对于低压开关电器主触头的并联，如果我们只在常规的额定运行电流范围内来讨论，我们会发现讨论的重点有两个：第一个是载流量，这与开关的温升相关；第二个是开关的分断能力，这与开关的灭弧能力相关。 注意：这里所讨论的是两只不同开关电器实体对象的触头，而不是同一只开关电器的两个同类触头。对于同一只开关同类触头之间的并联和串联，我将在本文的稍后部分专门说明。 以下我们就开始分析： （1）首先讨论温升 题图是一款框架断路器ACB。图中我们看到了主触头，还有其它相关的附件。 显见，若拿这款开关来作为我们的讨论对象，麻烦得很，而且很多参数我们并不知道。为此，我把开关作了一个简化，类似交流接触器，如下： 当开关流过额定电流时，最重要的参数是温升，它决定了开关电器主触头的接触性能、氧化状态、电寿命和开关电器的其它综合性能。为此，我们把上图配上一些实测数据，来计算它的温升状况。 什么叫做温升呢？它是指开关电器的运行温度与环境温度的差值。 对于环境温度，在GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》中，有如下说明： 可见，开关电器的环境温度为35摄氏度，这是我们计算涉及到的环境温度数值来源。 那么这个例子如何计算呢？因为我们只需要知道计算的原理，以及计算结果，并不需要了解具体的计算过程。因此我就简单地介绍一下吧： 接触电压为已知，对于每个触头，显然接触电压只有一半。在知道了触点的尺寸和材质的情况下，根据（接触电压-触点温度）理论，计算表达式如下： 这里的Uj就是接触电压，当然我们要除以2。分母的值可以从Wiede-Mann-Franz定律查表求出。这样我们就能求得触头的温升。 接着来计算导电杆的发热，因为： 这里的电流I用给定值，电阻率为100摄氏度时的值，长度L为已知，截面S亦为已知，这样我们就能计算出导电杆1和导电杆2的发热功率。 我们再用牛顿散热公式计算散热功率： 这里的散热系数为已知，导电杆的表面积A亦为已知。因为发热等于散热，两式联立后得到导电杆的温升。 有意思的是：发热公式中有导电杆长度L，而散热公式的表面积A中同样也有导电杆长度，两者分别位于等号的左右侧，可以略去。 最后，我们就可以得到在某电流I下的最高温升了。再加上35度的环境温度，就可以得到触头处的最高温升。当电流为400A时，导电杆截面为7X25mm，散热系数为Kt=7，触头接触电压为0.01V时，计算表明触头温升大约为62K。 但我们从接触电阻的温升公式可以看出，它与电流的关系不大。 其实，电流越小，接触电阻反而越大。反过来，电流越大，接触电阻越小。当电流达到触头熔化值后，接触电阻就接近于零了。 对于铜来说，它的软化电压是0.12V，熔化电压是0.43V；对于银来说，软化电压是0.09V，熔化电压是0.37V。 由于开关电器是整体使用的，因此IEC标准和国家标准都未对触头的温升进行规定。尽管如此，由于开关电器要进入市场必须要做型式试验，因此在型式试验时会对触头温升给出相当详尽的规定。 对于开关电器导电杆的接线端子，IEC和国家标准倒是给出了规定。我们来看GB 14048.1-2012的规定： 从发热表达式中我们看到，发热功率与电流的平方成正比，因此当电流减半后，发热功率只有原来的1/4。电流小了，整个开关触头系统的温升是会降低的。 （2）再来讨论开关电器的并联 看下图： 图中的有如下关系：I=I1+I2。 如果总电流I小于或者等于开关电器的额定电流Ie，那么当K1和K2并联后，因为温升小于最大值，开关电器当然没有问题； 如果总电流I小于或者等于开关电器额定电流的两倍，即I=2Ie，这时的情况就复杂了：如果K1和K2的接触电阻完全一致，这时也许能保证I1=I2=Ie。但两者的接触电阻相等是不可能的，因此必定会出现其中之1大于额定电流的情况。 在这种情况下，会有什么问题呢？ 开关电器的工作制分为长期工作制，短期工作制和反复短时周期工作制等等。我们来看标准： 额定电流是按8h工作制来确定的，它的温升不会也不能超过最大极限值。 注意看短时工作制。由于短时工作制下开关电器能彻底地降温，因此若开关电器工作在短时工作制下，是可以加大容量的。在这种情况下，允许短暂地让其中某一个开关电器的运行电流超过额定电流。 对于两个支路（或者多个支路）的电流与总电流的关系，在GB7251.1-2005《低压成套开关设备和控制设备 第1部分：总则》中被定义为分散系数。如下： 此表在GB7251.1-2013中以图的形式更新，但主要内容并未改变。 什么意思呢？就是当主开关下方有N条支路，每条支路中有一只某种开关电器，则各支路开关电器的电流总和，不得超过额定分散系数与总和的乘积。 设两条支路中的开关电器均流过额定电流Ie。由于支路有两条，故额定分散系数为0.9，于是总电流不得超过0.9X2XIe=1.8Ie。 结论是：按GB7251.1-2005标准，两条并联支路中的同类开关电器，其运行电流不得超过0.9倍额定电流。 （3）开关电器并联后在开断电路时出现的问题 上图中，设在时刻零之前两台开关电器K1和K2均闭合，并且I=1.8Ie。在时刻零，K1开关打开，于是K2上流过的电流I2=I=1.8Ie。可想而知，这时K2的温升将严重越限，K2将在很短的时间内损毁。即使K2未损毁，也会在下次的开断过程中损毁。 K2损毁后，如果操作者并未发现，将K1和K2再次闭合。因为K2的触头已经不能承载电流，因此1.8Ie的电流将流过K1，使得K1接着损毁。 也许大家会问：开关电器不是允许过载吗？如果过载电流在它允许的范围之内，岂不是就没有问题了吗？ 答案是：任何断路器，它的过载保护范围是0.4Ie到1Ie。 下图是ABB的Tmax 塑壳断路器的过载保护范围： 注意看图中的L参数，其电流范围是0.40~1XIn。 超过1倍额定电流时，开关将延迟一段时间后跳闸保护。 开关电器的触头开断过程，其本质是灭弧能力。关于开关电器触头的灭弧能力，请看“低压电气和低压电器技术三——浅谈低压空气开关中的空气和灭弧原理”。 （4）采用开关电器并联以提高线路载流量的结论 采用开关电器并联以提高线路载流量的方法，当总电流在两倍额定电流以下时，接通线路问题不是很大，而开断线路却会引来许多问题。因此不建议采用这种方法。 如果确实要采用开关电器并联以提高线路载流量的方法，则开关电器必须为主动元件，也即各类断路器。一定不能采用被动元件，包括闸刀开关、接触器等等。 （5）同一个开关电器的同类触头并联和串联的问题 利用同一个开关电器的同类触头并联，可用于提高载流量。原因是，各并联触头闭合时间的同步性基本一致，各并联触头开断时间的同步性也基本一致。因此不会带来类似不同开关电器触头并联出现的问题。 同一个开关电器的同类触头串联，常用于提高灭弧能力，将短弧变为长弧，以此实现电弧的降温。 同一个开关电器的同类触头串联，在直流回路中用的特别多。 我们看下图： 这是ABB的Tmax塑壳断路器用于直流回路时其触点的接线方案，从中我们可以看到同一台断路器主触头串联的方法和具体线路。 |
