矿用防爆开关温升影响因素分析与控制

矿用防爆开关温升影响因素分析与控制目前煤矿井下使用的防爆开关主要有矿用隔爆型馈电开关(以下简称馈电开关)和矿用隔爆型起动器(以下简称起动器)两大类，这两类产品的额定电流一般都在200～2000A范围，额定电压0.66、1.14、3.3、6、10kV。为了保证煤矿井下电力系统的正常运行和安全生产，在相应的产品标准中对防爆开关的温升极限及外壳表面允许的最高温度都做了严格规定。随着煤矿井下技术的发展，各种用电设备容量不断增加，但由于煤矿井下特殊环境的限制，对防爆开关的体积要求非但不能增大，还要有所减小，尤其是用于大型综采工作面的组合开关，采用的是多回路集中控制，要求产品的总控制容量要高、控制回路数要多、整机的体积不能过大，如何在产品设计和制造过程中从各种相关影响因素入手来控制温升成为了新产品研发的重要课题，针对产品影响温升的各种因素采取有效的设计、工艺、检测手段降低和控制产品发热已经成为产品从设计、研制直到出厂检验各环节都可能要面对的问题。本文主要针对矿用馈电开关和起动器在设计和制造过程中温升影响因素分析及控制进行阐述。一温升影响因素分析根据长期对馈电开关和起动器温升试验结果的分析，影响此类产品温升主要有电阻损耗(包括载流导体电阻、接触电阻及元器件发热)、铁磁损耗、介质损耗等三方面因素构成，必须在产品设计阶段对这些因素仔细分析和考虑，才能获得的较为完善的技术方案，满足产品技术要求，消除产品过热引起的隐患和危害。1.1电阻损耗的影响产品通常在设计阶段都充分考虑了主电路具有足够的导电截面，直接由于导电截面不够的设计缺陷引起温升过高的问题极少，但由于馈电开关和起动器隔爆腔体容积有限，内部结构非常紧凑，为便于产品装配和维护，在设计主电路导体连接处的固定安装孔直径尺寸时往往偏大，例如使用M10螺栓连接的铜母线，穿螺栓的孔径达φ13，甚至13×20的长圆孔，有的产品上连接孔数量也偏多,过多去除了导体材料，使导体连接处实际的有效导电截面和接触面大幅度减小，导致电流线急剧收缩，形成导电“瓶颈”，使该部位电阻值大幅增加。每台产品此类型开孔数从24～96不等，经温升试验数据表明，与孔径为φ11单孔的相同紧固连接相比，仅这一个类型缺陷导致的温升就上升了近3K，如果再考虑此处热量向周围传递产生的热效应，其影响更不容忽视。还有在使用圆形截面的电缆时，为方便连接，将接触部位压成扁平状，并开大直径螺栓连接孔，也同样形成导电“瓶颈”，此外还必须考虑这类连接在紧固螺栓作用下产生的接触压力，压力值也是直接影响温升的重要因素，只有在足够的接触压力下，才能够有效破坏接触面上的尘埃膜、吸附膜和金属化合物无机膜、增加微观接触点数量，从而达到降低接触电阻的目的。而目前大多数生产企业在产品制造、检验过程中都没有对接触压力的量化要求，仅凭借目测弹簧垫圈是否压平或拧紧操作的手感来完成铜母线的螺栓连接，使得产品导体连接的紧固质量因为仅凭借目测或手感操作而出现一定的分散性，由此可能会出现两个问题：其一，如果接触压力不够，无法达到破坏接触面上的尘埃膜、吸附膜和金属化合物无机膜、增加微观接触点数量、降低接触电阻的目的，导致温升过高。其二，如果拧紧力矩过大，虽然接触压力暂时达到了要求，但可能会使铜质螺纹受到损伤，影响紧固作用，长期运行过程中多次通断操作引起该部位热胀冷缩导致紧固松动，接触电阻反而会升高，同样导致温升过高。再者接触电阻与拧紧力矩也只是在一定范围呈近似反比关系，例如试验中对于某个M8铜质螺栓式导电杆连接的主电路接触面电阻值随压力变化的实验表明，拧紧螺栓的力矩从10N·m至25N·m逐渐增加时，该接触面的电阻值也逐渐减小，当拧紧力矩大于25N·m时，电阻值基本不再减小。所以仅凭借目测或手感获得的接触压力很可能会造成温升的不确定性，无法保证产品的一致性。矿用防爆开关温升影响因素分析与控制另外，我们在对防爆开关内装多种元器件单独进行温升抽检试验和直流电阻测试发现，有些厂家生产的元器件自身的温升已经超过国家标准规定的温升极限，或直流电阻值与正常产品相比明显过高，成为影响防爆开关整机温升的固有因素，使产品在长期工作时下存在隐患。1.2铁磁损耗的影响由于馈电开关和起动器的内部装有断路器、接触器、隔离开关、电源变压器、电流互感器、电抗器、保护装置等多种元器件(这些元器件自身的发热不属于本文讨论范围)，结构非常紧凑，有些技术人员在产品结构设计阶段较多注重解决如何将大量元器件布置在尽可能小的空间内，而忽视了固定安装这些元器件的支架和安装板等结构件与隔爆腔体等钢材制件极易形成包围载流导体的结构，使载流导体产生的磁通经过铁质零件形成闭合磁路，通常用于制造结构件的钢材其最大铁损P15/50数值很高，磁滞回线面积宽大，这些结构件本身较厚，在交变磁场作用下，会产生的磁滞损耗和涡流损耗，这部分包围载流体的铁质零部件中铁磁能量损耗转化为热量后，导致零部件发热，成为加热产品整机的主要热源之一，直接使产品的温升升高。在对某型号六回路起动器温升试验超标问题分析时，就发现产品隔爆腔体内部存在2个由固定安装结构件被主电路穿过形成的闭合磁路，成为影响温升超标的主要因素之一。通过对多种规格型号产品的试验分析表明，结构相对更复杂的多回路产品出现的铁磁损耗问题较单回路产品严重得多。1.3介质损耗的影响矿用馈电开关和起动器的额定电压通常较高，大多数为1.14kV、3.3kV，还有一部分为6kV、10kV高压起动器。在产品狭小的隔爆腔体内部装有多种元器件，结构既复杂紧凑，又对绝缘强度有较高要求，必须要采用大量绝缘材料，例如主电路涂覆热成型绝缘涂层、用热固性塑料压制成型母排外层或套装各种热收缩绝缘套管才能满足国家标准规定的4.2kV(1.14kV)、12kV(3.3kV)、23kV(6kV)、30kV(10kV)工频耐压和12kV(1.14kV)、18kV(3.3kV)、40kV(6kV)、60kV(10kV)脉冲耐压试验要求，以保证产品在煤矿井下安全正常工作。而从1.14kV到10kV的额定工作电压在产品内部形成的电场强度较高，远高于地面常用的电力系统电场强度，又因结构需要使用了大量绝缘材料，介质损耗的影响就不能忽略不计了。防爆开关在如此高的额定工作电压下长期工作，由介质损耗引起的温升增高不仅会影响到整机温升，还会使绝缘材料由于过度发热加速老化而产生击穿。二温升影响因素的控制2.1电阻损耗影响因素的控制通过实质性改善电接触状态降低发热来控制温升是目前开关电器产品研发过程中首选的方法。由于接触电阻是产品由零件组装成整机形成的附加电阻，所以在设计产品主电路连接部位的形状结构时，选择合理的接触形式并采用合适的截面形状使接触电阻降至最低尤为重要。首先应该通过合理设计导体连接处固定安装孔的形状和孔径、尽量减少孔的数量等措施来尽可能减少主电路导体连接处导电材料的去除量。尽量减小孔与螺栓直径的差;不要采用长圆孔。例如有的产品在铜母线连接部位须加工台阶形圆孔容纳紧固螺栓的螺栓头，选用六角头螺栓还是内六角头螺栓对开孔的直径大小就有很大影响，以M12螺栓为例，分别是φ32和φ20，两者所需孔径相差35%以上，材料去除量相差2.5倍，孔径大小决定了导电材料的去除量多少，直接影响到了有效导电截面。通常对于固定接触部位都利用用接触压力破坏各类表面膜、增加接触点数量来降低接触电阻，但在具体产品的实验中却观察到接触压力并非越大越好，拧紧力矩过大有可能会使铜质导电件的内外螺纹受到损伤，长期通电运行后接触电阻反而会升高。所以对主电路螺栓连接部位的拧紧力矩应通过实验控制在一个合适的范围。批量生产时最好使用输出力矩可调的电动工具或普通力矩扳手，以适应不同拧紧力矩的要求，保证达到应有的接触压力。接触部位采用的镀层形式对降低接触电阻和保证长期通电运行时保持接触电阻基本不变也有不可忽略的作用，采用镀银层效果最佳已是不争的事实，但必须对镀层厚度和镀层质量进行控制，才能使镀层起到降低接触电阻的作用。在进行防爆开关内部所装的断路器、接触器、隔离开关、电源变压器、电流互感器、电抗器等元器件选型时，应考虑采用低温升的元器件，因为元器件的发热是产品整机最主要的发热源，不同厂家的同类内装元器件的温升差别较大。例如一台六回路组合开关容积为1200×800×600mm的隔爆腔体内需装入六台400A真空接触器和三台450A换向隔离开关，这些元器件本身的发热直接影响整机温升，通过温升试验对不同厂家的同类内装元器件进行对比，掌握其发热情况是选型的重要技术手段。2.2铁磁损耗的控制通常在产品设计过程中首先考虑的是如何将多种关键元器件布置安装在紧凑狭小的隔爆腔体内，用于固定安装这些元器件的底板、支架、垫块、支座甚至螺栓螺母等结构件之间以及结构件与钢质壳体之间可能形成多个有电流穿过的闭合磁路，解决此类问题的原则就是切断闭合磁路和减少被交变电流反复磁化的零部件。在仔细分析出闭合磁路和被交变电流反复磁化时发热显著的零部件后，用不锈钢或黄铜等材料制造部分结构件取代原设计中的钢质结构件，阻断磁通消除涡流损耗，避免被交变电流反复磁化出现的磁滞损耗。亦可用不锈钢或黄铜材料的隔板加装在合适位置来消除铁磁损耗。对于大量使用M8～M12螺栓螺母的多回路组合开关，有些部位的螺栓螺母也应采用黄铜材料。如果能在最初设计阶段就将切断闭合磁路的作用考虑进去的话，可设计成分立形式或在各种结构件上面开槽达到切断磁路的效果。根据对多种型号的防爆开关产品试验数据对比表明，采用上述措施降低温升效果较为明显，固定安装结构件和产品标准规定必须考核温升的相应部位温升下降可达1.8-3.1K。2.3介质损耗的控制由于矿用防爆开关的额定电压较高，隔爆腔体内部空间狭小，必须大量使用绝缘材料来保证的整机的介电性能，介质损耗影响难以避免。通常认为介质损耗与绝缘材料的密度、分子链结构等因