Experimentální studie nárůstu teploty svorek MCB: Podmínky vodiče, utahovací moment a konstrukce rámu svorky

Technická interpretace experimentálního výzkumu nárůstu teploty svorek jističe a vlivu geometrie rámu svorkovnice.

1. Úvod

Nárůst teploty svorek je důležitým výkonnostním parametrem u miniaturních jističů (MCB). Nadměrné zahřívání na terminálu může ovlivnit spolehlivost produktu a za určitých podmínek vést ke spálení terminálu.

Ve skutečných aplikacích nemusí být poškození svorek nutně způsobeno pouze elektrickým proudem. Typ vodiče a plocha průřezu, utahovací moment, podmínky instalace a geometrie rámu svorkovnice mohou ovlivnit tepelné chování spoje.

Výzkumný dokument Experimental Study on Terminal Block Temperature Rise of Miniature Circuit Breaker od Huang Jia, Ren Changbin a Zhang Yanyang zkoumá tyto faktory prostřednictvím srovnávacích experimentů.

Studie nejprve vyhodnocuje nárůst teploty terminálu při různých parametrech připojení. Poté zkoumá vliv izolace vodičů vstupující do rámu svorkovnice a porovnává dvě konstrukce rámu svorkovnice: žebrovanou strukturu a strukturu složenou drážkou.

Tento článek se řídí původní posloupností výzkumu, představuje tři původní datové tabulky v angličtině a zachovává dvě původní ilustrace rámečku terminálu pro vysvětlení zjištění studie.

2. Experimentální uspořádání a zkušební metoda

Výzkumníci vybrali jednopólové MCB dimenzované na 100 A na základě skutečných podmínek aplikace zákazníka. Vzorky byly testovány v kontrolovaném laboratorním prostředí.

Hlavní testovací podmínky byly následující:

• Jmenovitý proud MCB: 100 A

• Referenční okolní teplota: 25 °C, udržovaná v rozmezí ±1 °C

• Zkušební vzorky: 36 vzorků MCB pro porovnání parametrů připojení

• Doba trvání testu: 50 hodin na vzorek při uváděném postupu cyklického nabíjení

• Denní doba energizace: 09:00–17:00

• Měření teploty: Vícekanálový přístroj pro měření teploty

• Kontrola utahovacího momentu: Momentový šroubovák

• Příklad uspořádání: Individuální umístění, bez dalších jističů nebo zdrojů tepla v okruhu 20 cm na obě strany

Výzkumníci zaznamenali tři odečty teploty během poslední minuty před vypnutím napájení každý den a zprůměrovali je, aby získali denní koncovou hodnotu nárůstu teploty.

Pro zkoušky vodič-materiál byly testovány hliníkové vodiče bez přechodových oček mědi na hliník. Vypínací prvky tepelné ochrany byly před testováním odstraněny z MCB, aby se zabránilo přerušení experimentu tepelným vypnutím.

Studie následně provedla samostatné srovnání mezi dvěma konstrukcemi rámu svorek s použitím stejného modelu MCB a specifikovaného utahovacího momentu.

Tyto experimentální podmínky jsou důležité při interpretaci výsledků: zjištění popisují testované vzorky a konfigurace spíše než univerzální limity výkonu pro každý terminál MCB.

3. Experimentální výsledky: Vliv parametrů připojení

První sada experimentů zkoumala čtyři proměnné:

1. Utahovací moment

2. Typ vodiče

3. Plocha průřezu vodiče

4. Elektrický proud

Tabulka 1 reprodukuje výsledky parametrů připojení uvedené v původním článku.

Tabulka 1. Nárůst teploty terminálu při různých parametrech připojení

Zdroj: Tabulka 1 původního příspěvku. Papír zaznamenává doby koncového hoření, kdy vzorky shořely před koncovým bodem testu. Teploty v době hoření nebyly zaznamenány, protože přesahovaly rozsah měření termočlánku.

3.1 Utahovací moment a nárůst teploty

U měděného vodiče 10 mm² byl hlášený nárůst teploty na svorkách vyšší při 1,2 N·m než při 2,3 N·m při všech třech testovaných proudech.

Například při 100 A se zaznamenaná hodnota zvýšila ze 135,2 K při 2,3 N·m na 206,2 K při 1,2 N·m.

Toto srovnání podporuje závěr článku, že nedostatečný utahovací moment může nepříznivě ovlivnit výkonnost při zvyšování teploty koncovky.

Výsledek by však neměl být interpretován jako doporučení utahovat šrouby svorek nad jejich specifikovaný utahovací moment. Vhodný utahovací moment závisí na konkrétní sestavě svorek a požadavcích výrobce.

3.2 Proud a průřez vodičů

Výsledky pro měděné vodiče obecně ukazují vyšší nárůst teploty při vyšším proudu za srovnatelných podmínek.

Studie také zjistila, že menší měděný vodič 6 mm² přinesl v několika srovnáních méně příznivé výsledky než vodič 10 mm².

Tato pozorování jsou v souladu s důležitostí proudového zatížení a odporu vodiče při zahřívání svorek. Výsledky také ukazují, proč by velikost vodiče a podmínky utažení měly být posuzovány společně a nikoli samostatně.

3.3 Měděné a hliníkové vodiče

V testovaných podmínkách konfigurace hliníkových vodičů zaznamenaly v několika srovnáních spálení vývodů mnohem dříve než konfigurace měděných vodičů.

To bylo zvláště patrné při zkouškách hliníkového vodiče 16 mm², kde bylo hoření svorek zaznamenáno během 0,1–0,5 hodiny při třech testovaných úrovních proudu.

Autoři došli k závěru, že hliníkové vodiče byly za zkoumaných podmínek náchylnější ke spálení svorek.

To je výsledek specifických testovacích konfigurací. Nestanoví, že každý terminál kompatibilní s hliníkem bude fungovat hůře než každý měděný spoj; Důležitá zůstává kompatibilita svorek, příprava vodičů a požadavky na instalaci.

4. Vliv izolace vodiče vstupující do rámu svorkovnice

Výzkumníci také zkoumali, zda izolace vodičů vtlačená do rámu svorkovnice ovlivnila nárůst teploty.

Pro srovnání byly použity dva vzorky MCB stejného modelu a hodnocení. Test byl proveden při 100 A, s utahovacím momentem 3,5 N·m a plochou průřezu vodiče 35 mm². Konečný nárůst teploty byl zaznamenán po čtyřech hodinách aktivace.

Tabulka 2. Nárůst teploty svorek s a bez izolace zachycené v rámu svorkovnice

Zdroj: Tabulka 2 původního příspěvku. Čtyři naměřené hodnoty jsou reprodukovány v uvedeném pořadí.

Technický výklad

Všechny čtyři párové hodnoty ukazují vyšší nárůst teploty svorek, když byla izolace vodičů vtlačena do rámu svorkovnice.

Ve druhém čtení se nárůst teploty zvýšil z 56,8 K na 123,7 K.

Výsledek ilustruje, že výkon terminálu závisí nejen na konstrukci součásti, ale také na kvalitě instalace vodičů.

Když izolace vstoupí do oblasti svorky, může rušit zamýšlené vodivé rozhraní mezi vodičem a svorkou. To může nepříznivě ovlivnit spoj a jeho tepelné chování.

Praktický důsledek je jasný: příprava a zasunutí vodiče se musí řídit pokyny výrobce terminálu. Izolace vodiče by neměla být zachycena v upínací oblasti určené k vytvoření elektrického kontaktu s vodičem.

5. Porovnání dvou konstrukcí rámů svorek

Další část studie je zaměřena na geometrii terminálového rámu.

Vědci porovnávali dva návrhy:

• Žebrovaný koncový rám s trojúhelníkovým spodním profilem

• Rám svorkovnice se složenou drážkou se zapuštěnými prvky podél stran a dna

Oba návrhy byly vyrobeny z oceli Q195. Při srovnání byl použit stejný model MCB a utahovací moment 2,3 N·m.

Obrázek 1. Konstrukce rámu žebrované koncovky

Původní obrázek 1. Konstrukce rámu žebrované svorky.

Původní práce popisuje tento design jako trojúhelníkový spodní profil kombinovaný s žebry. Udávané rozměry žebra jsou 6,8 mm na délku a 0,6 mm na výšku.

Obrázek 2. Konstrukce rámu sdružené drážky

Původní obrázek 2. Konstrukce rámu svorkovnice se složenou drážkou.

Konstrukce složené drážky využívá pravoúhlé trojúhelníkové drážky. Článek uvádí hloubku drážky 0,25 mm, délku žebra 9,6 mm a výšku žebra 0,5 mm.

Dvě figury jsou původní ilustrace z papíru. Jsou zahrnuty pro zachování strukturálního srovnání, na kterém je založen následující experiment.

6. Experimentální srovnání dvou konstrukcí rámu terminálu

Výzkumníci testovali oba návrhy rámů svorek při stejném specifikovaném utahovacím momentu a porovnávali jejich chování při nárůstu teploty.

Tabulka 3. Srovnání nárůstu teploty svorek mezi dvěma konstrukcemi rámu svorek

Zdroj: Tabulka 3 původního příspěvku. U zkoušek hliníkových vodičů jsou uváděné hodnoty doby do konečného spálení, nikoli měření nárůstu teploty.

6.1 Výsledky s měděnými vodiči

U měděného vodiče o průřezu 6 mm² vedla konstrukce složené drážky v obou srovnáních k nižšímu nárůstu teploty.

Při 75 A se zaznamenaný nárůst teploty snížil ze 100,2 K na 97,0 K. Při 63 A se snížil z 85,4 K na 81,2 K.

Rozdíly jsou měřitelné, i když samotné výsledky nezakládají univerzální výkonnostní výhodu pro každý návrh složené drážky.

6.2 Výsledky s hliníkovými vodiči

Rozdíl mezi těmito dvěma konstrukcemi byl výraznější v uváděných testech hliníkového vodiče.

Při 75 A došlo u vzorku žebrovaného designu ke konečnému spálení po 0,3 hodinách, zatímco vzorek se složenou drážkou shořel po 2,6 hodinách.

Při 63 A byly odpovídající časy 0,5 hodiny a 3,5 hodiny.

Tyto výsledky naznačují, že konstrukce složené drážky fungovala lépe ve specifických testovaných konfiguracích hliníkových vodičů. Protože teploty při hoření přesáhly rozsah měření termočlánku, studie neuvedla odpovídající koncové hodnoty nárůstu teploty pro tyto události.

7. Proč měl design složených drážek lepší výkon?

Autoři navrhli tři mechanismy k vysvětlení výsledků.

7.1 Prostor pro tepelnou roztažnost a kontakt

Trojúhelníkové drážky po stranách a spodní části rámu poskytují prostor pro roztažení vodiče.

Podle papíru, když se vodič zahřeje a roztáhne, může být vtlačen do těchto drážek, čímž se zvětší kontaktní plocha a sníží se přechodový odpor.

Toto je navrhované vysvětlení nižšího nárůstu teploty pozorovaného u návrhu složené drážky ve srovnávacích testech.

7.2 Vylepšené umístění vodiče a stabilita upnutí

Boční žebra spolupracují se zakřiveným spodním profilem pro vedení vodiče směrem ke středu koncovky během utahování.

Autoři navrhují, že toto uspořádání zlepšuje umístění vodiče a spolehlivost připojení.

Diskutují také o tom, jak může opakované zahřívání a ochlazování změnit rozměry vodiče a ovlivnit podmínky upnutí. Pokud se vodič pohybuje a upínací síla se snižuje, může spojení vstoupit do negativního cyklu, ve kterém snížené sevření podporuje další pohyb a další ztrátu upínací síly.

Struktura složené drážky je určena ke snížení tohoto rizika tím, že pomáhá udržovat polohu vodiče a mechanickou retenci.

7.3 Odolnost proti axiálním tažným silám

Zakřivený spodní profil a dvě žebra spolupracují, aby odolávaly axiálnímu pohybu vodiče.

Dokument uvádí, že rámečky svorek bez příslušných prvků žeber nevyhověly testu pohybu lanka 16 mm² a vykazovaly horší výkon v odpovídajících testech vytažení.

Toto pozorování je důležité, protože výkon terminálu zahrnuje jak elektrický kontakt, tak mechanickou retenci. Spojení musí vytvořit zamýšlené vodivé rozhraní při zachování polohy vodiče za specifikovaných mechanických podmínek.

8. Závěry a inženýrské implikace

Experimentální výsledky podporují čtyři hlavní závěry uváděné autory:

1. Za testovaných podmínek byly nižší utahovací moment, menší průřez vodiče a vyšší proud spojeny s méně příznivým výkonem při nárůstu teploty na svorkách.

2. Konfigurace s hliníkovým vodičem byly v testech náchylnější ke spálení svorek než konfigurace s měděným vodičem.

3. Zatlačením izolace vodiče do rámu svorkovnice se zvýšil měřený nárůst teploty svorky.

4. Geometrie rámu terminálu ovlivnila výsledky. Konstrukce sdružené drážky produkovala nižší nárůst teploty u měděných vodičů a delší doby do spálení svorek s hliníkovými vodiči za uvedených testovacích podmínek.

Studie ukazuje, že nárůst koncové teploty není určen pouze proudem. Vlastnosti vodičů, podmínky instalace, utahovací moment a geometrie rámu svorkovnice ovlivňují výkon připojení.

Pro konstruktéry svorkovnic a výrobce jističů je praktickým poučením, že konstrukční návrh by měl být hodnocen pomocí srovnávacího testování za definovaných elektrických, tepelných a mechanických podmínek.

Uvedené výsledky platí pro konkrétní návrhy sestavy MCB a rámů svorek zkoumané v tomto článku. Neměly by být vykládány jako univerzální záruky výkonu nebo jako důkaz toho, že každý rám s drážkovanou svorkou překoná každý žebrovaný design.

Reference výzkumu

Huang Jia, Ren Changbin a Zhang Yanyang, 'Experimentální studie nárůstu teploty ve svorkovnici u miniaturního jističe' (小型断路器接线端子温升研究), Technologie elektrických spotřebičů a energetické účinnosti , 2.0.0. 40–42.

DOI: 10.16628/j.cnki.2095-8188.2021.08.008.

Tento článek je anglickým technickým výkladem citovaného výzkumu. Experimentální hodnoty, konstrukční rozměry a pozorované výsledky jsou reprodukovány z původního článku; navrhované mechanismy jsou připisovány autorům příspěvku.