目前煤礦井下使用的防爆開關(guān)主要有礦用隔爆型饋電開關(guān)(以下簡(jiǎn)稱饋電開關(guān))和礦用隔爆型起動(dòng)器(以下簡(jiǎn)稱起動(dòng)器)兩大類，這兩類產(chǎn)品的額定電流一般都在200～2000A范圍，額定電壓0.66、1.14、3.3、6、10kV。為了保證煤礦井下電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)，在相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)防爆開關(guān)的溫升極限及外殼表面允許的溫度都做了嚴(yán)格規(guī)定。隨著煤礦井下技術(shù)的發(fā)展，各種用電設(shè)備容量不斷增加，但由于煤礦井下特殊環(huán)境的限制，對(duì)防爆開關(guān)的體積要求非但不能增大，還要有所減小，尤其是用于大型綜采工作面的組合開關(guān)，采用的是多回路集中控制，要求產(chǎn)品的總控制容量要高、控制回路數(shù)要多、整機(jī)的體積不能過大，如何在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中從各種相關(guān)影響因素入手來控制溫升成為了新產(chǎn)品研發(fā)的重要課題，針對(duì)產(chǎn)品影響溫升的各種因素采取有效的設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)手段降低和控制產(chǎn)品發(fā)熱已經(jīng)成為產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、研制直到出廠檢驗(yàn)各環(huán)節(jié)都可能要面對(duì)的問題。

本文主要針對(duì)礦用饋電開關(guān)和起動(dòng)器在設(shè)計(jì)和制造過程中溫升影響因素分析及控制進(jìn)行闡述。

一 溫升影響因素分析

根據(jù)長期對(duì)饋電開關(guān)和起動(dòng)器溫升試驗(yàn)結(jié)果的分析，影響此類產(chǎn)品溫升主要有電阻損耗(包括載流導(dǎo)體電阻、接觸電阻及元器件發(fā)熱)、鐵磁損耗、介質(zhì)損耗等三方面因素構(gòu)成，必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)這些因素仔細(xì)分析和考慮，才能獲得的較為完善的技術(shù)方案，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，消除產(chǎn)品過熱引起的隱患和危害。

1.1 電阻損耗的影響

產(chǎn)品通常在設(shè)計(jì)階段都充分考慮了主電路具有足夠的導(dǎo)電截面，直接由于導(dǎo)電截面不夠的設(shè)計(jì)缺陷引起溫升過高的問題極少，但由于饋電開關(guān)和起動(dòng)器隔爆腔體容積有限，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，為便于產(chǎn)品裝配和維護(hù)，在設(shè)計(jì)主電路導(dǎo)體連接處的固定安裝孔直徑尺寸時(shí)往往偏大，例如使用M10螺栓連接的銅母線，穿螺栓的孔徑達(dá)φ13，甚至13×20的長圓孔，有的產(chǎn)品上連接孔數(shù)量也偏多,過多去除了導(dǎo)體材料，使導(dǎo)體連接處實(shí)際的有效導(dǎo)電截面和接觸面大幅度減小，導(dǎo)致電流線急劇收縮，形成導(dǎo)電“瓶頸”，使該部位電阻值大幅增加。每臺(tái)產(chǎn)品此類型開孔數(shù)從24～96不等，經(jīng)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與孔徑為φ11單孔的相同緊固連接相比，僅這一個(gè)類型缺陷導(dǎo)致的溫升就上升了近3K，如果再考慮此處熱量向周圍傳遞產(chǎn)生的熱效應(yīng)，其影響更不容忽視。還有在使用圓形截面的電纜時(shí)，為方便連接，將接觸部位壓成扁平狀，并開大直徑螺栓連接孔，也同樣形成導(dǎo)電“瓶頸”，此外還必須考慮這類連接在緊固螺栓作用下產(chǎn)生的接觸壓力，壓力值也是直接影響溫升的重要因素，只有在足夠的接觸壓力下，才能夠有效破壞接觸面上的塵埃膜、吸附膜和金屬化合物無機(jī)膜、增加微觀接觸點(diǎn)數(shù)量，從而達(dá)到降低接觸電阻的目的。而目前大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品制造、檢驗(yàn)過程中都沒有對(duì)接觸壓力的量化要求，僅憑借目測(cè)彈簧墊圈是否壓平或擰緊操作的手感來完成銅母線的螺栓連接，使得產(chǎn)品導(dǎo)體連接的緊固質(zhì)量因?yàn)閮H憑借目測(cè)或手感操作而出現(xiàn)一定的分散性，由此可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：其一，如果接觸壓力不夠，無法達(dá)到破壞接觸面上的塵埃膜、吸附膜和金屬化合物無機(jī)膜、增加微觀接觸點(diǎn)數(shù)量、降低接觸電阻的目的，導(dǎo)致溫升過高。其二，如果擰緊力矩過大，雖然接觸壓力暫時(shí)達(dá)到了要求，但可能會(huì)使銅質(zhì)螺紋受到損傷，影響緊固作用，長期運(yùn)行過程中多次通斷操作引起該部位熱脹冷縮導(dǎo)致緊固松動(dòng)，接觸電阻反而會(huì)升高，同樣導(dǎo)致溫升過高。再者接觸電阻與擰緊力矩也只是在一定范圍呈近似反比關(guān)系，例如試驗(yàn)中對(duì)于某個(gè)M8銅質(zhì)螺栓式導(dǎo)電桿連接的主電路接觸面電阻值隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)表明，擰緊螺栓的力矩從10N·m至25N·m逐漸增加時(shí)，該接觸面的電阻值也逐漸減小，當(dāng)擰緊力矩大于25N·m時(shí)，電阻值基本不再減小。所以僅憑借目測(cè)或手感獲得的接觸壓力很可能會(huì)造成溫升的不確定性，無法保證產(chǎn)品的一致性。

另外，我們?cè)趯?duì)防爆開關(guān)內(nèi)裝多種元器件單獨(dú)進(jìn)行溫升抽檢試驗(yàn)和直流電阻測(cè)試發(fā)現(xiàn)，有些廠家生產(chǎn)的元器件自身的溫升已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升極限，或直流電阻值與正常產(chǎn)品相比明顯過高，成為影響防爆開關(guān)整機(jī)溫升的固有因素，使產(chǎn)品在長期工作時(shí)下存在隱患。

1.2 鐵磁損耗的影響

由于饋電開關(guān)和起動(dòng)器的內(nèi)部裝有斷路器、接觸器、隔離開關(guān)、電源變壓器、電流互感器、電抗器、保護(hù)裝置等多種元器件(這些元器件自身的發(fā)熱不屬于本文討論范圍)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，有些技術(shù)人員在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段較多注重解決如何將大量元器件布置在盡可能小的空間內(nèi)，而忽視了固定安裝這些元器件的支架和安裝板等結(jié)構(gòu)件與隔爆腔體等鋼材制件極易形成包圍載流導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，使載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過鐵質(zhì)零件形成閉合磁路，通常用于制造結(jié)構(gòu)件的鋼材其鐵損P15/50數(shù)值很高，磁滯回線面積寬大，這些結(jié)構(gòu)件本身較厚，在交變磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，這部分包圍載流體的鐵質(zhì)零部件中鐵磁能量損耗轉(zhuǎn)化為熱量后，導(dǎo)致零部件發(fā)熱，成為加熱產(chǎn)品整機(jī)的主要熱源之一，直接使產(chǎn)品的溫升升高。在對(duì)某型號(hào)六回路起動(dòng)器溫升試驗(yàn)超標(biāo)問題分析時(shí)，就發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品隔爆腔體內(nèi)部存在2個(gè)由固定安裝結(jié)構(gòu)件被主電路穿過形成的閉合磁路，成為影響溫升超標(biāo)的主要因素之一。通過對(duì)多種規(guī)格型號(hào)產(chǎn)品的試驗(yàn)分析表明，結(jié)構(gòu)相對(duì)更復(fù)雜的多回路產(chǎn)品出現(xiàn)的鐵磁損耗問題較單回路產(chǎn)品嚴(yán)重得多。

1.3 介質(zhì)損耗的影響

礦用饋電開關(guān)和起動(dòng)器的額定電壓通常較高，大多數(shù)為1.14kV、3.3kV，還有一部分為6kV、10kV高壓起動(dòng)器。在產(chǎn)品狹小的隔爆腔體內(nèi)部裝有多種元器件，結(jié)構(gòu)既復(fù)雜緊湊，又對(duì)絕緣強(qiáng)度有較高要求，必須要采用大量絕緣材料，例如主電路涂覆熱成型絕緣涂層、用熱固性塑料壓制成型母排外層或套裝各種熱收縮絕緣套管才能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4.2kV(1.14kV)、12kV(3.3kV)、23 kV(6kV)、30kV(10kV)工頻耐壓和12kV(1.14kV)、18kV(3.3kV)、40kV(6kV)、60kV(10kV)脈沖耐壓試驗(yàn)要求，以保證產(chǎn)品在煤礦井下安全正常工作。而從

1.14kV到10kV的額定工作電壓在產(chǎn)品內(nèi)部形成的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，遠(yuǎn)高于地面常用的電力系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度，又因結(jié)構(gòu)需要使用了大量絕緣材料，介質(zhì)損耗的影響就不能忽略不計(jì)了。防爆開關(guān)在如此高的額定工作電壓下長期工作，由介質(zhì)損耗引起的溫升增高不僅會(huì)影響到整機(jī)溫升，還會(huì)使絕緣材料由于過度發(fā)熱加速老化而產(chǎn)生擊穿。

二 溫升影響因素的控制

2.1 電阻損耗影響因素的控制

通過實(shí)質(zhì)性改善電接觸狀態(tài)降低發(fā)熱來控制溫升是目前開關(guān)電器產(chǎn)品研發(fā)過程中的方法。由于接觸電阻是產(chǎn)品由零件組裝成整機(jī)形成的附加電阻，所以在設(shè)計(jì)產(chǎn)品主電路連接部位的形狀結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇合理的接觸形式并采用合適的截面形狀使接觸電阻降至尤為重要。首先應(yīng)該通過合理設(shè)計(jì)導(dǎo)體連接處固定安裝孔的形狀和孔徑、盡量減少孔的數(shù)量等措施來盡可能減少主電路導(dǎo)體連接處導(dǎo)電材料的去除量。盡量減小孔與螺栓直徑的差;不要采用長圓孔。例如有的產(chǎn)品在銅母線連接部位須加工臺(tái)階形圓孔容納緊固螺栓的螺栓頭，選用六角頭螺栓還是內(nèi)六角頭螺栓對(duì)開孔的直徑大小就有很大影響，以M12螺栓為例，分別是φ32和φ20，兩者所需孔徑相差35%以上，材料去除量相差2.5倍，孔徑大小決定了導(dǎo)電材料的去除量多少，直接影響到了有效導(dǎo)電截面。

通常對(duì)于固定接觸部位都利用用接觸壓力破壞各類表面膜、增加接觸點(diǎn)數(shù)量來降低接觸電阻，但在具體產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)中卻觀察到接觸壓力并非越大越好，擰緊力矩過大有可能會(huì)使銅質(zhì)導(dǎo)電件的內(nèi)外螺紋受到損傷，長期通電運(yùn)行后接觸電阻反而會(huì)升高。所以對(duì)主電路螺栓連接部位的擰緊力矩應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)控制在一個(gè)合適的范圍。批量生產(chǎn)時(shí)使用輸出力矩可調(diào)的電動(dòng)工具或普通力矩扳手，以適應(yīng)不同擰緊力矩的要求，保證達(dá)到應(yīng)有的接觸壓力。

接觸部位采用的鍍層形式對(duì)降低接觸電阻和保證長期通電運(yùn)行時(shí)保持接觸電阻基本不變也有不可忽略的作用，采用鍍銀層效果已是不爭(zhēng)的事實(shí)，但必須對(duì)鍍層厚度和鍍層質(zhì)量進(jìn)行控制，才能使鍍層起到降低接觸電阻的作用。

在進(jìn)行防爆開關(guān)內(nèi)部所裝的斷路器、接觸器、隔離開關(guān)、電源變壓器、電流互感器、電抗器等元器件選型時(shí)，應(yīng)考慮采用低溫升的元器件，因?yàn)樵骷陌l(fā)熱是產(chǎn)品整機(jī)主要的發(fā)熱源，不同廠家的同類內(nèi)裝元器件的溫升差別較大。例如一臺(tái)六回路組合開關(guān)容積為1200×800×600mm的隔爆腔體內(nèi)需裝入六臺(tái)400A真空接觸器和三臺(tái)450A換向隔離開關(guān)，這些元器件本身的發(fā)熱直接影響整機(jī)溫升，通過溫升試驗(yàn)對(duì)不同廠家的同類內(nèi)裝元器件進(jìn)行對(duì)比，掌握其發(fā)熱情況是選型的重要技術(shù)手段。

2.2 鐵磁損耗的控制

通常在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中首先考慮的是如何將多種關(guān)鍵元器件布置安裝在緊湊狹小的隔爆腔體內(nèi)，用于固定安裝這些元器件的底板、支架、墊塊、支座甚至螺栓螺母等結(jié)構(gòu)件之間以及結(jié)構(gòu)件與鋼質(zhì)殼體之間可能形成多個(gè)有電流穿過的閉合磁路，解決此類問題的原則就是切斷閉合磁路和減少被交變電流反復(fù)磁化的零部件。在仔細(xì)分析出閉合磁路和被交變電流反復(fù)磁化時(shí)發(fā)熱顯著的零部件后，用不銹鋼或黃銅等材料制造部分結(jié)構(gòu)件取代原設(shè)計(jì)中的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)件，阻斷磁通消除渦流損耗，避免被交變電流反復(fù)磁化出現(xiàn)的磁滯損耗。亦可用不銹鋼或黃銅材料的隔板加裝在合適位置來消除鐵磁損耗。對(duì)于大量使用M8～M12螺栓螺母的多回路組合開關(guān)，有些部位的螺栓螺母也應(yīng)采用黃銅材料。如果能在初設(shè)計(jì)階段就將切斷閉合磁路的作用考慮進(jìn)去的話，可設(shè)計(jì)成分立形式或在各種結(jié)構(gòu)件上面開槽達(dá)到切斷磁路的效果。根據(jù)對(duì)多種型號(hào)的防爆開關(guān)產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，采用上述措施降低溫升效果較為明顯，固定安裝結(jié)構(gòu)件和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須考核溫升的相應(yīng)部位溫升下降可達(dá)1.8-3.1K。

2.3 介質(zhì)損耗的控制

由于礦用防爆開關(guān)的額定電壓較高，隔爆腔體內(nèi)部空間狹小，必須大量使用絕緣材料來保證的整機(jī)的介電性能，介質(zhì)損耗影響難以避免。通常認(rèn)為介質(zhì)損耗與絕緣材料的密度、分子鏈結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，但實(shí)際選用時(shí)難以獲得這些數(shù)據(jù)，可通過材料的熱傳導(dǎo)性能間接反映，因?yàn)橥瑯悠贩N的絕緣材料的介質(zhì)損耗不同，在一定程度上會(huì)體現(xiàn)出其熱傳導(dǎo)性能差別較大。例如在對(duì)比試驗(yàn)中就觀察到防爆開關(guān)常用的熱收縮絕緣套管和銅母排絕緣熱涂覆材料，不同廠家、不同型號(hào)的同類材料因密度、分子鏈結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致熱傳導(dǎo)性能差別較大，直接影響所在部位的散熱效果，所以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇熱傳導(dǎo)性能較好的絕緣材料可以有效抵消介質(zhì)損耗引起的發(fā)熱，達(dá)到控制產(chǎn)品溫升的目的。

三 結(jié)語

防爆開關(guān)的溫升影響因素是多種因素的綜合而導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)熱，所以也要綜合采用多種控制手段才能有效解決產(chǎn)品發(fā)熱，降低溫升。基本原則是從控制電阻損耗、鐵磁損耗、介質(zhì)損耗三方面入手來降低產(chǎn)品溫升，集多項(xiàng)細(xì)微效果而成顯著效果。

由于電器設(shè)備的熱計(jì)算是從理論上進(jìn)行分析，難以兼顧實(shí)際產(chǎn)品尤其像礦用防爆開關(guān)這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特種電器中存在的各種特定因素，所以在產(chǎn)品研發(fā)過程中利用試驗(yàn)手段和數(shù)據(jù)確定引起發(fā)熱的部位、分析對(duì)比產(chǎn)品改進(jìn)前后溫升變化就顯得非常重要，從而為評(píng)價(jià)溫升影響因素的控制效果提供可靠直觀的依據(jù)和積累豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能顯著提高產(chǎn)品研發(fā)和改進(jìn)的工作效率，是礦用防爆開關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和改進(jìn)時(shí)采用的主要方法之一。

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