3.开关电器的开距与超程
我们看图3:
超程,指的是开关电器闭合后,把静触头抽走,动触头继续运动的距离。
开距决定了开关电器主触头的绝缘特性,超程则决定了开关电器的电寿命。
我们来设想一下,高压铁塔上的高压电线,如果距离地面的距离很近,则高电压会把空气击穿,继而产生电弧电流。因此,开距必定与开关电器的额定电压、额定绝缘电压等参数密切相关。
至于超程,我们很容易想到,如果触头因为电磨损和机械磨损的原因,触头被磨平,则超程能够确保触头磨损后触点仍然能导通。
下图是ABB的Emax框架断路器:
可见开关电器的开距是一个很重要的参数。
4.开关电器的导电杆和导电板的温升
开关电器在正常运行状态下,工作电流流过开关电器内部的各种导电材料,并由此产生温升。理论和实践都证明,开关电器内部的各种导电材料,是开关电器温升的主要贡献者。
现在,我们来探讨一下导电板和导电杆的温升。
由“电器导体之1”我们知道,导电杆的电阻为:
,
我们还知道,电阻性发热功率P1为:
,
把电阻表达式代入,得到导电杆的发热功率为:
。
有发热就有散热。
我们知道,物体的散热有三种方式,即热传导、热对流和热辐射。伟大的牛顿给出了一个描述物体散热功率的公式,简称为牛顿散热公式:
牛顿散热公式中,
Kt是综合散热系数,A是物体的表面积,τ是温升。
当流过的电流恒定时,导热杆的发热等于散热,也即P1=P2。于是有:
,……………………式1
式1是一个很有意思的公式,我们来仔细考察它一番。
我们来看图4:
矩形截面导电杆表面积:,截面积:
圆形截面导电杆表面积:,截面积:
如果我们把导电杆的截面周长用M表示,则不管是矩形截面导电杆,或者是圆形截面导电杆,统一有:。把它代入式1,得到:
。
注意到这个式子,它们的左右两边都有长度L,我们把L略去,然后求出温升τ,于是有:
,…………式2。
我们从式2中还能解得导电杆的载流量:,…………式3
虽然式2和式3探讨的是导电杆,这个结论可以推广到一般导体。我们看以下三个推论:
推论1:导体的载流量I与导体截面S相关,与导体长度L无关;
推论2:如果导体的截面相同,流过的电流也相同,由于矩形截面导体的截面周长大于圆形截面导体截面周长,因此矩形截面导体的温升更低;
所以,在低压开关柜中,因为电流较大,所以主母线一般采用矩形截面的铜排,以此降低温升。
推论3:由式2和式3可以推得:若多股导线由相同截面的导线缠绞而成,则K股导线与单根导线的载流量之比为。
我们看下表,此表摘自《电气工程师实务手册》:
我们来看一个实例:
设某开关电器的镀锡铜质导电杆截面是60mmX10mm,综合散热系数为12.5w/(m^2.K),零度时的电阻率为1.62X10^-8Ω.m,电阻温度系数为0.0043℃^-1。若工作温度为80℃,试问此导电杆的最大载流量是多少?
我们来看看答案。
在GB14048.2012《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》中,定义开关电器的标准环境温度是40℃,因此温升为80-40=40K。将数据代入式3,我们得到:
如果我们考虑极限情况,也即让导电板的温升为65K,则导电板的工作温度为105℃,计算表明,此时的载流量有1703A。可见,温升对载流量的影响是多么巨大。
事实上,这里计算的就是ABB的Emax1600A框架断路器导电板的参数,使用温升都是按65K来考虑的。
我们隐隐约约地感觉到,断路器的额定电流是按导电板的载流量来考虑的。事实上,也的确如此。
关于开关电器的额定电流,我们将在后续的内容中专门讨论。
说到温升,我们知道不但导电板有温升,触头材料也会有温升,而且触头材料的温升还更高。那么对于触头材料,又有何种理论?我们且听下回分解。
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