摘要：絕緣老化、電氣失效、機械磨損以及金屬腐蝕是開關設備失效的一些主要形式，這些失效導致開關設備無法繼續工作，除了設備自身質量問題外，溫度超標、環境濕度大、缺乏維修保養等是導致這些失效的主要原因，要想提高開關設備壽命必須針對性的解決上述問題。

0. 引言

隨著國家建設智能堅強電網，推動配電設備向中高端邁進，提高供電可靠性，開關設備的使用壽命要求達到40年，提高開關設備壽命可以提高設備利用率、減少資源消耗、低碳環保。根據浴盆理論，產品的可靠性分為三個階段，第一階段早期失效期，多數源自生產、設計、材料、制造過程等缺陷造成的；第二階段隨機失效期，失效的主要原因是產品遭受到如電性、使用不當、溫度等環境應力而導致失效；第三階段磨耗失效期，主要是磨損、疲勞、老化等原因造成，磨損會導致金屬疲勞、彈簧彈性疲乏等影響壽命，老化失效。為達到開關設備使用壽命40年，需要針對失效原因使第二階段時間盡可能加長，并減少第三階段的磨損等故障發生幾率。

1. 開關設備的預期壽命

對于金屬封閉開關設備的預期壽命，可能從短的10年到50年甚至更長。曾經發現一個古老的開放式斷路器安裝在 50mm厚的巖板上，50年后仍然承繼續工作。電氣設備的預期壽命與用戶的使用環境是否進行了有效的控制息息相關，如注意清潔、足夠的環境溫濕度控制、合理的設備負載和定期維護等成為延長設備使用壽命的重要因素。

對于開關設備的預期壽命并不能簡單引用統計數據或計算給出。由于開關設備實際運行環境千差萬別，有很多極端的操作條件和使用環境，還有保養、維護的頻率、范圍不同，無法準確的預測產品的使用壽命。如果電氣設備位于現代辦公樓中，則很有可能總體清潔度高且溫度適中，而如果在造紙廠或在充滿灰塵的化工廠環境中使用相同的設備，甚至有些應用在熱帶地區，則預期壽命則完全不同。很明顯，需要良好的運行環境、定期檢查維護才能使電氣設備保持良好的工作狀態，就像一輛精美的汽車一樣，需要定期保養才能長久可靠駕駛。溫度超標、環境濕度大、缺乏維修保養等是影響開關設備壽命的關鍵因素。

2. 溫升超標和絕緣破壞

正常運行的開關柜發熱和散熱相等實現內部的熱平衡，發熱即開關柜的額定發熱功率，散熱則通過柜體、蓋板輻射以及通風孔冷空氣對流實現的熱交換。

開關設備的發熱主要是斷路器、銅排等主導電回路的發熱，即開關設備內部斷路器、銅排、電流互感器、加熱器以及控制保護二次系統的所有元件的發熱功率總合，很多客戶要求提供配電室內部開關設備的發熱功率，以便對配電室所需配置的空調進行計算，以保證開關柜在理想的環境下運行。

2.1 開關柜的發熱功率計算

紫銅在20 °C時的直流電阻率是1.75e-8歐姆/米，電阻率溫度系數為1/234.5℃，在100～200°C溫度區間，電阻率和溫度間的線性關系如公式（1）：

銅排在開關柜中的工作溫度為100°C左右，因此根據公式1計算100°C直流電阻率2.35e-8歐姆/米，而交流運行由于電磁感應、銅排內部產生集膚效應和鄰近效應，使得電子偏向導體的外表面，或者偏向導體的某一側，使得電流更集中，等效的交流電阻變大，交流電阻系數與銅排寬、厚比以及截面大小相關，一般矩形銅排在1.2~1.6左右，以1.4計算，因此開關柜銅排在工作時的電阻率為3.29e-8歐姆/米。

以2000A中置式開關柜為例，分支母線銅排采用雙拼 80x10銅排，一般出線柜分支母線總長度7.5米，2000A因此分支母線銅排總電阻：

同樣計算主母排，每相1米長，總長度3米，同樣銅排規格，計算發熱是：

電流互感器采用廠家提供的實際測量值，如每個LZZBJ9電流互感器 1250/5發熱功率36W，2000/5功率是55W，LMZB1互感器3000/5的四個繞組發熱功率是67W，4000/5三個繞組發熱功率是54W。

對于其它如電熱器發熱以及二次系統發熱按照所裝元器件估算，加熱器一般是150W，二次元器件發熱是50W左右。

綜上所述，2000A總發熱功率：開關柜都是按照滿額定負載的情況下設計、驗證的，即發熱功率和散熱功率是平衡的，運行時溫度穩定在小于限定值的某一溫度上。典型中置柜不同額定電流下的發熱功率如圖1所示。

圖1 典型中置柜不同額定電流下的發熱功率

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