關于提高AIT供電低壓開關可靠性的探討

(中國空間技術研究院 北京 100094)

一、降低低壓開關在應用中故障率的意義

供電可靠性是供配電系統的重要指標，反映了供配電系統對負載需求的滿足程度，是衡量科研保障水平的重要指標。隨著我院科研水平的發展，用電負荷持續快速增長，用戶對供電可靠性的要求愈加嚴格，而低壓開關的故障影響著低壓線路的正常運行，不僅降低了供電可靠性，也直接或間接的影響著衛星科研生產。因此，降低低壓開關故障率，提高低壓開關可靠性，對科研生產、型號研制具有非常重要的意義。

二、低壓開關簡介

(一)隔離開關簡介

隔離開關具備閉合和分斷電路的功能，可承載正常回路條件及異常條件(過載、短路)下的電流，但不具備過流過載等保護功能，結構及原理較為簡單。

1.內部結構

隔離開關內部通過動靜觸點接通電路，開關閉合時，動靜觸點接通。開關斷開時，動靜觸點分離。

(二)空氣開關簡介

1.空氣開關的原理

空氣開關是指使用空氣作為絕緣介質和滅弧介質的一種開關，又稱微型斷路器，集控制和多種保護功能于一身，在電路中接通、分斷和承載額定工作電流，并能在線路發生過載、短路等異常情況下進行可靠的保護。其滅弧室采用金屬柵片結構，觸頭系統具有斥力限流機構，因此，斷路器具有很高的分斷能力和限流能力。

2.空氣開關結構

空氣開關內部具有雙金屬片、過流線圈、滅弧闌珊等零件。當線路發生過載時，雙金屬片溫度升高，根據其材質的彎曲特性，雙金屬片隨溫度上升而向反方向彎曲，當溫度達到一定值時，雙金屬片完全分離，開關斷開。當線路發生短路故障時，感應線圈產生強大磁場，帶動內部彈簧瞬時斷開。滅弧室采用金屬闌珊結構，當開關閉合或分斷時，觸頭間會產生較大電弧，滅弧室的作用就是通過增大散熱面積和電弧釋放空間使電弧迅速消失，減少電弧產生的負面影響。

3.空氣開關的選用原則

(1)空氣開關的額定工作電壓≥線路額定電壓。

(2)空氣開關的額定工作電流≥線路負載電流。

(3)熱動脫扣器的整定電流=所控制負載的額定電流。

(4)電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流>負載電路正常工作時的峰值電流。

4.空氣開關跳閘的方式

空氣開關跳閘的方式有2種，即熱動脫扣、電磁脫扣，這2種脫扣方法操作原理雖然不同，但都能達到切斷電源的目的。

(1)熱動脫扣。空氣開關在線路發生過載時，內部所安裝的熱元件會在過載電流的作用下產生熱量，當熱量傳導到空氣開關中雙金屬片的位置時會令金屬片受熱翹起，形成對搭鉤的推動力，而將其與鎖扣脫離開來，切斷主觸頭，達到跳閘的目的。

(2)電磁脫扣。空氣開關的電磁脫扣是通過電磁脫扣器所產生的吸力來完成的，當線路中電流過載嚴重時，通過電磁脫扣器的電流會超過設定值，使得電磁脫扣器所產生的吸力提高，這樣銜鐵就會在吸力的作用下撞擊杠桿，使得搭扣與鎖扣脫開，鎖扣在彈簧的作用下將開關主觸頭分離。

三、開關跳閘類型

(一)短路跳閘

短路跳閘主要原因：

1.環境濕度大，低壓開關長期處于潮濕的環境之中，使開關內部受潮，引起空氣開關跳閘。

2.開關動作次數較多造成積碳嚴重，致使滅弧能力下降，引起自身短路。

3.用戶低壓三相設備短路故障造成跳閘。

(二)過負荷跳閘

過負荷跳閘主要原因：

1.負荷增長過大，相應開關無法滿足新增負荷需求。

2.開關接線工藝欠佳。低壓開關的輸入、輸出電纜為人工接線，存在虛接的潛在可能，進而造成接觸點發熱，開關溫度保護裝置動作，或開關內部觸點燒毀等問題，造成假性過負荷跳閘。

3.開關出線電纜載流量不足。負荷增大造成電纜發熱，其熱量傳遞到開關后致使開關溫度保護裝置動作，造成假性過負荷跳閘。

四、試驗驗證

(一)試驗一：驗證工作年限與開關溫度間的關系

試驗負載：4.4KW/220V用電設備

測試目的：模擬低壓開關工作狀態，以通過測試不同使用年限開關運行溫度的方式，分析工作年限對開關可靠性的影響。

數據采集設備：FLUKE MT4 MAX紅外線測溫儀。

對試驗電路進行帶載試驗，負載功率為4.4KW/220V。試驗開關帶載一小時后測量溫度，試驗結果見圖1。

圖1 開關通電1小時溫度折線圖

結論：上述4臺開關均為已拆卸的舊開關，根據試驗可知，2008年啟用的開關，在通電1小時后溫度最高，達到31.1℃，與初始通電溫度相比增加4.4℃；2016年啟用的開關溫度最低，為28.3℃，與初始通電溫度相比增加2.7℃；開關溫度、溫差值均隨使用年限呈小幅遞減的趨勢。

結論分析：已知開關可靠性與使用時間關系較小，但使用時間較長的開關，其動作次數也相應增多，故初步分析，得出以上結論的主要原因是動作次數影響開關溫度。

(二)試驗二：驗證不同品牌開關與開關溫度的關系

試驗負載：4.4KW/220V用電設備

測試目的：模擬低壓開關工作狀態，以通過測試不同品牌開關運行溫度的方式，分析品牌對開關可靠性的影響。

數據采集設備：FLUKE MT4 MAX紅外線測溫儀。

對試驗電路進行帶載試驗，負載功率為4.4KW/220V。試驗開關帶載一小時后測量溫度。試驗結果見圖2。

圖2 不同品牌與開關溫度對照圖

結論：根據試驗結果可知，在相同環境溫度及通電時間的條件下，品牌1開關較品牌2開關高1.1℃，但溫差低0.4℃。

結論分析：根據兩種品牌產品手冊查得：品牌1低壓開關工作溫度為-25℃～55℃；品牌2低壓開關工作溫度為-30℃～70℃，上述實驗結果均在合理使用溫度范圍內。且30℃均為兩種品牌開關的基準溫度。

(三)試驗三：驗證不同品牌開關熱穩定時間

試驗負載：4.4Kw/220V用電設備

試驗開關：1臺已使用約10年的品牌1開關，1臺已使用約10年的品牌2開關，1臺全新品牌1開關。3臺開關額定電流均為16A。

測試目的：根據中國空間技術研究院標準QJ2574A-98《衛星總裝安全要求》4.1.3.a規定：工作區及廠房內的電源設備應符合動力電源負荷能力應超過最大用電負荷50%。即負載額定電流不應大于開關電流的66.6%。為驗證低壓開關在滿足上述要求的條件下，開關溫度達到穩定值的時間，進行本次試驗。

對試驗電路進行帶載試驗，負載功率為2.2KW/220V。

數據采集設備：FLUKE Ti25熱成像儀。

a.對1臺已使用約10年的品牌1開關進行帶載試驗，負載功率為2.2Kw/220V。測試數據每20分鐘測量一次。

該開關在帶負載通電約1h時，開關溫度趨于穩定，溫度隨時間變化折線圖如圖3所示。

圖3 溫度隨時間變化折線圖

b.對1臺全新的品牌1開關進行帶載試驗，負載功率為2.2Kw/220V。測試數據每20分鐘測量一次。

該開關在帶負載通電約1h時，開關溫度趨于穩定，溫度隨時間變化折線圖如圖4所示。

圖4 溫度隨時間變化折線圖

(四)試驗總結

1.相同品牌、型號、規格的低壓開關，開關溫度與使用年限(動作次數)成正比，開關溫差與使用年限(動作次數)成正比；

2.相同環境溫度及通電時間條件下，不同品牌開關的溫度及溫差相差較小，且均在合理工作范圍內。

3.不同品牌開關在帶負載通電約1h時，開關溫度趨于穩定。

五、提高低壓開關在應用中可靠性的建議

(一)定期核查低壓開關與負載匹配度

為防止開關規格不滿足逐步增多的實際使用需求，造成線路過載的問題。應定期核查低壓開關與所帶負載的匹配程度，保證開關額定電流不小于負載額定電流。

(二)不定期核查電纜接線等施工工藝問題

低壓開關的進線出線均為人工接線，在長期使用時存在接頭松動、碳化的可能性，并易導致發熱、打火等問題。應不定期核查開關接線工藝。

(三)型號試驗前進行開關帶載測試

在AIT廠房內進行大型試驗前，根據用戶需求，可對相應開關進行帶載測試1小時，模擬實際工作狀態，記錄相關實驗數據。提高供電可靠性。