一種便攜式外置斷路器檢測裝置的研究和應用

馮霞山

廣東電網有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000

0 引言

近年來，我國智能化供電系統建設取得重大成就，智能電網、智能小區、智能電表快速發展，給人們的生活帶來了極大的便利。目前，電能表采集系統普遍采用預付費電能表斷路器（外置斷路器）來實現用戶用電的控制，自動滿足有費、無費時線路的通、斷電，欠費自動分閘，付費后自動合閘。文章設計了一種便攜式外置斷路器檢測裝置，具有功率損耗小、工作可靠性高、抗電磁兼容特性強、安全性高等優點。

1 電能表外置斷路器原理

預付費電能表外置斷路器主要設計依據是《電氣附件家用及類似場所用過電流保護斷路器 第一部分：用于交流的斷路器》（GB/T 10963.1—2005 ）。當用戶欠電費時，主控電路中的微處理器檢測到預付費電能表輸出的分閘控制信號后，控制驅動電路發出驅動電壓低電流信號，驅動電路驅動直流微電機運轉，直流電機帶動齒輪操作機構轉動使電能表外置斷路器（MCB）分閘，并保持閉鎖狀態（手動無法合閘），從而實現欠費拉閘停電鎖定功能。當用戶預付費電能表費用充值后，微處理器控制電機運轉，實現自動合閘控制，恢復用戶的正常用電功能。

電能表外置斷路器電氣部分主要由開關電源電路、費控表、主控電路（微處理器和驅動電路）、直流電機、分合閘位置檢測電路、信號反饋電路等構成。電路控制電源采用接入付費電能表AC 220 V，經開關電源變換，輸出DC 12 V電源，為主控電路、直流電機、位置檢測電路、信號反饋、指示電路等提供工作電源。微處理器自動檢測預付費電能表輸出AC 220 V電源信號脈沖信號狀態，實現斷路器分合閘狀態的控制。

2 電能表外置斷路器檢測裝置設計

電能表外置斷路器配合南網5（80）A費控電能表實現用戶費控，其大規模使用給產品質量管理和現場施工運維帶來了新的挑戰：第一，市縣級電力公司缺乏簡單有效的設備或方法對供應商貨物進行質量監督，需要送到省公司進行檢測；第二，大型的檢測設備價值高、不便攜帶、操作復雜，不適用于市縣局購置及使用；第三，現場班組缺乏對施工運維過程中問題進行有效分析及解決的方法或手段，導致問題處理時間長，甚至將好的斷路器當作壞的處理，浪費資源；第四，電能表外置斷路器的零線（N）極為可能通斷，三相用戶具有斷零風險，造成重大用戶損失，特別是長期運行過程中的斷零風險更是難以發現[1-3]。

通過對多年來電能表外置斷路器的運行故障統計數據進行分析，研讀相關產品標準，對故障原因分類并研究應對措施，文章研發了一套便攜式檢測裝置，填補市縣局及運維班組對該產品性能檢測的空白，同時提升運維人員發現和解決問題的能力，規避潛在風險。

2.1 檢測原理

檢測裝置包含控制單元PLC、電壓檢測板、觸摸屏、信號轉換模塊、電流源等部件，各部件通過一定的方式連接，其中PLC與各主要部件的通信采用RS485，檢測過程中外部接入現場電能表，以便更真實地檢測被測品性能；在觸摸屏上顯示和操作檢測流程，直觀地告知檢測人員操作流程和檢測結果。檢測裝置接線原理如圖1所示。

圖1 檢測裝置接線原理圖

檢測原理為電壓檢測板具有檢測交流電壓大小的功能，其原理與萬用表檢測電壓類似，已知電阻，測量電流值，利用歐姆定律計算出電壓。當市電接入設備后，設備內部具有直流電源模塊，供直流24 V電源給電壓檢測板工作，電壓檢測板輸入端A、N接市電的火線和零線，檢測電壓市電電壓。

電能表具有控制端C和反饋端F，其控制端的輸出是用于控制被測產品的自動分合動作的，其反饋端用于接收被測產品的反饋信號，以反應被測產品的分合狀態。其基本原理為電能表控制端C為高電平時，被測產品應自動合閘，此時被測產品的反饋信號應為高電平，電能表檢測該反饋信號電壓，如檢測為高，則表示被測產品合閘，產品功能正常；如檢測為低，則表示被測產品分閘，產品功能異?；驒z測異常。電能表控制端C為低電平時，被測產品應自動分閘，此時被測產品的反饋信號應為低電平，電能表檢測該反饋信號電壓，如檢測為低，則表示被測產品分閘，產品功能正常，如檢測為高，則表示被測產品合閘，產品功能異?；驒z測異常。

由恒流源產生大電流，對被測產品的N極施加穩定電流后，六位半高精度電壓檢測儀的表筆IN1和IN2端檢測N極兩端的電壓降，通過電壓電流計算出N極的內阻，與標準要求值進行對比，若遠大于標準要求值（2倍標準值以上）則判定為“N極具有斷零風險”，若略大于標準要求值則判定為“N極電阻過大”，若小于標準要求值則判定為“合格”[4]。

外置斷路器的快速連接附件結構如圖2所示。在現場對電能表外置斷路器的檢測過程中，如何快速可靠地把被測產品接入測試環境中是對檢測裝置的硬性要求，圖2中裝置的兩頭接線端子具有彈性接觸片，該接觸片具有很好的收縮性和足夠的強度，保證試驗連接的可靠性，其中一頭接線端子具有推拉手柄，快速完成被測產品的接入和拆下。

圖2 外置斷路器的快速連接附件結構圖

接線端的彈片可以直接通過插接的方式與被測產品連接。推拉手柄與彈片固定在一起，彈片為半圓弧形，半圓弧的直邊與接線端頭焊接在一起。進線端是固定的，出線端放在固定的滑槽中，通過推拉手柄操作使出線端進出被測產品的接線孔。檢測裝置以斷路器溫升功耗的標準為檢測依據，判定是否存在斷零風險，同時結合費控電能表的費控控制原理，判定斷路器是否滿足電能表的控制邏輯。系統支持兩個工位的同時控制和試驗[5]。

2.2 檢測案例驗證

（1）檢測斷路器分合閘時間指標。2021年3月12日到湛江市華海物業公司用戶計量外置斷路器檢測，檢測裝置顯示合閘時間1.8 s值，分閘時間1.2 s，最終診斷該用戶外置斷路器運行正常。2021年3月13日到湛江市粵鑫房地產有限公司用戶計量外置斷路器檢測，檢測裝置顯示合閘時間2.3 s值，分閘時間4 s（不符合標準小于2 s的要求），最終診斷該用戶外置斷路器運行不合格。分合閘時間指標反映的是外置斷路器對于外界信號變化的響應速度，對正常運行沒有影響，但可以通過該值側面反映外置斷路器可能出現的異常，如分閘時間長，可能是因為脫扣連桿卡滯，長期運行將出現連桿斷裂，不能合閘。

（2）檢測斷路器上電延時指標。2021年3月16日到湛江市創佳物業服務有限公司用戶計量外置斷路器檢測，檢測顯示9 s值，最終診斷該用戶外置斷路器運行正常。2021年3月17日到黃華文娛樂會所用戶計量外置斷路器檢測，檢測顯示4.5 s（標準要求不小于7 s）值，最終診斷該用戶外置斷路器運行不合格。上電延時指標反映的是斷路器與電表匹配時停電后重新上電，斷路器的響應時間。時間小于7 s時，可能出現用電戶在電表欠費的情況下出現異常合閘后分閘，如果一次電源斷后再重新送電時，外置斷路器可能先合閘后分閘，存在觸電風險。

（3）檢測斷路器每極功耗指標（每極接通電阻）。2021年3月19日到湛江日華科技有限公司用戶計量外置斷路器檢測，檢測顯示1.6 mΩ值，最終診斷該用戶外置斷路器運行正常。2021年3月20日到湛江騰達物流中心用戶計量外置斷路器檢測，檢測顯示3 mΩ（通過每極功耗計算要求阻值小于2.1 mΩ）值，最終診斷該用戶外置斷路器運行不合格。每極功耗指標（每極接通電阻）反映產品使用的導電材料和制作工藝是否符合要求，常見問題包含進出線板與軟連接焊接工藝不佳，觸頭終壓力不足，電磁線圈兩頭焊接工藝差。如果這些問題出現在三相四線斷路器的零線極，將出現三相斷零，可能導致電器燒毀。

3 結束語

通過研發一種便攜式外置斷路器檢測裝置，可以快速對電能表外置斷路器運行相關性能和指標進行提取，獲取斷路器電氣連接中的接觸電阻、回路電阻數據，尤其是獲取存在虛接、虛焊現象的斷路器的相關電阻數據，為實現發現和規避斷零風險提供基礎數據。同時，充分考慮便攜式檢測裝置的結構和電氣原理的合理布置，使得成本最優化，操作更加方便，從而提升運維人員處理問題的能力和效率。