Experimentelle Studie zum Temperaturanstieg an MCB-Klemmen: Leiterbedingungen, Anzugsdrehmoment und Klemmenrahmendesign

Eine technische Interpretation der experimentellen Forschung zum Temperaturanstieg an den Klemmen von Miniaturleistungsschaltern und zum Einfluss der Klemmenrahmengeometrie.

1. Einführung

Der Anstieg der Klemmentemperatur ist ein wichtiger Leistungsparameter bei Miniatur-Leistungsschaltern (MCBs). Übermäßige Erwärmung am Terminal kann die Produktzuverlässigkeit beeinträchtigen und unter bestimmten Bedingungen zum Durchbrennen des Terminals führen.

In tatsächlichen Anwendungen werden Klemmenschäden nicht unbedingt allein durch elektrischen Strom verursacht. Leitertyp und Querschnittsfläche, Anzugsdrehmoment, Einbaubedingungen und Klemmenrahmengeometrie können das thermische Verhalten der Verbindung beeinflussen.

Die Forschungsarbeit Experimental Study on Terminal Block Temperature Rise of Miniature Circuit Breaker von Huang Jia, Ren Changbin und Zhang Yanyang untersucht diese Faktoren durch Vergleichsexperimente.

Die Studie bewertet zunächst den Temperaturanstieg an den Anschlüssen unter verschiedenen Verbindungsparametern. Anschließend wird der Einfluss der in den Klemmenrahmen eindringenden Leiterisolierung untersucht und zwei Klemmenrahmenkonstruktionen verglichen: eine Rippenstruktur und eine Verbundnut-Struktur.

Dieser Artikel folgt der ursprünglichen Forschungssequenz, präsentiert die drei Originaldatentabellen auf Englisch und behält die beiden Originalabbildungen des Endrahmens bei, um die Ergebnisse der Studie zu erläutern.

2. Versuchsaufbau und Testmethode

Die Forscher wählten einpolige MCBs mit einer Nennleistung von 100 A basierend auf den tatsächlichen Anwendungsbedingungen des Kunden aus. Die Proben wurden in einer kontrollierten Laborumgebung getestet.

Die Haupttestbedingungen waren wie folgt:

• Nennstrom des MCB: 100 A

• Referenzumgebungstemperatur: 25 °C, gehalten innerhalb von ±1 °C

• Testmuster: 36 MCB-Muster für den Verbindungsparameter-Vergleich

• Testdauer: 50 Stunden pro Probe im Rahmen des angegebenen zyklischen Energetisierungsverfahrens

• Tägliche Energetisierungszeit: 09:00–17:00 Uhr

• Temperaturmessung: Ein Mehrkanal-Temperaturmessgerät

• Kontrolle des Anzugsdrehmoments: Ein Drehmomentschraubendreher

• Beispielanordnung: Einzelplatzierung, ohne weitere Schutzschalter oder Wärmequellen im Umkreis von 20 cm auf beiden Seiten

Die Forscher zeichneten jeden Tag in der letzten Minute vor dem Abschalten der Stromversorgung drei Temperaturmessungen auf und bildeten daraus den Durchschnitt, um den täglichen Temperaturanstiegswert zu ermitteln.

Für die Leitermaterialprüfungen wurden Aluminiumleiter ohne Kupfer-Aluminium-Übergangsfahnen getestet. Die thermischen Schutzauslöseelemente wurden vor dem Test von den MCBs entfernt, um zu verhindern, dass thermische Auslöser das Experiment unterbrechen.

Anschließend wurde in der Studie ein separater Vergleich zwischen zwei Anschlussrahmenkonstruktionen unter Verwendung desselben MCB-Modells und eines festgelegten Anzugsdrehmoments durchgeführt.

Diese experimentellen Bedingungen sind wichtig für die Interpretation der Ergebnisse: Die Ergebnisse beschreiben die getesteten Proben und Konfigurationen und nicht universelle Leistungsgrenzen für jedes MCB-Terminal.

3. Experimentelle Ergebnisse: Der Einfluss von Verbindungsparametern

Die erste Versuchsreihe untersuchte vier Variablen:

1. Anzugsdrehmoment

2. Leitertyp

3. Leiterquerschnittsfläche

4. Elektrischer Strom

Tabelle 1 gibt die in der Originalarbeit berichteten Verbindungsparameterergebnisse wieder.

Tabelle 1. Anstieg der Klemmentemperatur unter verschiedenen Verbindungsparametern

Quelle: Tabelle 1 des Originalpapiers. In der Arbeit werden Endbrennzeiten aufgezeichnet, bei denen die Proben vor dem Endpunkt des Tests verbrannten. Die Temperaturen zum Zeitpunkt der Verbrennung wurden nicht aufgezeichnet, da sie den Messbereich des Thermoelements überschritten.

3.1 Anzugsdrehmoment und Temperaturanstieg

Für den 10-mm²-Kupferleiter war der gemeldete Temperaturanstieg an den Anschlüssen bei allen drei getesteten Strömen mit 1,2 N·m höher als mit 2,3 N·m.

Beispielsweise stieg der aufgezeichnete Wert bei 100 A von 135,2 K bei 2,3 N·m auf 206,2 K bei 1,2 N·m.

Dieser Vergleich stützt die Schlussfolgerung des Papiers, dass ein unzureichendes Anzugsdrehmoment die Temperaturanstiegsleistung der Klemmen negativ beeinflussen kann.

Das Ergebnis sollte jedoch nicht als Empfehlung interpretiert werden, die Klemmschrauben über das vorgeschriebene Drehmoment hinaus anzuziehen. Das geeignete Drehmoment hängt von der jeweiligen Klemmenbaugruppe und den Herstelleranforderungen ab.

3.2 Strom- und Leiterquerschnitt

Die Ergebnisse für Kupferleiter zeigen im Allgemeinen einen höheren Temperaturanstieg bei höherem Strom unter vergleichbaren Bedingungen.

Die Studie ergab außerdem, dass der kleinere 6-mm²-Kupferleiter in mehreren Vergleichen schlechtere Ergebnisse lieferte als der 10-mm²-Leiter.

Diese Beobachtungen stehen im Einklang mit der Bedeutung der Strombelastung und des Leiterwiderstands bei der Anschlusserwärmung. Die Ergebnisse zeigen auch, warum Leitergröße und Anzugsbedingungen gemeinsam betrachtet und nicht unabhängig voneinander bewertet werden sollten.

3.3 Kupfer- und Aluminiumleiter

Unter den getesteten Bedingungen kam es bei den Konfigurationen mit Aluminiumleitern in mehreren Vergleichen viel früher zu einem Anschlussbrand als bei den Konfigurationen mit Kupferleitern.

Dies wurde insbesondere bei den 16-mm²-Aluminiumleitertests deutlich, bei denen bei den drei getesteten Stromstärken innerhalb von 0,1 bis 0,5 Stunden ein Abbrennen der Klemmen festgestellt wurde.

Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass Aluminiumleiter unter den untersuchten Bedingungen anfälliger für Endverbrennungen waren.

Dies ist ein Ergebnis der spezifischen Testkonfigurationen. Es wird nicht nachgewiesen, dass jede Aluminium-kompatible Klemme eine schlechtere Leistung erbringt als jede Kupferverbindung; Anschlusskompatibilität, Leitervorbereitung und Installationsanforderungen bleiben wichtig.

4. Die Auswirkung der in den Klemmenrahmen eindringenden Leiterisolierung

Die Forscher untersuchten auch, ob die in den Klemmenrahmen eingepresste Leiterisolierung den Temperaturanstieg beeinflusst.

Für den Vergleich wurden zwei MCB-Stichproben desselben Modells und derselben Bewertung verwendet. Der Test wurde bei 100 A, einem Anzugsdrehmoment von 3,5 N·m und einer Leiterquerschnittsfläche von 35 mm² durchgeführt. Nach vier Stunden Einschalten wurde ein Endtemperaturanstieg aufgezeichnet.

Tabelle 2. Anstieg der Klemmentemperatur mit und ohne im Klemmenrahmen eingeschlossene Isolierung

Quelle: Tabelle 2 des Originalpapiers. Die vier Lesungen werden in der angegebenen Reihenfolge wiedergegeben.

Technische Interpretation

Alle vier gepaarten Messwerte zeigen einen höheren Anstieg der Klemmentemperatur, wenn die Leiterisolierung in den Klemmenrahmen gedrückt wurde.

In der zweiten Lesung erhöhte sich der Temperaturanstieg von 56,8 K auf 123,7 K.

Das Ergebnis zeigt, dass die Leistung der Klemmen nicht nur vom Design der Komponente abhängt, sondern auch von der Qualität der Leiterinstallation.

Wenn Isolierung in den Klemmbereich gelangt, kann sie die vorgesehene leitende Schnittstelle zwischen Leiter und Anschluss beeinträchtigen. Dies kann die Verbindung und ihr thermisches Verhalten negativ beeinflussen.

Die praktische Auswirkung ist klar: Bei der Vorbereitung und Einführung des Leiters müssen die Anweisungen des Klemmenherstellers befolgt werden. Die Leiterisolierung darf nicht in einem Klemmbereich eingeklemmt werden, der den elektrischen Kontakt zum Leiter herstellen soll.

5. Vergleich zweier Terminalrahmendesigns

Der nächste Teil der Studie konzentriert sich auf die Terminalrahmengeometrie.

Die Forscher verglichen zwei Designs:

• Ein gerippter Abschlussrahmen mit dreieckigem Bodenprofil

• Ein Anschlussrahmen mit zusammengesetzten Nuten und vertieften Merkmalen an den Seiten und am Boden

Beide Designs wurden aus Q195-Stahl gefertigt. Für den Vergleich wurde das gleiche MCB-Modell und ein Anzugsdrehmoment von 2,3 N·m verwendet.

Abbildung 1. Geripptes Anschlussrahmendesign

Originalabbildung 1. Geripptes Anschlussrahmendesign.

In der Originalarbeit wird dieses Design mit einem dreieckigen Bodenprofil in Kombination mit Rippen beschrieben. Die angegebenen Rippenabmessungen betragen 6,8 mm Länge und 0,6 mm Höhe.

Abbildung 2. Anschlussrahmendesign mit zusammengesetzten Nuten

Originalabbildung 2. Anschlussrahmenkonstruktion mit zusammengesetzten Nuten.

Das Compound-Groove-Design verwendet rechtwinklige dreieckige Rillen. Das Papier gibt eine Rillentiefe von 0,25 mm, eine Rippenlänge von 9,6 mm und eine Rippenhöhe von 0,5 mm an.

Bei den beiden Figuren handelt es sich um Originalabbildungen aus der Zeitung. Sie sind enthalten, um den Strukturvergleich zu bewahren, auf dem das folgende Experiment basiert.

6. Experimenteller Vergleich der beiden Terminalrahmendesigns

Die Forscher testeten beide Anschlussrahmenkonstruktionen mit dem gleichen vorgeschriebenen Anzugsdrehmoment und verglichen ihr Temperaturanstiegsverhalten an den Anschlüssen.

Tabelle 3. Vergleich des Klemmentemperaturanstiegs zwischen den beiden Klemmenrahmenkonstruktionen

Quelle: Tabelle 3 des Originalpapiers. Bei den Aluminiumleitertests handelt es sich bei den gemeldeten Werten um Zeiten bis zum endgültigen Brennen, nicht um Temperaturanstiegsmessungen.

6.1 Ergebnisse mit Kupferleitern

Beim Kupferleiter mit 6 mm² führte das Verbundnut-Design in beiden Vergleichen zu einem geringeren Temperaturanstieg.

Bei 75 A sank der aufgezeichnete Temperaturanstieg von 100,2 K auf 97,0 K. Bei 63 A sank er von 85,4 K auf 81,2 K.

Die Unterschiede sind messbar, obwohl die Ergebnisse allein keinen universellen Leistungsvorteil für jedes Compound-Groove-Design belegen.

6.2 Ergebnisse mit Aluminiumleitern

Der Unterschied zwischen den beiden Designs war in den berichteten Aluminiumleitertests deutlicher.

Bei 75 A kam es bei der gerippten Probe nach 0,3 Stunden zu einem Endbrand, während die Probe mit zusammengesetzten Rillen nach 2,6 Stunden brannte.

Bei 63 A betrugen die entsprechenden Zeiten 0,5 Stunden und 3,5 Stunden.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Verbundnut-Design in den spezifischen getesteten Aluminiumleiterkonfigurationen eine bessere Leistung erbringt. Da die Temperaturen beim Brennen den Messbereich des Thermoelements überschritten, wurden in der Studie keine entsprechenden Endtemperaturanstiegswerte für diese Ereignisse gemeldet.

7. Warum war die Leistung des Compound-Groove-Designs besser?

Die Autoren schlugen drei Mechanismen zur Erklärung der Ergebnisse vor.

7.1 Raum für Wärmeausdehnung und Kontakt

Die dreieckigen Rillen an den Seiten und an der Unterseite des Rahmens bieten Platz für die Leiterausdehnung.

Wenn sich der Leiter erwärmt und ausdehnt, kann er dem Papier zufolge in diese Rillen gedrückt werden, wodurch die Kontaktfläche vergrößert und der Kontaktwiderstand verringert wird.

Dies ist die vorgeschlagene Erklärung für den geringeren Temperaturanstieg, der bei der Verbundnutkonstruktion in den Vergleichstests beobachtet wurde.

7.2 Verbesserte Leiterpositionierung und Klemmstabilität

Die seitlichen Rippen arbeiten zusammen mit dem gebogenen Bodenprofil, um den Leiter beim Anziehen zur Mitte der Klemme zu führen.

Die Autoren schlagen vor, dass diese Anordnung die Leiterpositionierung und die Verbindungszuverlässigkeit verbessert.

Sie diskutieren auch, wie wiederholtes Erhitzen und Abkühlen die Abmessungen des Leiters verändern und die Klemmbedingungen beeinflussen kann. Wenn sich der Leiter bewegt und die Klemmkraft abnimmt, kann die Verbindung in einen negativen Zyklus eintreten, in dem eine verringerte Klemmung weitere Bewegungen und einen weiteren Verlust der Klemmkraft begünstigt.

Die zusammengesetzte Rillenstruktur soll dieses Risiko verringern, indem sie dazu beiträgt, die Positionierung und mechanische Halterung des Leiters aufrechtzuerhalten.

7.3 Widerstand gegen axiale Zugkräfte

Das gebogene Bodenprofil und zwei Rippen wirken zusammen, um einer axialen Leiterbewegung standzuhalten.

Das Papier berichtet, dass Anschlussrahmen ohne die relevanten Rippenmerkmale den Bewegungstest für 16-mm-Litzen nicht bestanden und bei den entsprechenden Auszugstests eine schlechtere Leistung zeigten.

Diese Beobachtung ist wichtig, da die Leistung des Anschlusses sowohl den elektrischen Kontakt als auch die mechanische Halterung umfasst. Eine Verbindung muss die vorgesehene leitende Schnittstelle herstellen und gleichzeitig die Position des Leiters unter den angegebenen mechanischen Bedingungen beibehalten.

8. Schlussfolgerungen und technische Implikationen

Die experimentellen Ergebnisse stützen vier Hauptschlussfolgerungen der Autoren:

1. Unter den getesteten Bedingungen waren ein geringeres Anzugsdrehmoment, ein kleinerer Leiterquerschnitt und ein höherer Strom mit einem ungünstigeren Temperaturanstiegsverhalten der Klemmen verbunden.

2. Konfigurationen mit Aluminiumleitern waren in den Tests anfälliger für Anschlussverbrennungen als Konfigurationen mit Kupferleitern.

3. Das Einpressen der Leiterisolierung in den Klemmenrahmen erhöhte den gemessenen Temperaturanstieg der Klemme.

4. Die Geometrie des Anschlussrahmens beeinflusste die Ergebnisse. Das Verbundnut-Design führte unter den angegebenen Testbedingungen zu einem geringeren Temperaturanstieg bei Kupferleitern und zu längeren Zeiten bis zum Durchbrennen der Anschlüsse bei Aluminiumleitern.

Die Studie zeigt, dass der Anstieg der Endtemperatur nicht allein durch den Strom bestimmt wird. Leitereigenschaften, Installationsbedingungen, Anzugsdrehmoment und Klemmenrahmengeometrie wirken zusammen und beeinflussen die Verbindungsleistung.

Für Konstrukteure von Anschlussrahmen und Hersteller von Leistungsschaltern besteht die praktische Lektion darin, dass das Strukturdesign durch Vergleichstests unter definierten elektrischen, thermischen und mechanischen Bedingungen bewertet werden sollte.

Die gemeldeten Ergebnisse gelten für die in der Arbeit untersuchten besonderen MCB-Baugruppen- und Anschlussrahmenkonstruktionen. Sie sollten nicht als universelle Leistungsgarantien oder als Beweis dafür interpretiert werden, dass jeder gerillte Anschlussrahmen jedes gerippte Design übertrifft.

Forschungsreferenz

Huang Jia, Ren Changbin und Zhang Yanyang, „Experimentelle Studie zum Temperaturanstieg im Klemmenblock von Miniatur-Leistungsschaltern“ (小型断路器接线端子温升研究), Electrical Appliances and Energy Efficiency Management Technology , 2021, Nr. 8, S. 40–42.

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

Dieser Artikel ist eine englischsprachige technische Interpretation der zitierten Forschung. Die experimentellen Werte, Designdimensionen und beobachteten Ergebnisse sind der Originalarbeit entnommen; Die vorgeschlagenen Mechanismen werden den Autoren des Papiers zugeschrieben.