小型断路器接线端子温度特性的试验研究.docx

小型断路器接线端子温度特性的试验研究*沈金波李宏文 （中国建筑科学研究院建筑防火研究所， 北京市100013）王景凯 （浙江正泰电器股份有限 公 司， 浙 江 省 温 州 市325603）test and study on temperature characteristic of terminals of miniature circuit breaker*shen jinbo li hongwen （institute of building fire research， china academy of building research， beijing 100013， china）wang jingkai （zhejiang chint electrics co.， ltd.， wenzhou 325603， zhejiang province， china）abstract temperature on the terminals of miniature circuit breaker is the important parameter indicating the operation state of the breaker， and is the important basis used to judge if there are electrical safety and hidden troubles of electrical fires or not. temperature on the terminals of miniature circuit breaker under different working conditions is tested， factors such as load rate， tightening torque of the terminals and layout modes that affect the temperature on the terminals are analyzed. moreover， the difference between inside temperature and surface temperature of terminals has been obtained. in addition， individual difference between circuit breakers of the same model has been compared and analyzed， and some important conclusions have been achieved.key words miniature circuit breaker terminals tightening torque temperature摘 要 小型断路器接线端子的温度作为表征 断路器运行状态的重要参数， 是实际运行中判断电 气安全和火灾隐患的重要依据。 本文通过小型断路 器在不同运行工况下接线端子温度的实际测试 ， 分 析了负载率、 接线端子拧紧力矩和断路器布置方式等 因素对接线端子温度的影响， 得到了接线端子内部温 度和表面温度之间的差异关系， 此外还对相同型号断 路器之间的个体差异进行了对比分析， 获得了一些重 要结论。关 键 词小 型 断 路 器接 线 端 子拧 紧 力 矩温度1 引言电气防火检测中， 通过红外辐射测温仪测量接 线端子的表面温度来判 断是否存在电气 火 灾隐患 ， 这样的测试在一定程度上起到了预防电气火灾和排 除隐患的作用。 但是， 关于小型断路器接线端子温 度的影响因素， 以及这些因素的影响大小， 没有更 多的文献可以参阅， 因此目前的检测仅仅停留在简 单的判断上， 缺乏数据上的支持。 另一个问题则是， 实际中只能通过红外辐射测温仪测试接线端子的表 面温度， 而国标 低压开关设备和控制设备 第 1 部分： 总则 （gb 14048. 1 - 2006） 中规定的温度限值 是基于接线端子内部的温度 ， 一般表面温度肯定低 于内部温度， 不能直接用来判断， 如何通过表 面温 度估算接线端子的内部温度是广大测试者面临的一 个重要问题。2 测试准备2. 1 确定测试对象根据实际应用情况 ， 选择浙江正泰电器股份有 限 公司生产的小型断路器进行 测 试 ， 包 括 两 个 系 列 ： nb1 系列， 额定电流分别为 16 a、 32 a、 63 a； dz158 系列， 额定电流为 80 a 和 100 a； 均选择 4 极 断路器。2. 2 确定断路器接线端子的标准拧紧力矩根据断路器接线端子螺母直径 的 大 小 ， 参 考 gb 14048 . 1 - 2006 确定不同断路器标准拧紧力矩的 大小， 如表 1 所示。*： 国家科技支撑计划子课题 建筑电气防火检测方法和设计技术研究， 子课题任务书编号： 2006baj01b03 - 05。表 1 断路器接线端子标准拧紧力矩断路器型号额定电流（a）端子螺母直径（mm）标准拧紧力矩（nm）nb1 - 63 c161652 . 0nb1 - 63 c323252 . 0nb1 - 63 c636352 . 0dz158 - 100 c808073 . 5dz158 - 100 c10010073 . 5tab. 1 standard tightening torque of the terminals of the circuit breakera .热电偶， 用来测试接线端子的内部温度。b .红外热像仪， 用来测试接线端子的表面温 度。c .扭力螺丝刀 ， 用来确定接线端子的拧紧力 矩。2. 3确定断路器接线端子压接导线的截面积根据产品说明书上的推荐值， 同时结合实际使用 情况， 不同额定电流的断路器接线端子压接的导线截 面积如表 2 所示。 本次测试所用导线均为多股铜芯 线， 压接均为直接压接， 未使用线鼻子。表 2 断路器接线端子压接导线的截面积tab. 2 sectional areas of the compression joint conductor of the terminals of the circuit breaker断路器型号额定电流（a）压接导线截面积（mm2）nb1 - 63 c16162 . 5nb1 - 63 c32326nb1 - 63 c636316dz158 - 100 c808025dz158 - 100 c100100353测试方案3. 1测试环境测试在浙江正泰电器股份有限公司内部实验室进 行， 通过多路可调电流源实现多个断路器在不同负载 率下的带载运行。实验室的环境温度通过空调控制， 空调温度设定 为 24 ， 经测试温度波动在 1 。3. 2测试内容所有断路器均只测试左数第二个分断路器上下接 线端子的内部温度和表面温度， 原因很简单， 中间两 个分断路器的散热情况最差。热电偶测试持续 2 h， 红外热像图则每 0. 5 h 拍 摄一张。 测试时， 热电偶和导线一起压接在接线端 子内。3. 3测试仪器3. 4测试工况a . 5 个断路器在 50%、 70% 和 100% 三种负载 率下， 4 极负载率相同， 拧紧力矩均为 100%。b . 额 定 电 流 16 a、 32 a 和 63 a 的 断 路 器 在 50%、 70% 和 100% 三种拧紧力矩下， 80 a 和 100 a 的断路器在 30%、 50%、 70% 和 100% 四种拧紧力 矩下， 4 极上下接线端子拧紧力矩相同， 负载率均为 100%。c . 16 a 断路器单独布置和并排布置， 拧紧力矩 和负载率均为 100%。d . 型号相同的 2 个断路器， 负载率和拧紧力 矩也相同。3. 5断路器布置方式除 了 进 行 16 a 断 路器并排布置方式下的测试 之外， 其他测试情况下， 断路器均为单独布置， 两侧 10 cm 范围内没有其他断路器和热源。3. 6温度计算方法对于热电偶的测试结果， 以最后连续 5 个测试结 果的平均值为最后的稳定温度值。 对于红外热像仪拍 摄的热像图， 以测试开始后 1. 5 h 左右的热 像图为准， 利用热像图分析软件， 计算接线端子处的平均温度， 作为最终的稳定温度。因为测试在实验室进行， 环境温度变化控制在可 接受范围内， 因此以下分析均不再进行温升的计算， 而是直接利用稳定温度进行分析。4测试结果分析4. 1不同负载率下的接线端子温度对于上述 5 个不同额定电流的小型断路器， 所有 端子 100 % 拧紧力矩， 50 %、 70 % 和 100 % 三种负载 率下， 热电偶测得的断路器上下接线端子的稳定温度 如表 3 所示。从 表 3 数 据 可 以 明 显 看 出 ， 对同一个断路器 ， 随着负载率的增加， 断路器接线端子的稳定温度大幅 上升。 对于不同额定电流的断路器在同一负载率下的表 3 100% 拧紧力矩， 不同负载率下接线端子的稳定温度 tab. 3 stable temperature of the terminals under 100% tightening torque and different load rates型号拧紧 力矩不同负载率下接线端子的稳定温度 （）上接线端子下接线端子50%70%100%50%70%100%c16100%29 . 039 . 152 . 329 . 238 . 450 . 7c32100%33 . 045 . 064 . 532 . 642 . 759 . 3c63100%35 . 650 . 775 . 435 . 150 . 375 . 2c80100%33 . 745 . 365 . 934 . 447 . 471 . 1c100100%35 . .453 . 381 . 438 . 055 . 989 . 2稳定温度变化趋势， 分析时要考虑断路器模型结构的 不同： 额定电流为 16 a、 32 a 和 63 a 的断路器模型 结构相同， 为一个系列； 额定电流为 80 a 和 100 a 的断路器模型结构相同， 为一个系列。 可以看出对于 两个系列， 在各自系列内， 相同负载率下， 上、 下接 线端子的温度均随着额定电流的增大而增大。4. 2 不同拧紧力矩下的接线端子温度表 4 列 出 了 5 种不同额定电流的小型 断 路 器 100% 负载率时， 不同拧紧力矩下热电偶测得的接线 端子 的 稳 定 温 度。 对于额定电流 80 a 和 100 a 的断 路器， 测试了 30%、 50%、 70% 和 100% 四种拧紧力 矩； 对于额定电流 16 a、 32 a 和 63 a 的断路器， 则 测试了 50%、 70% 和 100% 三种拧紧力矩。 之所以这 样选择， 原因在于 16 a、 32 a、 63 a 三种断路器的标 准拧紧力矩远小于 80 a 和 100 a， 30% 的拧紧力矩 已经比较小了， 实际发生这类情况的几率较小。表 4 100% 负载率， 不同拧紧力矩下接线端子的稳定温度 tab. 4 stable temperature of the terminals under 100% load rates and different tightening torque型号负载率不同拧紧力矩下接线端子的稳定温度 （）上接线端子下接线端子30%50%70%100%30%50%70%100%c16100%-55 . 054 . 152 . 3-52 . 652 . 450 . 7c32100%-67 . 066 . 764 . 5-62 . 062 . 159 . 3c63100%-78 . 277 . 875 . 4-75 . 775 . 975 . 2c80100%75 . 169 . 869 . 965 . 981 . 873 . 972 . 971 . 1c100100%94 . 490 . 387 . 081 . 410994 . 989 . 589 . 2从 上面的数据可以看出 ， 除 了 额 定 电 流 100 a的断路器之外， 其他断路器上、 下接线端子在 50% 和 100% 两 种拧紧力矩情况下的稳定温度之差全部 小于 5 。 显然拧紧力矩对接线端子稳定温度的影 响远没有负载率明显。 但这并不是说拧紧力矩的影 响就可以忽略， 毕竟对于额定电流 80 a 和 100 a 的 断路器， 30% 拧紧力矩下， 接线端子的稳定温度比 100% 拧紧力矩下有大幅的增加。4. 3 不同布置方式下的接线端子温度对于额定电流 16 a 的断路器， 分别测试了单独 布置和两个 16 a 的断路器并排紧挨布置两种方式下 的接线端子温度。 表 5 列出了 100% 负载率， 两种布 置方式不同， 拧紧力矩下， 热电偶测得的接线端子的 稳定温度， 以及两种布置方式下， 相同拧紧力矩下稳 定温度的差值。表 5 100% 负载率， 两种布置方式不同拧紧力矩下 接线端子的稳定温度tab. 5 stable temperature of the terminals under 2 arrangement conditions of 100% load rates and different tightening torques型号负载率布置方式两种布置方式下接线端子的稳定温度（）上接线端子下接线端子50%70%100%50%70%100%c 16100 %单独布置55 . 154 . 352 . 352 . 652 . 550 . 7并排布置59 . 160 . 158 . 853 . 555 . 453 . 8稳定温度之差 （）4 . 05 . 86 . 50 . 92 . 93 . 1从上面的数据可以看出 ， 并排布置时接线端 子 的稳定温度确实高于单独布置时， 但是上、 下接线 端子所受影响的大小不同， 上接线端子的温度增幅 明显大于下接线端子。 单独布置时， 上、 下接线端 子的稳定温度均随着拧紧力矩的增大而减小， 并排 布置时则不尽然。 同时可以看出， 单独布置和并排 布置两种情况下接线端子稳定温度的差值随着拧紧 力矩增大而增大， 这是因为两种情况下稳定温度 的 变化趋势不相同， 并排布置时三种拧紧力矩情况下 稳定温度的差异很小， 单独布置时三种拧紧力矩情 况下稳定温度则随着拧紧力矩的增大而减小， 因此 才会出现如此的变化趋势。 可以说， 并排布置时拧 紧力矩的影响被进一步降低。4. 4 接线端子内部温度和表面温度对于断路器的每种工况， 被测接线端子均有两个 稳定温度， 分别为热电偶和红外热像仪测试数据， 下 面分析二者的差值与热像仪测试温度之间的关系。 按 热像仪测试温度的大小划分区间， 看看在不同的温度区间， 热电偶测得的接线端子内部温度和红外热像仪 测得的表面温度之间的温差有何变化。 具体方法是， 对某一确定温度区间， 将所有热电偶测试数据和对应 红外热像仪测试数据的温度差求平均值， 获得该温度 区间热电偶和红外热像仪测试数据的平均差值， 计算 结果如表 6 所示。表 6 温度差与热像仪测试温度大小的关系tab. 6 relationship between temperature difference and temperature measured by thermal imager温度区间（ ）特征值（ ）平均温度差（ ） 平 均 温 度 差 比值=特征值3040353 . 911 . 1%4050459 . 621 . 3%50605516 . 630 . 2%606562 . 518 . 830 . 1%从上面的数据可以看出， 对于小型断路器接线端 子， 随着接线端子温度的升高， 内外温差同时也在增大。 一般来讲， 以环境温度 25 为例， 接线端子表面温度低于 60 时， 内部温度不超过 80 ， 温升 为 55 ， 实际电气防火检测中可以此为临界点实现 简单判断。4. 5 个体差异分析对于额定电流分别为 16 a、 32 a、 63 a、 80 a 和100 a 的 4 极断路器， 两个完全相同的个体在 100%表 7 相同型号断路器， 相同情况下接线端子稳定温度对比tab. 7 comparison of the stable temperature of the terminals with the same model of circuit breakers under same conditions负载率 ， 70% 标准力矩 （4 极拧紧力矩相同） 下， 热 电偶测得的接线端子的稳定温度对比如表 7 所示。可以看出， 随着额定电流的增加 ， 型号相同的 断路器， 在相同测试工况下， 不同个体之间接 线端 子温度的差异也呈现 增 大 的 趋 势 。 笔 者 分 析 认 为 ， 随着断路器额定电流的增加， 断路器所压接的导线 线径也逐渐增大， 导线线径越大， 要想做到导 线与 接线端子之间的可靠、 统一的压接就越难， 即使拧 紧力矩相同， 也不能保证导线与接线端子的压接效 果 就 一 致 。 这 说 明 对 于 额定电流较大的小 型 断路 器 ， 尤 其 是 80 a 和 100 a 的 小 型 断 路 器 ， 因 为