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關鍵詞：*式式斷路器, 電器發熱，散熱技術

　　一、前言

　　低壓斷路器是一種使用于低壓電網(交流50Hz或60Hz，額定電壓在1000V及以下，直流1500V及以下的電路)的配電電器;能夠接通、承載及分斷正常工作條件下的電流，也能夠在規定的非正常條件下，如過載、短路、欠電壓以及發生單相接地故障時，接通、承載一定時間和分斷電流的開關電器。主要應用于工礦企業、XS8D1A1MAL2高層建筑、XS8D1A1MAL2賓館、醫院、機場、碼頭及現代居住小區中的低壓配電網絡中。

　　*式斷路器(Air Circuit Breaker, ACB)，也叫框架式斷路器，主要工作在大氣環境下操作，所有的零件都安裝在一個絕緣或金屬的框架上，是低壓斷路器中重要的種類之一。

　　對*式斷路器而言，發熱會引起溫度升高，而溫度過高會導致產品材料物理、化學性能的變化，引起機械性能和電氣性能下降，zui后導致產品的工作故障，甚至嚴重事故。例如在*工作時，銅在溫度大于100°C以上時，機械強度明顯下降;在短時發熱情況下，在300°C左右機械強度明顯下降。另外，溫度過高，會造成接觸處嚴重氧化，致使接觸電阻增加。

　　對斷路器而言，由于發熱溫升使性能下降，甚至導致故障的事例常有發生，因而無論在產品的性能保證，還是使用要求的角度，對斷路器進行發熱分析和控制都有重要的意義。本論文主要是針對*式斷路器發熱機理進行分析，研究其散熱結構，提出一種提高散熱性能方法，改善溫升指標，從而尋找出改善產品性能與指標的方法與途徑。

　　二、斷路器溫升標準及發熱機理

　　斷路器短時通過電流時，允許的溫度要比*工作時高些：具體規定為：

　　(1) 與Y，A，E，B級有機絕緣材料或油接觸的金屬(鋁除外)，載流部分的zui高允許溫度為250°C。

　　(2) 不與Y，A，E，B級有機絕緣材料或油接觸的銅及銅合金的載流部分的zui高允許溫度為300°C。

　　(3) 鋁質載流部分的zui高允許溫度為200°C。

　　(4) 固定接觸的部分不超過其它載流導體的發熱。

　　(5) 電器主觸頭的溫度在200°C以內，對弧觸頭的要求是不熔焊。

　　根據國家標準GB14048.2-2008中8.3.3.6的規定，斷路器產品在約定電流下進行溫升實驗，并滿足溫升要求，根據國家標準GB14048.1-2006中6.1.1規定“周圍空氣溫度”不超過+40°C，因而，產品“環境溫度+溫升”應為：

　　(1) 接線端子不引起相鄰絕緣部件損壞，并導致電器損壞(40+80=120°C)

　　(2) 不對操作人員造成損傷，不引起部件損壞。

　　(3) 人力操作部件：金屬零件40+25=65°C，非金屬零件40+35=75°C

　　(4) 不進行手握的部件：金屬零件40+40=80°C，非金屬零件40+50=90°C

　　(5) 人無需觸及的部件：金屬零件40+50=90°C，非金屬零件40+60=100°C

　　根據研究發現，電器中的熱源主要來自三個方面：1)電流通過導體產生的電阻損耗;2)交流電器鐵磁體內渦流磁滯效應產生的鐵磁損耗;3)交流電器絕緣體產生的介質損耗。由于介質損耗與電場強度和頻率有關，電場強度越大，頻率越高介質損耗越大，因此在低壓電器中介質損耗通常很小，可忽略不計。因此一般只考慮前兩個方面。

　　1)電阻損耗

　　電流流經斷路器導電部分時，由導體電阻發熱產生電阻損耗。電阻損耗功率P(W)可由下式表示：

　　P=I2R

　　式中 I: 電流(A)

　　R: 斷路器導電回路電阻(Ω)

　　上述公式表明，電器發熱同電流的平方成正比，換言之，當額定電流增加時，其產生的熱量增速是越來越大，因此對于*式斷路器而言，隨著殼架電流的提高，其體積往往就變得非常龐大，這對于節省耗材都是非常不利的。

　　2)鐵磁損耗

　　電器中的載流導體有時要從鐵磁零件附近通過。由于鐵的磁導率高，磁通將通過鐵磁零件形成閉路。如果導體通過的電流為交流，則交變磁通在鐵磁體內產生渦流和磁滯損耗。在一般情況下，鐵磁零件的橫截面較大，渦流損耗占大部分，而磁滯損耗很小。

　　在設計時應應盡可能避免鐵磁形成的熱聚集，一般采用如下措施：1)采用非磁性材料，如無磁鋼、無磁性鑄鐵、黃銅等;2)采用非磁性間隙：在繞導電桿的環形鐵件上開槽，在槽內填充黃銅或無磁鋼等非磁性材料。

　　三、散熱技術

　　降低斷路器溫升的主要途徑是從減小發熱量和加大散熱量兩方面來考慮，采取的方法有很多，例如：采用低電阻率的導電材料，合理的空間結構布置、增加散熱面積等，但采用上述方案都可能導致成本的增加，一般低具有低電阻率的材料，如銅、銀等本身材料成本就較高，而如要增加散熱面積就可能要消耗更多的材料，因此本論文主要討論如何在有限增加成本的同時能夠起到良好的散熱效果，目前在不少領域都采用了下述兩種散熱方案：熱管散熱和風扇散熱技術。

　　1、熱管技術

　　熱管技術已經被引入到高壓斷路器產品當中，并明顯地提高產品的性能。甚至達到25%以上。因而對熱管技術的研究，應用到低壓斷路器產品中，是改善和提升產品性能的一個有效途徑。下面就熱管原理做簡單的介紹。

　　圖3.1是熱管在發電機高壓斷路器應用的原理圖。熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1·3×(10-1~10-4)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發端(加熱端)，另一端為冷凝端(冷卻端)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環，熱量由熱管的一端傳至另—端。

　　熱管技術利用了液態和氣態之間相變反應的高速度，可以在極短的時間內將熱量沖熱管的加熱端傳導到熱管的冷卻端，而不會在發熱部位堆積，然后通過散熱片等措施把熱量散失出去。熱管本身只起到加快熱傳導速度的作用，并不起散熱作用。

　　圖3.1 熱管原理

　　(Figure 3.1 Schematic of a heat pipe.)

　　2、風扇技術

　　風扇的作用是可憑借自身的導流作用，令空氣以一定的速度及一定的方式，通過空氣之間的熱交換帶走發熱元器件上堆積的熱量，實現“強制對流”的散熱方式。其供電電壓類型可分為直流無刷風扇和交流風扇兩類，按照入風面和出風面方向上的差異，可以分為軸流風扇和離心風扇，按照軸承不同，也可分為滾珠軸承風扇和含油軸承風扇。風扇目前廣泛應用在家電、IT、通訊、制冷、暖機、工業、辦公等多個領域中，只要是需要增強或加快空氣流通的環境都可能選用風扇來完成。

　　圖3.2 風扇示意圖

　　本論文主要研究直流風扇在電器散熱中的應用，其工作原理為：風扇轉子上存在磁性橡膠磁鐵，電路板上霍爾元件會感應其磁場，以此決定電路對矽鋼片上繞線線圈的通斷電，兩個磁場間產生的吸斥力推動風扇轉動，霍爾同步感應橡膠磁鐵磁極后再切換通電線圈，從而使風扇可以持續運轉。直流風扇因其調速性能好，控制簡單，廣泛引用在各種風冷場合。

　　四、*式斷路器散熱方案技術應用

　　1、 熱管散熱方案

　　熱管可以快速把熱量導出，實施主動散熱措施，改善斷路器的溫升狀況。因其散熱效率遠遠高于單純的銅母線，因此采用熱管散熱可以有效地降低銅材的消耗。而本方案主要針對的就是超大容量*式斷路器接線端進行分析，制定相應的散熱方案。

　　圖4.1 超大容量斷路器抽屜母線方案

　　通過分析*式斷路器的綜合情況，對于溫升實驗而言，其主要的熱源來自動靜觸頭熱的傳導和本身的接觸電阻，基于熱管原理分析，在熱管絕熱段是否加入絕緣部件并不影響熱管的性能;基于現有實驗條件和成本考慮，初步的熱管方案直接采用銅水熱管制造商的現有技術，在實驗階段暫不在熱管中考慮絕緣部件，如果實驗成熟，產品需要，再考慮熱管絕緣等要求，從新設計熱管結構及布局。在溫室試驗中，斷路器上端母線的溫度通常高于下端母線，因而考慮在斷路器抽屜的上端的母線增加熱管散熱裝置進行試驗研究。

　　熱管的初步方案原則是：

　　(1) 因方案僅在低壓大電流情況下進行試驗，故考慮采用zui常見的銅水熱管，暫不進行熱管絕緣設計。

　　(2) 在抽屜的上端母線中間加入熱管。

　　(3) 不改變原設計和結構。

　　根據以上的原則，基于抽屜座的結構空間，其初步驗證方案可考慮如圖4.2的布置。熱管的銅塊(圖4.3部件1)與抽屜接線端的母線中間排固定連接，為熱源端;通過熱管(圖4.3部件2)把熱傳遞到熱管的冷凝端;通過金屬散熱片(圖4.3部件3)吸收熱量，在環境中輻射散熱。

　　圖4.2熱管布置

　　1

　　3

　　2

　　圖4.3 熱管系統結構示意圖

　　表4-1是溫升試驗報告的數據

　　表4-1 熱管溫升試驗報告數據

　　A相進線A相出線B相進線B相出線C相進線C相出線

　　無熱管787569757387

　　有熱管676758637082

　　試驗電流7500A，環境溫度：無熱管：21 ℃ 有熱管 31℃

　　采用熱管散熱方案，加快了斷路器內部的熱傳導速度，可以使內部熱量迅速傳導至出線母排上的散熱片進行散熱，從試驗對比數據看，熱管對于斷路器散熱還是具有一定的改善作用，但散熱片僅能起到輔助散熱的作用，其效果還受到散熱片的體積、表面積等情況的約束，而大容量斷路器的熱功率較高，方案中的散熱片無法及時將熱散發，若要取得更好的散熱效果，一般可在散熱片上再布置風扇，而上述方案僅采用了散熱片散熱的方案，因此部分降溫效果還不是很明顯。

　　2、風扇散熱方案

　　圖4.4是某*式斷路器的電路連接方式。在各個銅導電部件相互連接的區域，都存在著電接觸(固定連接，插座、插銷耦合連接和開關動靜觸頭連接)，形成了電阻的局部顯著增大以及不連續性，根據焦耳效應，此連接區域是形成發熱能量的主要來源，產生斷路器產品不希望產生的熱量。具體而言，發熱效應與流過斷路器的電流平方成正比，產生的熱量使斷路器的零件溫度上升。因為斷路器的溫度必須保持在預定的操作極限范圍之內，所以導電支路中每一個導電電阻的升高，都必須限制斷路器開關的可獲取的使用功率，即必須降低斷路器的性能指標，才能夠投入使用。

　　觸橋

　　抽屜內導電回路

　　母線

　　動觸頭

　　靜觸頭

　　母線

　　圖4.4 斷路器回路連接示意圖

　　在斷路器的導電回路中，觸橋與母線之間屬于插座/插銷式耦合連接，他們之間的接觸壓力和接觸面積都之間影響到支路中的導電電阻的升高，特別是在設備運行時，由于電流的增大，電動斥力也會升高，進而影響到接觸電阻的升高，導致抽屜支路部分的溫度上升，進而影響到整個斷路器的性能。

　　如果對上述導電支路進行改善，可以通過直接降低觸橋和母線的接觸電阻來入手，但由于本體的結構本身要求可以分離，要達到很好的效果，產品成本和實現難度都會比較高。所以，我們假設從空氣動力學的角度，加強氣流流動，強迫散熱，對其發熱源進行直接的散熱降溫，更會顯著提高斷路器的性能。

　　圖4.5是斷路器的抽屜座，分析其結構發現：斷路器抽屜的觸橋是導電回路中主要的發熱源，上、下觸橋所處的區域可以形成一個上、下開口，四周封閉的結構形狀。

　　從空氣動力學的角度分析，如果有強氣流從此通道中通過，則可以帶走觸橋產生的熱量，實現對抽屜發熱源的直接散熱，從而可以控制其溫度的升高，達到提高斷路器電流承載能力的功效。

　　因此，在觸橋的獨立通道中直接設計風扇，進行通道內的氣流強迫流動，可以形成對上、下觸橋的直接散熱。對于具體風扇的設計位置，可以考慮在在通道的上，下或者中間增加風扇，從動力學的角度，可以起到同等的效果。對于具體應用而言，要結構抽屜本身的結構形式和空間許可。我們以某*式斷路器抽屜座為基礎，利用風扇強制散熱設計，可以選擇頂部、中間或下方考慮布置風扇，氣流方向為自下而上，如圖4.5中箭頭所示。

　　上下觸橋處于一個上下開口、四周封閉的通道中。

　　圖4.5 抽屜隱藏隔板前后的圖形比較

　　上述方案在某一型號的*式斷路器(已經進行過短路分斷試驗)上進行了驗證，在抽屜的上方設置風扇(A，B、C三相回路設置風扇，N極回路沒有設置)，首先通3200A的電流，不開風扇，測量接線端的溫升;然后打開風扇，待溫度穩定后，測試接線端得溫升;zui后，把電流提高到4000A，測量接線端的溫度。

　　風扇型號采用ADDA公司直流風扇，風扇型號為AD0812VB-A7BGP，工作電壓12V，zui大電流為0.65A，圖4.6所示。

　　圖4.6風扇實物照片

　　圖4.7是斷路器開關上方設置風扇的試驗圖片及仿真分析情況

　　冷卻

　　區域

　　a)實驗安裝 b)x方向溫升 c)y方向溫升

　　圖4.7 配有風扇裝置的*式斷路器及仿真分析

　　表4-2是溫升的仿真數據及試驗報告的數據

　　表4-2 風扇溫升試驗報告數據

　　A相進線KA相出線KB相進線B相出線KC相進線KC相出線K

　　環境溫度：21℃

　　從試驗數據分析，采用風扇設計的抽屜可以明顯改善斷路器開關接線端子的溫升。在3200A工作電流的情況下，利用此型號的風扇可以降低接線端子的溫差在10~20oC左右，從而可以顯著地提高斷路器開關的電流承載能力。

　　當工作電流提高至4000A時，試驗數據顯示溫差超過標準要求。由于不同功率的風扇散熱能力不同，功率愈大，散熱效果越好。試驗結果表明：如果要通過風扇散熱直接把此型號的斷路器承載能力提高從3200A到4000A，則需要更大功率的風扇。

　　上述結構我們已申請了相關，號201420304067 X

　　五、總結

　　框架式斷路器的額定工作電流和短路電流比較大，在低壓斷路器中，其研發指標和難度相對較高。本論文通過對框架式斷路器的分析，借用不同的散熱技術，嘗試改善斷路器的散熱條件，在不增加甚至減少銅耗的情況下提高斷路器的產品性能和可靠性。主要內容包括:

　　(1) 通過對斷路器的發熱機理分析，采用熱管主動散熱技術，可以提高斷路器的

　　散熱能力，從而提高斷路器性能。并結合超大容量*式斷路器，提出用散熱管改善接線端子，利用銅水熱管提高*式斷路器母線的散熱能力，從而能夠提高斷路器的性能，但熱管的散熱效果還要受到散熱片及熱管散熱功率的限制，因此在實際使用中能夠配合風扇一起使用，以達到佳的散熱效果。

　　(2) 采用風扇散熱斷路器抽屜的設計方案，設計出獨立的封閉氣流通道，可以實

　　現對上、下觸橋直接進行強迫散熱。風扇的設置可以在觸橋的上、中、下三個部分使用，也可以根據情況組合使用;相對而言，在中和下部設置對斷路器開關而言更為合理和簡潔。不同的風扇功率具有不用的散熱能力，在使用過程中，需要根據散熱需求，選擇滿足設計要求的風扇功率。試驗結果表明：利用風扇對斷路器的觸橋直接散熱，對溫度改善*;基于風扇斷路器抽屜的設計可以提高斷路器的性能指標。

　　參考文獻

　　[1] 陸建國，何瑞華，陳德桂，仲明振. 中國電氣工程大典，第11卷，配電工程. 中國電力出版社，2009: 11~30

　　[2]  低壓電器手冊. 機械工業出版社，1992:832~910

　　[3]  低壓斷路器設計與制造. 中國電力出版社，2003:1~14

　　[4] 國家標準GB14048.2-2008 低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器.

　　[5] 國家標準GB14048.1-2006 低壓開關設備和控制設備 第1部分：總則.

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