高海拔环境下塑壳断路器热脱扣稳定性研究 / 四六文摘

摘要

云南民族大学电气信息工程学院的研究人员杨佳琦、高飞，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，总结了高原气候条件对塑壳断路器性能的影响，分析塑壳断路器结构和热脱扣原理。借助国家高原电气测试中心实验平台对不同厂商提供的A、B、C 三种用于配电系统的断路器进行热脱扣实验测试，通过采集塑壳断路器的三端口温度、脱扣时间等数据，对脱扣时间进行离散度分析，判断三种断路器在高海拔环境下稳定性的差异，为高原电器的设计和选型提供一定的参考。

我国幅员辽阔，整体地势呈西高东低势分布，而我国西部主要是高海拔地区，是典型的高原气候。高原地区相对海拔较高，空气压力和密度较低，温差大，降水量小，太阳辐射充足[1]。这些恶略的气候条件，就对电气设备的稳定性提出了一定的挑战。

塑壳断路器是低压配电系统中应用最为普遍的电器产品之一，其稳定运行是工作人员安全的保障，也是配电系统设备运行的关键，因此随着塑壳断路器使用率逐渐增加，施工单位对于断路器热脱扣稳定性的要求也日益增加[2-3]。

本文主要是通过对高海拔环境下A、B、C三种低压塑壳断路器三端温度、脱扣时间参数的测量，区别与国家规定标准下，不同品牌之间塑壳断路器稳定性上的差异。通过对高海拔环境下脱扣时间参数的离散度分析，对比三种品牌在不同海拔环境下热脱扣稳定性的区别，为工业配电场合下低压塑壳断路器的选型提供一定的参考标准。

1 气候条件对塑壳断路器性能的影响

根据高原气候特点，海拔每升高1km，平均气压降低7.7～10.5kPa，空气密度也随之降低。因此影响塑壳断路器热脱扣稳定性的因素主要有以下3个方面：

1）温升。

塑壳断路器的散热方式是以空气自然对流、强迫通风为主，空气压力和密度的降低会导致空气介质冷却效应的下降，因此类似于塑壳断路器散热方式的电工产品温升将增加3%～10%[4]。随着温度的增加，会导致塑壳断路器产品的有机绝缘材料的加速老化，缩短断路器的使用寿命。

2）绝缘性。

电气设备的绝缘性与空气压力、密度和湿度都密切相关，随着海拔每升高1km，空气压力和密度降低对电气间隙的绝缘性能影响较大，数据表明在海拔5km以内，每升高1km，外绝缘强度降低8%～13%[5]。因此电气设备的外绝缘更容易被击穿，为了防止绝缘表面不同电位的带点间隙不易击穿，应该严格按照国家规定介电强度试验进行修正[6]。

3）接通和分断能力。

随着海拔每升高1km，燃弧时间约延长5%，当海拔增加到一定高度时，开关电器可能会出现灭弧时间不合格或分不断的现象[7]。塑壳断路器是以空气介质灭弧的器件，空气压力和密度的降低导致断路器灭弧性能降低、通断能力下降，从而导致断路器的电寿命缩短。

2 低压塑壳断路器的结构及工作原理

塑壳断路器属于低压电气产品，使用范围在交流1200V，直流1500V及以下的配电线路中，主要起到通断保护和调节控制的作用[8]。低压塑壳断路器主要由保护系统、脱扣动作系统以及灭弧系统三大部分组成。

保护系统中塑料外壳的作用主要是提供各个器件之间良好的绝缘性保护，为断路器高强度的机械性能提供保障；脱扣动作系统内部主要由触头装置以及其他部件之间的协调工作，保证电路的快速闭合和分断；灭弧系统利用动静触头分开时所产生的大能量进行灭弧操作，来保证其他部件不会因为温度过高而损坏[9]。

图1所示的是低压断路器结构，塑壳断路器是低压断路器中的一种，因为塑壳断路器的种类繁多，但是基本结构大同小异。塑壳断路器能在不正常的电流环境下做出适当的反应，例如电路中遇到的短路、过载、欠压以及维修等问题时，相应的脱扣器装置会被触发。

塑壳断路器的安装调试过程中，首先需要对为未处于闭合状态下的断路器进行合闸处理，将动静触头闭合，锁扣2和卡扣3卡住，使断路器保持在闭合状态。当塑壳断路器完成脱扣动作后，锁扣2和卡扣3解锁，断路器动触头在弹簧力的作用下打开，动静触头分离，主回路断开。本文塑壳断路器涉及的工作原理主要是线路过载时，热脱扣电热丝13产生的热量，导致双金属片受热向上弯曲，推动杠5实现过载脱扣。

图1 低压断路器工作原理图

本文研究的A、B、C三种塑壳断路器，均采用的是旁热式加热方式，当载流导体通入过载电流时，载流导体就会发热，并将产生的热量以热传导的方式传递给绑定在载流导体上的热双金属片，由于双金属片所采用的材料不同，膨胀系数相差较大，主金属片会施加给被金属片一个推力，推动牵引杆沿轴向转动，从而触动在牵引杆上的另一个传动机构，使断路器断开电路[10]。

3 塑壳断路器热脱扣设计

3.1 实验环境

实验在国家高原电器测试中心的高海拔模拟实验室中进行，实验室规格见表1。

表1 实验环境参数

3.2 实验内容

热脱扣特性实验包含两部分测试内容：①测量海拔2km和5km下，断路器进线端、出线端和侧面的三端温度；②在海拔2～5km范围内通入不同过载电流，记录断路器的脱扣时间。实验过程严格按照国家标准GB/T 14048.2进行，断路器脱扣保护特性见表2。在基准温度（25℃）下，通入1.05倍时电流整定值，冷态下断路器2h后不能脱扣；热态时，通入1.3倍电流整定值时，2h内完成脱扣。

表2 低压断路器反延时动作特性

如图2所示，实验均在高海拔模拟实验室中进行，根据实验所需海拔情况，利用温压一体变送器严格控制气压和初始温度，在安装断路器时尽量保证接线端子的松紧性一致。因为模拟高海拔实验室环境相对封闭，空气湿度、光照等影响因子相对不变，对断路器热脱扣稳定性影响较小。

图2 实验装置流程图

4 热脱扣实验结果与分析

本次实验选取了A、B、C三种不同品牌的断路器进行温度和脱扣时间的测量，并且每组随机选取10只，体现了样本选取的普遍性和随机性，安装过程中严格按照厂家的规定进行安装，依照国家低压断路器反延时特性进行操作，有效的保证数据的准确性和可靠性。

4.1 温度数据

三端口温度实验主要采集了海拔2km（81kPa）和5km（51kPa）时，低压塑壳断路器额定电流为In=63A、In=125A、In=250A三种不同过载电流情况下的温度变化。

如图3所示，在海拔2km（81kPa）环境下，额定电流In=63A时，出线端温度曲线的斜率明显高于进线端和侧面温度曲线的斜率，在通入1.05In电流2h后，立即通入热态电流1.3In，此时出线端的温度已经达到107℃，塑壳断路器瞬间完成脱扣动作。

图3 海拔2km（81kPa）In=63A时温度曲线

如图4所示，实验海拔调整到5km（51kPa）环境下，按照国家标准进行通电实验，可以从图中观察到还未到2h的时候，在3800s左右时，出线端温度已经达到最高点（107℃），塑壳断路器随即完成脱扣动作。

图4 海拔5km（51kPa）In=63A时温度曲线

如图5、图6所示，当断路器额定电流为In= 125A时，短时间内温度瞬间升高，出线端温度能达到113℃，双金属片上积累了大量的热量，塑壳断路器在2500s之前已经完成了热脱扣动作。

图5 海拔2km（81kPa）In=125A时温度曲线

图6 海拔5km（51kPa）In=125A时温度曲线

如图7、图8所示，当断路器额定电流为In=250A时，在通入整定电流1.05In，还远未到7200s过程中，断路器就已经完成热脱扣动作。随着海拔的升高，空气压力和密度的降低，断路器的稳定性越来越差。

图7 海拔2km（81kPa）In=250A时温度曲线

图8 海拔5km（51kPa）In=250A时温度曲线

4.2 热脱扣时间

将A、B、C三种品牌断路器安装在2～5km海拔之中进行测试，实验结果如图9至图11所示。

图9 A品牌断路器脱扣时间柱状图

图10 B品牌断路器脱扣时间柱状图

图11 C品牌断路器脱扣时间柱状图

4.3 离散度分析（略）

本文主要是通过离散系数来判断3种断路器的稳定程度。离散系数主要用于比较多组数据之间的离散程度。离散系数大说明数据分散程度高，稳定性越差；反之，离散系数越小说明数据分散程度小，稳定性越高。根据离散度公式，分别计算出三种断路器的离散系数，见表3。

表3 A、B、C塑壳断路器离散度系数

由表3可知B品牌的离散系数最低，其次是C品牌，最后是A品牌，说明B品牌断路器稳定性最高。如图9至图11所示，B品牌断路器在高海拔环境下脱扣时间的稳定程度明显高于A、C品牌，A、C两个品牌断路器的个体差异很强，受海拔影响严重，稳定性较差，离散度较高，不能稳定的工作在一定的脱扣时间范围内，不适合高海拔环境下的电工作业。

B品牌断路器数据离散度低，变异系数小，随着海拔升高，断路器的热脱扣时间分布均匀，基本分布在7100s左右，基本符合国家规定标准。综上所述，B品牌塑壳断路器的热脱扣稳定性高于A、C两个品牌，能够很好的适应高海拔环境下低压配电电路、电动机或其他用电设备线路中。