中压开关设备的使用寿命

摘要： 绝缘老化、电气失效、机械磨损以及金属腐蚀是开关设备失效的一些主要形式，这些失效导致开关设备无法继续工作，除了设备自身质量问题外，温度超标、环境湿度大、缺乏维修保养等是导致这些失效的主要原因，要想提高开关设备寿命必须针对性的解决上述问题。

1. 0.      引言

随着国家建设智能坚强电网，推动配电设备向中高端迈进，提高供电可靠性，开关设备的使用寿命要求达到40年，提高开关设备寿命可以提高设备利用率、减少资源消耗、低碳环保。根据浴盆理论，产品的可靠性分为三个阶段，第一阶段早期失效期，多数源自生产、设计、材料、制造过程等缺陷造成的；第二阶段随机失效期，失效的主要原因是产品遭受到如电性、使用不当、温度等环境应力而导致失效；第三阶段磨耗失效期，主要是磨损、疲劳、老化等原因造成，磨损会导致金属疲劳、弹簧弹性疲乏等影响寿命，老化失效。为达到开关设备使用寿命40年，需要针对失效原因使第二阶段时间尽可能加长，并减少第三阶段的磨损等故障发生几率。

 

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1. 1.      开关设备的预期寿命

对于金属封闭开关设备的预期寿命，可能从短的10年到50年甚至更长。曾经发现一个古老的开放式断路器安装在 50mm厚的岩板上，50年后仍然承继续工作。电气设备的预期寿命与用户的使用环境是否进行了有效的控制息息相关，如注意清洁、足够的环境温湿度控制、合理的设备负载和定期维护等成为延长设备使用寿命的重要因素。

对于开关设备的预期寿命并不能简单引用统计数据或计算给出。由于开关设备实际运行环境千差万别，有很多极端的操作条件和使用环境，还有保养、维护的频率、范围不同，无法准确的预测产品的使用寿命。如果电气设备位于现代办公楼中，则很有可能总体清洁度高且温度适中，而如果在造纸厂或在充满灰尘的化工厂环境中使用相同的设备，甚至有些应用在热带地区，则预期寿命则完全不同。很明显，需要良好的运行环境、定期检查维护才能使电气设备保持良好的工作状态，就像一辆精美的汽车一样，需要定期保养才能长久可靠驾驶。温度超标、环境湿度大、缺乏维修保养等是影响开关设备寿命的关键因素。

 

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1. 2.    温升超标和绝缘破坏

正常运行的开关柜发热和散热相等实现内部的热平衡，发热即开关柜的额定发热功率，散热则通过柜体、盖板辐射以及通风孔冷空气对流实现的热交换。

开关设备的发热主要是断路器、铜排等主导电回路的发热，即开关设备内部断路器、铜排、电流互感器、加热器以及控制保护二次系统的所有元件的发热功率总合，很多客户要求提供配电室内部开关设备的发热功率，以便对配电室所需配置的空调进行计算，以保证开关柜在理想的环境下运行。

1. 2.1 开关柜的发热功率计算

紫铜在20 °C时的直流电阻率是1.75e ^-8 欧姆/米，电阻率温度系数为1/234.5℃，在100～200°C温度区间，电阻率和温度间的线性关系如公式（1）：

铜排在开关柜中的工作温度为100°C左右，因此根据公式1计算100°C直流电阻率2.35e ^-8 欧姆/米，而交流运行由于电磁感应、铜排内部产生集肤效应和邻近效应，使得电子偏向导体的外表面，或者偏向导体的某一侧，使得电流更集中，等效的交流电阻变大，交流电阻系数与铜排宽、厚比以及截面大小相关，一般矩形铜排在1.2~1.6左右，以1.4计算，因此开关柜铜排在工作时的电阻率为3.29e ^-8 欧姆/米。

以2000A中置式开关柜为例，分支母线铜排采用双拼 80x10铜排，一般出线柜分支母线总长度7.5米，2000A因此分支母线铜排总电阻：

同样计算主母排，每相1米长，总长度3米，同样铜排规格，计算发热是：

电流互感器采用厂家提供的实际测量值，如每个 LZZBJ9 电流互感器 1250/5 发热功率 36W ， 2000/5 功率是 55W ， LMZB1 互感器 3000/5 的四个绕组发热功率是 67W ， 4000/5 三个绕组发热功率是 54W 。

对于其它如电热器发热以及二次系统发热按照所装元器件估算，加热器一般是150W，二次元器件发热是50W左右。

综上所述，2000A总发热功率： 开关柜都是按照满额定负载的情况下设计、验证的，即发热功率和散热功率是平衡的，运行时温度稳定在小于限定值的某一温度上。典型中置柜不同额定电流下的发热功率如图1所示。

图1 典型中置柜不同额定电流下的发热功率