Badanie eksperymentalne wzrostu temperatury końcówki wyłącznika nadprądowego: warunki przewodu, moment dokręcania i konstrukcja ramy zaciskowej

Techniczna interpretacja badań eksperymentalnych wzrostu temperatury zacisków wyłączników nadprądowych i wpływu geometrii ramy zacisków.

1. Wprowadzenie

Wzrost temperatury zacisków jest ważnym parametrem wydajności miniaturowych wyłączników automatycznych (MCB). Nadmierne nagrzewanie terminala może mieć wpływ na niezawodność produktu i w pewnych warunkach prowadzić do spalenia terminala.

W rzeczywistych zastosowaniach uszkodzenie zacisków nie jest koniecznie spowodowane samym prądem elektrycznym. Rodzaj przewodu i jego przekrój poprzeczny, moment dokręcania, warunki montażu i geometria ramki zaciskowej mogą mieć wpływ na właściwości termiczne połączenia.

Artykuł badawczy Experimental Study on Terminal Block Temperatura Wzrostu Miniaturowego Wyłącznika , autorstwa Huang Jia, Ren Changbin i Zhang Yanyang, bada te czynniki poprzez eksperymenty porównawcze.

W badaniu najpierw oceniono wzrost temperatury terminala przy różnych parametrach połączenia. Następnie zbadano wpływ izolacji przewodu wchodzącego do ramy zaciskowej i porównano dwie konstrukcje ramek zaciskowych: konstrukcję żebrowaną i konstrukcję z rowkiem złożonym.

W artykule tym zastosowano pierwotną sekwencję badań, przedstawiono trzy oryginalne tabele danych w języku angielskim i zachowano dwie oryginalne ilustracje ramek końcowych w celu wyjaśnienia wyników badania.

2. Konfiguracja eksperymentalna i metoda testowa

Badacze wybrali jednobiegunowe wyłączniki nadprądowe o wartości znamionowej 100 A w oparciu o rzeczywiste warunki zastosowań klienta. Próbki badano w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym.

Główne warunki testowe były następujące:

• Prąd znamionowy MCB: 100 A

• Referencyjna temperatura otoczenia: 25°C, utrzymywana w zakresie ±1°C

• Próbki testowe: 36 próbek MCB do porównania parametrów połączenia

• Czas trwania testu: 50 godzin na próbkę w ramach opisanej procedury cyklicznego zasilania

• Dzienny okres doładowania: 09:00–17:00

• Pomiar temperatury: wielokanałowy przyrząd do pomiaru temperatury

• Kontrola momentu dokręcania: Śrubokręt dynamometryczny

• Przykładowe rozmieszczenie: Indywidualne rozmieszczenie, bez innych wyłączników automatycznych lub źródeł ciepła w promieniu 20 cm po obu stronach

Naukowcy codziennie rejestrowali trzy odczyty temperatury w ciągu ostatniej minuty przed wyłączeniem zasilania i uśredniali je, aby uzyskać dzienną wartość końcowego wzrostu temperatury.

Do badań materiału przewodnik-materiał badano przewody aluminiowe bez końcówek przejściowych miedź-aluminium. Elementy wyzwalające zabezpieczenie termiczne usunięto z wyłączników nadprądowych przed testowaniem, aby zapobiec przerwaniu eksperymentu przez wyzwalanie termiczne.

Następnie w badaniu przeprowadzono oddzielne porównanie dwóch konstrukcji ramek zaciskowych, w których zastosowano ten sam model wyłącznika nadprądowego i określony moment dokręcania.

Te warunki eksperymentalne są ważne przy interpretacji wyników: wyniki opisują testowane próbki i konfiguracje, a nie uniwersalne limity wydajności dla każdego terminala MCB.

3. Wyniki eksperymentów: Wpływ parametrów połączenia

W pierwszym zestawie eksperymentów zbadano cztery zmienne:

1. Moment dokręcania

2. Typ przewodnika

3. Pole przekroju przewodu

4. Prąd elektryczny

Tabela 1 przedstawia wyniki parametrów połączenia podane w artykule oryginalnym.

Tabela 1. Wzrost temperatury terminala przy różnych parametrach połączenia

Źródło: Tabela 1 pracy oryginalnej. W artykule zapisano czasy końcowego spalania, w których próbki spaliły się przed punktem końcowym testu. Temperatury w momencie spalania nie były rejestrowane, gdyż przekraczały zakres pomiarowy termopary.

3.1 Moment dokręcania i wzrost temperatury

Dla przewodu miedzianego 10 mm² odnotowany wzrost temperatury końcówki był wyższy przy 1,2 N·m niż przy 2,3 N·m dla wszystkich trzech testowanych prądów.

Przykładowo przy 100 A zarejestrowana wartość wzrosła z 135,2 K przy 2,3 N·m do 206,2 K przy 1,2 N·m.

Porównanie to potwierdza wniosek zawarty w artykule, że niewystarczający moment dokręcania może niekorzystnie wpłynąć na wydajność wzrostu temperatury terminala.

Wyniku nie należy jednak interpretować jako zalecenia dokręcenia śrub zacisków większym niż zalecany moment obrotowy. Odpowiedni moment obrotowy zależy od konkretnego zespołu zacisków i wymagań producenta.

3.2 Przekrój prądu i przewodu

Wyniki dla przewodów miedzianych ogólnie pokazują większy wzrost temperatury przy wyższym prądzie w porównywalnych warunkach.

Badanie wykazało również, że w kilku porównaniach mniejszy przewodnik miedziany o przekroju 6 mm² dał mniej korzystne wyniki niż przewodnik o przekroju 10 mm².

Obserwacje te są zgodne ze znaczeniem obciążenia prądowego i rezystancji przewodu w ogrzewaniu końcowym. Wyniki pokazują również, dlaczego rozmiar przewodu i warunki dokręcania należy rozpatrywać łącznie, a nie oceniać niezależnie.

3.3 Przewodniki miedziane i aluminiowe

W testowanych warunkach w kilku porównaniach konfiguracje z przewodnikami aluminiowymi uległy spaleniu końcówek znacznie wcześniej niż konfiguracje z przewodnikami miedzianymi.

Było to szczególnie widoczne w testach przewodów aluminiowych o przekroju 16 mm², gdzie wypalanie końcówek rejestrowano w ciągu 0,1–0,5 godziny przy trzech testowanych poziomach prądu.

Autorzy doszli do wniosku, że w badanych warunkach przewody aluminiowe były bardziej podatne na przepalenie końcówek.

Wynika to ze specyficznych konfiguracji testowych. Nie stwierdza się, że każdy terminal kompatybilny z aluminium będzie działał gorzej niż każde połączenie miedziane; kompatybilność terminali, przygotowanie przewodów i wymagania instalacyjne pozostają ważne.

4. Wpływ izolacji przewodu na ramę zaciskową

Naukowcy sprawdzili także, czy izolacja przewodu wciśnięta w ramkę zaciskową wpływa na wzrost temperatury.

Do porównania wykorzystano dwie próbki MCB tego samego modelu i tej samej mocy. Test przeprowadzono przy 100 A, z momentem dokręcania 3,5 N·m i polem przekroju poprzecznego przewodu 35 mm². Wzrost temperatury końcowej rejestrowano po czterech godzinach zasilenia.

Tabela 2. Wzrost temperatury terminala z izolacją uwięzioną w ramie terminala i bez niej

Źródło: Tabela 2 pracy oryginalnej. Cztery odczyty są odtwarzane w kolejności ich raportowania.

Interpretacja techniczna

Wszystkie cztery sparowane odczyty pokazują większy wzrost temperatury końcówki, gdy izolacja przewodu została wciśnięta w ramkę zacisku.

W drugim odczycie wzrost temperatury wzrósł z 56,8 K do 123,7 K.

Wynik pokazuje, że wydajność terminala zależy nie tylko od projektu komponentu, ale także od jakości instalacji przewodnika.

Gdy izolacja dostanie się do obszaru zaciskania, może zakłócać zamierzoną powierzchnię przewodzącą pomiędzy przewodnikiem a końcówką. Może to niekorzystnie wpłynąć na połączenie i jego zachowanie termiczne.

Praktyczne implikacje są proste: przygotowanie i podłączenie przewodu musi odbywać się zgodnie z instrukcjami producenta terminala. Izolacja przewodu nie powinna być uwięziona w obszarze zacisku zaprojektowanym w celu ustanowienia kontaktu elektrycznego z przewodnikiem.

5. Porównanie dwóch projektów ramek zaciskowych

W dalszej części pracy skupiono się na geometrii ramy końcowej.

Naukowcy porównali dwa projekty:

• Żebrowana ramka przyłączeniowa z trójkątnym profilem dolnym

• Ramka zaciskowa z rowkiem złożonym z wgłębieniami po bokach i u dołu

Obie konstrukcje wykonano ze stali Q195. W porównaniu wykorzystano ten sam model MCB i moment dokręcania 2,3 N·m.

Rysunek 1. Konstrukcja żebrowanej ramy zaciskowej

Oryginalny rysunek 1. Konstrukcja żebrowanej ramy zaciskowej.

W oryginalnej pracy opisano tę konstrukcję jako posiadającą trójkątny profil dolny połączony z żebrami. Podawane wymiary żeber wynoszą 6,8 mm długości i 0,6 mm wysokości.

Rysunek 2. Konstrukcja ramy zaciskowej z rowkiem złożonym

Oryginalny rysunek 2. Konstrukcja ramy zaciskowej z rowkiem złożonym.

Konstrukcja z rowkami złożonymi wykorzystuje rowki trójkątne pod kątem prostym. W artykule podano głębokość rowka 0,25 mm, długość żebra 9,6 mm i wysokość żebra 0,5 mm.

Obie ryciny są oryginalnymi ilustracjami z gazety. Włączono je, aby zachować porównanie strukturalne, na którym opiera się poniższy eksperyment.

6. Eksperymentalne porównanie dwóch projektów ramek zaciskowych

Naukowcy przetestowali oba projekty ramek zaciskowych przy tym samym określonym momencie dokręcania i porównali ich zachowanie przy wzroście temperatury terminala.

Tabela 3. Porównanie wzrostu temperatury terminala pomiędzy dwoma konstrukcjami ramy terminala

Źródło: Tabela 3 pracy oryginalnej. W przypadku testów przewodów aluminiowych podawane wartości dotyczą czasów do spalenia końcówki, a nie pomiarów wzrostu temperatury.

6.1 Wyniki z przewodnikami miedzianymi

W przypadku przewodu miedzianego o przekroju 6 mm² konstrukcja ze złożonymi rowkami spowodowała niższy raportowany wzrost temperatury w obu porównaniach.

Przy 75 A zarejestrowany wzrost temperatury spadł z 100,2 K do 97,0 K. Przy 63 A spadł z 85,4 K do 81,2 K.

Różnice są mierzalne, chociaż same wyniki nie zapewniają uniwersalnej przewagi w zakresie wydajności dla każdego projektu z rowkami złożonymi.

6.2 Wyniki z przewodnikami aluminiowymi

Różnica między obydwoma konstrukcjami była bardziej wyraźna w raportowanych testach przewodów aluminiowych.

Przy 75 A próbka o konstrukcji żebrowanej uległa końcowemu spaleniu po 0,3 godziny, podczas gdy próbka z rowkiem złożonym spłonęła po 2,6 godziny.

Przy 63 A odpowiednie czasy wynosiły 0,5 godziny i 3,5 godziny.

Wyniki te wskazują, że konstrukcja z rowkiem złożonym sprawdzała się lepiej w określonych testowanych konfiguracjach przewodnik aluminiowy. Ponieważ temperatury spalania przekraczały zakres pomiarowy termopary, w badaniu nie podano odpowiednich wartości końcowego wzrostu temperatury dla tych zdarzeń.

7. Dlaczego konstrukcja z rowkami złożonymi sprawdziła się lepiej?

Autorzy zaproponowali trzy mechanizmy wyjaśniające wyniki.

7.1 Przestrzeń rozszerzalności cieplnej i kontaktu

Trójkątne rowki po bokach i u dołu ramy zapewniają miejsce na rozszerzanie przewodów.

Według artykułu, gdy przewodnik nagrzewa się i rozszerza, można go wcisnąć w te rowki, zwiększając powierzchnię styku i zmniejszając rezystancję styku.

Jest to proponowane wyjaśnienie niższego wzrostu temperatury zaobserwowanego w testach porównawczych w przypadku konstrukcji z rowkiem złożonym.

7.2 Lepsze pozycjonowanie przewodu i stabilność zaciskania

Boczne żebra współpracują z zakrzywionym dolnym profilem, aby podczas dokręcania prowadzić przewód w kierunku środka końcówki.

Autorzy sugerują, że taki układ poprawia umiejscowienie przewodnika i niezawodność połączenia.

Omawiają także, w jaki sposób powtarzające się ogrzewanie i chłodzenie mogą zmienić wymiary przewodnika i wpłynąć na warunki mocowania. Jeśli przewodnik się poruszy, a siła zaciskania spadnie, połączenie może wejść w cykl ujemny, w którym zmniejszone zaciskanie sprzyja dalszemu ruchowi i dalszej utracie siły zaciskania.

Konstrukcja ze złożonymi rowkami ma na celu zmniejszenie tego ryzyka, pomagając w utrzymaniu pozycjonowania przewodnika i mechanicznego utrzymania.

7.3 Odporność na osiowe siły ciągnące

Zakrzywiony dolny profil i dwa żebra współpracują ze sobą, aby przeciwdziałać osiowemu ruchowi przewodu.

W artykule podano, że ramy zacisków bez odpowiednich żeber nie przeszły testu ruchu skrętki 16 mm² i wykazały gorszą wydajność w odpowiednich testach wyciągania.

Ta obserwacja jest ważna, ponieważ działanie terminala obejmuje zarówno kontakt elektryczny, jak i retencję mechaniczną. Połączenie musi zapewniać zamierzony interfejs przewodzący, utrzymując położenie przewodu w określonych warunkach mechanicznych.

8. Wnioski i implikacje inżynierskie

Wyniki eksperymentów potwierdzają cztery główne wnioski przedstawione przez autorów:

1. W testowanych warunkach niższy moment dokręcania, mniejszy przekrój przewodu i większy prąd były powiązane z gorszymi parametrami wzrostu temperatury zacisków.

2. W testach konfiguracje przewodów aluminiowych były bardziej podatne na przepalenie końcówek niż konfiguracje przewodów miedzianych.

3. Wciśnięcie izolacji przewodu w ramkę zaciskową zwiększało mierzony wzrost temperatury zacisku.

4. Na wyniki miała wpływ geometria ramy zaciskowej. Konstrukcja ze złożonymi rowkami zapewniała niższy wzrost temperatury w przypadku przewodów miedzianych i dłuższe czasy do wypalania końcówek w przypadku przewodów aluminiowych w podanych warunkach testowych.

Badanie pokazuje, że wzrost temperatury końcowej nie jest determinowany samym prądem. Właściwości przewodu, warunki instalacji, moment dokręcania i geometria ramy zaciskowej wpływają na jakość połączenia.

Praktyczną lekcją dla projektantów ramek zaciskowych i producentów wyłączników jest to, że projekt konstrukcyjny należy oceniać poprzez badania porównawcze w określonych warunkach elektrycznych, termicznych i mechanicznych.

Przedstawione wyniki dotyczą poszczególnych zespołów wyłączników MCB i konstrukcji ram zaciskowych badanych w artykule. Nie należy ich interpretować jako uniwersalnych gwarancji wydajności lub dowodu, że każda rowkowana ramka zaciskowa będzie działać lepiej niż każda konstrukcja żebrowana.

Referencje badawcze

Huang Jia, Ren Changbin i Zhang Yanyang, „Badanie eksperymentalne dotyczące wzrostu temperatury listwy zaciskowej w wyłączniku nadprądowym” (小型断路器接线端子温升研究), Urządzenia elektryczne i technologia zarządzania efektywnością energetyczną , 2021, nr 8, s. 40–42.

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

Artykuł ten stanowi angielską techniczną interpretację cytowanych badań. Wartości eksperymentalne, wymiary projektowe i zaobserwowane wyniki zostały odtworzone z oryginalnej pracy; proponowane mechanizmy przypisuje się autorom artykułu.