关键词：*式式断路器, 电器发热，散热技术

　　一、前言

　　低压断路器是一种使用于低压电网(交流50Hz或60Hz，额定电压在1000V及以下，直流1500V及以下的电路)的配电电器;能够接通、承载及分断正常工作条件下的电流，也能够在规定的非正常条件下，如过载、短路、欠电压以及发生单相接地故障时，接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。主要应用于工矿企业、XS8D1A1MAL2高层建筑、XS8D1A1MAL2宾馆、医院、机场、码头及现代居住小区中的低压配电网络中。

　　*式断路器(Air Circuit Breaker, ACB)，也叫框架式断路器，主要工作在大气环境下操作，所有的零件都安装在一个绝缘或金属的框架上，是低压断路器中重要的种类之一。

　　对*式断路器而言，发热会引起温度升高，而温度过高会导致产品材料物理、化学性能的变化，引起机械性能和电气性能下降，zui后导致产品的工作故障，甚至严重事故。例如在*工作时，铜在温度大于100°C以上时，机械强度明显下降;在短时发热情况下，在300°C左右机械强度明显下降。另外，温度过高，会造成接触处严重氧化，致使接触电阻增加。

　　对断路器而言，由于发热温升使性能下降，甚至导致故障的事例常有发生，因而无论在产品的性能保证，还是使用要求的角度，对断路器进行发热分析和控制都有重要的意义。本论文主要是针对*式断路器发热机理进行分析，研究其散热结构，提出一种提高散热性能方法，改善温升指标，从而寻找出改善产品性能与指标的方法与途径。

　　二、断路器温升标准及发热机理

　　断路器短时通过电流时，允许的温度要比*工作时高些：具体规定为：

　　(1) 与Y，A，E，B级有机绝缘材料或油接触的金属(铝除外)，载流部分的zui高允许温度为250°C。

　　(2) 不与Y，A，E，B级有机绝缘材料或油接触的铜及铜合金的载流部分的zui高允许温度为300°C。

　　(3) 铝质载流部分的zui高允许温度为200°C。

　　(4) 固定接触的部分不超过其它载流导体的发热。

　　(5) 电器主触头的温度在200°C以内，对弧触头的要求是不熔焊。

　　根据标准GB14048.2-2008中8.3.3.6的规定，断路器产品在约定电流下进行温升实验，并满足温升要求，根据标准GB14048.1-2006中6.1.1规定“周围空气温度”不超过+40°C，因而，产品“环境温度+温升”应为：

　　(1) 接线端子不引起相邻绝缘部件损坏，并导致电器损坏(40+80=120°C)

　　(2) 不对操作人员造成损伤，不引起部件损坏。

　　(3) 人力操作部件：金属零件40+25=65°C，非金属零件40+35=75°C

　　(4) 不进行手握的部件：金属零件40+40=80°C，非金属零件40+50=90°C

　　(5) 人无需触及的部件：金属零件40+50=90°C，非金属零件40+60=100°C

　　根据研究发现，电器中的热源主要来自三个方面：1)电流通过导体产生的电阻损耗;2)交流电器铁磁体内涡流磁滞效应产生的铁磁损耗;3)交流电器绝缘体产生的介质损耗。由于介质损耗与电场强度和频率有关，电场强度越大，频率越高介质损耗越大，因此在低压电器中介质损耗通常很小，可忽略不计。因此一般只考虑前两个方面。

　　1)电阻损耗

　　电流流经断路器导电部分时，由导体电阻发热产生电阻损耗。电阻损耗功率P(W)可由下式表示：

　　P=I2R

　　式中 I: 电流(A)

　　R: 断路器导电回路电阻(Ω)

　　上述公式表明，电器发热同电流的平方成正比，换言之，当额定电流增加时，其产生的热量增速是越来越大，因此对于*式断路器而言，随着壳架电流的提高，其体积往往就变得非常庞大，这对于节省耗材都是非常不利的。

　　2)铁磁损耗

　　电器中的载流导体有时要从铁磁零件附近通过。由于铁的磁导率高，磁通将通过铁磁零件形成闭路。如果导体通过的电流为交流，则交变磁通在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。在一般情况下，铁磁零件的横截面较大，涡流损耗占大部分，而磁滞损耗很小。

　　在设计时应应尽可能避免铁磁形成的热聚集，一般采用如下措施：1)采用非磁性材料，如无磁钢、无磁性铸铁、黄铜等;2)采用非磁性间隙：在绕导电杆的环形铁件上开槽，在槽内填充黄铜或无磁钢等非磁性材料。

　　三、散热技术

　　降低断路器温升的主要途径是从减小发热量和加大散热量两方面来考虑，采取的方法有很多，例如：采用低电阻率的导电材料，合理的空间结构布置、增加散热面积等，但采用上述方案都可能导致成本的增加，一般低具有低电阻率的材料，如铜、银等本身材料成本就较高，而如要增加散热面积就可能要消耗更多的材料，因此本论文主要讨论如何在有限增加成本的同时能够起到良好的散热效果，目前在不少领域都采用了下述两种散热方案：热管散热和风扇散热技术。

　　1、热管技术

　　热管技术已经被引入到高压断路器产品当中，并明显地提高产品的性能。甚至达到25%以上。因而对热管技术的研究，应用到低压断路器产品中，是改善和提升产品性能的一个有效途径。下面就热管原理做简单的介绍。

　　图3.1是热管在发电机高压断路器应用的原理图。热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1·3×(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发端(加热端)，另一端为冷凝端(冷却端)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环，热量由热管的一端传至另—端。

　　热管技术利用了液态和气态之间相变反应的高速度，可以在极短的时间内将热量冲热管的加热端传导到热管的冷却端，而不会在发热部位堆积，然后通过散热片等措施把热量散失出去。热管本身只起到加快热传导速度的作用，并不起散热作用。

　　图3.1 热管原理

　　(Figure 3.1 Schematic of a heat pipe.)

　　2、风扇技术

　　风扇的作用是可凭借自身的导流作用，令空气以一定的速度及一定的方式，通过空气之间的热交换带走发热元器件上堆积的热量，实现“强制对流”的散热方式。其供电电压类型可分为直流无刷风扇和交流风扇两类，按照入风面和出风面方向上的差异，可以分为轴流风扇和离心风扇，按照轴承不同，也可分为滚珠轴承风扇和含油轴承风扇。风扇目前广泛应用在家电、IT、通讯、制冷、暖机、工业、办公等多个领域中，只要是需要增强或加快空气流通的环境都可能选用风扇来完成。

　　图3.2 风扇示意图

　　本论文主要研究直流风扇在电器散热中的应用，其工作原理为：风扇转子上存在磁性橡胶磁铁，电路板上霍尔元件会感应其磁场，以此决定电路对矽钢片上绕线线圈的通断电，两个磁场间产生的吸斥力推动风扇转动，霍尔同步感应橡胶磁铁磁极后再切换通电线圈，从而使风扇可以持续运转。直流风扇因其调速性能好，控制简单，广泛引用在各种风冷场合。

　　四、*式断路器散热方案技术应用

　　1、 热管散热方案

　　热管可以快速把热量导出，实施主动散热措施，改善断路器的温升状况。因其散热效率远远高于单纯的铜母线，因此采用热管散热可以有效地降低铜材的消耗。而本方案主要针对的就是超大容量*式断路器接线端进行分析，制定相应的散热方案。

　　图4.1 超大容量断路器抽屉母线方案

　　通过分析*式断路器的综合情况，对于温升实验而言，其主要的热源来自动静触头热的传导和本身的接触电阻，基于热管原理分析，在热管绝热段是否加入绝缘部件并不影响热管的性能;基于现有实验条件和成本考虑，初步的热管方案直接采用铜水热管制造商的现有技术，在实验阶段暂不在热管中考虑绝缘部件，如果实验成熟，产品需要，再考虑热管绝缘等要求，从新设计热管结构及布局。在温室试验中，断路器上端母线的温度通常高于下端母线，因而考虑在断路器抽屉的上端的母线增加热管散热装置进行试验研究。

　　热管的初步方案原则是：

　　(1) 因方案仅在低压大电流情况下进行试验，故考虑采用zui常见的铜水热管，暂不进行热管绝缘设计。

　　(2) 在抽屉的上端母线中间加入热管。

　　(3) 不改变原设计和结构。

　　根据以上的原则，基于抽屉座的结构空间，其初步验证方案可考虑如图4.2的布置。热管的铜块(图4.3部件1)与抽屉接线端的母线中间排固定连接，为热源端;通过热管(图4.3部件2)把热传递到热管的冷凝端;通过金属散热片(图4.3部件3)吸收热量，在环境中辐射散热。

　　图4.2热管布置

　　1

　　3

　　2

　　图4.3 热管系统结构示意图

　　表4-1是温升试验报告的数据

　　表4-1 热管温升试验报告数据

　　A相进线A相出线B相进线B相出线C相进线C相出线

　　无热管787569757387

　　有热管676758637082

　　试验电流7500A，环境温度：无热管：21 ℃ 有热管 31℃

　　采用热管散热方案，加快了断路器内部的热传导速度，可以使内部热量迅速传导至出线母排上的散热片进行散热，从试验对比数据看，热管对于断路器散热还是具有一定的改善作用，但散热片仅能起到辅助散热的作用，其效果还受到散热片的体积、表面积等情况的约束，而大容量断路器的热功率较高，方案中的散热片无法及时将热散发，若要取得更好的散热效果，一般可在散热片上再布置风扇，而上述方案仅采用了散热片散热的方案，因此部分降温效果还不是很明显。

　　2、风扇散热方案

　　图4.4是某*式断路器的电路连接方式。在各个铜导电部件相互连接的区域，都存在着电接触(固定连接，插座、插销耦合连接和开关动静触头连接)，形成了电阻的局部显著增大以及不连续性，根据焦耳效应，此连接区域是形成发热能量的主要来源，产生断路器产品不希望产生的热量。具体而言，发热效应与流过断路器的电流平方成正比，产生的热量使断路器的零件温度上升。因为断路器的温度必须保持在预定的操作极限范围之内，所以导电支路中每一个导电电阻的升高，都必须限制断路器开关的可获取的使用功率，即必须降低断路器的性能指标，才能够投入使用。

　　触桥

　　抽屉内导电回路

　　母线

　　动触头

　　静触头

　　母线

　　图4.4 断路器回路连接示意图

　　在断路器的导电回路中，触桥与母线之间属于插座/插销式耦合连接，他们之间的接触压力和接触面积都之间影响到支路中的导电电阻的升高，特别是在设备运行时，由于电流的增大，电动斥力也会升高，进而影响到接触电阻的升高，导致抽屉支路部分的温度上升，进而影响到整个断路器的性能。

　　如果对上述导电支路进行改善，可以通过直接降低触桥和母线的接触电阻来入手，但由于本体的结构本身要求可以分离，要达到很好的效果，产品成本和实现难度都会比较高。所以，我们假设从空气动力学的角度，加强气流流动，强迫散热，对其发热源进行直接的散热降温，更会显著提高断路器的性能。

　　图4.5是断路器的抽屉座，分析其结构发现：断路器抽屉的触桥是导电回路中主要的发热源，上、下触桥所处的区域可以形成一个上、下开口，四周封闭的结构形状。

　　从空气动力学的角度分析，如果有强气流从此通道中通过，则可以带走触桥产生的热量，实现对抽屉发热源的直接散热，从而可以控制其温度的升高，达到提高断路器电流承载能力的功效。

　　因此，在触桥的独立通道中直接设计风扇，进行通道内的气流强迫流动，可以形成对上、下触桥的直接散热。对于具体风扇的设计位置，可以考虑在在通道的上，下或者中间增加风扇，从动力学的角度，可以起到同等的效果。对于具体应用而言，要结构抽屉本身的结构形式和空间许可。我们以某*式断路器抽屉座为基础，利用风扇强制散热设计，可以选择顶部、中间或下方考虑布置风扇，气流方向为自下而上，如图4.5中箭头所示。

　　上下触桥处于一个上下开口、四周封闭的通道中。

　　图4.5 抽屉隐藏隔板前后的图形比较

　　上述方案在某一型号的*式断路器(已经进行过短路分断试验)上进行了验证，在抽屉的上方设置风扇(A，B、C三相回路设置风扇，N极回路没有设置)，首先通3200A的电流，不开风扇，测量接线端的温升;然后打开风扇，待温度稳定后，测试接线端得温升;zui后，把电流提高到4000A，测量接线端的温度。

　　风扇型号采用ADDA公司直流风扇，风扇型号为AD0812VB-A7BGP，工作电压12V，zui大电流为0.65A，图4.6所示。

　　图4.6风扇实物照片

　　图4.7是断路器开关上方设置风扇的试验图片及仿真分析情况

　　冷却

　　区域

　　a)实验安装 b)x方向温升 c)y方向温升

　　图4.7 配有风扇装置的*式断路器及仿真分析

　　表4-2是温升的仿真数据及试验报告的数据

　　表4-2 风扇温升试验报告数据

　　A相进线KA相出线KB相进线B相出线KC相进线KC相出线K

　　环境温度：21℃

　　从试验数据分析，采用风扇设计的抽屉可以明显改善断路器开关接线端子的温升。在3200A工作电流的情况下，利用此型号的风扇可以降低接线端子的温差在10~20oC左右，从而可以显著地提高断路器开关的电流承载能力。

　　当工作电流提高至4000A时，试验数据显示温差超过标准要求。由于不同功率的风扇散热能力不同，功率愈大，散热效果越好。试验结果表明：如果要通过风扇散热直接把此型号的断路器承载能力提高从3200A到4000A，则需要更大功率的风扇。

　　上述结构我们已申请了相关，号201420304067 X

　　五、总结

　　框架式断路器的额定工作电流和短路电流比较大，在低压断路器中，其研发指标和难度相对较高。本论文通过对框架式断路器的分析，借用不同的散热技术，尝试改善断路器的散热条件，在不增加甚至减少铜耗的情况下提高断路器的产品性能和可靠性。主要内容包括:

　　(1) 通过对断路器的发热机理分析，采用热管主动散热技术，可以提高断路器的

　　散热能力，从而提高断路器性能。并结合超大容量*式断路器，提出用散热管改善接线端子，利用铜水热管提高*式断路器母线的散热能力，从而能够提高断路器的性能，但热管的散热效果还要受到散热片及热管散热功率的限制，因此在实际使用中能够配合风扇一起使用，以达到佳的散热效果。

　　(2) 采用风扇散热断路器抽屉的设计方案，设计出独立的封闭气流通道，可以实

　　现对上、下触桥直接进行强迫散热。风扇的设置可以在触桥的上、中、下三个部分使用，也可以根据情况组合使用;相对而言，在中和下部设置对断路器开关而言更为合理和简洁。不同的风扇功率具有不用的散热能力，在使用过程中，需要根据散热需求，选择满足设计要求的风扇功率。试验结果表明：利用风扇对断路器的触桥直接散热，对温度改善*;基于风扇断路器抽屉的设计可以提高断路器的性能指标。

　　参考文献

　　[1] 陆建国，何瑞华，陈德桂，仲明振. 中国电气工程大典，第11卷，配电工程. 中国电力出版社，2009: 11~30

　　[2]  低压电器手册. 机械工业出版社，1992:832~910

　　[3]  低压断路器设计与制造. 中国电力出版社，2003:1~14

　　[4] 标准GB14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器.

　　[5] 标准GB14048.1-2006 低压开关设备和控制设备 第1部分：总则.

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