间内稳住，需要考验的是产品的终压力，在10倍以上的电流的时候，很明显就能看得出来，4P的终压力完全不及3P了，在转轴质量差的情况下，4P完全压不住触头，在大电流下，终压力不够的情况下，产品的触头的反复抖动对触头的烧蚀也是非常严重的，远高于正常瞬时动作。

回答：

这个问题能看出触头霍姆斥力对触头的影响。

我们知道，到大电流流过开关时，触头上出现了三种力：其一是触头压力，它是操作机构赋予触头的不变量；其二是霍姆力，它的作用方向是试图把动静触头斥开；其三是脱扣器赋予触头的，它的作用方向是把触头斥开。

这三种力中，触头压力和霍姆力是直接作用在触头上的力，而脱扣器的作用力则是间接的。因此，在问题描述中出现的触头抖动就是触头压力与霍姆力斗争的结果。

冬雨006知友在这里提到的触头终压力，与断路器的超程有关。

所谓超程，指的是当触头闭合后，我们把静触头拿掉，动触头能够继续运动的距离。

超程和触头终压力，是决定开关电器电寿命的重要因素之一。

我们看下图：

这是某款国产塑壳断路器。第一张图是断路器盖子拿掉后的图，第二张是把整个机构从壳体中取出的图。

我们看到，断路器操作机构对触头施加的压力其实是统一的，极数越多，分配在每极上的压力自然就越小。

所以，冬雨006知友谈到的四极断路器在大电流时完全压不住，其道理是显然的：在相同的短路电流时，极数越多，触头压力就越低，霍姆斥力的作用就越明显。

另外，对于限流型断路器的触头，也有类似现象。

第二个问题：

位置：第一篇

知友：苞谷

问题：

文中说：开关电器的裸铜一次接线端子最高使用温度为40+60=100度。

若实际使用时，环境温度为35度。若按最高温升算，在这种情况下，端子最高使用温度为35+60=95度。若按文中的最高温度算，裸铜的温升为：100-35=65。这种情况下应该怎样理解才对。

回答：

国家标准对开关电器环境温度的定义是 $\pm40^\circ C$ 。其中负值用于北方极冷地区户外使用的开关电器。对于普通情况，一律按40度考虑。

至于其它温度情况，可按GB/T 25840-2010《规定电气设备部件（特别是接线端子）允许温升的导则》来考虑。

首页目录如下：

标准中内容摘录如下：

我们看到，这些内容直接与苞谷知友的问题相关。因此，请苞谷知友去查阅此国家标准即可。

第三个问题：

位置：第一篇

知友：天边的云

问题：

用E2L断路器允通能量曲线校验断路器本身热稳定不合适。E2L断路器是限流型断路器，它的允通能量曲线，是用来给被保护设备校验热稳定的，就是该断路器能显著降低短路电流值，这从限流曲线可以看出来，那么通过该断路器的能量也就被限制了，所以有了这个曲线。一个设备的I∧2*t是个定值，允通曲线的竖坐标是从零开始到很大的数值，也说明了这一点

回答：

首先要明确，限流型断路器的用途就是限流，而不是“ 给被保护设备校验热稳定的 ”。

什么叫做限流？

我们来看我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》中的说明。在第3.5节：

这段文字已经详细叙述了限流断路器的原理，我就不再重复解释了。

第四个问题：

位置：第二篇

知友：江江

问题：

对于开关电器而言，它的热稳定性其实包括了两个方面：其一是导电排（导电杆）的热稳定性，其二是触头的热稳定性：是否可以理解为导电排（导电杆）的热稳定性影响稳定运行时的热稳定，触头的热稳定性影响短路时的热稳定？

回答：

不对，都会影响到。

开关电器的热稳定性包括导电排（导电杆）的热稳定性，也包括触头的热稳定性，热稳定性是两者的综合。

我们来看一个例子。此例子是我今天给学生们上课所举的范例：

若某断路器铭牌中注明短时耐受电流为24kA，试确定此断路器是否满足要求。

断路器数据如下：

动触头导电杆长度50mm，厚度5mm，高度15mm，比热容C=395w.s/(kg.K)，密度 $\gamma=8.9\times10^3kg/m^3$ ，电阻温度系数 $\alpha=1/235（1/^\circ C)$ ，电阻率 $\rho=1.7 \times 10^{-8}\Omega.m$ 。

银基触头底部为方形，尺寸4mmX4mm，触点半径0.5mm。触头接触电阻为4.2毫欧。

又知道：阴极触头材料的熔化温度为0.37V，而铜的熔点温度是1083度，气化温度是2595度。

首先计算触头的热稳定性：

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

所以触头的热稳定性合格。

再来计算动触头导电排的热稳定性：

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

$=235[(1+\frac{40}{235})e^{\frac{1.7\times10^{-8}\times1\times (24\times10^{3})^{2} }{((5\times15\times10^{-6})^2\times395\times8.9\times 10^3\times235 } } -1]$

$\approx 2627^\circ C$

上式中，导电排的基础温度为40度，但通过了24kA的短路电流且时间长达1秒，导电排的温度迅速上升到2627度。因为铜的气化温度为2595度，导电排的铜材料迅速气化。

可见导电排根本就不可能实现热稳定性。

由此可知：开关电器的稳定性，是触头材料的热稳定性和导电排材料的热稳定性的综合，并非是单一指标。

第五个问题：

位置：第三篇

知友：江江

问题：

对于动稳定，柜体考虑的是母排短路电动力对动稳定的影响，而开关电器考虑的是霍姆力与触头压力对于动稳定的影响，是吗？

回答：

是的。

我们先来看短路电动力的计算公式，为： $F=\pm2.8F_0=\pm2.8\times2CI^2$

为何有正负号？这是因为在开关柜中的主母线中，A相受到来自B相和C相的作用力，而B相（中间相）则受到两个外侧母线对它的推力和拉力，所以中间相B相的受力大于外围相A相和C相。这里的正负号就是推力和拉力。

上式中，C是系数，它的值为： $C=10^{-7}\times K_CK_h$ 。

其中，Kc叫做截面系数，Kh叫做回路系数。 $K_h=\frac{2L}{d}$ ，这里L是母线长度，d是母线中心距。

我们把以上这些零零碎碎的式子合并起来，得到计算低压开关柜主母线最大短路电流作用力的公式：

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

注意这里的单位，长度一律用m，电流为kA。

我们来看一个例子：

设电力变压器的容量为630kVA，低压侧电压为400V，阻抗电压Uk=6%，主母线采用50X10的铜排，主母线长度为12米，母线竖直安装，母线中心距为50mm。求主母线发生短路时，它的中相承受的最大短路电动力。

第一步，求变压器的额定电流： $I_n=\frac{630\times 10^3}{\sqrt{3}\times 400}\approx909A$ ；

第二步，求变压器的短路电流： $I_K=\frac{I_n}{U_k}=\frac{909\times10^{-3}}{0.06}\approx15.2kA$ 。

注意：这里的Ik=15.2kA是有效值，计算时不必换算为最大值，直接代入计算式即可。

先求Kc：

看下图：

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

查图中的曲线，得到：Kc=0.88。

第三步，求开关柜中相主母线的最大短路电动力： $F=\frac{1.12LK_C}{d}I^2=\frac{1.12\times12\times0.88}{50\times10^{-3}}\times15.2^2\approx54651N\approx5577\mathrm{kgf}$

也即，中相主母线受到的最大电动力为5.6吨力。

在国家标准GB7251.1-2013《低压成套开关设备和控制设备第1部分：总则》中，把主母线的动热稳定性定义为开关柜的动热稳定性。如下：

峰值耐受电流与短时耐受电流之比就是峰值系数n。峰值系数见GB7251.1-2013：

当短路电流为15.2kA时，峰值系数n=2.0。

由此可见，此开关柜的峰值耐受电流Ipk必须大于2X15.2=30.4kA，而短时耐受电流Icw必须大于15.2kA。

为何把峰值耐受电流看得如此重要？这是因为主母线通过母线夹安装到开关柜的骨架上，母线承受的短路电动力传递到骨架上，对骨架材料、母线夹等材料构成巨大的撕扯作用力。

对于开关电器来说，由于它的尺寸较小，短路电动力作用也小，因此更重要的是开关电器内部导电排和触头的热稳定性显得更为重要。

开关电器的动稳定性主要是指触头抵御短路电流电动力冲击的能力，而热稳定性则是指开关电器内部的导电材料和触头抵御短路电流热冲击的能力。

显然，这与开关柜有显著的不同。

我们来看一个例子：

设某框架断路器静触头导电排的宽度是40mm，厚度是5mm，长度是100mm，各极中心距是100mm。若它流过的短时耐受电流是15.2kA，试求它受到的最大短路电动力。

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

代入到三相短路计算式中去：

$F=\frac{1.12LK_C}{d}I^2=\frac{1.12\times0.1\times1.05}{0.1}\times15.2^2\approx272N\approx27.8\mathrm{kgf}$

这个值对于框架断路器的结构来说，几乎可以忽略不计。

在以上计算中，为何短路电流不用它的峰值来计算，却用它的有效值来计算？道理何在？

我们再来计算触头受到的霍姆斥力：

我们设此框架断路器每极主触头由4个分触头组成，每个触头视在面积为5mmx5mm，触点半径为0.5mm，触头压力为120N，折合每个分触头为120/4=30N。

若流过的电流是15.2kA，最大值是30.4kA，我们来计算触头的霍姆斥力：

$F=10^{-7}I_m^2\mathrm{ln}\frac{S}{S_0}=10^{-7} \times (\frac{30.4\times10^3}{4})^{2}\mathrm{ln}\frac{5\times5}{\pi\times0.5^2}\approx20.0N<30N$

由此可见，此框架断路器触头系统的动稳定性合格。

我们把导电排和触头系统的动稳定性合并后，得到结论：此框架断路器的动稳定性满足要求。

以下为框架断路器的结构示例。提醒：不要以为此示例断路器存在问题，只不过用来明确框架断路器内部各个部件关系而已。

第六个问题：

位置：第四篇

知友：SilenWar

问题：

请教几个实际应用的问题。：

一、我们知道电器的短路分断能力Icu或Ics应不小于安装处的预期短路电流，那么选型时是否要考虑电器的Icw值？如何选择？

二、通常可以设置人为短延时的断路器被归为使用类别B类，并且应有Icw参数，但是一些带电子脱扣器的塑壳断路器(例如ABB Tmax)

1. 可以设置短延时，没有Icw参数，产品资料宣称的使用类别却为A类;

2. 宣称的使用类别为B类，但Icw值很低，小于5kA。此时如何证明断路器在延时阶段的耐受能力满足使用要求？

以上问题不知道张工是如何考虑的，谢谢！

回答：

首先要明确什么是使用类别的A类和B类。我们看标准GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》怎么说：

相信，标准已经说明的很清楚了。

至于如何确认某型断路器是否具有短时耐受电流的试验值，必须去看它的型式试验报告。尽管计算可以得到结果，但唯一具有决定性结论的数据必须来自型式试验。

第七个问题：

位置：第四篇

知友：罗兰的咖啡

问题：

张老师，您好！《低压成套开关设的原理及其控制技术》第三版，P10的例题1，第二段，查“GB/T 20621-2006 第5-5部分...电气间隙倍增系数是1.29”，对应书上是不是5-3部分的表格。另外，1.29这个系数，对应的是2000米基准，这道题的第一段，1.67的系数，对应是海拔0米为基准，请问该如何理解，谢谢！

回答：

这个问题很有技术含量，且与若干部国家标准有关。

我已经把这个问题电邮国家低标委（低压电器标准委员会），等回复后修改公布。

第八个问题：

位置：第四篇

知友：Eric Hu

问题：

1：Ics=100%Icu表征了断路器什么样的特性？短路电流达到Icu，断路器切断后，是否还可以继续承载额定电流？

2：开关选型时，Icw这个参数是如何考虑的，现在B类MCCB样本上为什么厂家一般都不体现这个参数了？

回答：

第一个问题的解释：

这个问题必须先明确什么是Icu，什么是Ics。我们看标准GB14048.2-2008《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》摘录：