“零断电”更换控制器的实施——低压万能式断路器的新配置

付春秋 卜浩民

（上海良信电器股份有限公司，上海 200137）

1 概述

首先引入一个新名词“零断电”：在低压断路器主回路正常运行（通电）的情况下，如果作为其控制部分的电子模块出现故障或故障隐患，能在保持断路器仍接通的状态下带电更换电子控制模块，从而保持了供电的不中断，保证供电的连续性。

对电力系统来说，除了设备或线路出现故障时，需要断路器起动保护、切断主回路外，其他断电都是希望避免的，尤其在一些重要用电场合，必须保证供电的连续性。但受断路器本身的设计及结构限制，当断路器本身出现故障时，也会发生电力系统的被动断电。是否有“零断电”的解决方案呢？

随着电子、数字、智能技术的进步，智能型低压断路器以其保护功能全面、智能化、可通讯、体积小等优势已逐步替代传统热磁式断路器。但在大量使用中，也逐步暴露出电子产品的不足，老化及干扰影响到产品的长期工作稳定性，老化失效是电子产品自身特点决定的，它带来保护及智能化功能的失效；同时电网质量的影响也不容忽视，随着人们生活水平的不断提高，各种新型电气设备的普及，特别是变频设备的大量应用，对电网的质量造成了严重的影响，这些都考验着电子器件的稳定性，它能否正常工作，直接影响电源供电的质量和供电的持续性。自身老化影响加上外部干扰的影响，缩短了断路器智能控制器使用寿命。当发现智能控制器有故障或故障隐患时，现在的做法是切断电源，更换或维修故障部件。能不能不切断电源，在保持连续供电下就可以更换控制器呢?这就是我们要讨论的零断电解决方案—“零断电”更换智能控制器的断路器。这也是应上海市供电公司的需要而开发的一款派生产品。

2 结构要求

1）能在配电柜门关闭情况下更换控制器的模块化结构

由于低压配电柜与内装万能式断路器一般都有门联锁，打开柜门，断路器会自动跳闸。这就要求在更换控制器部件时，不能打开配电柜柜门。万能式断路器装在配电柜内，只有其面罩露在柜门上，因此要求模块化控制器的整体结构必须在面罩的范围内能取出，且要求简单方便。

2）外形及安装尺寸的协调性

因为是对现有断路器的改造，所以新控制器的外形尺寸不能超出原有控制器，安装位置及尺寸不能有变化，内部布局可以根据设计进行适当调整。为了同时能替代已投入运行的产品，要求与现有成套柜的安装具兼容性。因此新控制器要满足和原有产品相同的安装尺寸和不大于的外形尺寸。

3）与断路器本体须连接可靠、解锁方便、更换迅速

因为在取出原有控制器到新控制器安装到位前的时间间隔中，相应保护功能会丧失，若此时有需要动作的故障出现，会失去相应的操作指令及保护动作。为此，要求整个更换时间越短越好，暂以不超过15s为目标时间。

机械连接结构在保证连接稳定可靠的前提下应便易解开，希望通过最简单的操作方式，实现一键解锁，保证连接可靠和更换快速。据此，拟尽量不采用传统的螺钉、螺母连接方式。

4）电气接触连接的快速、可靠、耐久

为了满足能快速更换的要求，相应的电气连接接插件结构设计尤为重要，常规的单点接触结构不能满足接触可靠及耐震动的要求，也不能满足快速接插要求。需通过重新选型或设计专用型接插件实现可靠接触的要求。

智能控制器通过电气接插件连接，即使只有一个接点接触不良，就会导致断路器部分功能丧失，这种质量隐患是不允许的。与控制器的电气连接，多是通过弱电信号，因此降低接触电阻、保证接触良好尤为重要。接触片一般为铜件，表面镀银或镀金，接触面长时间暴露在空气中，会形成低导电率的覆盖层，导致接触不良。接插件的上下对接及滑动，有利于去除接触表面的氧化层，达到可靠接触的效果。

因有多回路同时插拔，为提高多路接插配合的准确度、接插寿命和抗震能力，此对接过程不应是硬性（刚性）连接，而是通过“软性连接”配合、多点接触等措施提高其接触可靠性。

5）有防止非正常误操作的措施

因新智能控制器的更换简便，为了防止非常规的误操作而引起的误设、误动，在控制器外部拟加设带锁定结构的透明防护罩，只有指定的专业人员才能解开锁定，打开防护罩，进行设定操作。

6）控制器安装和接线到位的外部指示

受产品的空间限制，操作者不可能直接看到控制器装配是否到位，因此需要能通过外部灯光或声音，指示装配和接线到位的状态。

7）电气接插件的插拔力应在合理范围内

电气接插件的插拔力是受接插件的结构决定的，插拔力太大，影响控制器更换速度，也影响接插件自身及周边器件的寿命；插拔力太小，影响产品接触可靠性，会导致接触不良而发热。应根据不同的断路器，选择或设计适当的接插件，在保证接触可靠的前提下，力争提高寿命。

3 性能要求

1）控制器更换过程的人身安全防护

因主电路为 AC400V或 AC690V的不安全电压，在更换控制器时，必须与操作者有效隔离。操作端可能触及的部件电压不得高于 36V，此要求必须贯彻在设计中。可通过绝缘隔离、结构重置、接地等实现全面安全防护。

2）确保更换过程中电子元器件的安全

对计算机等设备，通常不能带电更换其外接设备，如鼠标、键盘、打印机等，否则会损坏设备或丢失数据等。同样在断路器中，带电插拔控制器时，更会有电弧及高电压产生，这对相关电子器件都会产生一定的损害和破坏，同时还可能危及操作者的安全。所以需要对相关元器件作出有效保护性设计，保证在更换控制器过程中不产生电弧及高电压。

3）误动作的防范

智能控制器正常起动时具有自诊断和自保护功能，当卸下控制器时，因检测到外部信号丢失，会下达动作指令，使产品跳闸。但在更换零断电控制器时必须避免断路器跳闸，为此就要对产品的硬件配合逻辑及软件的程序编写进行调整，设置成报警不动作或延迟一定的时间后再进行检测，不但可以保证产品发现自身故障，同时也不会发生误动作而导致产品分闸。

4）提高带电插拔控制器的一致性，满足更换的匹配性

电子部件和电子部件之间，特别是电子部件与信号采集部件间的匹配度要高，否则就会出现新更换的控制器与原有基座之间不相匹配，从而导致误动或拒动。所以要求每个电子部件的一致性要好，保证更换后的控制器与周围配套件的高匹配性。

5）保证可更换件的机电寿命

控制器能带电更换是万能式断路器的新功能，虽然进行更换的周期很长，更换次数少，关于更换件的机电寿命指标没有相应的标准要求，但终究应按满足产品的长期可靠运行出发考虑其使用寿命。

6）报警指示

智能控制器被拆下后，相应的功能就丧失了，此时是保护的空白期，这时在产品外部要设置一个报警提示输出，可以是灯光提示，也可以是声音提示，提示操作者尽快将新的控制器安装到位。

4 方案实施

智能控制器在断路器中承担数据采集，数据处理，下达动作指令等功能，电子产品的特点是体积小，单元模块化，输入输出接口较集中，与主电路可靠隔离等，这为实现带电更换提供了方便。以万能式断路器为例，图1是零断电解决方案的原理框图。

图1 原理框图

图1中，产品的结构全部为模块化设计，模块之间，电气上由插板与双排插座连接，机械上由旋钮及弹跳装置等连接，结构上，增加了自保护装置、锁定装置、防误动作装置、状态及报警指示器、安全隔板及带锁定功能的防护面罩等。

1）自保护装置是在更换控制器的整个过程中，保护自身的电子元器件不受高电压、放电及电弧等损伤。

2）锁定装置是实现“零断电”的关键，在更换控制器的整个过程中，能锁定主电路的接触系统及操作机构不发生分闸动作，以避免因更换控制器造成供电中断。

3）防误动作装置是防止在更换过程中，因电子部件自诊断及干扰信号的影响，导致整个产品的误动作。

4）状态及报警指示器是对控制器被拆除和安装未到位的状态发出报警信号的指示，提醒操作者尽快将更换的部件安装到位。

5）安全隔板是由绝缘材料制成，可将高电压及大电流的部件进行有效隔离，并可防止电弧飞出，以保证操作者的操作安全。

6）带锁定功能的防护罩是安装在断路器面罩外，用透明材料制成，以活页方式固定，透过防护罩可观察到产品运行情况，有挂锁孔，可锁定，以防止无操作权限的操作者操作。

该方案可推广到除接触系统及操作机构以外的其他电子模块，都可以带电进行安全更换，操作可靠，安全。

5 产品优点与缺陷

5.1 产品的优点

1）断电时间为零

较高故障率的电子部件实现了可带电更换，不会影响系统的正常供电，有利于减少供电系统的年停电时间，同时通过定期更换即将老化的电子部件以及不定期的检查产品运行情况，及时有效的发现安全隐患并及时排除，保证供电持续性。

2）降低用户及生产厂家的维护成本

就常规抽屉式万能断路器来说，在通常情况下，控制器的更换步骤为：

断开主电路——打开配电柜门——取出摇手柄，摇出本体——拧开4个长螺钉，卸下面罩

——拧开控制器的安装螺钉——拔出（4个）互感器插头——（用钳子）拔出控制器与二次端子连接的 8—12个端子——拧开固定控制器的 3个螺钉——取出故障控制器——装入新控制器——拧紧固定控制器机构的（3个）螺钉，插入（4个）互感器连接插头……，整个过程大约需要1h左右。更换的直接和间接（因停电而造成的）成本十分可观。若采用了零断电更换控制器，直接打开透明盖板，将2个安装旋钮逆时针旋转 90°，即可取出故障控制器；放入新控制器，将旋钮压入并顺时针旋转90°，即锁定到位，关上透明盖板即完成更换，整个过程10s左右即可完成。更换成本大大降低，而不停电带来的社会效益更是无可估量。

对于生产厂家的售后维修成本也是大大降低，不但节省了来回的差旅开支，更节省了日益昂贵的人力成本。寄个新的控制器给客户，客户自己就可以处理好了。

3）更换过程不需要任何工具

传统产品更换时，不但需要产品自带的工具—摇手柄，更需要起子、钳子，甚至电烙铁，焊锡丝等；零断电更换控制器则什么工具都不要，仅用双手就可以轻松操作完成。

4）对操作者的专业要求大大降低

对传统控制器的维护，必须由专业技术人员才能完成，而对零断电更换控制器的维护，因为操作简单，不涉及电路拆接，所以普通电工就可以轻松完成。

5）降低故障隐患

在更换传统控制器过程中，由于产品空间窄小，不但螺钉，垫圈随时可能掉进产品内部，插头插错、互感器线碰断等都可能发生，造成一定质量或安全隐患；新型控制器的更换则完全不用担心有此隐患，因为更换过程没有任何可以脱落的零部件，也没有任何连接需要更换。

6）故障分析不影响连续供电

非线路故障出现分闸事故时，可直接更换新的控制器，保证继续供电后，再对卸下的故障控制器从容分析故障原因。没有停电时间。

5.2 产品缺陷及应对

在新控制器更换过程中，存在约 10s的保护功能缺失间隙。既然要更换控制器，要求不断电的同时保护也零缺失，在逻辑上是不存在的（总存在更换的瞬间。除非断路器上配置 2套控制器，1套作为备用，这又带来工作程序的复杂性以及成本的大幅提高）。我们要做的是尽可能缩短保护缺失时间。保护缺失时段的风险存在，我们可以从系统的（保护）设计和更换时机的选择两方面着手，把这种风险降到最低：

1）系统功能的保证

在我们的供电系统中，实际上是实行分级保护的，并力求实现“选择性”保护。所以只要设计合理，作为主开关的ACB，如果其下级某分路出现故障（短路或过载），则实际上是相应的该下级保护电器做出保护跳闸，此ACB在正常情况下是不需要动（跳闸）的，所以这10s的风险得以大大降低；

2）操作时机的选择

故障出现的概率通常是在负荷高峰的时段更大些，那么除非控制器彻底失效而必须立即更换外，一般可选择负荷低谷时段更换，则也可降低保护缺失的风险。

6 结论

该实施方案，虽然是对智能型万能式断路器进行的，但其原理也适用于所有带电子部件模块的低压断路器产品，包括智能型万能式断路器、智能型塑壳断路器、双电源自动切换装置等电子智能型产品。目前，国内外低压电器厂家，对具该类功能的产品鲜有研究，更鲜有成熟的产品。我公司从2011年初根据市场需要开始对该方案进行了深入的研究，已研发出新颖结构的零断电更换控制器产品，已申报了两项发明专利，已授权四项实用新型专利和一项外观专利，产品已推广应用，市场反应良好。图2为带零断电更换控制器的断路器。

图2 “零断电”更换控制器

该“零断电”更换控制器的出现，是在传统控制器基础上的一种创新，能向用户提供多一种选择。用户可根据自身需要，在承受如上分析的极小的短时保护风险和承受约 1h断电之间作出选择。使用“零断电”更换控制器的用户，也可拉闸断电更换控制器，以断电约 10s的代价换取约10s的保护缺失风险。

随着现代社会发展节奏的不断加快，用户对低压电器也不断提出新的功能需求，低压电器产品的更新必须满足市场的需求，零断电更换控制器的研制就是我们快速满足用户需求的产物。