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周围空气温度对接触器温升影响的探讨

2024-04-24

一.概述
   什么是温升?GBT 2900.18“电工术语低压电器”是这样定义的“温升temperature rise 电器在额定工作制下各零部件的温度和周围空气温度之差值。”
    要确定电器的温升,就要进行电器的温升试验。国家标准GB14048.1“低压开关设备和控制设备第1部分:总则”第8.3.3.3条对低压电器的温升试验有着详细的规定。
    其中第8.3.3.3.1条“周围空气温度的测量”中规定,“试验中,周围空气温度应在+10℃～+40℃之间,其变化应不超过10K。”
    标准中并未规定在不同的周围空气温度下进行温升试验时,需要对温升值进行修正或将温升折算到某标准的周围空气温度值下。
    这就意味着,只要在周围空气温度在+10℃～+40℃之间,其变化不超过10K时,所进行的温升试验测量所得的温升值,均可以作为低压电器温升试验是否合格的依据。
    那么,正如我们理解的那样,是否周围空气温度在+10℃～+40℃之间,对电器的温升试验没有影响或者其影响可以忽略不计呢?
    本文对此进行探讨。
二.温度对电阻的影响
    我们知道金属物体的体电阻是随温度的变化而变化的。这个变化我们叫他电阻率温度系数。该系数与温度有关。
对于纯铜的电阻率温度系数,在0℃～+40℃范围内,不同的资料有不同的描述。
    在GB14048.1(8.3.3.3.2)公式中取
      α₀= 1/234.5 = 0.004264
    注:标准中并未指出该电阻率温度系数对应的温度,但从公式本身判断应该对应于0℃。
    在GB/T 3048.2(附录B)中取 α₂₀= 0.00393 /℃
    在GB/T 60851-1(3)中取 α₂₀= 0.00396 /K
    在一些资料中给出了以 20℃为基准,不同温度下铜的电阻率温度系数的变化系数。
    计算不同温度下电阻通常有两个公式:
    以20℃为基准 R_t=R₂₀ * (1+α₂₀(t-20))   α₂₀=0.00393 /k    公式1  (GB/T 3048.2)
    以0℃为基准 R_t= R₀ * (1+α₀t)         α₀=0.004264 /k     公式2 (GB14048.1)
    计算两公式误差:
    以20℃时的电阻R₂₀为基准进行比较
    (R_T20-R_T0)/R_T20 = 1-R_T0/R_T20 =1-(1+tα₀)/ (1+20α₀)/(1+α₂₀(t-20))
    以40℃为例,
     (R_T20-R_T0)/R_T20 = 1-(1+400.004264)/(1+200.004264)/(1+0.00393(40-20))
        =0.000025
    计算结果显示,误差很小,可以忽略不计,二公式均可使用。经实际核算,采用其它不同温度下的温度系数,计算结果均相差无几。采用公式2计算比较方便。
    以0℃时的电阻R₀为基准,温度变化1℃,电阻变化0.426%
三.温升试验温度对温升的影响
    对于以铜、银或铜基、银基材料发热为主的电器,在温升试验达到静态稳定时,可以采用牛顿公式计算温升。
     P=K_TFτ
     τ= θ-θ₀
    式中:P:散热功耗 (W);
    K_T:综合传热系数(W/( m2K));
     F:有效散热面积(m2);
    τ: 发热体温升(K);
    θ: 温升试验稳定时的导线温度;
     θ₀:周围空气温度;
    综合传热系数K_T与导体材料、导体布置方式、导体截面尺寸及温升有关。
    导线的损耗PR在不考虑趋肤效应和临近效应的情况下为
      P_R = I²R = I²R0 (1+α₀θ)
    假设损耗全部变成发热,在发热和散热平衡时
      P= P_R
      K_TF(θ-θ₀)= I²R₀ (1+α₀θ)
    经整理
    τ= θ-θ₀ = (1+α₀θ₀)/(K_TF/I²R₀-α₀)
     =τ₀ (1+α₀θ₀)
    式中:τ₀为θ₀ = 0℃时的温升
     α₀=0.004264 /k
    当环境温度从0℃增加到+40℃,温升增加了17%。如果以25℃为基准,在环境温度+10℃～+40℃之间进行温升试验时,温升的变化为±6.1%。
四.接触器温升试验中周围空气温度对电器温升的影响
1.当周围空气温度低于+10℃时:
    早期的温升试验标准(GB 998)曾经规定,试验在周围空气温度+10℃～+40℃的范围内进行时,“此时温升数据无需加以修正。如果周围空气温度低于10℃,被试电器是由铜、银或铜基、银基材料构成,则可以采用周围空气温度每降低10℃,温升读数应增加4%的近似线性关系对试验结果进行修正。”
    GB14048.1新标准只规定了“试验中,周围空气温度应在+10℃～+40℃之间”,并未规定当低于周围空气温度10℃时的修问题。这是为了使标准的规定更加灵活,是否要进行修正可以在产品的具体标准中进行规定。因为,不同的电器,由于结构、材料不同,周围空气温度对温升的影响是不同的,在“总则”中予以具体规定并非十分妥当。
    对于接触器,除固体和真空接触器外,大部分由铜、银或铜基、银基材料构成,因此,可以参照GB998的原规定,用周围空气温度每降低10℃,温升读数应增加4%的近似线性关系对试验结果进行修正。
2.当周围空气温度高于+40℃时:
    我们很难确定每台接触器当周围空气温度高于+40℃时,功耗改变时对温升的影响。但是一些知名电器公司提供的当周围空气温度超过40℃时电器降容使用的规律可作为参考。
1) ABB数据:

_AF ₀₉ ₁₂ ₁₆ ₂₆ ₃₀ ₄₀ ₅₀ ₆₃ ₇₅ ₉₅ ₁₁₀ ₁₄₅ ₁₈₅ ₂₁₀ ₂₆₀ ₄₀₀ ₄₆₀ ₅₈₀ ₇₅₀ ₁₂₅₀ ₁₃₅₀ ₁₆₅₀ ₂₀₅₀
_40℃ ₂₅ ₂₇ ₃₀ ₄₅ ₅₅ ₆₀ ₁₀₀ ₁₁₅ ₁₂₅ ₁₄₅ ₁₆₀ ₂₅₀ ₂₇₅ ₃₅₀ ₄₀₀ ₆₀₀ ₇₀₀ ₈₀₀ ₁₀₅₀ ₁₂₆₀ ₁₃₅₀ ₁₆₅₀ ₂₀₅₀
_55℃ ₂₂ ₂₅ ₂₇ ₄₀ ₄₅ ₅₀ ₈₅ ₉₅ ₁₀₅ ₁₃₅ ₁₄₅ ₂₃₀ ₂₅₀ ₃₀₀ ₃₅₀ ₅₀₀ ₆₀₀ ₇₀₀ ₈₇₅ ₁₀₄₀ ₁₁₅₀ ₁₄₅₀ ₁₇₅₀
_70℃ ₁₈ ₂₃ ₂₄ ₃₂ ₃₉ ₄₂ ₇₀ ₈₀ ₈₅ ₁₁₅ ₁₃₀ ₁₈₀ ₁₈₀ ₂₄₀ ₂₉₀ ₄₀₀ ₄₈₀ ₅₈₀ ₇₀₀ ₈₇₅ ₁₀₀₀ ₁₂₇₀ ₁₅₀₀
_40-55 _1.25 _2.03 _1.5 _1.35 _0.83 _0.9 ₁ _0.86 _0.94 _2.18 _1.6 _1.88 _1.65 _1.05 _1.2 _0.9 _1.05 _1.2 _0.9 _0.86 _1.01 _1.24 _1.03
_55-70 _0.83 _3.75 _1.01 _0.75 _1.13 _0.94 _0.85 _0.95 _0.79 _1.01 _1.45 _0.69 _0.54 _0.75 _0.88 _0.75 _0.75 _0.88 _0.75 _0.95 _1.15 _1.21 _1.05
_40-70 _1.07 _2.7 _1.29 _1.04 _1.03 ₁ ₁ _0.99 _0.94 _1.45 _1.6 _1.07 _0.87 _0.95 _1.09 _0.9 _0.95 _1.09 _0.9 _0.98 _1.16 _1.3 _1.12
     表中:40-50的值=(55-40) / (I₄₀-I₅₅)I₄₀/100 %     55-70的值=(70-55) / (I₅₅-I₇₀)I₅₅/100 %
    40-70的值=(70-40) / (I₄₀-I₇₀)I₄₀/100 %     下同
    平均:周围空气温度超过40℃时,电流每减小1%,温度降低1.15K
2) 施耐德数据

LC1F 185 225 265 330 400 500 630 780 800 1700 2100
40℃ 275 315 350 400 500 700 1000 1600 1000 1700 2100
60℃ 275 280 300 360 430 580 850 1350 850 1450 1750
40-60
1.8 1.4 2 1.43 1.17 1.33 1.28 1.33 1.36 1.2
    平均:周围空气温度超过40℃时,电流每减小1%,温度降低1.4K
3) 伊顿公司数据

DIL 185 225 250 300 400 500 500 650 750 820 1000 1600 1400 2000 2200 2600
40℃ 337 386 430 490 612 857 980 1041 1102 1225 1225 2200 1714 2450 2700 3185
50℃ 301 345 380 438 548 767 876 931 986 1095 1095 1970 1533 2190 2400 2847
55℃ 287 329 365 417 522 731 836 888 940 1044 1044 1880 1462 2089 2300 2716
60℃ 276 315 350 400 500 700 800 850 900 1000 1000 1880 1400 2000 2200 2600
40-60 1.1 1.09 1.08 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09 1.38 1.09 1.09 1.08 1.09

    平均:周围空气温度超过40℃时,电流每减小1%,温度降低1.1K
    上述数据应该理解为在产品进行温升试验时,当温升达到稳定时的数据。
    取各家之平均值,电流每变化1%,温度变化1.2K。假定接线端温升为70K,则电流每变化1%,接线端温升变化1.7%。
    温升试验的功耗主要为电阻发热性质,
     W=I²R
     dW=RdI²+ I²dR=2IRdI+I²dR
    dW/W= (2IRdI+I²dR)/(I²R)
     当电阻不变时
    dW/W= (2IRdI)/(I²R)=2dI/I
     即电流变化1%时,功率变化2%
     当电流不变时
    dW/W=dR/R
    即电阻变化1%时,功率变化1%
    由于电流变化1%时,温升变化1.7%,因此,电阻变化1%时,温升将变化0.85%。
    根据“二”的及上述分析,可以得出温度变化1℃,电阻变化0.426%,温升将变化0.36%的结论。这一结论与GB998中的规定的0.4%是基本一致的。当温升为70K时,温升将变化0.25K。
3.当周围空气温度在+10℃～+40℃之间
    标准规定:
    “试验中,周围空气温度应在+10℃～+40℃之间,其变化应不超过10K。如果周围空气温度的变化超过3K,应按电器的热时间常数用适当的修正系数对测得的部件温升予以修正。”
    在各地电气试验单位的实践中,也是按此原则进行。无论是南方还是北方,无论是夏天还是冬天,只要周围空气温度在+10℃～+40℃之间,其温升试验都被认为有效。
    那么,是否周围空气温度在+10℃～+40℃之间,周围空气温度的变化对电器的温升试验没有影响或者其影响可以忽略不计呢?
    并非如此。
    在本条1和2中我们已经得知,周围空气温度低于+10℃时,周围空气温度每降低10℃,温升读数应增加4%的近似线性关系对试验结果进行修正。当周围空气温度高于+40℃时,周围空气温度每降低10℃,温升会增加3.6%。再通过第“三”条对“温升试验温度对温升的影响”的分析,显然,在周围空气温度在+10℃～+40℃时,周围空气温度每变化10℃,温升也会变化4～3.6%。
    标准中对“如果周围空气温度的变化超过3K,应按电器的热时间常数用适当的修正系数对测得的部件温升予以修正”的规定,也证明了周围空气温度的变化对温升的影响。周围空气温度的变化3K,相当于温升变化1K,当温升变化小于1K时可以不予考虑,当温升变化大于1K时就必须考虑当次试验的正确性,因此,需要加以修正。
    那么,为什么标准未规定周围空气温度的变化对温升的修正呢?我的理解是:
    温升试验是非破坏性试验,极限温升对电器性能的影响也是渐进的影响,因此,标准对温升试验的规定比较宽容,判断的容差率较大。除了规定周围空气温度在+10℃～+40℃时温升不作修正外,还如:试验铜导线的规格,在一定的电流范围内采用同一规格的导线,电流范围最大值与最小值的比从1.09(275A-300A)～1.56(32A-50A) ;100A及以上,同等电流导线截面积公制和英制差达0.89(225A)～1.31(100A);试验导线长度按1m、2m、3m分级,而电流大于400A时,规定的是最小长度;周围空气温度的变化不超过3K时试验温升不必修正;试验当每小时温升变化不超过1K时,可认为温升达到稳定状态,等等。
    标准作出上述规定,其目的是为了简化试验程序和试验设备规格,将条件多变的温升试验得到最大可能的简化。只要大家在统一的规定下进行试验,不管该规定是否完美,只要统一,那么无论对不同的客户还是不同的供应商大家都是平等的。
4.结论:
    根据以上分析,并依据实际经验,可以得出如下结论:如果被试接触器是由铜、银或铜基、银基材料构成,在周围空气温度+0℃～+60℃的范围内进行温升试验,温升在不超过80℃的范围内,则周围空气温度每变化10℃,温升将相应变化4%左右。
五.随笔
    标准规定温升试验时,周围空气温度在+10℃～+40℃之间的试验的结论均为正确。
    在10℃到40℃不同周围空气温度下进行温升试验,接触器的温升约有11%的差异,对于温升极限65℃或70℃而言,有7.2K到8K的温升变化。
    当前国内800A以上的大电流温升试验站,温升试验大部还不具备恒温的条件。温升试验时,周围空气温度冬季较冷,夏季较热。
    对于一些在较高环境温度下极限温升难以通过,且差异在3-5K的大电流接触器,在进行需要出具合格证书的温升试验时,不妨在冬季到不具备恒温条件的试验站去做试验,也许就能得到一份货真价实、合理合法且符合国家标准的温升试验合格报告。
参考文献
1.GBT 2900.18“电工术语低压电器”
2.GB14048.1“低压开关设备和控制设备第1部分:总则”
3.GB/T 60851-1 “绕组线试验方法第5部分:电性能”
4.GB/T 3048.2 “电线电缆电性能试验方法第2部分:金属材料电阻率试验”
5.GB 7251.1 “低压成套开关设备和控制设备第1部分:型式试验和部分型式试验成套设备”
6.GB 998 “低压电器基本试验方法”(已废止)
7.ABB公司低压控制产品样本 2012
8.施耐德公司F电动机起动设备产品目录 201106
9.伊顿公司 DILM-DILH接触器样本201307

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