关于提高AIT供电低压开关可靠性的探讨

(中国空间技术研究院 北京 100094)

一、降低低压开关在应用中故障率的意义

供电可靠性是供配电系统的重要指标，反映了供配电系统对负载需求的满足程度，是衡量科研保障水平的重要指标。随着我院科研水平的发展，用电负荷持续快速增长，用户对供电可靠性的要求愈加严格，而低压开关的故障影响着低压线路的正常运行，不仅降低了供电可靠性，也直接或间接的影响着卫星科研生产。因此，降低低压开关故障率，提高低压开关可靠性，对科研生产、型号研制具有非常重要的意义。

二、低压开关简介

(一)隔离开关简介

隔离开关具备闭合和分断电路的功能，可承载正常回路条件及异常条件(过载、短路)下的电流，但不具备过流过载等保护功能，结构及原理较为简单。

1.内部结构

隔离开关内部通过动静触点接通电路，开关闭合时，动静触点接通。开关断开时，动静触点分离。

(二)空气开关简介

1.空气开关的原理

空气开关是指使用空气作为绝缘介质和灭弧介质的一种开关，又称微型断路器，集控制和多种保护功能于一身，在电路中接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路发生过载、短路等异常情况下进行可靠的保护。其灭弧室采用金属栅片结构，触头系统具有斥力限流机构，因此，断路器具有很高的分断能力和限流能力。

2.空气开关结构

空气开关内部具有双金属片、过流线圈、灭弧阑珊等零件。当线路发生过载时，双金属片温度升高，根据其材质的弯曲特性，双金属片随温度上升而向反方向弯曲，当温度达到一定值时，双金属片完全分离，开关断开。当线路发生短路故障时，感应线圈产生强大磁场，带动内部弹簧瞬时断开。灭弧室采用金属阑珊结构，当开关闭合或分断时，触头间会产生较大电弧，灭弧室的作用就是通过增大散热面积和电弧释放空间使电弧迅速消失，减少电弧产生的负面影响。

3.空气开关的选用原则

(1)空气开关的额定工作电压≥线路额定电压。

(2)空气开关的额定工作电流≥线路负载电流。

(3)热动脱扣器的整定电流=所控制负载的额定电流。

(4)电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流>负载电路正常工作时的峰值电流。

4.空气开关跳闸的方式

空气开关跳闸的方式有2种，即热动脱扣、电磁脱扣，这2种脱扣方法操作原理虽然不同，但都能达到切断电源的目的。

(1)热动脱扣。空气开关在线路发生过载时，内部所安装的热元件会在过载电流的作用下产生热量，当热量传导到空气开关中双金属片的位置时会令金属片受热翘起，形成对搭钩的推动力，而将其与锁扣脱离开来，切断主触头，达到跳闸的目的。

(2)电磁脱扣。空气开关的电磁脱扣是通过电磁脱扣器所产生的吸力来完成的，当线路中电流过载严重时，通过电磁脱扣器的电流会超过设定值，使得电磁脱扣器所产生的吸力提高，这样衔铁就会在吸力的作用下撞击杠杆，使得搭扣与锁扣脱开，锁扣在弹簧的作用下将开关主触头分离。

三、开关跳闸类型

(一)短路跳闸

短路跳闸主要原因：

1.环境湿度大，低压开关长期处于潮湿的环境之中，使开关内部受潮，引起空气开关跳闸。

2.开关动作次数较多造成积碳严重，致使灭弧能力下降，引起自身短路。

3.用户低压三相设备短路故障造成跳闸。

(二)过负荷跳闸

过负荷跳闸主要原因：

1.负荷增长过大，相应开关无法满足新增负荷需求。

2.开关接线工艺欠佳。低压开关的输入、输出电缆为人工接线，存在虚接的潜在可能，进而造成接触点发热，开关温度保护装置动作，或开关内部触点烧毁等问题，造成假性过负荷跳闸。

3.开关出线电缆载流量不足。负荷增大造成电缆发热，其热量传递到开关后致使开关温度保护装置动作，造成假性过负荷跳闸。

四、试验验证

(一)试验一：验证工作年限与开关温度间的关系

试验负载：4.4KW/220V用电设备

测试目的：模拟低压开关工作状态，以通过测试不同使用年限开关运行温度的方式，分析工作年限对开关可靠性的影响。

数据采集设备：FLUKE MT4 MAX红外线测温仪。

对试验电路进行带载试验，负载功率为4.4KW/220V。试验开关带载一小时后测量温度，试验结果见图1。

图1 开关通电1小时温度折线图

结论：上述4台开关均为已拆卸的旧开关，根据试验可知，2008年启用的开关，在通电1小时后温度最高，达到31.1℃，与初始通电温度相比增加4.4℃；2016年启用的开关温度最低，为28.3℃，与初始通电温度相比增加2.7℃；开关温度、温差值均随使用年限呈小幅递减的趋势。

结论分析：已知开关可靠性与使用时间关系较小，但使用时间较长的开关，其动作次数也相应增多，故初步分析，得出以上结论的主要原因是动作次数影响开关温度。

(二)试验二：验证不同品牌开关与开关温度的关系

试验负载：4.4KW/220V用电设备

测试目的：模拟低压开关工作状态，以通过测试不同品牌开关运行温度的方式，分析品牌对开关可靠性的影响。

数据采集设备：FLUKE MT4 MAX红外线测温仪。

对试验电路进行带载试验，负载功率为4.4KW/220V。试验开关带载一小时后测量温度。试验结果见图2。

图2 不同品牌与开关温度对照图

结论：根据试验结果可知，在相同环境温度及通电时间的条件下，品牌1开关较品牌2开关高1.1℃，但温差低0.4℃。

结论分析：根据两种品牌产品手册查得：品牌1低压开关工作温度为-25℃～55℃；品牌2低压开关工作温度为-30℃～70℃，上述实验结果均在合理使用温度范围内。且30℃均为两种品牌开关的基准温度。

(三)试验三：验证不同品牌开关热稳定时间

试验负载：4.4Kw/220V用电设备

试验开关：1台已使用约10年的品牌1开关，1台已使用约10年的品牌2开关，1台全新品牌1开关。3台开关额定电流均为16A。

测试目的：根据中国空间技术研究院标准QJ2574A-98《卫星总装安全要求》4.1.3.a规定：工作区及厂房内的电源设备应符合动力电源负荷能力应超过最大用电负荷50%。即负载额定电流不应大于开关电流的66.6%。为验证低压开关在满足上述要求的条件下，开关温度达到稳定值的时间，进行本次试验。

对试验电路进行带载试验，负载功率为2.2KW/220V。

数据采集设备：FLUKE Ti25热成像仪。

a.对1台已使用约10年的品牌1开关进行带载试验，负载功率为2.2Kw/220V。测试数据每20分钟测量一次。

该开关在带负载通电约1h时，开关温度趋于稳定，温度随时间变化折线图如图3所示。

图3 温度随时间变化折线图

b.对1台全新的品牌1开关进行带载试验，负载功率为2.2Kw/220V。测试数据每20分钟测量一次。

该开关在带负载通电约1h时，开关温度趋于稳定，温度随时间变化折线图如图4所示。

图4 温度随时间变化折线图

(四)试验总结

1.相同品牌、型号、规格的低压开关，开关温度与使用年限(动作次数)成正比，开关温差与使用年限(动作次数)成正比；

2.相同环境温度及通电时间条件下，不同品牌开关的温度及温差相差较小，且均在合理工作范围内。

3.不同品牌开关在带负载通电约1h时，开关温度趋于稳定。

五、提高低压开关在应用中可靠性的建议

(一)定期核查低压开关与负载匹配度

为防止开关规格不满足逐步增多的实际使用需求，造成线路过载的问题。应定期核查低压开关与所带负载的匹配程度，保证开关额定电流不小于负载额定电流。

(二)不定期核查电缆接线等施工工艺问题

低压开关的进线出线均为人工接线，在长期使用时存在接头松动、碳化的可能性，并易导致发热、打火等问题。应不定期核查开关接线工艺。

(三)型号试验前进行开关带载测试

在AIT厂房内进行大型试验前，根据用户需求，可对相应开关进行带载测试1小时，模拟实际工作状态，记录相关实验数据。提高供电可靠性。