低壓小型斷路器防誤跳閘技術(shù)研究

金瀚濛，朱偉星，朱 濤

(上海奉賢燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201499)

低壓斷路器俗稱自動(dòng)空氣開關(guān)，當(dāng)電路中發(fā)生短路、過(guò)負(fù)荷、低電壓等故障時(shí)，低壓斷路器都能自動(dòng)切斷電路，在電氣設(shè)備中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。該種斷路器主要采用熱脫扣原理跳閘，受環(huán)境影響較大，在高溫時(shí)容易出現(xiàn)誤跳閘，這可能會(huì)給重要二次控制保護(hù)設(shè)備帶來(lái)較大的事故與風(fēng)險(xiǎn)，尤其在電廠勵(lì)磁設(shè)備、給泵凝泵變頻設(shè)備等區(qū)域，有時(shí)突發(fā)的空開跳閘，可能帶來(lái)機(jī)組失去冗余甚至直接誘發(fā)事故的嚴(yán)重問(wèn)題[3-5]。因此，需要通過(guò)一定技術(shù)手段來(lái)減少環(huán)境因素對(duì)低壓斷路器的影響。對(duì)低壓斷路器進(jìn)行溫度補(bǔ)償以及在低壓斷路器跳閘前進(jìn)行預(yù)警設(shè)計(jì)，就能有效防止低壓斷路器誤跳閘帶來(lái)的事故與風(fēng)險(xiǎn)。本文提出一種利用溫度開關(guān)設(shè)計(jì)的具備溫度補(bǔ)償與跳閘預(yù)警的新型斷路器，可有效提升低壓斷路器的工作可靠性。

1 現(xiàn)有低壓斷路器誤跳閘原因及分析

1.1 低壓斷路器保護(hù)的工作原理

低壓斷路器主要由觸點(diǎn)系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)和各種保護(hù)元件這三個(gè)部分組成。對(duì)于低壓斷路器來(lái)說(shuō)，過(guò)電流是定時(shí)限保護(hù)，不管故障電流多大，超過(guò)設(shè)置值和延時(shí)后，保護(hù)就會(huì)動(dòng)作。熱脫扣器是反時(shí)限保護(hù)，這個(gè)是模擬被保護(hù)設(shè)備的發(fā)熱，用積分的方式累積熱量，達(dá)到設(shè)置值后保護(hù)動(dòng)作，也就是故障電流小，動(dòng)作時(shí)間就長(zhǎng)，故障電流大，動(dòng)作時(shí)間就短。反時(shí)限特性的本質(zhì)可以用反比例函數(shù)表示，也即雙曲線的一支來(lái)表示，而定時(shí)限特性曲線則可以用一條直線表示，一般應(yīng)用于斷路器的磁脫扣器。從保護(hù)原理來(lái)說(shuō)，熱脫扣保護(hù)的應(yīng)用更貼近保護(hù)目的，因此低壓小型斷路器一般采用熱脫扣原理。

1.2 現(xiàn)有低壓斷路器誤跳閘事故分析

低壓斷路器具有兩種過(guò)電流保護(hù)方案：電磁跳閘和熱跳閘。電磁跳閘用于短路保護(hù)，熱跳閘用于過(guò)載保護(hù)。在測(cè)試了許多意外跳閘的斷路器跳閘特性后，發(fā)現(xiàn)幾乎所有無(wú)法解釋的在操作過(guò)程中跳閘的斷路器幾乎都不會(huì)改變電磁跳閘電流的參數(shù)，并且熱跳閘電流參數(shù)均顯著減小。由此可以看出，低壓斷路器的誤跳閘事故主要是由于熱跳閘機(jī)構(gòu)故障引起的，這也進(jìn)一步表示低壓小型斷路器一般采用熱脫扣原理。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 斷路器跳閘后的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù) ms

從表1中可以直觀看到，同規(guī)格的新品斷路器與發(fā)生過(guò)誤跳閘的斷路器相比，其大電流跳閘時(shí)間無(wú)顯著變化，而小電流的跳閘時(shí)間顯著縮短。由此證明大部分誤跳閘的斷路器，均是由于熱脫扣失效導(dǎo)致，低壓斷路器的脫扣電流與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見，有故障的斷路器均是熱脫扣的反時(shí)限保護(hù)的電流曲線左移導(dǎo)致。因此，如何防范斷路器異常熱脫扣，是防范斷路器誤跳閘的重點(diǎn)。

圖1 低壓斷路器跳閘時(shí)間特性曲線

1.3 環(huán)境因素對(duì)低壓斷路器的影響

1.3.1 高溫對(duì)低壓斷路器熱脫扣的影響

低壓斷路器的過(guò)載保護(hù)依靠熱脫扣器完成，熱脫扣器額定電流是制造商依據(jù)IEC 898標(biāo)準(zhǔn)，在基準(zhǔn)溫度為30℃條件下整定的。熱脫扣器由一組雙金屬片制成，受環(huán)境因素影響較大，環(huán)境溫度發(fā)生變化就會(huì)導(dǎo)致低壓斷路器的額定電流值發(fā)生變化。當(dāng)線路中流過(guò)正常電流時(shí)，雙金屬片剛好可以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，不再繼續(xù)彎曲，但當(dāng)發(fā)生過(guò)載，過(guò)載電流流過(guò)加熱電阻絲而使雙金屬片發(fā)熱變形彎曲，將搭鉤頂開，使斷路器跳閘[6-7]。低壓斷路器一般是排列有序地固定在配電盤或機(jī)柜內(nèi)，如果機(jī)柜內(nèi)的空氣散熱效果差，造成機(jī)柜內(nèi)因低壓斷路器的溫升使周圍環(huán)境的空氣溫度上升，從而導(dǎo)致斷路器誤跳閘概率會(huì)大幅提升[8-9]。

1.3.2 高溫對(duì)低壓斷路器工作電流的影響

低壓斷路器的工作電流受環(huán)境溫度影響，當(dāng)環(huán)境溫度大于或等于額定溫度時(shí)，必須根據(jù)制造商提供的溫度與載流能力修正系數(shù)表，來(lái)修正低壓斷路器的額定電流值[10]。以某型號(hào)C6N/H斷路器為例(見表2)，在周圍環(huán)境為20℃時(shí)，C6N/H的額定電流6 A，實(shí)際工作電流為6 A；在周圍環(huán)境為40℃時(shí)，實(shí)際工作電流則降為4.6 A。由此可以看出，不同的環(huán)境溫度對(duì)于低壓斷路器的實(shí)際工作電流值是有明顯的影響。

表2 不同溫度下C6N/H的工作電流的部分?jǐn)?shù)據(jù)

1.3.3 高溫對(duì)控制柜的影響

在夏季高溫季節(jié)，很多控制柜內(nèi)溫度偏高，尤其是柜內(nèi)裝有變頻器、電源模塊、動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備、變壓器的機(jī)柜，很多時(shí)候局部溫度高達(dá)60℃以上。如果斷路器的跳閘電流未經(jīng)過(guò)環(huán)境溫度極限值的校核，則極易發(fā)生誤跳閘事故，很多低壓斷路器在60℃的環(huán)境溫度下，有時(shí)50%額定電流就會(huì)誤跳，對(duì)此如果更換大一規(guī)格等級(jí)的斷路器，又很容易造成級(jí)差配合的困難，即下級(jí)故障時(shí)上級(jí)開關(guān)越級(jí)跳閘，引發(fā)更大的事故風(fēng)險(xiǎn)。

因此，如果對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的低壓斷路器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使之能夠克服對(duì)環(huán)境溫度的敏感性，同時(shí)對(duì)斷路器脫扣器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度接近跳閘門檻溫度時(shí)提前預(yù)警，是解決斷路器誤跳閘事故的重要手段。

2 低壓斷路器可靠性提升方案設(shè)計(jì)

2.1 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

低壓斷路器依靠熱脫扣原理跳閘，環(huán)境溫度對(duì)于熱脫扣器的影響不可避免。為此，如果設(shè)計(jì)兩個(gè)脫扣器，一個(gè)是額定電流較大的主脫扣器，一個(gè)是額定電流較小的輔助脫扣器。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)只啟用主脫扣器，輔機(jī)溫度升高至限值后接入輔助脫扣器，將輔助脫扣器與主脫扣器并聯(lián)運(yùn)行，則整個(gè)斷路器的動(dòng)作電流值升高，抵消因環(huán)境溫度升高導(dǎo)致的脫扣電流減小。溫度補(bǔ)償法是將參考端溫度乘以一個(gè)修正系數(shù)k作為修正值對(duì)斷路器實(shí)際運(yùn)行溫度進(jìn)行修正，修改后的溫度t公式為

t=t1+kt2

(1)

式中t——被測(cè)量實(shí)際溫度，℃；t1——斷路器的溫度，℃；t2——斷路器額定溫度，℃；k——溫度的修正系數(shù)。

為了準(zhǔn)確地計(jì)算k的取值，可采用最小二乘法確定k的最佳估值。將令t-t1=△t，則△t=kt2，根據(jù)最小二乘法，可得式(2)：

(2)

根據(jù)式(2)可取n個(gè)t2值和與之對(duì)應(yīng)的△t，并按式(3)求得k值：

(3)

由式(3)得到溫度的修正系數(shù)k，從而可以精確地設(shè)計(jì)出輔回路的修正電流。因此，可以采用溫度開關(guān)與輔助脫扣器配合，利用溫度開關(guān)感應(yīng)環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)斷路器的溫度補(bǔ)償。

2.2 溫度監(jiān)測(cè)

為了保證低壓斷路器的正常跳閘，需要對(duì)斷路器脫扣器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)儀直觀觀察低壓斷路器熱脫扣的溫度變化。目前對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)方法有兩大類：一類是接觸式測(cè)溫；還有一類是非接觸式測(cè)溫。工業(yè)上普遍采用接觸式測(cè)溫，該方法不太適用于熱脫扣這種經(jīng)常動(dòng)作的元件，對(duì)于熱脫扣的溫度監(jiān)測(cè)可采用紅外線測(cè)溫的方式，此方法具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn)。對(duì)測(cè)量結(jié)果也可比對(duì)DL/T 664—1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》中的要求，方便值班人員實(shí)時(shí)觀察溫度的變化情況[11-12]。

2.3 跳閘預(yù)警設(shè)計(jì)

一般低壓斷路器通過(guò)輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)跳閘報(bào)警，但僅能在跳閘以后實(shí)現(xiàn)告警，無(wú)法在斷路器內(nèi)部脫扣器溫升接近跳閘值之前提前預(yù)警，因此無(wú)法防范斷路器突發(fā)跳閘導(dǎo)致的二次設(shè)備運(yùn)行異常。對(duì)此，可在斷路器內(nèi)部脫扣器上安裝獨(dú)立的報(bào)警發(fā)信溫度開關(guān)如圖2所示，將該發(fā)信溫度開關(guān)的動(dòng)作溫度定值設(shè)置為略低于脫扣器跳閘溫度，則可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)跳閘預(yù)警。

圖2 防誤跳閘低壓斷路器結(jié)構(gòu)

2.4 整體方案設(shè)計(jì)

本文提出的新型低壓斷路器防誤跳閘方案，基于現(xiàn)有低壓斷路器的部件，通過(guò)將兩個(gè)不同的脫扣器分為一主一輔，再加上補(bǔ)償用溫度開關(guān)與發(fā)信溫度開關(guān)，構(gòu)成一個(gè)具備溫度補(bǔ)償與跳閘預(yù)警能力的低壓斷路器，該結(jié)構(gòu)包括主脫扣器、輔助脫扣器、補(bǔ)償溫度開關(guān)、發(fā)信溫度開關(guān)。溫度開關(guān)與輔助脫扣器串聯(lián)，再與主脫扣器并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度補(bǔ)償，同時(shí)通過(guò)紅外線測(cè)溫對(duì)斷路器脫扣器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便值班人員觀察其溫度變化，對(duì)于提前預(yù)警功能可采用發(fā)信溫度開關(guān)感溫部分與主脫扣器相接觸，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的信號(hào)報(bào)警，補(bǔ)償溫度開關(guān)為常開接點(diǎn)溫度開關(guān)，其動(dòng)作溫度在40～50 ℃，發(fā)信溫度開關(guān)動(dòng)作溫度在80～120 ℃，輔助脫扣器的跳閘電流為主脫扣器跳閘電流的20%～30%。

利用輔助脫扣器與補(bǔ)償溫度開關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)溫度開關(guān)接通，輔助脫扣器與主脫扣器并聯(lián)工作，這樣整個(gè)開關(guān)跳閘電流提高，也就克服了現(xiàn)有空氣開關(guān)對(duì)環(huán)境溫度的敏感性，使之在高溫環(huán)境下誤跳閘的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。同時(shí)利用發(fā)信溫度開關(guān)，當(dāng)脫扣器溫度升高至接近跳閘溫度前，預(yù)先發(fā)出預(yù)警，從而可讓工作人員提前預(yù)知，避免突然跳閘后導(dǎo)致的設(shè)備事故。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證新型方案中低壓斷路器可靠性提升的效果，利用既有的不同規(guī)格的低壓斷路器，通過(guò)與外部溫度開關(guān)的組合，設(shè)計(jì)出新型斷路器樣機(jī)，樣品組成方式如表3所示。補(bǔ)償溫度開關(guān)動(dòng)作值為45℃，通過(guò)不同環(huán)境溫度下，0.9倍與1.1倍額定電流動(dòng)作下跳閘時(shí)間的測(cè)試，比較其與現(xiàn)有斷路器的特性，試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表3 樣品組成方式

表4 0.9In跳閘時(shí)間 s

試驗(yàn)結(jié)果表明，在既有斷路器基礎(chǔ)上，通過(guò)溫度開關(guān)與輔助脫扣器的改進(jìn)，能夠非常有效地提升低電壓斷路器的保護(hù)效果。當(dāng)環(huán)境溫度升至45℃以上后，由表4和表5可明顯看到，新型斷路器均不會(huì)在此溫度上誤跳閘，說(shuō)明輔助脫扣器的接入有效補(bǔ)償了熱脫扣器的脫扣電流衰減，從根本上防范了高溫環(huán)境下斷路器誤動(dòng)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于表4在0.9倍額定電流動(dòng)作下跳閘時(shí)間的數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)境溫度達(dá)到60℃后，新型斷路器均不會(huì)發(fā)生誤跳閘，說(shuō)明有效避免了誤跳閘概率；對(duì)于表5中溫度上升至60℃以后，也可看到其跳閘時(shí)間明顯加長(zhǎng)，利用溫度開關(guān)預(yù)警設(shè)計(jì)，不僅可以有效預(yù)防低壓斷路器的誤跳閘，延長(zhǎng)了低壓斷路器的壽命，而且成本低廉，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)低壓斷路器在環(huán)境溫度頗高時(shí)熱脫扣容易發(fā)生誤跳閘的現(xiàn)象，提出了一種利用溫度開關(guān)設(shè)計(jì)的具備溫度補(bǔ)償與跳閘預(yù)警的新型斷路器，工作人員可以定期通過(guò)對(duì)熱脫扣器紅外線測(cè)溫的方式，觀察其溫度變化。試驗(yàn)證明這些手段能夠有效減少由于誤跳閘給重要二次設(shè)備帶來(lái)的事故風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低了高溫引發(fā)的誤跳閘概率。