低壓小型斷路器防誤跳閘技術研究

金瀚濛，朱偉星，朱 濤

(上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201499)

低壓斷路器俗稱自動空氣開關，當電路中發生短路、過負荷、低電壓等故障時，低壓斷路器都能自動切斷電路，在電氣設備中的應用十分廣泛[1-2]。該種斷路器主要采用熱脫扣原理跳閘，受環境影響較大，在高溫時容易出現誤跳閘，這可能會給重要二次控制保護設備帶來較大的事故與風險，尤其在電廠勵磁設備、給泵凝泵變頻設備等區域，有時突發的空開跳閘，可能帶來機組失去冗余甚至直接誘發事故的嚴重問題[3-5]。因此，需要通過一定技術手段來減少環境因素對低壓斷路器的影響。對低壓斷路器進行溫度補償以及在低壓斷路器跳閘前進行預警設計，就能有效防止低壓斷路器誤跳閘帶來的事故與風險。本文提出一種利用溫度開關設計的具備溫度補償與跳閘預警的新型斷路器，可有效提升低壓斷路器的工作可靠性。

1 現有低壓斷路器誤跳閘原因及分析

1.1 低壓斷路器保護的工作原理

低壓斷路器主要由觸點系統、操作機構和各種保護元件這三個部分組成。對于低壓斷路器來說，過電流是定時限保護，不管故障電流多大，超過設置值和延時后，保護就會動作。熱脫扣器是反時限保護，這個是模擬被保護設備的發熱，用積分的方式累積熱量，達到設置值后保護動作，也就是故障電流小，動作時間就長，故障電流大，動作時間就短。反時限特性的本質可以用反比例函數表示，也即雙曲線的一支來表示，而定時限特性曲線則可以用一條直線表示，一般應用于斷路器的磁脫扣器。從保護原理來說，熱脫扣保護的應用更貼近保護目的，因此低壓小型斷路器一般采用熱脫扣原理。

1.2 現有低壓斷路器誤跳閘事故分析

低壓斷路器具有兩種過電流保護方案：電磁跳閘和熱跳閘。電磁跳閘用于短路保護，熱跳閘用于過載保護。在測試了許多意外跳閘的斷路器跳閘特性后，發現幾乎所有無法解釋的在操作過程中跳閘的斷路器幾乎都不會改變電磁跳閘電流的參數，并且熱跳閘電流參數均顯著減小。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構故障引起的，這也進一步表示低壓小型斷路器一般采用熱脫扣原理。部分試驗數據如表1所示。

表1 斷路器跳閘后的部分試驗數據 ms

從表1中可以直觀看到，同規格的新品斷路器與發生過誤跳閘的斷路器相比，其大電流跳閘時間無顯著變化，而小電流的跳閘時間顯著縮短。由此證明大部分誤跳閘的斷路器，均是由于熱脫扣失效導致，低壓斷路器的脫扣電流與時間的關系如圖1所示。由圖1可見，有故障的斷路器均是熱脫扣的反時限保護的電流曲線左移導致。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。

圖1 低壓斷路器跳閘時間特性曲線

1.3 環境因素對低壓斷路器的影響

1.3.1 高溫對低壓斷路器熱脫扣的影響

低壓斷路器的過載保護依靠熱脫扣器完成，熱脫扣器額定電流是制造商依據IEC 898標準，在基準溫度為30℃條件下整定的。熱脫扣器由一組雙金屬片制成，受環境因素影響較大，環境溫度發生變化就會導致低壓斷路器的額定電流值發生變化。當線路中流過正常電流時，雙金屬片剛好可以達到動態平衡狀態，不再繼續彎曲，但當發生過載，過載電流流過加熱電阻絲而使雙金屬片發熱變形彎曲，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柜內，如果機柜內的空氣散熱效果差，造成機柜內因低壓斷路器的溫升使周圍環境的空氣溫度上升，從而導致斷路器誤跳閘概率會大幅提升[8-9]。

1.3.2 高溫對低壓斷路器工作電流的影響

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

表2 不同溫度下C6N/H的工作電流的部分數據

1.3.3 高溫對控制柜的影響

在夏季高溫季節，很多控制柜內溫度偏高，尤其是柜內裝有變頻器、電源模塊、動力轉換設備、變壓器的機柜，很多時候局部溫度高達60℃以上。如果斷路器的跳閘電流未經過環境溫度極限值的校核，則極易發生誤跳閘事故，很多低壓斷路器在60℃的環境溫度下，有時50%額定電流就會誤跳，對此如果更換大一規格等級的斷路器，又很容易造成級差配合的困難，即下級故障時上級開關越級跳閘，引發更大的事故風險。

因此，如果對現有技術的低壓斷路器進行溫度補償，使之能夠克服對環境溫度的敏感性，同時對斷路器脫扣器溫度進行監測，當溫度接近跳閘門檻溫度時提前預警，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計

2.1 溫度補償設計

低壓斷路器依靠熱脫扣原理跳閘，環境溫度對于熱脫扣器的影響不可避免。為此，如果設計兩個脫扣器，一個是額定電流較大的主脫扣器，一個是額定電流較小的輔助脫扣器。當環境溫度較低時只啟用主脫扣器，輔機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運行，則整個斷路器的動作電流值升高，抵消因環境溫度升高導致的脫扣電流減小。溫度補償法是將參考端溫度乘以一個修正系數k作為修正值對斷路器實際運行溫度進行修正，修改后的溫度t公式為

t=t1+kt2

(1)

式中t——被測量實際溫度，℃；t1——斷路器的溫度，℃；t2——斷路器額定溫度，℃；k——溫度的修正系數。

為了準確地計算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，根據最小二乘法，可得式(2)：

(2)

根據式(2)可取n個t2值和與之對應的△t，并按式(3)求得k值：

(3)

由式(3)得到溫度的修正系數k，從而可以精確地設計出輔回路的修正電流。因此，可以采用溫度開關與輔助脫扣器配合，利用溫度開關感應環境溫度，實現斷路器的溫度補償。

2.2 溫度監測

為了保證低壓斷路器的正常跳閘，需要對斷路器脫扣器溫度進行監測，并且可以通過在線監測儀直觀觀察低壓斷路器熱脫扣的溫度變化。目前對溫度的監測方法有兩大類：一類是接觸式測溫；還有一類是非接觸式測溫。工業上普遍采用接觸式測溫，該方法不太適用于熱脫扣這種經常動作的元件，對于熱脫扣的溫度監測可采用紅外線測溫的方式，此方法具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準確、快速、直觀等特點。對測量結果也可比對DL/T 664—1999《帶電設備紅外診斷技術應用導則》中的要求，方便值班人員實時觀察溫度的變化情況[11-12]。

2.3 跳閘預警設計

一般低壓斷路器通過輔助接點實現跳閘報警，但僅能在跳閘以后實現告警，無法在斷路器內部脫扣器溫升接近跳閘值之前提前預警，因此無法防范斷路器突發跳閘導致的二次設備運行異常。對此，可在斷路器內部脫扣器上安裝獨立的報警發信溫度開關如圖2所示，將該發信溫度開關的動作溫度定值設置為略低于脫扣器跳閘溫度，則可以在一定程度上實現跳閘預警。

圖2 防誤跳閘低壓斷路器結構

2.4 整體方案設計

本文提出的新型低壓斷路器防誤跳閘方案，基于現有低壓斷路器的部件，通過將兩個不同的脫扣器分為一主一輔，再加上補償用溫度開關與發信溫度開關，構成一個具備溫度補償與跳閘預警能力的低壓斷路器，該結構包括主脫扣器、輔助脫扣器、補償溫度開關、發信溫度開關。溫度開關與輔助脫扣器串聯，再與主脫扣器并聯，實現環境溫度補償，同時通過紅外線測溫對斷路器脫扣器溫度進行監測，方便值班人員觀察其溫度變化，對于提前預警功能可采用發信溫度開關感溫部分與主脫扣器相接觸，實現與外部設備的信號報警，補償溫度開關為常開接點溫度開關，其動作溫度在40～50 ℃，發信溫度開關動作溫度在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償溫度開關，當環境溫度較高時溫度開關接通，輔助脫扣器與主脫扣器并聯工作，這樣整個開關跳閘電流提高，也就克服了現有空氣開關對環境溫度的敏感性，使之在高溫環境下誤跳閘的風險降至最低。同時利用發信溫度開關，當脫扣器溫度升高至接近跳閘溫度前，預先發出預警，從而可讓工作人員提前預知，避免突然跳閘后導致的設備事故。

3 試驗驗證分析

為了驗證新型方案中低壓斷路器可靠性提升的效果，利用既有的不同規格的低壓斷路器，通過與外部溫度開關的組合，設計出新型斷路器樣機，樣品組成方式如表3所示。補償溫度開關動作值為45℃，通過不同環境溫度下，0.9倍與1.1倍額定電流動作下跳閘時間的測試，比較其與現有斷路器的特性，試驗結果如表4和表5所示。

表3 樣品組成方式

表4 0.9In跳閘時間 s

試驗結果表明，在既有斷路器基礎上，通過溫度開關與輔助脫扣器的改進，能夠非常有效地提升低電壓斷路器的保護效果。當環境溫度升至45℃以上后，由表4和表5可明顯看到，新型斷路器均不會在此溫度上誤跳閘，說明輔助脫扣器的接入有效補償了熱脫扣器的脫扣電流衰減，從根本上防范了高溫環境下斷路器誤動跳閘的風險。對于表4在0.9倍額定電流動作下跳閘時間的數據顯示，在環境溫度達到60℃后，新型斷路器均不會發生誤跳閘，說明有效避免了誤跳閘概率；對于表5中溫度上升至60℃以后，也可看到其跳閘時間明顯加長，利用溫度開關預警設計，不僅可以有效預防低壓斷路器的誤跳閘，延長了低壓斷路器的壽命，而且成本低廉，具有較好的實用價值。

4 結語

本文針對低壓斷路器在環境溫度頗高時熱脫扣容易發生誤跳閘的現象，提出了一種利用溫度開關設計的具備溫度補償與跳閘預警的新型斷路器，工作人員可以定期通過對熱脫扣器紅外線測溫的方式，觀察其溫度變化。試驗證明這些手段能夠有效減少由于誤跳閘給重要二次設備帶來的事故風險，從而提高了設備運行的可靠性，降低了高溫引發的誤跳閘概率。