摘要：絕緣老化、電氣失效、機(jī)械磨損以及金屬腐蝕是開(kāi)關(guān)設(shè)備失效的一些主要形式，這些失效導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備無(wú)法繼續(xù)工作，除了設(shè)備自身質(zhì)量問(wèn)題外，溫度超標(biāo)、環(huán)境濕度大、缺乏維修保養(yǎng)等是導(dǎo)致這些失效的主要原因，要想提高開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命必須針對(duì)性的解決上述問(wèn)題。
0. 引言
隨著國(guó)家建設(shè)智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，推動(dòng)配電設(shè)備向中高端邁進(jìn)，提高供電可靠性，開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命要求達(dá)到40年，提高開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命可以提高設(shè)備利用率、減少資源消耗、低碳環(huán)保。根據(jù)浴盆理論，產(chǎn)品的可靠性分為三個(gè)階段，第一階段早期失效期，多數(shù)源自生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、材料、制造過(guò)程等缺陷造成的；第二階段隨機(jī)失效期，失效的主要原因是產(chǎn)品遭受到如電性、使用不當(dāng)、溫度等環(huán)境應(yīng)力而導(dǎo)致失效；第三階段磨耗失效期，主要是磨損、疲勞、老化等原因造成，磨損會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞、彈簧彈性疲乏等影響壽命，老化失效。為達(dá)到開(kāi)關(guān)設(shè)備使用壽命40年，需要針對(duì)失效原因使第二階段時(shí)間盡可能加長(zhǎng)，并減少第三階段的磨損等故障發(fā)生幾率。
1. 開(kāi)關(guān)設(shè)備的預(yù)期壽命
對(duì)于金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的預(yù)期壽命，可能從短的10年到50年甚至更長(zhǎng)。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)古老的開(kāi)放式斷路器安裝在 50mm厚的巖板上，50年后仍然承繼續(xù)工作。電氣設(shè)備的預(yù)期壽命與用戶(hù)的使用環(huán)境是否進(jìn)行了有效的控制息息相關(guān)，如注意清潔、足夠的環(huán)境溫濕度控制、合理的設(shè)備負(fù)載和定期維護(hù)等成為延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的重要因素。
對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備的預(yù)期壽命并不能簡(jiǎn)單引用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或計(jì)算給出。由于開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境千差萬(wàn)別，有很多極端的操作條件和使用環(huán)境，還有保養(yǎng)、維護(hù)的頻率、范圍不同，無(wú)法準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命。如果電氣設(shè)備位于現(xiàn)代辦公樓中，則很有可能總體清潔度高且溫度適中，而如果在造紙廠或在充滿(mǎn)灰塵的化工廠環(huán)境中使用相同的設(shè)備，甚至有些應(yīng)用在熱帶地區(qū)，則預(yù)期壽命則完全不同。很明顯，需要良好的運(yùn)行環(huán)境、定期檢查維護(hù)才能使電氣設(shè)備保持良好的工作狀態(tài)，就像一輛精美的汽車(chē)一樣，需要定期保養(yǎng)才能長(zhǎng)久可靠駕駛。溫度超標(biāo)、環(huán)境濕度大、缺乏維修保養(yǎng)等是影響開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命的關(guān)鍵因素。
2. 溫升超標(biāo)和絕緣破壞
正常運(yùn)行的開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱和散熱相等實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的熱平衡，發(fā)熱即開(kāi)關(guān)柜的額定發(fā)熱功率，散熱則通過(guò)柜體、蓋板輻射以及通風(fēng)孔冷空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)的熱交換。
開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)熱主要是斷路器、銅排等主導(dǎo)電回路的發(fā)熱，即開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部斷路器、銅排、電流互感器、加熱器以及控制保護(hù)二次系統(tǒng)的所有元件的發(fā)熱功率總合，很多客戶(hù)要求提供配電室內(nèi)部開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)熱功率，以便對(duì)配電室所需配置的空調(diào)進(jìn)行計(jì)算，以保證開(kāi)關(guān)柜在理想的環(huán)境下運(yùn)行。
2.1 開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱功率計(jì)算
紫銅在20 °C時(shí)的直流電阻率是1.75e-8歐姆/米，電阻率溫度系數(shù)為1/234.5℃，在100～200°C溫度區(qū)間，電阻率和溫度間的線(xiàn)性關(guān)系如公式（1）：
銅排在開(kāi)關(guān)柜中的工作溫度為100°C左右，因此根據(jù)公式1計(jì)算100°C直流電阻率2.35e-8歐姆/米，而交流運(yùn)行由于電磁感應(yīng)、銅排內(nèi)部產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使得電子偏向?qū)w的外表面，或者偏向?qū)w的某一側(cè)，使得電流更集中，等效的交流電阻變大，交流電阻系數(shù)與銅排寬、厚比以及截面大小相關(guān)，一般矩形銅排在1.2~1.6左右，以1.4計(jì)算，因此開(kāi)關(guān)柜銅排在工作時(shí)的電阻率為3.29e-8歐姆/米。
以2000A中置式開(kāi)關(guān)柜為例，分支母線(xiàn)銅排采用雙拼 80x10銅排，一般出線(xiàn)柜分支母線(xiàn)總長(zhǎng)度7.5米，2000A因此分支母線(xiàn)銅排總電阻：
同樣計(jì)算主母排，每相1米長(zhǎng)，總長(zhǎng)度3米，同樣銅排規(guī)格，計(jì)算發(fā)熱是：
電流互感器采用廠家提供的實(shí)際測(cè)量值，如每個(gè)LZZBJ9電流互感器 1250/5發(fā)熱功率36W，2000/5功率是55W，LMZB1互感器3000/5的四個(gè)繞組發(fā)熱功率是67W，4000/5三個(gè)繞組發(fā)熱功率是54W。
對(duì)于其它如電熱器發(fā)熱以及二次系統(tǒng)發(fā)熱按照所裝元器件估算，加熱器一般是150W，二次元器件發(fā)熱是50W左右。
綜上所述，2000A總發(fā)熱功率：開(kāi)關(guān)柜都是按照滿(mǎn)額定負(fù)載的情況下設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的，即發(fā)熱功率和散熱功率是平衡的，運(yùn)行時(shí)溫度穩(wěn)定在小于限定值的某一溫度上。典型中置柜不同額定電流下的發(fā)熱功率如圖1所示。
圖1 典型中置柜不同額定電流下的發(fā)熱功率
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