矿用防爆开关 矿用防爆开关温升影响因素分析与控制

目前煤矿使用的防爆开关主要有矿用隔爆馈电开关(以下简称馈电开关)和矿用隔爆启动器(以下简称启动器)。这两类产品的额定电流一般在200 ~ 2000 A范围内，额定电压分别为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，相应的产品标准严格规定了防爆开关的温升极限和外壳表面允许的最高温度。随着煤矿技术的发展，各种电气设备的容量越来越大。然而，由于煤矿特殊环境的限制，防爆开关的体积要求不仅不能增加，还必须减少。特别是大型综采工作面使用的组合开关，采用多回路集中控制，要求产品总控制能力高，控制回路多，整机体积不要太大。在产品设计和制造过程中，如何从各种相关因素中控制温升，已经成为新产品开发中的一个重要问题。采取有效的设计、工艺和测试方法来减少和控制产品的发热已经成为产品从设计、开发到出厂检验可能面临的问题。

本文主要研究矿井馈电开关和起动器设计制造中温升影响因素的分析与控制。

影响温升的因素分析

根据馈电开关和启动器温升试验结果的长期分析，这类产品的温升主要由三个因素组成:电阻损耗(包括载流导体电阻、接触电阻和元器件发热)、铁磁损耗和介质损耗。这些因素必须在产品设计阶段认真分析和考虑，才能获得更完善的技术方案，满足产品的技术要求，消除产品过热带来的隐患和危害。

1.1阻力损失的影响

在设计阶段，产品通常充分考虑主电路有足够的导电截面，导电截面不足的设计缺陷直接导致温升过高的问题。但由于馈电开关和启动器的隔爆腔体积有限，内部结构非常紧凑，为了便于产品的组装和维护，主电路导体连接处的固定安装孔直径往往过大。比如用M10螺栓连接的铜母线，螺栓的孔径为φ13。甚至13×20的长方形孔在某些产品中连接孔过多，导体材料去除过多，使导体接头处的实际有效导电截面和接触面大大减小，导致电流线急剧收缩，形成导电“瓶颈”，大大增加了这部分的电阻值。每个产品中这种开口的数量从24个到96个不等。温升试验数据表明，与直径为φ11的单孔紧固连接相比，此类缺陷引起的温升仅增加近3K。如果再考虑热量传递到周围区域所产生的热效应，其影响是不可忽视的。此外，在使用圆形截面的电缆时，为了方便连接，将接触部分压平，开大直径螺栓连接孔，也形成了导电的“瓶颈”。另外，这种连接在紧固螺栓作用下产生的接触压力也是必须考虑的，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，从而减少接触，目前大多数制造企业在产品制造和检验过程中对接触压力没有量化要求。铜母线的螺栓连接仅通过目测弹簧垫圈是否变平或拧紧操作的手感来完成，这使得产品导体连接的紧固质量因目测或手感操作而出现一定的偏差。可能出现两个问题:第一，如果接触压力不足，不能破坏接触面上的尘埃膜、吸附膜和金属化合物无机膜，可以增加微观接触点的数量，降低接触电阻。第二，如果拧紧力矩过大，虽然接触压力暂时满足要求，但可能会损坏铜丝，影响紧固功能。长期运行时，多次开关操作导致零件热胀冷缩，导致紧固松动，但接触电阻会上升，也导致温升过大。此外，接触电阻和拧紧力矩之间的关系仅与一定范围近似成反比。例如，M8铜螺栓型导电棒连接的主电路接触面电阻值随压力变化的实验表明，当拧紧力矩从10N m增大到25 N m时，接触面电阻值逐渐减小，当拧紧力矩大于25 N m时，电阻值基本不减小。因此，仅通过目测或手感获得的接触压力很可能造成温升的不确定性，无法保证产品的一致性。

此外，我们还对安装在防爆开关中的各种元件分别进行了温升取样试验和DC电阻试验，发现一些制造商生产的一些元件的温升已经超过了国家标准规定的温升限值，或者DC电阻值与正常产品相比明显过高，成为影响整个防爆开关温升的内在因素，使产品长期工作存在隐患。

1.2铁磁损耗的影响

由于馈电开关和启动器都装有断路器、接触器、隔离开关、电力变压器、电流互感器、电抗器、保护装置等部件(这些部件的加热不在本文讨论范围内)，结构非常紧凑，有些技术人员更注重如何在尽可能小的房间内布置大量的部件。然而，诸如用于固定安装这些部件的支架和安装板的结构构件以及诸如防火腔的钢材容易形成围绕载流导体的结构，使得载流导体产生的磁通量穿过铁部件以形成闭合磁路。通常用于制造结构件的钢材，最大铁损P15/50值高，磁滞回线区域宽，而这些结构件又比较厚，在交变磁场的作用下会产生磁滞损耗和涡流损耗。载流流体周围的铁零件中的铁磁能损失转化为热量，导致零件发热，成为加热整机的主要热源之一，直接增加了产品的温升。某型六回路起动器温升试验超标时，发现产品隔爆腔内存在两条闭合磁路，由固定安装结构穿过主回路形成，成为影响温升超标的主要因素之一。通过对各种规格型号的测试分析，表明结构相对较为复杂的多回路产品的铁磁损耗问题比单回路产品严重得多。

1.3介质损耗的影响

矿用馈电开关和启动器的额定电压通常较高，大多为1.14kV和3.3kV，也有6kV和10kV的高压启动器。产品狭窄的隔爆腔内安装多种部件，结构复杂紧凑，对绝缘强度要求高，必须使用大量的绝缘材料。例如，主电路应涂有热成型绝缘涂层，母线外层应由热固性塑料模制而成，或应套有各种热收缩绝缘套管，以满足4.2千伏(1.14千伏)、12千伏(3.3千伏)、23千伏(6千伏)、30千伏(10千伏)和12千伏(1.14千伏)、18千伏(3.3千伏)、40千伏(6千伏)的工频耐受电压

1.14kV至10kV的额定工作电压在产品内部具有较高的电场强度，远高于地面常用电力系统的电场强度。此外，由于结构需要，使用了大量的绝缘材料，介质损耗的影响不容忽视。当防爆开关长时间工作在如此高的额定工作电压下，介质损耗引起的温升增加，不仅会影响整机的温升，还会因过热和加速老化而导致绝缘材料击穿。

控制影响温升的因素

2.1阻力损失影响因素的控制

通过显著改善电接触状态和减少加热来控制温度升高是优选的方法。因为接触电阻是将零件组装成整机而形成的附加电阻，所以在设计产品主电路连接部分的形状和结构时，选择合理的接触形式并采用合适的截面形状以使接触电阻最小化尤为重要。首先，我们应该通过合理设计导体连接处固定安装孔的形状和孔径，并尽量减少孔的数量，尽可能减少主电路导体连接处导电材料的去除。最小化孔和螺栓直径之间的差异；不要使用长方形孔。例如，在一些产品中，铜母线的连接部分应加工一个阶梯圆孔，以容纳紧固螺栓的螺栓头。选择六角头螺栓还是内六角螺栓对孔的直径影响很大。以M12螺栓为例，分别为φ32和φ20。所需孔径与材料去除量之差大于35%，相差2.5倍。孔径决定了导电材料的去除量，直接影响有效导电截面。

通常对于固定接触的零件，利用接触压力破坏各种表面膜，增加接触点数量，以降低接触电阻。但是在具体产品的实验中，观察到接触压力越大并不是越好。拧紧力矩过大可能会损坏铜导电部件的内外螺纹，但长期通电运行后接触电阻会增大。因此，主回路螺栓连接部分的拧紧力矩应通过实验控制在合适的范围内。批量生产时，最好使用输出扭矩可调的电动工具或普通扭矩扳手，以满足不同拧紧力矩的要求，并保证接触压力。

接触部分采用的电镀形式不可忽视，以降低接触电阻，并在长期通电运行中保持接触电阻基本不变。用镀银达到最好的效果是不争的事实，但要降低接触电阻，必须控制镀层厚度和质量。

在选择安装在防爆开关内的断路器、接触器、隔离开关、电力变压器、电流互感器、电抗器等元器件时，应考虑低温元器件，因为元器件的发热是整个产品的主要发热源，不同厂家同类内置元器件的温升差异较大。比如6个400A真空接触器和3个450A换向隔离开关，对于6路组合开关，需要安装在1200×800×600mm的防爆腔内，这些部件的发热直接影响整机的温升。通过温升试验比较不同厂家的同类内置元件，掌握其加热条件，是选择的重要技术手段。

2.2铁磁损耗控制

通常，在产品设计过程中，首先考虑的是如何在一个紧凑而狭窄的隔爆腔内布置和安装各种关键部件。在基板、支架、垫块、轴承甚至螺栓和螺母等结构件之间，以及结构件和钢壳之间，都可能形成许多有电流通过的闭合磁路。解决这类问题的原理是切断闭合的磁路，减少被交流电反复磁化的部分。仔细分析了磁路闭合时产生显著热量的部分，用交流电反复磁化后，部分结构件用不锈钢或黄铜代替原设计中的钢结构件，阻断磁通消除涡流损耗，避免交流电反复磁化造成的磁滞损耗。不锈钢或黄铜制成的分离器也可以安装在适当的位置，以消除铁磁损耗。对于大量使用M8 ~ M12螺栓螺母的多回路组合开关，部分零件的螺栓螺母也应使用黄铜材料。如果在初始设计阶段就可以考虑切断闭合磁路的功能，那么可以单独设计成单独的形式，或者开槽在各种结构件上，达到切断磁路的效果。根据各类防爆开关产品的试验数据对比，采用上述措施降低温升效果明显，根据固定安装结构和产品标准必须进行温升评定的相应部位的温升可降低1.8-3.1K。

2.3介质损耗的控制

由于矿用防爆开关额定电压高，防爆腔内空之间空间狭小，必须使用大量绝缘材料来保证整机的绝缘性能，介质损耗的影响难以避免。一般认为介质损耗与绝缘材料的密度和分子链结构有关，但在实际选择中很难获得这些数据，这些数据可以通过材料的导热系数间接反映出来，因为同一品种绝缘材料的介质损耗不同，在一定程度上会反映出导热系数的巨大差异。比如在对比试验中，观察到防爆开关常用的热缩绝缘套管和铜母线绝缘热敷材料，由于不同厂家、不同型号的相同材料的密度和分子链结构不同，导致导热性能差异较大，直接影响其零部件的散热效果。因此，通过实验数据选择导热性能更好的绝缘材料，可以有效抵消介质损耗带来的发热，达到控制产品温升的目的。

第三个结论

防爆开关温升的影响因素是各种因素的组合，导致产品发热，因此需要综合采取各种控制措施，有效解决产品发热，降低温升。基本原理是通过控制电阻损耗、铁磁性损耗、介电损耗来降低产品的温升，将一些细微的影响综合成一个显著的效果。

由于电气设备的热工计算是从理论上分析的，很难考虑实际产品中存在的各种具体因素，尤其是结构复杂的特种电器，如矿用防爆开关。因此，利用测试方法和数据来确定引起发热的部件，分析比较产品改进前后的温升变化，从而为评价温升影响因素的控制效果和积累丰富的实验数据提供可靠、直观的依据是非常重要的，可以显著提高产品开发和改进的工作效率。它是开发和改进矿用防爆开关产品的主要方法之一。